小型化多道地震信號采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李懷良 ， 庹先國 ， 任家富 ， 朱麗麗

（1.地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059）

0 引 言

淺層地震（即工程地震）勘探作為尋找隱伏斷層、地質(zhì)構(gòu)造勘查及隧道超前預(yù)報的主要技術(shù)手段，在工程地質(zhì)調(diào)查與評價領(lǐng)域發(fā)揮了極為重要的作用[1-3]。而地震數(shù)據(jù)的采集則是地震勘探的核心，目前主流的淺層地震勘探通常采用多道覆蓋疊加的采集方法，即多道地震信號的并行采集?；贔PGA或工控機的多道信號采集方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于集中式地震儀中[4-5]，如DZQ48采取單板集成12道A/D，由4個FPGA來控制。這種方式具有較強的并行采集能力，但卻大大增加了儀器自身的體積和重量，尤其是集中式的設(shè)計結(jié)構(gòu)更限制了設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下的施工能力[6]。針對上述問題，方案采用分布式的采集結(jié)構(gòu)，前端設(shè)計可動態(tài)配置的信號調(diào)理系統(tǒng)，并利用低功耗的MSP430F149結(jié)合集成4路差分輸入的ADS1256來實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的采集和存儲，從而在保證其性能的同時增加采集站的集成化程度和便攜性。

1 多路地震信號采集方案分析

1.1 采集電路

地震勘探野外施工的條件和地質(zhì)環(huán)境、勘探方法的不同，均要求采集系統(tǒng)的參數(shù)能夠根據(jù)實際情況進行調(diào)整，以保證系統(tǒng)能夠最大程度地拾取到人工震源激發(fā)的微弱地震信號。其設(shè)置參數(shù)主要包括放大增益、濾波器截止頻率、采樣率、采樣長度等。同時設(shè)計中需要提高采集裝置的集成化程度及便攜性。結(jié)合這種需求，采用4路并行的前置放大器、程控放大器、抗混疊濾波器等組合成能拾取微弱信號的前端信號調(diào)理電路，同時將處理后的信號送入單端轉(zhuǎn)差分電路以匹配后端A/D轉(zhuǎn)換器。為了滿足集成化及低功耗需求，方案采用單片集成4路差分輸入的ADS1256來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，由16位的低功耗處理器MSP430F149來控制各單元功能，其中大量的地震數(shù)據(jù)暫存工作也由處理器內(nèi)部存儲空間完成。由于需要將數(shù)據(jù)傳輸至主控中心，因此采集系統(tǒng)需要擴展對應(yīng)的無線通信接口，即硬件SPI控制方式的nRF24L01。整個采集電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個電路可以實現(xiàn)4路地震信號的并行處理和采集，供電部分采用內(nèi)置可充電鋰電配合開關(guān)電源的方式，以提高系統(tǒng)便攜性和電源轉(zhuǎn)換效率。

圖1 多路地震信號采集電路框圖

1.2 電路參數(shù)分析

系統(tǒng)前端的動圈式檢波器，主要是靠高靈敏度地感應(yīng)地下震動拾取人工地震信號，這種微弱信號是一種衰減較快的瞬時信號，而且不同的施工條件下，其信號幅度及變化范圍也有所不同。設(shè)計中采用程控放大器配合固定增益放大器實現(xiàn)可調(diào)增益放大功能，主要是由于系統(tǒng)采用的PGA205，其輸入失調(diào)電壓是當(dāng)前程控放大器中最低的50μV，為進一步提高系統(tǒng)的弱信號響應(yīng)水平，電路前端先采用OPA2188以5倍固定增益對信號進行放大，OPA2188的輸入失調(diào)電壓為10μV，這就大大提高了系統(tǒng)的輸入動態(tài)范圍。

通常情況下，不同的勘探方法有效波范圍不同，所采用的采樣率也不同，如有效反射波范圍為20～60 Hz，甚至更低，而且人工激發(fā)的地震信號頻帶較寬，包括野外現(xiàn)場所產(chǎn)生的各種噪聲，在采樣頻率固定的情況下，極易由原始信號中的高頻諧波產(chǎn)生假頻，即頻率混疊現(xiàn)象，濾除這種假頻干擾的有效方式是采用截止頻率和A/D采樣頻率相同的低通濾波器，同時為滿足截止頻率可調(diào)的功能，方案采用開關(guān)電容濾波器MAX263組合實現(xiàn)低通濾波功能。由于MAX263實現(xiàn)可調(diào)功能需要控制的引腳較多，為了節(jié)省控制器IO口，設(shè)計中將MAX263的控制參數(shù)引腳固定，轉(zhuǎn)而控制其輸入時鐘頻率來達到調(diào)整截止頻率目的，這種方式僅僅需要控制占用較少IO口的時鐘分頻器即可實現(xiàn)可調(diào)功能。

模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用集成4路差分輸入的24位轉(zhuǎn)換器ADS1256，由MSP430F149通過SPI端口控制，這進一步提高了采集電路的集成化程度。ADS1256在參考電壓為2.5 V時，輸入范圍達±5 V，但其差分信號輸入端均要求其輸入電平高于0.2V，而且經(jīng)過信號調(diào)理的原始地震信號為單端信號。系統(tǒng)采用放大器AD8138構(gòu)成四臂相同電阻的跟隨器，其調(diào)整共模輸出的Vocm設(shè)置為與ADS1256相同的參考電壓，這樣就能將單端地震信號轉(zhuǎn)換為適合于ADS1256的差分信號，尤其是ADS1256的差分輸入端電平要求。

系統(tǒng)所采用的鋰電池單節(jié)為3.6V，而系統(tǒng)采用的是±5V供電，需要兩節(jié)電池串聯(lián)為7.2V進行轉(zhuǎn)換，如果直接采用線性穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換，雖然系統(tǒng)中不會引入紋波噪聲，但是2.2V的壓差及其在穩(wěn)壓芯片上的損耗太大。因系統(tǒng)功能采用的鋰電池配合開關(guān)電源來實現(xiàn)，但這種供電方案中會引入DC-DC開關(guān)電源固有的較大紋波干擾（50mV以上）[7]，應(yīng)用電路中根據(jù)開關(guān)電源的開關(guān)頻率加入π型的LC濾波電路，這種方式可以將電源紋波壓制在10mV以下。

2 分時切換采集與暫存

四通道地震數(shù)據(jù)的采集和暫存是整個系統(tǒng)核心。由于MSP430F149是通過硬件SPI控制單片ADS1256進行分時切換采集的，這種采集方式是無法做到嚴(yán)格并行操作的。同時四道的地震數(shù)據(jù)量較為龐大，以單道2048個采樣點計算，在24位分辨率時單道數(shù)據(jù)量為6kB，則四道總計24kB。而MSP430F149的RAM空間僅有2kB[8]，為了減少外圍器件的擴展和功耗，設(shè)計中地震數(shù)據(jù)的暫存工作由MSP430F149的內(nèi)部Flash來完成，其內(nèi)部Flash的操作有頻率限制，這也增加了A/D轉(zhuǎn)換器在分時切換時的延時時間。

為了保證ADS1256分時切換采樣的均勻性，采用單道采集單道暫存的連續(xù)操作方式。ADS1256在7.68 MHz工作時鐘條件下以30kS/s采樣率執(zhí)行四路分時切換時，其等效的采樣率僅為4374kS/s，而Flash操作的最大頻率為476kHz[9]，加上控制器內(nèi)部諸多指令執(zhí)行的時間，使得暫存數(shù)據(jù)到Flash的操作以不可預(yù)知的延時影響系統(tǒng)的等效采樣率，最終導(dǎo)致系統(tǒng)等效采樣率無法計算，甚至是一個非整數(shù)值，這也導(dǎo)致了后期的地震數(shù)據(jù)處理極為不便。為了固定這一等效采樣率，設(shè)計中將通道切換操作中加入等間隔延時調(diào)整等效采樣率，通過采集標(biāo)準(zhǔn)信號進行頻譜分析來調(diào)整加入的延時函數(shù)，即加入延時后采集的數(shù)據(jù)以某一固定采樣頻率計算的頻譜，應(yīng)和原始標(biāo)準(zhǔn)信號的頻譜對應(yīng)。反復(fù)測試調(diào)整后的結(jié)果表明，分時切換單道操作中需要加入6μs的延時，才能保證系統(tǒng)在30kS/s采樣率時，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的最大1kS/s等效采樣頻率。其他采樣頻率的調(diào)整，則可以通過編程調(diào)整ADS1256的原始采樣頻率實現(xiàn)。

3 性能及功耗測試

3.1 A/D穩(wěn)定性及噪聲有效位測試

為充分反映ADC在采集地震數(shù)據(jù)時長時間測量的穩(wěn)定性，測試中設(shè)置ADC的采樣率為1kS/s，參考電壓為2.5 V，系統(tǒng)增益為1，濾波器截止頻率為1 kHz，任意接入一穩(wěn)定的直流電壓以差分輸入方式采樣，采樣長度為13 500 s，觀察其特定穩(wěn)定輸入的情況下采集信號的波動情況，具體的測試結(jié)果如圖2所示?？梢杂^察有一定微小的波動，其波動影響應(yīng)是來自于單端轉(zhuǎn)差分芯片或提供參考電源的穩(wěn)壓芯片，總體而言，其能夠穩(wěn)定在平均線上工作。

針對系統(tǒng)噪聲及有效位測試，采用直接將信號輸入端短接連續(xù)采集2s長度數(shù)據(jù)的方式，系統(tǒng)增益為1，濾波器截止頻率為1 kHz，實際的測試波形如圖3所示?？梢钥闯?，系統(tǒng)的噪聲水平為40μV，這主要受開關(guān)電源紋波的影響。而這也反應(yīng)了ADS1256的有效分辨率在19位以上，充分滿足了系統(tǒng)的動態(tài)范圍要求。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用測試

為驗證這種設(shè)計方法的可行性，將該系統(tǒng)與重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZQ48地震儀進行對比測試，其中系統(tǒng)增益設(shè)置為20倍，DZQ48為32倍，濾波器截止頻率均為1kHz，采樣率均為1kS/s，512ms的采樣長度，采用人工激發(fā)震源的方式，道間距50m，炮點偏移距為50m，連續(xù)采樣疊加30次。測試的波形對比效果如圖4所示，不難看出兩套系統(tǒng)所采用的地震波形走勢基本相同。而且從圖5的本系統(tǒng)單道頻譜圖來看，其主頻能量集中在40Hz的有效反射波范圍內(nèi)。

圖2 A/D穩(wěn)定性測試波形

圖3 噪聲及有效位測試波形

圖4 現(xiàn)場測試波形

圖5 本系統(tǒng)地震波形頻譜圖

3.3 功耗測試

由于單個信號采集站需要集成12道檢波器，即3組本系統(tǒng)共用一組電源，實際測試表明整個采集站在啟動所有功能的情況下工作電流為860mA，而單節(jié)鋰電池為3.6V/2.6Ah，實際應(yīng)用中采用六并兩串的方式進行組合，即7.2V/15.6Ah?？紤]到DC-DC開關(guān)電源的效率為85%，其理論工作時間可達15.6h，而實際測試采集站工作時間為13.5h左右，被損耗的能量主要是由于開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率的不穩(wěn)定，以及采集板中為主控制器供電的5 V轉(zhuǎn)3.3 V線性穩(wěn)壓損耗。

4 結(jié)束語

采用低功耗的MSP430F149、ADS1256及可程控的信號處理模塊，設(shè)計具有4路采集、暫存地震信號的小型化系統(tǒng)，其信號處理模塊的各單元可根據(jù)實際需求進行配置，包括系統(tǒng)的采樣率和采樣長度。這種采用單芯片集成多路轉(zhuǎn)換功能、內(nèi)置存儲空間的方式保證了系統(tǒng)的高度集成化及低功耗要求，進而提高了整個系統(tǒng)的便攜性。同時采取分時切換采集暫存的方式保證了系統(tǒng)的均勻采樣性能，其最大準(zhǔn)并行等效采樣率達1ks/s，最小輸入響應(yīng)信號低至10μV。實際的測試結(jié)果顯示1ks/s采樣率時其有效分辨率可達19位，最終應(yīng)用于分布式地震儀的現(xiàn)場測試表明系統(tǒng)充分滿足地震勘探需求。

[1]戴朝強，汪瑞良，劉軍，等.中淺層高分辨率二維地震技術(shù)在惠州地區(qū)的應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報，2011，33（11）：63-68.

[2]王運生，王瑞琪，張啟洲，等.無線淺層地震儀實現(xiàn)方法及其在隧道工程中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48（5）：163-166.

[3]盛儉，薄景山，佴磊，等.淺層人工地震在長春市斷層探測中的應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2007，16（5）：116-120.

[4]林學(xué)龍.高分辨率低功耗淺層地震勘探儀器的研究與實現(xiàn)[D].上海：上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院，2008.

[5]張波，周云耀，吳濤.一種新的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].大地測量與地球動力學(xué)，2011，27（s1）：122-124.

[6]陳祖斌，滕吉文，林君，等.BSR_2寬頻帶地震記錄儀的研制[J].地球物理學(xué)報，2006，49（5）：1475-1481.

[7]蘆守平，姜瀚文，徐千.基于單片機控制的程控開關(guān)電源研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37（5）：78-81.

[8]Liu K，Zhao Z W，Jiang H L.A wireless microbial fuelcellvoltage data acquisition system based on MSP430F149[J].Applied Mechanics and Materials，2012：105-107，1961-1965.

[9]Jia W，Xie P，F(xiàn)eng G Q.Wireless temperature measurement and control system based on MSP430F149[C]∥Proceedings-4th International Conference on Genetic and Evolutionary Computing，ICGEC，2010：822-825.