石英水平擺傾斜儀觀測(cè)性能提高方法

王 秀 盧海燕 蔡 莉 占偉偉

（中國(guó)北京100029中國(guó)地震災(zāi)害防御中心）

石英水平擺傾斜儀觀測(cè)性能提高方法

王 秀 盧海燕 蔡 莉 占偉偉

（中國(guó)北京100029中國(guó)地震災(zāi)害防御中心）

為了提高SQ-70D型石英水平擺傾斜儀的觀測(cè)性能，研究影響傾斜儀性能的主要因素，并從軟硬件方面提出傾斜儀升級(jí)改造方法，升級(jí)后儀器測(cè)量精度可達(dá)亞像素級(jí)、動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大到14″，應(yīng)用場(chǎng)合顯著擴(kuò)大；儀器從分鐘采樣升級(jí)為秒級(jí)數(shù)據(jù)采集，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。本次儀器性能升級(jí)易于實(shí)現(xiàn)，便于推廣。

石英水平擺傾斜儀；CCD測(cè)量系統(tǒng)；測(cè)量精度；細(xì)分算法；信號(hào)采集

0 引言

石英水平擺傾斜儀是觀測(cè)地球固體潮汐和地殼形變運(yùn)動(dòng)的主要儀器之一，具有測(cè)量精度高、抗擾性好，穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，在地震前兆工作中廣泛用于監(jiān)測(cè)水平地傾斜變化等活動(dòng)。由中國(guó)地震災(zāi)害防御中心（原581廠）研發(fā)的一款高精度地傾斜觀測(cè)儀器——SQ-70D型石英水平擺傾斜儀，是首個(gè)使用電荷耦合器件（CCD）的地震觀測(cè)儀器，采用CCD測(cè)量系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬記錄方式（韓和平等，2005），使水平擺傾斜儀具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、故障率低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，在地震前兆觀測(cè)活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。

隨著地震事業(yè)的不斷發(fā)展，地傾斜觀測(cè)對(duì)觀測(cè)儀器的性能要求越來(lái)越高。首先，由于CCD等器件性能的落后和軟件算法的限制，在理想情況下，SQ-70D傾斜儀的測(cè)量精度只能達(dá)到一個(gè)像素、工作周期大于30 s、最大測(cè)量范圍不超過(guò)1″，從而限制了傾斜儀的適用場(chǎng)合和使用范圍。其次，由于大多數(shù)觀測(cè)儀器采用的分鐘采樣率只能記錄低頻信號(hào)，很難完整記錄地震事件發(fā)生時(shí)的高頻信息（方燕勛，2012），2012年頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DB/T 45—2012）《地震地殼形變觀測(cè)方法≈地傾斜觀測(cè)》要求：地傾斜觀測(cè)儀器能夠?qū)崿F(xiàn)秒級(jí)數(shù)據(jù)采集處理。而SQ-70D傾斜儀采用分鐘采樣率，已無(wú)法滿足行業(yè)要求。

因此，為了提高SQ-70D傾斜儀的測(cè)量精度，擴(kuò)大測(cè)量范圍、實(shí)現(xiàn)秒級(jí)采樣處理，本文從硬件和軟件兩方面研究影響傾斜儀測(cè)量性能的主要因素，并提出相應(yīng)改進(jìn)方法。

1 影響因素

SQ-70D傾斜儀主要由光源照明系統(tǒng)、CCD測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)等組成。其中，CCD測(cè)量系統(tǒng)是決定傾斜儀測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵部分，主要由石英擺系統(tǒng)，光電傳感器（CCD）、CCD驅(qū)動(dòng)電路、CCD信號(hào)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路組成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的過(guò)程為：固體潮和地形變通過(guò)石英擺系統(tǒng)放大后輸出光信號(hào)，光線狹縫成像于CCD器件的靶面上，CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，信號(hào)采集電路獲取電信號(hào)并送入數(shù)據(jù)處理電路計(jì)算出此時(shí)的光斑位置，根據(jù)不同時(shí)刻的光斑位置即可推算固體潮或地傾斜的變化量。可見(jiàn)，影響傾斜儀測(cè)量性能的因素主要有石英擺成像系統(tǒng)誤差、CCD器件性能、信號(hào)處理電路精度、CCD驅(qū)動(dòng)電路噪聲干擾以及定位算法優(yōu)劣等（江育民等，2010）。本著低成本和易操作的原則，傾斜儀機(jī)械結(jié)構(gòu)（如石英擺系統(tǒng)、照明系統(tǒng)）不作更改，只從硬件電路和軟件算法上，對(duì)傾斜儀CCD測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)只更換電路板即可完成儀器的性能升級(jí)，方便后續(xù)推廣工作。

圖1 SQ-70D傾斜儀CCD測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of the CCD measurement system for SQ-70D tiltmeter

2 硬件改造

2.1 CCD傳感器

在傾斜儀中，CCD傳感器是完成光信號(hào)到電信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，其像元間距決定了觀測(cè)精度（王和順等，2010），像元數(shù)量影響著觀測(cè)范圍；CCD包含的像元數(shù)目越多，像元間距越小，其構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)分辨率就越高。SQ-70D傾斜儀采用線陣CCD，即TCD1500C，屬于早期產(chǎn)品，性能相對(duì)落后，已停產(chǎn)，因此急需升級(jí)傾斜儀的CCD傳感器件。根據(jù)需求分析，選擇Toshiba公司的TCD1711DG作為傾斜儀的CCD傳感器。工作時(shí)電信號(hào)分為奇偶兩路并行輸出，掃描速率是單路輸出的TCD1500C的近2倍，二者的特性參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。采用新傳感器后，傾斜儀的CCD測(cè)量精度和工作頻率均得到提高。

表1 新舊CCD特性參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of the old and new CCD

2.2 CCD驅(qū)動(dòng)電路

CCD驅(qū)動(dòng)電路決定了CCD的工作穩(wěn)定性和采樣準(zhǔn)確性，間接影響傾斜儀的觀測(cè)性能。CCD常用驅(qū)動(dòng)方法有4種：IC法、EPPROM法、單片機(jī)法和可編程邏輯器件（CPLD）驅(qū)動(dòng)法（張智輝等，2004）。其中，IC法的電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy，很少使用；單片機(jī)法雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但對(duì)單片機(jī)的速率要求較高且存在資源浪費(fèi)問(wèn)題；SQ-70D傾斜儀采用EPPROM法，電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，靈活性較差，不能實(shí)現(xiàn)在線編程；CPLD法是近年來(lái)應(yīng)用較廣的一種CCD驅(qū)動(dòng)方法，相較于EPPROM法，具有電路集成度高、可靠性好、編程靈活等優(yōu)勢(shì)。因此，采用CPLD法重新設(shè)計(jì)傾斜儀的CCD驅(qū)動(dòng)電路（Zhan Weiwei et al，2015），提高電路集成度且積分時(shí)間SH可編程調(diào)整，從而增強(qiáng)儀器穩(wěn)定性和靈活性。改造前后的電路參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

2.3 CCD信號(hào)采集電路

CCD信號(hào)采集電路是CCD測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分，采樣速率和分辨率影響著傾斜儀的測(cè)量精度。目前，CCD信號(hào)采集常見(jiàn)做法是，采用AD轉(zhuǎn)換器，將CCD輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，保證信號(hào)的完整性，送入處理器進(jìn)行算法處理。SQ-70D傾斜儀未采用AD轉(zhuǎn)換器，而是通過(guò)硬件電路設(shè)置閾值，對(duì)一幀信號(hào)進(jìn)行二值化處理，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成度較差，易引入硬件延時(shí)和噪聲干擾，采樣信息的不完整也間接增大了定位誤差。因此，采用高性能模擬信號(hào)處理器AD9826重新設(shè)計(jì)CCD信號(hào)采集電路。AD9826具有三通道結(jié)構(gòu)，最高速率可達(dá)15 MSPS，對(duì)奇偶并行輸出的CCD信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)整合（見(jiàn)圖2箭頭）；內(nèi)部集成信號(hào)預(yù)處理和16位AD轉(zhuǎn)換電路，能夠簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)，減少硬件干擾（華園園等，2011）；功能配置可通過(guò)串口完成，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，減少開(kāi)發(fā)成本，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。改造后的信號(hào)采集電路（圖3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，抗擾性增強(qiáng)，工作速率達(dá)1 MHz。

圖2 AD9826內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure diagram of AD9826

3 軟件改造

3.1 定位算法

受當(dāng)前制造水平的限制， CCD、AD等硬件的精度只能達(dá)到某一量級(jí)，不能滿足更高精度要求，此時(shí)軟件設(shè)計(jì)和軟件算法是進(jìn)一步提高傾斜儀測(cè)量精度的重要手段。目前，CCD像點(diǎn)定位細(xì)分算法是提高CCD測(cè)量精度的一種有效方法，經(jīng)過(guò)細(xì)分算法處理后，像點(diǎn)定位精度可以達(dá)到亞像元級(jí)甚至超像元級(jí)。線陣CCD常用細(xì)分算法主要有最大值法、二值化法、重心法等（楊博雄，2005）。最大值法受噪聲影響大，分辨率低，已很少使用。二值化法是SQ-70D傾斜儀采用的定位方法，理想分辨率可達(dá)一個(gè)像素，但精度依賴于CCD信號(hào)波形，當(dāng)出現(xiàn)波形不對(duì)稱或震蕩情況時(shí)，定位結(jié)果并不代表實(shí)際像點(diǎn)位置，所以精度和適用范圍具有一定局限性。重心算法的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)字化處理，無(wú)需硬件電路，精度可達(dá)亞像元級(jí)。采用Matlab軟件，對(duì)3種算法在不同噪聲情況下的光斑定位進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 CCD信號(hào)采集電路原理Fig.3 Schematic diagram of the signal acquisition circuit

表3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果（質(zhì)心位置55）Table 3 Results of simulation experiment (center site is 55 )

由表3可見(jiàn)：最大值法和二值化法受噪聲影響較大，像點(diǎn)定位精度較低，通常精度要高于一個(gè)像素；而重心法在不同噪聲強(qiáng)度下，均能達(dá)到亞像素級(jí)的定位精度（誤差在一個(gè)像素范圍內(nèi)）。為提高傾斜儀的測(cè)量精度，選擇重心算法替代二值化法進(jìn)行定位計(jì)算。由于CCD的1幀數(shù)據(jù)量較大，為加快計(jì)算速度，對(duì)傳統(tǒng)重心法進(jìn)行修改，算法公式如下

其中，i為像點(diǎn)位置，xi為像元在i位置的電壓值，為背景值，i0為所求像點(diǎn)位置。算法將CCD輸出信號(hào)的中間值作為閾值，根據(jù)閾值和背景值（像元平均亮度），找出信號(hào)的“有效邊界”，并在此范圍內(nèi)計(jì)算重心位置。由于反射至CCD靶面上的光縫寬度約1 mm，占像元數(shù)約1 mm/4.7 μm=212個(gè)（近似于“有效邊界”所含像元數(shù)），所以此算法處理的像元信息量不大，軟件計(jì)算速率高。光縫在本時(shí)刻的相對(duì)位移值采用前后2次計(jì)算結(jié)果的差值乘以4.7 μm即可得出。

3.2 秒級(jí)數(shù)據(jù)采樣

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地震地殼形變觀測(cè)方法≈地傾斜觀測(cè)》（DB/T 45—2012 ）要求：地傾斜觀測(cè)儀器需要實(shí)現(xiàn)秒級(jí)數(shù)據(jù)采集處理。在此采用高性能低功耗、工作頻率達(dá)100 MHz的微控制器LPC1768作為CCD測(cè)量系統(tǒng)的主控制器（替換原有的C51單片機(jī)），通過(guò)程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和高速電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)北南/東西向數(shù)據(jù)采集每秒各1次的功能，將傾斜儀采樣速率從分鐘值升級(jí)為秒值，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。圖4所示為通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件得到的傾斜儀24小時(shí)內(nèi)EW向數(shù)據(jù)采集結(jié)果（觀測(cè)地點(diǎn)為河北懷來(lái)觀測(cè)臺(tái)站試驗(yàn)洞室，觀測(cè)時(shí)間為2015年5月19日），數(shù)據(jù)曲線中的振蕩波形由遠(yuǎn)震和刮風(fēng)所致。

圖4 東西向數(shù)據(jù)采集結(jié)果Fig.4 Result of EW data acquisition

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)硬件升級(jí)和軟件優(yōu)化，提高SQ-70D傾斜儀觀測(cè)性能，具體表現(xiàn)在：①儀器的測(cè)量分辨力從像素級(jí)提高到亞像素級(jí)；②實(shí)現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的秒級(jí)數(shù)采；③動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍顯著提高（從1″擴(kuò)大為14″），工作周期降低（從大于30 s降為大于10 s），從而擴(kuò)大儀器的適用范圍，避免人工干預(yù)等活動(dòng)，間接保證儀器觀測(cè)的連續(xù)性。升級(jí)后的SQ-70D傾斜儀在地震前兆臺(tái)站進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集及儀器運(yùn)行效果良好。儀器升級(jí)只需更換電路板，操作簡(jiǎn)單，易于開(kāi)展后續(xù)推廣工作。

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Research on the methods of improving observation performance for quartz horizontal pendulum tiltmeter

Wang Xiu，Lu Haiyan，Cai Li and Zhan Weiwei
(China Earthquake Disaster Prevention Center,Beijing100029,China)

In order to improve the observation performance of SQ-70D quartz horizontal pendulum tiltmeter, the main factors affecting the performance of tiltmeter is studied, and the upgrading methods from hardware and software are proposed in this paper.The measurement accuracy of the upgraded tiltmeter can reach sub-pixel level, and the dynamic range can be up to 14″, which signifcantly expands the application of this instrument.Meanwhile, the tiltmeter can achieve the second-level data acquisition to meet the requirements of industry standards.The upgrading of SQ-70D tiltmeter is easy to be realized and popularized.

quartz horizontal pendulum tiltmeter，CCD measuring system，measurement accuracy，subdivision algorithm，signal acquisition

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.022

王秀(1987—)，女，遼寧大連人，助理研究員，主要從事地震觀測(cè)儀器計(jì)量檢定技術(shù)和方法的研究工作

地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：15408013406）；中國(guó)地震災(zāi)害防御中心主任基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2220045053）

本文收到日期：2015-09-06