數(shù)字光柵檢波器系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)采樣

羅洋+徐海俠

摘 要：隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及能源危機(jī)的加劇，全面提高油氣勘探技術(shù)，增加石油儲量已經(jīng)成為世界各國的當(dāng)務(wù)之急。地震檢波器作為油氣勘探工作的首要環(huán)節(jié)，它的發(fā)展水平已成為衡量油氣勘探能力的一個重要標(biāo)志，而光柵地震檢波器以高的地震波探測性能和強(qiáng)的電磁兼容性能展示出了強(qiáng)勁的發(fā)展前景。本文主要研究了一種數(shù)字光柵檢波器及其信號采樣。

關(guān)鍵詞：光柵檢波器 信號采樣 原理

中圖分類號：TH361 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0006-02

近年來，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，石油的需求量急劇增加。作為當(dāng)今世界最主要的能源，石油是經(jīng)濟(jì)和民生賴以運(yùn)轉(zhuǎn)的血液，它在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著舉足輕重的地位，關(guān)系著國家安全與發(fā)展的大局。為了緩解我國油氣供應(yīng)不足的現(xiàn)狀，除發(fā)展新能源外，進(jìn)一步尋找油氣資源已迫在眉睫[1]。

地震檢波器是地震勘探的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它決定了整個勘探系統(tǒng)的優(yōu)劣，不管在地震接收系統(tǒng)方面進(jìn)行多大的改進(jìn)，地震檢波器性能仍然直接影響到數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。因此，高性能的地震檢波器的研究和開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

在經(jīng)歷模擬地震檢波器之后，對模擬地震檢波器的工藝進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展到了超級地震檢波器。隨著油氣勘探條件的變化，已有的模擬地震檢波器或超級地震檢波器在地震波探測頻率范圍、動態(tài)范圍、分辨率及保真度方面已不能完全滿足勘探的要求，進(jìn)而推動了地震波探測新方法的研究，其中基于光柵測量的地震波探測方法就是一種具有發(fā)展前景的地震波探測方法[2]。

1 光柵檢波器測量原理

光柵式傳感器是基于光柵檢測裝置測量物體受力作用下結(jié)構(gòu)表面的線位移，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為其它所測量。光柵檢測裝置關(guān)鍵的部分是光柵讀數(shù)頭，如圖1所示，它一般是由光源、指示光柵、會聚透鏡、調(diào)整機(jī)構(gòu)以及光電元件等組成，本文中使用的是RENISHAW公司生產(chǎn)的RGH25型反射讀數(shù)頭。

常見的光柵都是根據(jù)莫爾條紋的形成原理來進(jìn)行工作的。如下圖2所示，當(dāng)標(biāo)尺光柵與指示光柵成一角度來放置時，則必然會使得兩光柵尺上的線紋相互交叉，這時在光源的照射下，交叉點旁邊的小區(qū)域內(nèi)因為由于未產(chǎn)生線紋重疊，因此擋光效應(yīng)最弱，由于光的累積作用而使得這個區(qū)域出現(xiàn)了亮帶。與之相反，在距交叉點相對較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)，因兩光柵尺上線紋重疊面積減小，不透明區(qū)域面積也會逐漸變大，擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，所以這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們見到的明暗交替的莫爾條紋[3]。

本論文所設(shè)計的光柵地震檢波器就是基于光柵莫爾條紋測量的基本原理來實現(xiàn)對振動信號的檢測。為實現(xiàn)對光柵信號的測量，將光柵系統(tǒng)中的主光柵與彈簧組合成振子（慣性體），將指示光柵與外殼固定。當(dāng)外部激勵產(chǎn)生振動時，由于慣性，主光柵與指示光柵產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而產(chǎn)生變化的莫爾條紋，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到被測對象的振動信息。

2 信號采樣

光柵摩爾條紋信號在地震波的探測頻率范圍內(nèi)以及動態(tài)范圍內(nèi)始終是等幅變化的正弦波和余弦波，為采集所需要的正余弦信號，我們針對MP426型數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行光柵信號采集程序編寫。

MP426采集卡以DLL動態(tài)鏈接庫的方式封裝了用戶在WINDOWS環(huán)境下編程需要的函數(shù)，如設(shè)備操作函數(shù)、AD函數(shù)、開關(guān)量函數(shù)以及EEPROM函數(shù)等，動態(tài)鏈接庫可以被多種編程語言調(diào)用。本文采用VC進(jìn)行編程，實現(xiàn)了對光柵數(shù)據(jù)的采集以及誤差修正，圖2為光柵數(shù)據(jù)采集程序的上位機(jī)界面。

MP426采集卡的采集頻率可達(dá)到100 kHz/通道，光柵地震檢波器輸出等幅的正弦和余弦信號，則每秒需采集20萬個點，數(shù)據(jù)量比較龐大。為驗證光柵檢波器輸出以及所采集光柵數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們隨機(jī)選取幾組不同頻率信號進(jìn)行測量，對所測得的正余弦數(shù)據(jù)利用李薩如圖進(jìn)行觀察比較。

通過軟件設(shè)置采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，兩路信號各采集一萬個點，分別設(shè)置振動臺振動頻率分別為20 Hz和50 Hz時，根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制的圖形如圖3所示。

3 結(jié)果與誤差分析

根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制的波形圖及李薩如圖形可知，光柵檢波器及采集卡所采集數(shù)據(jù)呈圓形。觀察發(fā)現(xiàn)，在不同振動頻率下，李薩如圖形未能呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓，數(shù)據(jù)存在一定誤差，根據(jù)實際情況分析采集數(shù)據(jù)誤差的來源包括：

實驗使用的電磁振動臺輸出波形與輸入電壓、使用環(huán)境以及振動臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有一定關(guān)系，因此，在實際使用中不可能產(chǎn)生嚴(yán)格意義上的正弦波，整個系統(tǒng)輸入存在一定誤差；光柵信號自身的幅值誤差、直流誤差和正交誤差等；由于采集卡采用多通道數(shù)據(jù)采集，采集頻率高，因此，不同通道采集時具有一定的軟件延遲；由于傳感器自身結(jié)構(gòu)缺陷以及其它因素（傳感器與振動臺貼合、光柵讀數(shù)頭與光柵尺配合等）引入的誤差。

4 結(jié)論

雖然光柵技術(shù)應(yīng)用于地震檢波器還只是一種嘗試，但正由于光柵地震檢波器具有很高的分辨率和動態(tài)范圍等特點，將會在未來高分辨率、大頻帶地震勘探任務(wù)中發(fā)揮越來越重要的作用[4]。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅福龍，易碧金，羅蘭兵.地震檢波器技術(shù)及應(yīng)用[J].物探裝備，2005，15（1）：6-14.

[2] 李淑清，陶知非.未來地震檢波器理論分析[J].物探裝備，2003，13（3）：152-156.

[3] 付清鋒.地震檢波器新技術(shù)發(fā)展方向[J].石油儀器，2006，19（6）：1-4.

[4] 高華.地球物理勘探中新型地震檢波器的研究[D].天津：天津大學(xué)，2004：11-12.endprint

摘 要：隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及能源危機(jī)的加劇，全面提高油氣勘探技術(shù)，增加石油儲量已經(jīng)成為世界各國的當(dāng)務(wù)之急。地震檢波器作為油氣勘探工作的首要環(huán)節(jié)，它的發(fā)展水平已成為衡量油氣勘探能力的一個重要標(biāo)志，而光柵地震檢波器以高的地震波探測性能和強(qiáng)的電磁兼容性能展示出了強(qiáng)勁的發(fā)展前景。本文主要研究了一種數(shù)字光柵檢波器及其信號采樣。

關(guān)鍵詞：光柵檢波器 信號采樣 原理

中圖分類號：TH361 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0006-02

近年來，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，石油的需求量急劇增加。作為當(dāng)今世界最主要的能源，石油是經(jīng)濟(jì)和民生賴以運(yùn)轉(zhuǎn)的血液，它在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著舉足輕重的地位，關(guān)系著國家安全與發(fā)展的大局。為了緩解我國油氣供應(yīng)不足的現(xiàn)狀，除發(fā)展新能源外，進(jìn)一步尋找油氣資源已迫在眉睫[1]。

地震檢波器是地震勘探的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它決定了整個勘探系統(tǒng)的優(yōu)劣，不管在地震接收系統(tǒng)方面進(jìn)行多大的改進(jìn)，地震檢波器性能仍然直接影響到數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。因此，高性能的地震檢波器的研究和開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

在經(jīng)歷模擬地震檢波器之后，對模擬地震檢波器的工藝進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展到了超級地震檢波器。隨著油氣勘探條件的變化，已有的模擬地震檢波器或超級地震檢波器在地震波探測頻率范圍、動態(tài)范圍、分辨率及保真度方面已不能完全滿足勘探的要求，進(jìn)而推動了地震波探測新方法的研究，其中基于光柵測量的地震波探測方法就是一種具有發(fā)展前景的地震波探測方法[2]。

1 光柵檢波器測量原理

光柵式傳感器是基于光柵檢測裝置測量物體受力作用下結(jié)構(gòu)表面的線位移，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為其它所測量。光柵檢測裝置關(guān)鍵的部分是光柵讀數(shù)頭，如圖1所示，它一般是由光源、指示光柵、會聚透鏡、調(diào)整機(jī)構(gòu)以及光電元件等組成，本文中使用的是RENISHAW公司生產(chǎn)的RGH25型反射讀數(shù)頭。

常見的光柵都是根據(jù)莫爾條紋的形成原理來進(jìn)行工作的。如下圖2所示，當(dāng)標(biāo)尺光柵與指示光柵成一角度來放置時，則必然會使得兩光柵尺上的線紋相互交叉，這時在光源的照射下，交叉點旁邊的小區(qū)域內(nèi)因為由于未產(chǎn)生線紋重疊，因此擋光效應(yīng)最弱，由于光的累積作用而使得這個區(qū)域出現(xiàn)了亮帶。與之相反，在距交叉點相對較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)，因兩光柵尺上線紋重疊面積減小，不透明區(qū)域面積也會逐漸變大，擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，所以這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們見到的明暗交替的莫爾條紋[3]。

本論文所設(shè)計的光柵地震檢波器就是基于光柵莫爾條紋測量的基本原理來實現(xiàn)對振動信號的檢測。為實現(xiàn)對光柵信號的測量，將光柵系統(tǒng)中的主光柵與彈簧組合成振子（慣性體），將指示光柵與外殼固定。當(dāng)外部激勵產(chǎn)生振動時，由于慣性，主光柵與指示光柵產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而產(chǎn)生變化的莫爾條紋，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到被測對象的振動信息。

2 信號采樣

光柵摩爾條紋信號在地震波的探測頻率范圍內(nèi)以及動態(tài)范圍內(nèi)始終是等幅變化的正弦波和余弦波，為采集所需要的正余弦信號，我們針對MP426型數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行光柵信號采集程序編寫。

MP426采集卡以DLL動態(tài)鏈接庫的方式封裝了用戶在WINDOWS環(huán)境下編程需要的函數(shù)，如設(shè)備操作函數(shù)、AD函數(shù)、開關(guān)量函數(shù)以及EEPROM函數(shù)等，動態(tài)鏈接庫可以被多種編程語言調(diào)用。本文采用VC進(jìn)行編程，實現(xiàn)了對光柵數(shù)據(jù)的采集以及誤差修正，圖2為光柵數(shù)據(jù)采集程序的上位機(jī)界面。

MP426采集卡的采集頻率可達(dá)到100 kHz/通道，光柵地震檢波器輸出等幅的正弦和余弦信號，則每秒需采集20萬個點，數(shù)據(jù)量比較龐大。為驗證光柵檢波器輸出以及所采集光柵數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們隨機(jī)選取幾組不同頻率信號進(jìn)行測量，對所測得的正余弦數(shù)據(jù)利用李薩如圖進(jìn)行觀察比較。

通過軟件設(shè)置采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，兩路信號各采集一萬個點，分別設(shè)置振動臺振動頻率分別為20 Hz和50 Hz時，根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制的圖形如圖3所示。

3 結(jié)果與誤差分析

根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制的波形圖及李薩如圖形可知，光柵檢波器及采集卡所采集數(shù)據(jù)呈圓形。觀察發(fā)現(xiàn)，在不同振動頻率下，李薩如圖形未能呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓，數(shù)據(jù)存在一定誤差，根據(jù)實際情況分析采集數(shù)據(jù)誤差的來源包括：

實驗使用的電磁振動臺輸出波形與輸入電壓、使用環(huán)境以及振動臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有一定關(guān)系，因此，在實際使用中不可能產(chǎn)生嚴(yán)格意義上的正弦波，整個系統(tǒng)輸入存在一定誤差；光柵信號自身的幅值誤差、直流誤差和正交誤差等；由于采集卡采用多通道數(shù)據(jù)采集，采集頻率高，因此，不同通道采集時具有一定的軟件延遲；由于傳感器自身結(jié)構(gòu)缺陷以及其它因素（傳感器與振動臺貼合、光柵讀數(shù)頭與光柵尺配合等）引入的誤差。

4 結(jié)論

雖然光柵技術(shù)應(yīng)用于地震檢波器還只是一種嘗試，但正由于光柵地震檢波器具有很高的分辨率和動態(tài)范圍等特點，將會在未來高分辨率、大頻帶地震勘探任務(wù)中發(fā)揮越來越重要的作用[4]。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅福龍，易碧金，羅蘭兵.地震檢波器技術(shù)及應(yīng)用[J].物探裝備，2005，15（1）：6-14.

[2] 李淑清，陶知非.未來地震檢波器理論分析[J].物探裝備，2003，13（3）：152-156.

[3] 付清鋒.地震檢波器新技術(shù)發(fā)展方向[J].石油儀器，2006，19（6）：1-4.

[4] 高華.地球物理勘探中新型地震檢波器的研究[D].天津：天津大學(xué)，2004：11-12.endprint

摘 要：隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及能源危機(jī)的加劇，全面提高油氣勘探技術(shù)，增加石油儲量已經(jīng)成為世界各國的當(dāng)務(wù)之急。地震檢波器作為油氣勘探工作的首要環(huán)節(jié)，它的發(fā)展水平已成為衡量油氣勘探能力的一個重要標(biāo)志，而光柵地震檢波器以高的地震波探測性能和強(qiáng)的電磁兼容性能展示出了強(qiáng)勁的發(fā)展前景。本文主要研究了一種數(shù)字光柵檢波器及其信號采樣。

關(guān)鍵詞：光柵檢波器 信號采樣 原理

中圖分類號：TH361 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0006-02

近年來，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，石油的需求量急劇增加。作為當(dāng)今世界最主要的能源，石油是經(jīng)濟(jì)和民生賴以運(yùn)轉(zhuǎn)的血液，它在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著舉足輕重的地位，關(guān)系著國家安全與發(fā)展的大局。為了緩解我國油氣供應(yīng)不足的現(xiàn)狀，除發(fā)展新能源外，進(jìn)一步尋找油氣資源已迫在眉睫[1]。

地震檢波器是地震勘探的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它決定了整個勘探系統(tǒng)的優(yōu)劣，不管在地震接收系統(tǒng)方面進(jìn)行多大的改進(jìn)，地震檢波器性能仍然直接影響到數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。因此，高性能的地震檢波器的研究和開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

在經(jīng)歷模擬地震檢波器之后，對模擬地震檢波器的工藝進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展到了超級地震檢波器。隨著油氣勘探條件的變化，已有的模擬地震檢波器或超級地震檢波器在地震波探測頻率范圍、動態(tài)范圍、分辨率及保真度方面已不能完全滿足勘探的要求，進(jìn)而推動了地震波探測新方法的研究，其中基于光柵測量的地震波探測方法就是一種具有發(fā)展前景的地震波探測方法[2]。

1 光柵檢波器測量原理

光柵式傳感器是基于光柵檢測裝置測量物體受力作用下結(jié)構(gòu)表面的線位移，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為其它所測量。光柵檢測裝置關(guān)鍵的部分是光柵讀數(shù)頭，如圖1所示，它一般是由光源、指示光柵、會聚透鏡、調(diào)整機(jī)構(gòu)以及光電元件等組成，本文中使用的是RENISHAW公司生產(chǎn)的RGH25型反射讀數(shù)頭。

常見的光柵都是根據(jù)莫爾條紋的形成原理來進(jìn)行工作的。如下圖2所示，當(dāng)標(biāo)尺光柵與指示光柵成一角度來放置時，則必然會使得兩光柵尺上的線紋相互交叉，這時在光源的照射下，交叉點旁邊的小區(qū)域內(nèi)因為由于未產(chǎn)生線紋重疊，因此擋光效應(yīng)最弱，由于光的累積作用而使得這個區(qū)域出現(xiàn)了亮帶。與之相反，在距交叉點相對較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)，因兩光柵尺上線紋重疊面積減小，不透明區(qū)域面積也會逐漸變大，擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，所以這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們見到的明暗交替的莫爾條紋[3]。

本論文所設(shè)計的光柵地震檢波器就是基于光柵莫爾條紋測量的基本原理來實現(xiàn)對振動信號的檢測。為實現(xiàn)對光柵信號的測量，將光柵系統(tǒng)中的主光柵與彈簧組合成振子（慣性體），將指示光柵與外殼固定。當(dāng)外部激勵產(chǎn)生振動時，由于慣性，主光柵與指示光柵產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而產(chǎn)生變化的莫爾條紋，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到被測對象的振動信息。

2 信號采樣

光柵摩爾條紋信號在地震波的探測頻率范圍內(nèi)以及動態(tài)范圍內(nèi)始終是等幅變化的正弦波和余弦波，為采集所需要的正余弦信號，我們針對MP426型數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行光柵信號采集程序編寫。

MP426采集卡以DLL動態(tài)鏈接庫的方式封裝了用戶在WINDOWS環(huán)境下編程需要的函數(shù)，如設(shè)備操作函數(shù)、AD函數(shù)、開關(guān)量函數(shù)以及EEPROM函數(shù)等，動態(tài)鏈接庫可以被多種編程語言調(diào)用。本文采用VC進(jìn)行編程，實現(xiàn)了對光柵數(shù)據(jù)的采集以及誤差修正，圖2為光柵數(shù)據(jù)采集程序的上位機(jī)界面。

MP426采集卡的采集頻率可達(dá)到100 kHz/通道，光柵地震檢波器輸出等幅的正弦和余弦信號，則每秒需采集20萬個點，數(shù)據(jù)量比較龐大。為驗證光柵檢波器輸出以及所采集光柵數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們隨機(jī)選取幾組不同頻率信號進(jìn)行測量，對所測得的正余弦數(shù)據(jù)利用李薩如圖進(jìn)行觀察比較。

通過軟件設(shè)置采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，兩路信號各采集一萬個點，分別設(shè)置振動臺振動頻率分別為20 Hz和50 Hz時，根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制的圖形如圖3所示。

3 結(jié)果與誤差分析

根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制的波形圖及李薩如圖形可知，光柵檢波器及采集卡所采集數(shù)據(jù)呈圓形。觀察發(fā)現(xiàn)，在不同振動頻率下，李薩如圖形未能呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓，數(shù)據(jù)存在一定誤差，根據(jù)實際情況分析采集數(shù)據(jù)誤差的來源包括：

實驗使用的電磁振動臺輸出波形與輸入電壓、使用環(huán)境以及振動臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有一定關(guān)系，因此，在實際使用中不可能產(chǎn)生嚴(yán)格意義上的正弦波，整個系統(tǒng)輸入存在一定誤差；光柵信號自身的幅值誤差、直流誤差和正交誤差等；由于采集卡采用多通道數(shù)據(jù)采集，采集頻率高，因此，不同通道采集時具有一定的軟件延遲；由于傳感器自身結(jié)構(gòu)缺陷以及其它因素（傳感器與振動臺貼合、光柵讀數(shù)頭與光柵尺配合等）引入的誤差。

4 結(jié)論

雖然光柵技術(shù)應(yīng)用于地震檢波器還只是一種嘗試，但正由于光柵地震檢波器具有很高的分辨率和動態(tài)范圍等特點，將會在未來高分辨率、大頻帶地震勘探任務(wù)中發(fā)揮越來越重要的作用[4]。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅福龍，易碧金，羅蘭兵.地震檢波器技術(shù)及應(yīng)用[J].物探裝備，2005，15（1）：6-14.

[2] 李淑清，陶知非.未來地震檢波器理論分析[J].物探裝備，2003，13（3）：152-156.

[3] 付清鋒.地震檢波器新技術(shù)發(fā)展方向[J].石油儀器，2006，19（6）：1-4.

[4] 高華.地球物理勘探中新型地震檢波器的研究[D].天津：天津大學(xué)，2004：11-12.endprint