高分辨率無線分布式淺層地震儀的設計

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高分辨率無線分布式淺層地震儀的設計

0引言

地震法是地球物理勘探中的重要方法之一，該方法基于地層和巖石的彈性差異，通過觀測人工震源發出的波在不同彈性分界面上產生的反射、折射和透射現象，實現地下地質體的探測[1]。近年來，我國在高鐵、高速公路、機場等基礎建設領域進行了大量的投資，這使得淺層目標的探測越來越受到重視。淺層地震法是該方法的主要探測手段[2,3]。

在淺層地震法中，由于受到人工震源功率的限制，遠端檢波器所接收到的信號通常非常微弱，因此要求儀器具有大動態范圍(大于100 dB)的特點。此外，高鐵地基的探查往往要求儀器具有較高的分辨率，故要求儀器具備多通道(48道、72道等)采集的能力，而目前大多數傳統淺層地震儀采用的是集中式有線測量形式，這一類儀器通常體積較大且笨重，難以實現多通道測量。基于此，本文提出并實現了一種能夠對地震波進行大動態范圍高精度采集，并利用WiFi技術,實現多通道無線分布式測量的淺層地震儀設計方案，具有一定的現實意義。

1系統總體設計

根據淺層地震波信號的特點，儀器的整體方案如圖1所示，主要分為檢波器陣列、分布式采集站、控制終端、PC這4部分。檢波器陣列中的每4個檢波器由一個采集站控制，以進行地震波信號的高精度同步采集，并通過內置GPS模塊實現自定位，以便于后期數據的處理和反演，而采集站之間的同步是利用GPS和恒溫晶振來實現的。所有的采集站利用內置的WiFi通信模塊和控制終端組建一個WiFi無線局域網，實現無線分布式測量。這種方式的優點是便于在不更改儀器硬件配置的情況下，靈活地根據探測需求進行采集道數的調整。控制終端實時采集的數據通過USB接口上傳至PC，而PC主要完成整個儀器系統的控制，并實現基于LabVIEW軟件的人機交互控制。

圖1　儀器整體結構圖

2硬件設計

2.1檢波器

地震檢波器通常埋在地表，可將地震波的振動信號轉化為電路可測的電信號[4]。檢波器一般分為動圈式和壓電式。壓電式多用于海上地震勘探；動圈式主要用于陸地探測，具有結構簡單、可靠性高、靈敏度高等特點[5]。因此，本設計選擇動圈式檢波器，結構如圖2所示。當地震波到達地面引起機械振動時，磁鐵會作相對運動，使得線圈切割磁力線。這時，線圈中相應地產生感生電動勢，將振動信號轉化電壓信

號。由于淺層的信息主要集中在聲波的高頻段，因此應盡可能選用高頻檢波器。本設計采用重慶地質儀器廠的CDJ-Z/P100型檢波器。

圖2　動圈式檢波器結構圖

2.2采集站

單個采集站的內部結構如圖3所示，主要由數據采集板、控制與通信板、內置電池組成。數據采集板完成信號的調理和數模轉換，控制與通信板主要實現采集站的控制、數據存儲和上傳。

圖3　采集站結構圖

2.2.1數據采集板

數據采集板由信號調理電路、模數轉換電路、數字隔離芯片、低噪聲電源組成。信號調理電路的結構如圖4所示。

圖4　采集站信號調理電路結構圖

在野外進行淺層地震信號的采集過程中，由于檢波器輸出的微弱信號容易受到通信電磁波、市電、雜散電流等各種因素的干擾，因此在進行模數轉換前應進行放大和濾波，以提高信號的信噪比。

由于檢波器輸出的信號較微弱，因此可首先利用TI公司的儀表放大器INA129作為前置放大器，對信號進行放大。該放大器的優點是不僅噪聲低，而且其輸入阻抗和共模抑制比均很高，因此非常適合將檢波器輸出的差分信號轉化為單端信號，以便后續的進一步信號處理。由于淺層地震波的頻率主要集中在100～150 Hz范圍內，因此可利用截止頻率為150 Hz的低通濾波器來消除高頻信號的干擾。淺層地震儀在靠近居民區等人文干擾較大的地方進行工程物探時，極其容易受到50 Hz市電的干擾，因此在本設計中設置了雙T型50 Hz陷波電路對干擾進行抑制，并結合低導通電阻的模擬開關ADG1402實現陷波電路的接入控制，以便根據干擾情況進行靈活選擇。程控放大器PGA204用于將濾波處理后的信號放大到合適的程度，以便提高后級ADC的動態范圍，從而盡可能發揮其性能。為進一步提高信號的共模抑制比，在將信號送入ADC之前進行單端轉差分處理，在本設計中采用的是低噪聲差分放大器THS4130。此外，通過在電路的反饋電阻上并聯電容的形式，將該電路配置為低通濾波形式以實現抗混疊濾波。

由于淺層地震波的頻率在音頻范圍內，因此本文選用TI公司的Σ-Δ型24-bit音頻模數轉換器ADS1274進行4路的同步轉換。該ADC的特點是信噪比可達111 dB，僅通過硬件引腳即可實現參數配置，從而大大簡化了其控制程序。在設計中采用幀同步接口(Frame-Sync)進行轉換數據的讀取，數據轉換模式為高分辨率(High-Resolution)模式，且各個通道的輸出順序固定，其參數配置簡圖如圖5所示。當輸入的基本時鐘為20 MHz時，此時的數據輸出率約為39 kHz。

圖5　ADS1274配置圖

由于控制與通信板自身存在大量的開關高頻噪聲，為避免這些噪聲對數據采集板中敏感模擬電路造成干擾，在兩部分電路板之間用隔離芯片ADUM3400/02進行信號線和地線的完全隔離。該系列芯片采用最新的變壓器隔離技術，與傳統的光耦、電容隔離技術相比具有電平轉換選擇靈活、響應速度快等特點，因此特別適合高頻數字信號的隔離。此外，控制與通信板也將使用鑫達飛公司的隔離型DFA(M)5-12D5，以實現電源的完全隔離。

要實現數據采集電路的大動態范圍，模擬電路的電源性能是決定因素之一。為此，本設計中采用“內置電池+低噪聲LDO+低噪聲DC-DC芯片”的模式進行供電，該方案雖然犧牲一部分供電效率，但提供了噪聲極低的模擬電路電源。其中正電源由LDO芯片TPS7A4901提供，負電源由DC-DC芯片LT1931、LDO芯片TPS7A3001提供。

2.2.2控制與通信板

控制與通信板由FPGA及外設、控制器、WiFi模塊、GPS模塊組成。其中，FPGA采用EP3C40Q240，用于完成ADC輸出的高速大容量數據的采集、數字處理、存儲；控制器采用低功耗ARM-Cotex芯片STM32F103ZET；為保證控制器讀取的數據能夠快速進行本地存儲，在設計中選用高速型SD卡作為存儲器，并采用比傳統SPI接口傳輸速度更快的SDIO接口。當ADS1274的采樣率為39 kHz，根據當前的配置，此時轉換數據的輸出速度如式(1)所示：

39 kS/s×12 B/S=468 kB/s

(1)

顯然，通過控制器自帶的硬件SPI接口，很難在數據包不丟失的情況下直接讀取這樣的高速數據。因此，本設計采用了如圖6所示的架構，來解決這一關鍵問題。首先，利用FIFO將數據緩存至SDRAM中，與此同時，利用FPGA的并行特性在STM32F103ZET內部建立SDRAM、FIFO與高速SD卡之間的DMA通道。通過這種兩級緩存架構，能夠有效解決高速ADC與低速控制器之間的速度匹配問題。

圖6　ADS1274高速數據緩存與存儲示意圖

WiFi是一種基于IEEE 802.11標準的無線局域網數據傳輸技術與規范，在開放空間里，其傳輸距離可以達到200～300 m，傳輸速率為54 Mbit/s[6-7]，因此非常適用于野外地震數據分布式采集。為降低開發難度，本設計選用USI公司的WM-G-MR-09模塊[8]。該模塊的待機功耗僅為7 μA，且屏蔽了具體的基帶協議，用戶僅需通過SPI接口即可實現控制。WM-G-MR-09通信電路示意圖如圖7所示。利用STM32的硬件SPI接口進行控制：G-SPI_ClK、G-SPI_SDO、G-SPI_SDI、G_SPI_SCSn分別為模塊SPI接口的時鐘、數據輸出、數據輸入、片選引腳；PDn則為整個模塊的使能引腳，用于開啟或關閉該模塊；RF_PORT為天線的輸出接口。

圖7　通信電路示意圖

在本設計中進行WiFi局域網搭建時，采用基礎模式的網絡拓撲結構[9]。當各采集站數據采集完畢后，通過各自的WiFi模塊將數據上傳至控制終端中的接入點設備(access point,AP)，最后由AP將數據傳至PC機。

3軟件設計

儀器軟件主要包括采集站WiFi通信軟件和上位機軟件。采集站WiFi通信流程圖如圖8所示。

圖8　采集站WiFi通信流程圖

WiFi通信軟件主要完成WiFi模塊控制，其流程如下。①控制器首先初始化其自身的SPI接口，以便對模塊進行控制。②控制器通過使能信號PDn使模塊上電開始工作；然后配置模塊的網絡參數，如IP地址、網關、監聽端口號等，使其在局域網絡中具有唯一地址，以便控制終端下傳的命令能夠轉發到正確的采集站。③當模塊搜索到控制終端的中心網絡后，發出握手請求，當握手成功并加入網絡后，模塊所在采集站開始發送狀態參數，如數據采集板自檢參數、供電狀態等。④待控制終端確認站點狀態正常后，采集站將處于正常工作狀態，可以接收PC命令或發送采集數據。

當淺層地震儀長時間在野外工作時，要求儀器盡可能降低功耗，而WiFi模塊長時間處于待機狀態時會消耗大量電池能量。因此，在儀器中設計了以“心跳監測”為核心的省電策略。當采集站處于待機狀態時，WiFi模塊定時開啟并向上位機發送包含當前的狀態參數的心跳包，收到確認回復后自動進入低功耗模式，從而可以大大降低功耗，提高整個儀器的待機時間。

上位機軟件采用LabVIEW軟件進行編寫，該軟件的特點是開發難度小、周期短、界面直觀[10]。該軟件可實現儀器的狀態監控、參數設置、采集站控制、數據的實時顯示等功能。

4測試

室內測試主要進行儀器本底噪聲、動態范圍、通道一致性的測試。儀器本底噪聲測試采用72通道采集通道輸入端短路的形式進行。其中，10通道的結果如圖9所示。結果表明噪聲水平低于10 μV。

圖9　數據采集電路噪聲水平示意圖

儀器的動態范圍測試采用輸入頻率為100 Hz正弦波的形式進行，系統測到的最大和最小信號幅度分別為12 μV和2.48 V，則動態范圍為106 dB。通道的一致性測試采用72個通道分組同時接入頻率為100 Hz的正弦波信號進行，測試結果表明幅度的一致性優于1.2%，相位一致性優于1%。

野外測試主要進行儀器整體性能測試，圖10是儀器在廣西某油庫建設現場開展地震折射法(24道)的探測結果，分別為地震波成像圖和反演結果。觀察結果可知，該區域分層信息明顯：第一層為覆蓋層，中間層為中等分化基巖，底層為基巖層。該結果與現場鉆探結果一致，從而驗證了儀器測量結果的有效性。

圖10　某地探測結果示意圖

5結束語

本文在淺層地震法原理的基礎上，設計并實現了基于WiFi的高分辨率無線分布式淺層地震儀，并分別經過了室內電路和野外探測性能測試。結果表明，儀器通過采用Σ-Δ型A/D轉換技術，實現了對地震信號的高精度采集：噪聲水平低于10 μV，動態范圍為106 dB，幅度的一致性優于1.2%，相位一致性優于1%；利用WiFi技術，實現了多達72道數據的同步高分辨率采集，大大減小了儀器體積，適用于多種場合。

參考文獻

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Design of the Wireless Distributed Shallow Seismograph with High Resolution

李旭1,2童喬凌2

(武漢職業技術學院電子信息工程學院1，湖北 武漢430074；華中科技大學光學與電子信息學院2，湖北 武漢430074)

摘要：針對淺層地震法中傳統集中式儀器存在的問題，設計了高分辨率無線分布式淺層地震儀。儀器硬件由動圈式檢波器陣列、分布式采集站、控制終端、PC組成。測試結果表明，儀器實現了對微弱地震波信號的高分辨率采集，且能通過WiFi局域網將多達72道的數據上傳至PC，并利用LabVIEW軟件進行實時顯示。該儀器具有體積小、動態范圍大、采集道數多等特點，特別適合在高鐵、高速公路、機場等熱點基礎建設領域中使用。

關鍵詞：地震儀測量信號采集檢波器無線網絡局域網數據控制軟硬件設計轉換電路

Abstract：Aimed at the problems existing in the traditional centralized instrument for measurement method of superficial seismic,a wireless distributed superficial seismograph with high resolution is designed.The hardware of the instrument consists of moving-coil geophone array,distributed acquisition station,controlling terminal and PC.The test results indicate that the instrument realizes high resolution acquisition of weak seismic wave signals,and uploads as much as 72-channel data to PC via WiFi LAN,furthermore,it proceeds real-time display by means of LabVIEW software.The instrument has prominent characteristics such as small volume,large dynamic range,more channels of data acquisition ,and so on,which is particularly suitable for applications of high-speed railway,highway,airport and other current popular infrastructure.

Keywords:SeismographMeasurementSignal acquisitionDetectorWireless networkLocal area network (LAN)DataControlThe hardware and software designConversion circuit

中圖分類號：TP216；TH6

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604021

國家自然科學基金儀器專項基金資助項目(編號：40727001)；

中央高校基本科研業務費專項基金資助項目(編號：CUG110822)。

修改稿收到日期：2015-05-21。

第一作者李旭(1961-)，男，1991年畢業于華中理工大學電子應用技術專業，獲學士學位，副教授；主要從事通信儀器的研究。