高精度分布式面波地震儀

王書純， 黃用勤， 葛 健， 陳 珺

(中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）自動化學(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)的彈性差異來實現(xiàn)目標(biāo)探測，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)傳輸過程中，在波阻抗界面形成反射或者折射來進(jìn)行探測。該類地震儀對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。對此，面波法被提出來改進(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；且利用其頻散特性，可同時對地震波在地層中的運動學(xué)和動力學(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)生強人工震源不同，面波地震儀主要面向工程現(xiàn)場應(yīng)用。為保證安全，震源只能采用重錘產(chǎn)生，因此所產(chǎn)生地震波信號較微弱，同時也特別容易受到周圍振動噪聲的影響，這就對儀器在強干擾背景下的微弱信號檢測能力提出了更高要求，雖然部分單位通過弱信號提取電路的優(yōu)化來改善這一問題，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。針對上述問題，本文設(shè)計一種面向工程應(yīng)用的高精度分布式面波地震儀，可以滿足面波法對儀器的特殊需求：通過采用數(shù)字檢波器以提高地震波信號的檢測帶寬；通過純數(shù)字濾波與采集設(shè)計，來提高強干擾背景下的弱信號提取能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于面波地震法的探測原理，分布式面波地震儀的系統(tǒng)設(shè)計如圖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、控制中心站組成，該陣列的長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)點通過數(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，利用無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)娇刂浦行牡腜C機進(jìn)行進(jìn)一步處理，由于檢波器接收到的地震波信號同時包含了反射波、折射波以及面波，通過設(shè)置合適的采樣啟動時間即可提取到面波信號。最后將面波信號進(jìn)行頻散處理得到地層信息。

2 儀器設(shè)計

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）即可滿足要求[9-11]；而面波則要求檢波器具有大動態(tài)范圍、寬頻帶響應(yīng)能力。為此本文設(shè)計了基于閉環(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的平衡變化來檢測地震波信號，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，可將振動加速度信號轉(zhuǎn)換為電容比變化信號；伺服電路則將電容比信號轉(zhuǎn)化為可測的加速度電信號，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)保證陣列長度不小于目標(biāo)深度；同時在施工現(xiàn)場周圍應(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

由于數(shù)字面波檢波器直接輸出的是數(shù)字信號，與模擬檢波器相比，并不需要信號調(diào)理電路。但仍然需要對一位數(shù)據(jù)流信號進(jìn)行數(shù)字濾波[12]，同時將其變化為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。對此，本文設(shè)計一種基于FPGA的數(shù)據(jù)采集節(jié)點，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點

每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點通過有線的方式可掛載5個數(shù)字檢波器，安裝在重錘上的觸發(fā)器可以檢測到震源發(fā)出人工地震波信號，并觸發(fā)控制器開始數(shù)據(jù)采集和處理；節(jié)點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

由于在面波信號的采集中，檢波器雖然會對面波以外的信號進(jìn)行有效抑制，但仍還會引入轉(zhuǎn)換波、縱橫波以及作業(yè)現(xiàn)場周邊的機械振動信號，因此數(shù)字濾波器不僅要實現(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濾波器來實現(xiàn)[13]。對于CIC濾波器，其特殊結(jié)構(gòu)使該類型濾波器主要面向于采樣速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號頻率的情況；而對于FIR半帶濾波器，其通阻帶對稱性使該濾波器在2倍抽取和內(nèi)插濾波器中較為適用。此外，為了滿足抽取倍數(shù)要求，也可以通過濾波器串聯(lián)的方式來實現(xiàn)。但由于面波信號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，運算量很大，一般的單片機難以滿足運算要求，本文采用FPGA實現(xiàn)數(shù)字濾波器算法，以滿足快速處理要求，設(shè)計的多相分解結(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)場也有可能存在起重器、打樁機、壓路機等帶有大量振動噪聲的設(shè)備，因此在實現(xiàn)抽取后，還要進(jìn)行有針對性的背景噪聲抑制。由于通常振動噪聲的頻帶集中在5～10 Hz之間，因此本文利用FIR濾波器的IP核實現(xiàn)了振動噪聲陷波器的設(shè)計，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，針對反射波和折射波，本文設(shè)計了帶寬為600 Hz的帶通濾波器，以進(jìn)一步提高面波信號的信噪比，該濾波器利用Matlab中的FDAtool工具來實現(xiàn)。在設(shè)計過程中，首先對濾波器的帶寬、階數(shù)、窗口類型進(jìn)行配置，然后利用Simulink進(jìn)行性能分析，最后利用DSP Builder來生成相應(yīng)的Verilog語言。

由于每個采集節(jié)點可同時掛接5路檢波器，因此當(dāng)對多路24 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，由于STM32的并行處理有限，因此必須保證處理帶寬足夠高，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。對此，本設(shè)計提出了一種基于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)場容易受到小型電臺等信號源的干擾，而GPRS通信難以滿足速率和帶寬要求，因此本設(shè)計采用了最新的4G模塊U8300來進(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。可配置為GSM、GPRS、CDMA、TD-SCDMA、LTE等模式，對網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力較強。由于采用的AT指令集，因此通信操作較為簡單。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)場的待機時間，可通過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)點所獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)由4G模塊傳輸?shù)娇刂浦行恼荆⒂芍行目刂栖浖韺崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集的控制和處理顯示。軟件的人機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)、文件存儲區(qū)。軟件工作流程如圖6所示。

圖6 儀器工作流程圖

4 測 試

為驗證本儀器的探測性能，將本文研制的儀器在某高層建筑地基施工現(xiàn)場進(jìn)行了測試，測試結(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，驗證了本文儀器的功能。

5 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)折射波或反射波地震法存在的問題，在面波法探測理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種高準(zhǔn)確度分布式面波地震儀，該系統(tǒng)具有接收信號能量強、人機交互簡單友好、對地下分層信息分辨率高等優(yōu)勢。利用該系統(tǒng)在某高層建筑地基施工現(xiàn)場進(jìn)行了實際測試，測試結(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)場探測結(jié)果

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