高精度分布式面波地震儀

王書(shū)純， 黃用勤， 葛 健， 陳 珺

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

地震法是基于地震波的折射或反射原理，利用地下介質(zhì)的彈性差異來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)，目前是地球物理工程勘探的主要方法之一[1-4]，在大型基建工程中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的地震儀是利用人工震源產(chǎn)生的地震波在地下介質(zhì)傳輸過(guò)程中，在波阻抗界面形成反射或者折射來(lái)進(jìn)行探測(cè)。該類(lèi)地震儀對(duì)波阻抗差異較小的地下介質(zhì)的分辨率較低，特別是折射法的應(yīng)用前提是要求上層介質(zhì)的波速小于下層介質(zhì)的波速。對(duì)此，面波法被提出來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)方法的不足。面波是介質(zhì)分層處由橫波和縱波互干涉形成的合成波，主要在地表傳播，因此能量較強(qiáng)；且利用其頻散特性，可同時(shí)對(duì)地震波在地層中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，因此具有更高的分辨率，且受到的限制也更少[5-6]。所以，有必要開(kāi)展基于面波法的地震儀研究。

與傳統(tǒng)地震儀可采用炸藥等方式產(chǎn)生強(qiáng)人工震源不同，面波地震儀主要面向工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。為保證安全，震源只能采用重錘產(chǎn)生，因此所產(chǎn)生地震波信號(hào)較微弱，同時(shí)也特別容易受到周?chē)駝?dòng)噪聲的影響，這就對(duì)儀器在強(qiáng)干擾背景下的微弱信號(hào)檢測(cè)能力提出了更高要求，雖然部分單位通過(guò)弱信號(hào)提取電路的優(yōu)化來(lái)改善這一問(wèn)題，但效果并不明顯[7-8]。其次，面波主要是利用地震波在不均勻土層中的頻散特性來(lái)劃分介質(zhì)結(jié)構(gòu)，因此要求儀器具有寬帶接收能力。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種面向工程應(yīng)用的高精度分布式面波地震儀，可以滿(mǎn)足面波法對(duì)儀器的特殊需求：通過(guò)采用數(shù)字檢波器以提高地震波信號(hào)的檢測(cè)帶寬；通過(guò)純數(shù)字濾波與采集設(shè)計(jì)，來(lái)提高強(qiáng)干擾背景下的弱信號(hào)提取能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于面波地震法的探測(cè)原理，分布式面波地震儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由數(shù)字面波檢波器陣列、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、控制中心站組成，該陣列的長(zhǎng)度即為檢波器間距的總和。

圖1 分布式面波地震儀方案

在儀器啟動(dòng)后，首先由人工操作重錘產(chǎn)生震源，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)數(shù)字檢波器陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換。然后，利用無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行牡腜C機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理，由于檢波器接收到的地震波信號(hào)同時(shí)包含了反射波、折射波以及面波，通過(guò)設(shè)置合適的采樣啟動(dòng)時(shí)間即可提取到面波信號(hào)。最后將面波信號(hào)進(jìn)行頻散處理得到地層信息。

2 儀器設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字面波檢波器

在經(jīng)典的地震折射法或反射法中，信號(hào)頻譜單一、作業(yè)背景干擾較少，因此一般采用傳統(tǒng)的模擬檢波器（如電磁感應(yīng)式、壓電式等）即可滿(mǎn)足要求[9-11]；而面波則要求檢波器具有大動(dòng)態(tài)范圍、寬頻帶響應(yīng)能力。為此本文設(shè)計(jì)了基于閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字檢波器，傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 面波數(shù)字檢波器原理圖

該傳感器直接以電信號(hào)的平衡變化來(lái)檢測(cè)地震波信號(hào)，主要包括MEMS加速度傳感器、伺服電路、靜電力反饋3部分。利用加速度傳感器中的質(zhì)量塊，可將振動(dòng)加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電容比變化信號(hào)；伺服電路則將電容比信號(hào)轉(zhuǎn)化為可測(cè)的加速度電信號(hào)，并利用∑-Δ單元將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流；靜電力反饋則是用于將加速度電信號(hào)作為輸入，迫使質(zhì)量體恢復(fù)為平衡狀態(tài)。該傳感器的動(dòng)態(tài)范圍大于120 dB，頻響大于600 Hz，等效輸入噪聲小于900 ng（RMS，600 Hz帶寬內(nèi)），失真度低于0.003%。

在檢波器布置中，應(yīng)保證陣列長(zhǎng)度不小于目標(biāo)深度；同時(shí)在施工現(xiàn)場(chǎng)周?chē)鷳?yīng)盡可能遠(yuǎn)離墻體，以降低地震波反射或折射的可能性。

2.2 分布式數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

由于數(shù)字面波檢波器直接輸出的是數(shù)字信號(hào)，與模擬檢波器相比，并不需要信號(hào)調(diào)理電路。但仍然需要對(duì)一位數(shù)據(jù)流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波[12]，同時(shí)將其變化為24 bit的并行數(shù)據(jù)；此外，由于面波通常要求的檢波器數(shù)量較多，數(shù)據(jù)處理難度大。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)一種基于FPGA的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

每個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線的方式可掛載5個(gè)數(shù)字檢波器，安裝在重錘上的觸發(fā)器可以檢測(cè)到震源發(fā)出人工地震波信號(hào)，并觸發(fā)控制器開(kāi)始數(shù)據(jù)采集和處理；節(jié)點(diǎn)控制器采用低功耗的STM32，用于數(shù)字濾波器的參數(shù)配置，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)4G通信模塊，發(fā)送到控制中心站。

2.2.1 數(shù)字濾波器

由于在面波信號(hào)的采集中，檢波器雖然會(huì)對(duì)面波以外的信號(hào)進(jìn)行有效抑制，但仍還會(huì)引入轉(zhuǎn)換波、縱橫波以及作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)周邊的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，因此數(shù)字濾波器不僅要實(shí)現(xiàn)1 bit數(shù)據(jù)流到24 bit并行數(shù)據(jù)的抽取轉(zhuǎn)換，還要對(duì)上述干擾進(jìn)行抑制。數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通常，抽取濾波器可以用FIR半帶濾波器或CIC濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)[13]。對(duì)于CIC濾波器，其特殊結(jié)構(gòu)使該類(lèi)型濾波器主要面向于采樣速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)頻率的情況；而對(duì)于FIR半帶濾波器，其通阻帶對(duì)稱(chēng)性使該濾波器在2倍抽取和內(nèi)插濾波器中較為適用。此外，為了滿(mǎn)足抽取倍數(shù)要求，也可以通過(guò)濾波器串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。但由于面波信號(hào)主要集中在地震波的高頻段10～100 Hz，當(dāng)檢波器數(shù)量較多時(shí)，運(yùn)算量很大，一般的單片機(jī)難以滿(mǎn)足運(yùn)算要求，本文采用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器算法，以滿(mǎn)足快速處理要求，設(shè)計(jì)的多相分解結(jié)構(gòu)的抽取數(shù)字濾波器如圖5所示。

圖4 數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)

圖5 多相抽取濾波器結(jié)構(gòu)

由于在工程現(xiàn)場(chǎng)也有可能存在起重器、打樁機(jī)、壓路機(jī)等帶有大量振動(dòng)噪聲的設(shè)備，因此在實(shí)現(xiàn)抽取后，還要進(jìn)行有針對(duì)性的背景噪聲抑制。由于通常振動(dòng)噪聲的頻帶集中在5～10 Hz之間，因此本文利用FIR濾波器的IP核實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)噪聲陷波器的設(shè)計(jì)，其阻帶為3～12 Hz，增益大約為-40 dB。

在背景噪聲抑制的基礎(chǔ)上，針對(duì)反射波和折射波，本文設(shè)計(jì)了帶寬為600 Hz的帶通濾波器，以進(jìn)一步提高面波信號(hào)的信噪比，該濾波器利用Matlab中的FDAtool工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先對(duì)濾波器的帶寬、階數(shù)、窗口類(lèi)型進(jìn)行配置，然后利用Simulink進(jìn)行性能分析，最后利用DSP Builder來(lái)生成相應(yīng)的Verilog語(yǔ)言。

由于每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)可同時(shí)掛接5路檢波器，因此當(dāng)對(duì)多路24 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，由于STM32的并行處理有限，因此必須保證處理帶寬足夠高，否則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。對(duì)此，本設(shè)計(jì)提出了一種基于FIFO和SDRAM結(jié)合的數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)。

2.2.2 控制板

控制板主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集站的控制和數(shù)據(jù)傳輸。由于面波數(shù)據(jù)量較大，因此傳統(tǒng)的高頻通信在現(xiàn)場(chǎng)容易受到小型電臺(tái)等信號(hào)源的干擾，而GPRS通信難以滿(mǎn)足速率和帶寬要求，因此本設(shè)計(jì)采用了最新的4G模塊U8300來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該模塊主要包含射頻單元、模擬基帶單元、數(shù)字基帶單元，其下行速度可達(dá)100 Mb/s，上行速度可達(dá)50 Mb/s?？膳渲脼镚SM、GPRS、CDMA、TD-SCDMA、LTE等模式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力較強(qiáng)。由于采用的AT指令集，因此通信操作較為簡(jiǎn)單。U8300的復(fù)位有RESET引腳復(fù)位、AT指令復(fù)位兩種模式。為了盡可能提高儀器在現(xiàn)場(chǎng)的待機(jī)時(shí)間，可通過(guò)AT指令“AT+CFUN=1”將4G模塊設(shè)置為飛行模式。

3 控制中心站軟件

分布式數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)所獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)由4G模塊傳輸?shù)娇刂浦行恼?，并由中心控制軟件?lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的控制和處理顯示。軟件的人機(jī)交互界面主要分為頻散曲線顯示區(qū)、采集參數(shù)配置區(qū)、文件存儲(chǔ)區(qū)。軟件工作流程如圖6所示。

圖6 儀器工作流程圖

4 測(cè) 試

為驗(yàn)證本儀器的探測(cè)性能，將本文研制的儀器在某高層建筑地基施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。圖7（a）為面波（S波）偏移剖面，圖7（b）為相應(yīng)的反演結(jié)果，根據(jù)反演結(jié)果可以在地下13～40 m、43～76 m范圍內(nèi)分別看到清晰的覆蓋層與半風(fēng)化層、半風(fēng)化層與基巖間的分層界面，該結(jié)果與直接打鉆結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文儀器的功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)折射波或反射波地震法存在的問(wèn)題，在面波法探測(cè)理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種高準(zhǔn)確度分布式面波地震儀，該系統(tǒng)具有接收信號(hào)能量強(qiáng)、人機(jī)交互簡(jiǎn)單友好、對(duì)地下分層信息分辨率高等優(yōu)勢(shì)。利用該系統(tǒng)在某高層建筑地基施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明儀器采集數(shù)據(jù)處理后的反演結(jié)果與地下分層信息基本一致。該系統(tǒng)在大型水電站、高速鐵路、超高層大樓等工程中具有一定的應(yīng)用前景。

圖7 某高層建筑地基施工現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果

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