高分辨率無線分布式淺層地震儀的設(shè)計(jì)
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李 旭1，2 童喬凌 2
（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院1，湖北武漢430074；華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院2，湖北武漢430074）
摘要：針對(duì)淺層地震法中傳統(tǒng)集中式儀器存在的問題，設(shè)計(jì)了高分辨率無線分布式淺層地震儀。儀器硬件由動(dòng)圈式檢波器陣列、分布式采集站、控制終端、PC組成。測(cè)試結(jié)果表明，儀器實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱地震波信號(hào)的高分辨率采集，且能通過WiFi局域網(wǎng)將多達(dá)72道的數(shù)據(jù)上傳至PC，并利用Lab VIEW軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。該儀器具有體積小、動(dòng)態(tài)范圍大、采集道數(shù)多等特點(diǎn)，特別適合在高鐵、高速公路、機(jī)場(chǎng)等熱點(diǎn)基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域中使用。
關(guān)鍵詞：地震儀測(cè)量信號(hào)采集檢波器無線網(wǎng)絡(luò)局域網(wǎng)數(shù)據(jù)控制軟硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路
中圖分類號(hào)：TP216；TH6 DOI：10.16086/j．cnki．issnl000 - 0380. 201604021
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(cè)人工震源發(fā)出的波在不同彈性分界面上產(chǎn)生的反射、折射和透射現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)地下地質(zhì)體的探測(cè)。近年來，我國(guó)在高鐵、高速公路、機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的投資，這使得淺層目標(biāo)的探測(cè)越來越受到重視。淺層地震法是該方法的主要探測(cè)手段。
在淺層地震法中，由于受到人工震源功率的限制，遠(yuǎn)端檢波器所接收到的信號(hào)通常非常微弱，因此要求儀器具有大動(dòng)態(tài)范圍（大于100 dB）的特點(diǎn)。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(shù)傳統(tǒng)淺層地震儀采用的是集中式有線測(cè)量形式，這一類儀器通常體積較大且笨重，難以實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)量。基于此，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種能夠?qū)Φ卣鸩ㄟM(jìn)行大動(dòng)態(tài)范圍高精度采集，并利用WiFi技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多通道無線分布式測(cè)量的淺層地震儀設(shè)計(jì)方案，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)淺層地震波信號(hào)的特點(diǎn)，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(gè)檢波器由一個(gè)采集站控制，以進(jìn)行地震波信號(hào)的高精度同步采集，并通過內(nèi)置GPS模塊實(shí)現(xiàn)自定位，以便于后期數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)的。所有的采集站利用內(nèi)置的WiFi通信模塊和控制終端組建一個(gè)WiFi無線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無線分布式測(cè)量。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是便于在不更改儀器硬件配置的情況下，靈活地根據(jù)探測(cè)需求進(jìn)行采集道數(shù)的調(diào)整�？刂平K端實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過USB接口上傳至PC，而PC主要完成整個(gè)儀器系統(tǒng)的控制，并實(shí)現(xiàn)基于Lab VIEW軟件的人機(jī)交互控制。
2硬件設(shè)計(jì)
2.1檢波器
地震檢波器通常埋在地表，可將地震波的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電路可測(cè)的電信號(hào)。檢波器一般分為動(dòng)圈式和壓電式。壓電式多用于海上地震勘探；動(dòng)圈式主要用于陸地探測(cè)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、靈敏度高等特點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)選擇動(dòng)圈式檢波器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)地面引起機(jī)械振動(dòng)時(shí)，磁鐵會(huì)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得線圈切割磁力線。這時(shí)，線圈中相應(yīng)地產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化電壓信號(hào)。由于淺層的信息主要集中在聲波的高頻段，因此應(yīng)盡可能選用高頻檢波器。本設(shè)計(jì)采用重慶地質(zhì)儀器廠的CDJ - Z/P100型檢波器。
2.2采集站
單個(gè)采集站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由數(shù)據(jù)采集板、控制與通信板、內(nèi)置電池組成。數(shù)據(jù)采集板完成信號(hào)的調(diào)理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，控制與通信板主要實(shí)現(xiàn)采集站的控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上傳。
2. 2.1數(shù)據(jù)采集板
數(shù)據(jù)采集板由信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字隔離芯片、低噪聲電源組成。信號(hào)調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示。
在野外進(jìn)行淺層地震信號(hào)的采集過程中，由于檢波器輸出的微弱信號(hào)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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前應(yīng)進(jìn)行放大和濾波，以提高信號(hào)的信噪比。
由于檢波器輸出的信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。該放大器的優(yōu)點(diǎn)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(hào)轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)，以便后續(xù)的進(jìn)一步信號(hào)處理。由于淺層地震波的頻率主要集中在100~150 Hz范圍內(nèi)，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(hào)的干擾。淺層地震儀在靠近居民區(qū)等人文干擾較大的地方進(jìn)行工程物探時(shí)，極其容易受到50 Hz市電的干擾，因此在本設(shè)計(jì)中設(shè)置了雙T型50 Hz陷波電路對(duì)干擾進(jìn)行抑制，并結(jié)合低導(dǎo)通電阻的模擬開關(guān)ADG1402實(shí)現(xiàn)陷波電路的接入控制，以便根據(jù)干擾情況進(jìn)行靈活選擇。程控放大器PGA204用于將濾波處理后的信號(hào)放大到合適的程度，以便提高后級(jí)ADC的動(dòng)態(tài)范圍，從而盡可能發(fā)揮其性能。為進(jìn)一步提高信號(hào)的共模抑制比，在將信號(hào)送人ADC之前進(jìn)行單端轉(zhuǎn)差分處理，在本設(shè)計(jì)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(lián)電容的形式，將該電路配置為低通濾波形式以實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波。
由于淺層地震波的頻率在音頻范圍內(nèi)，因此本文選用TI公司的∑-△型24 - bit音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1274進(jìn)行4路的同步轉(zhuǎn)換。該ADC的特點(diǎn)是信噪比可達(dá)111 dB，僅通過硬件引腳即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置，從而大大簡(jiǎn)化了其控制程序。在設(shè)計(jì)中采用幀同步接口( Frame - Sync)進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式為高分辨率( High - Resolution)模式，且各個(gè)通道的輸出順序固定，其參數(shù)配置簡(jiǎn)圖如圖5所示。當(dāng)輸入的基本時(shí)鐘為20 MHz時(shí)，此時(shí)的數(shù)據(jù)輸出率約為39 kHz。
由于控制與通信板自身存在大量的開關(guān)高頻噪聲，為避免這些噪聲對(duì)數(shù)據(jù)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(jìn)行信號(hào)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(shù)，與傳統(tǒng)的光耦、電容隔離技術(shù)相比具有電平轉(zhuǎn)換選擇靈活、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，因此特別適合高頻數(shù)字信號(hào)的隔離。此外，控制與通信板也將使用鑫達(dá)飛公司的隔離型DFA(M)5 -12D5，以實(shí)現(xiàn)電源的完全隔離。
要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集電路的大動(dòng)態(tài)范圍，模擬電路的電源性能是決定因素之一。為此，本設(shè)計(jì)中采用“內(nèi)置電池+低噪聲LDO+低噪聲DC - DC芯片”的模式進(jìn)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(fù)電源由DC - DC芯片LT1931、LDO芯片TPS7 A3001提供。
2.2.2控制與通信板
控制與通信板由FPGA及外設(shè)、控制器、WiFi模塊、GPS模塊組成。其中，F(xiàn)PGA采用EP3 C40Q240，用于完成ADC輸出的高速大容量數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字處理、存儲(chǔ)；控制器采用低功耗ARM – Co tex芯片STM32F103ZET;為保證控制器讀取的數(shù)據(jù)能夠快速進(jìn)行本地存儲(chǔ)，在設(shè)計(jì)中選用高速型SD卡作為存儲(chǔ)器，并采用比傳統(tǒng)SPI接口傳輸速度更快的SDIO接口。當(dāng)ADS1274的采樣率為39 kHz，根據(jù)當(dāng)前的配置，此時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出速度如式(1)所示：
顯然，通過控制器自帶的硬件SPI接口，很難在數(shù)據(jù)包不丟失的情況下直接讀取這樣的高速數(shù)據(jù)。因此，本設(shè)計(jì)采用了如圖6所示的架構(gòu)，來解決這一關(guān)鍵問題。首先，利用FIFO將數(shù)據(jù)緩存至SDRAM中，與此同時(shí)，利用FPGA的并行特性在STM32F103ZET內(nèi)部建立SDRAM、FIFO與高速SD卡之間的DMA通道。通過這種兩級(jí)緩存架構(gòu)，能夠有效解決高速ADC與低速控制器之間的速度匹配問題。
Wi Fi是一種基于IEEE 802. 11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與規(guī)范，在開放空間里，其傳輸距離可以達(dá)到200~300 m，傳輸速率為54 M bit/s，因此非常適用于野外地震數(shù)據(jù)分布式采集。為降低開發(fā)難度，本設(shè)計(jì)選用USI公司的WM -G- MR - 09模塊。該模塊的待機(jī)功耗僅為7μA，且屏蔽了具體的基帶協(xié)議，用戶僅需通過SPI接口即可實(shí)現(xiàn)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(jìn)行控制：G- SPI_ CIK．G - SPI_SDO、G- SPI_SDI、G_SPI_ SC S n分別為模塊SPI接口的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸入、片選引腳；PD n則為整個(gè)模塊的使能引腳，用于開啟或關(guān)閉該模塊；RF_PORT為天線的輸出接口。
在本設(shè)計(jì)中進(jìn)行WiFi局域網(wǎng)搭建時(shí)，采用基礎(chǔ)模式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)各采集站數(shù)據(jù)采集完畢后，通過各自的WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至控制終端中的接入點(diǎn)設(shè)備( access point，AP)，最后由AP將數(shù)據(jù)傳至PC機(jī)。
3軟件設(shè)計(jì)
儀器軟件主要包括采集站W(wǎng)i Fi通信軟件和上位機(jī)軟件。采集站W(wǎng)iFi通信流程圖如圖8所示。
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(duì)模塊進(jìn)行控制。②控制器通過使能信號(hào)PD n使模塊上電開始工作；然后配置模塊的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如IP地址、網(wǎng)關(guān)、監(jiān)聽端口號(hào)等，使其在局域網(wǎng)絡(luò)中具有唯一地址，以便控制終端下傳的命令能夠轉(zhuǎn)發(fā)到正確的采集站。③當(dāng)模塊搜索到控制終端的中心網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)出握手請(qǐng)求，當(dāng)握手成功并加入網(wǎng)絡(luò)后，模塊所在采集站開始發(fā)送狀態(tài)參數(shù)，如數(shù)據(jù)采集板自檢參數(shù)、供電狀態(tài)等。④待控制終端確認(rèn)站點(diǎn)狀態(tài)正常后，采集站將處于正常工作狀態(tài)，可以接收PC命令或發(fā)送采集數(shù)據(jù)。
當(dāng)淺層地震儀長(zhǎng)時(shí)間在野外工作時(shí)，要求儀器盡可能降低功耗，而WiFi模塊長(zhǎng)時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)會(huì)消耗大量電池能量。因此，在儀器中設(shè)計(jì)了以“心跳監(jiān)測(cè)”為核心的省電策略。當(dāng)采集站處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，WiFi模塊定時(shí)開啟并向上位機(jī)發(fā)送包含當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)的心跳包，收到確認(rèn)回復(fù)后自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，從而可以大大降低功耗，提高整個(gè)儀器的待機(jī)時(shí)間。
上位機(jī)軟件采用Lab VIEW軟件進(jìn)行編寫，該軟件的特點(diǎn)是開發(fā)難度小、周期短、界面直觀。該軟件可實(shí)現(xiàn)儀器的狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、采集站控制、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示等功能。
4測(cè)試
室內(nèi)測(cè)試主要進(jìn)行儀器本底噪聲、動(dòng)態(tài)范圍、通道一致性的測(cè)試。儀器本底噪聲測(cè)試采用72通道采集通道輸入端短路的形式進(jìn)行。其中，10通道的結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明噪聲水平低于10μV。
儀器的動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試采用輸入頻率為100 Hz正弦波的形式進(jìn)行，系統(tǒng)測(cè)到的最大和最小信號(hào)幅度分別為12μ V和2.48 V，則動(dòng)態(tài)范圍為106 dB。通道的一致性測(cè)試采用72個(gè)通道分組同時(shí)接人頻率為100 Hz的正弦波信號(hào)進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果表明幅度的一致性優(yōu)于1.2%，相位一致性優(yōu)于1%。
野外測(cè)試主要進(jìn)行儀器整體性能測(cè)試，圖10是儀器在廣西某油庫建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)開展地震折射法（24道）的探測(cè)結(jié)果，分別為地震波成像圖和反演結(jié)果。觀察結(jié)果可知，該區(qū)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(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)鉆探結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了儀器測(cè)量結(jié)果的有效性。
5結(jié)束語
本文在淺層地震法原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于WiFi的高分辨率無線分布式淺層地震儀，并分別經(jīng)過了室內(nèi)電路和野外探測(cè)性能測(cè)試。結(jié)果表明，儀器通過采用∑-△型A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震信號(hào)的高精度采集：噪聲水平低于10μV，動(dòng)態(tài)范圍為106 dB，幅度的一致性優(yōu)于1.2%，相位一致性優(yōu)于1%；利用WiFi技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多達(dá)72道數(shù)據(jù)的同步高分辨率采集，大大減小了儀器體積，適用于多種場(chǎng)合。
