并行高速采樣在地震物理模擬采集中的應(yīng)用

胡 濤，狄?guī)妥?，魏建?/p>

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息學(xué)院，北京 102200)

并行高速采樣在地震物理模擬采集中的應(yīng)用

胡 濤，狄?guī)妥專航ㄐ?/p>

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息學(xué)院，北京 102200)

為了解決地震物理模擬采集中采樣率和分辨率的瓶頸問題，引用并行高速采樣方案，在保證高采樣率的同時(shí)，提高采樣分辨率。利用兩塊NI PXI5922高速采集卡、一臺(tái)超聲發(fā)射儀、一對(duì)超聲換能器和前置放大器，完成了并行高速采樣在地震物理模擬采集的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

并行采集；高速采集卡；地震物理模擬

0 引言

隨著數(shù)字信號(hào)處理器的飛速發(fā)展，ADC的測(cè)量精度、采集速度成為現(xiàn)代信號(hào)處理的瓶頸[1]。在給定的工藝下，ADC工作的最大采樣速度受限于它的分辨率[2]。地震物理模擬是用超聲換能器和超聲發(fā)射儀模擬野外檢波器和震源。由于實(shí)驗(yàn)室條件下地震物理模擬信號(hào)較弱，并且動(dòng)態(tài)范圍較大，因此必須是高分辨采集；同時(shí)，地震物理模擬采集的信號(hào)是頻率在0.1 MHz～1.0 MHz的超聲信號(hào)，為了保證信號(hào)不失真，又要求采集卡具有高采樣率[3-4]。對(duì)該頻率范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行高分辨率和過采樣采集，單通道高速NI PXI5922采集卡無(wú)法滿足?；诂F(xiàn)實(shí)需要，在現(xiàn)有采集設(shè)備基礎(chǔ)上，使用兩塊PXI5922采集卡對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行并行采樣，這樣既保證高采樣率，又保證了高分辨率[5]。通過并行采集來解決采樣率和分辨率的矛盾關(guān)系。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的核心是兩塊PXI5922高速AD采集卡對(duì)同一地震物理模擬信號(hào)并行采集。由于應(yīng)用環(huán)境是地震物理模擬采集，因此涉及激發(fā)源與采集卡的工作同步[6]以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和顯示。

1.1 硬件的基本組成

硬件系統(tǒng)主要由同步觸發(fā)器、超聲激發(fā)源、換能器、信號(hào)放大器、NI采集設(shè)備和PC組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 并行高速采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，激發(fā)源和PXI5922采集是由同步觸發(fā)器控制的，同步開啟工作；接收換能器接收到地震物理模擬信號(hào)，經(jīng)放大器放大整形后，同時(shí)送到兩塊獨(dú)立的PXI5922采集卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一信號(hào)的并行采集；最后通過NI的PCI-E高速數(shù)據(jù)傳輸接口卡，將數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)絇C主機(jī)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、處理和顯示。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

圖2 并行采集概念框圖

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。通過對(duì)NI采集卡的編程設(shè)置，實(shí)現(xiàn)兩塊PXI5922采集卡采樣時(shí)鐘有相對(duì)1/2采樣周期延時(shí)，達(dá)到交織采集、采樣率加倍的效果。如圖2所示，采集卡1與采集卡2的采集時(shí)鐘相位差180°，反映在模擬信號(hào)采集上，兩塊采集卡抽樣的位置剛好互相交織[7]。

1.2.1 采集卡并行采集軟件設(shè)計(jì)

對(duì)PXI5922采集卡進(jìn)行應(yīng)用編程前，必須先了解采集卡的性能。該型號(hào)NI采集卡采樣率和分辨率是靈活可配置的，設(shè)置的采樣率越高，對(duì)應(yīng)的分辨率位數(shù)相對(duì)就越低[8]，詳細(xì)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 NI 5922采集卡采樣率與分辨率對(duì)應(yīng)關(guān)系

在普通采集條件下，所有AD采集卡的初始化配置的內(nèi)容基本是一致的，依次是檢查硬件設(shè)備獲取控制句柄、配置采集通道屬性(輸入最大幅值、阻抗、最大輸入頻率等)、配置采集的X、Y軸參數(shù)(采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)等)、設(shè)置觸發(fā)方式(邊沿觸發(fā))、開啟采集等待、獲取數(shù)據(jù)、關(guān)閉采集。

并行采集對(duì)采集卡的軟件設(shè)置比普通設(shè)置多了3個(gè)步驟，在設(shè)置完觸發(fā)方式后，首先，需要將兩塊采集卡配置成相同觸發(fā)條件(Homogeneous Triggers)，這時(shí)兩塊采集卡共用一個(gè)外部觸發(fā)信號(hào)，確保觸發(fā)采集時(shí)刻的完全同時(shí)；然后，將兩塊采集卡配置成同步時(shí)鐘(Sychronize)，該時(shí)鐘是用來進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)工作時(shí)鐘；最后，將其中一塊采集的采樣時(shí)鐘延時(shí)半個(gè)采樣周期，對(duì)應(yīng)API函數(shù)是niScope_AdjustSampleClockRelativeDelay(sessions[1],1/(2×fs))，session對(duì)應(yīng)的是采集卡，fs是采樣率。接下來與普通采集一致，開啟采集等待、獲取數(shù)據(jù)、關(guān)閉采集。

1.2.2 并行采集數(shù)據(jù)的組合

在地震物理模擬信號(hào)采集中，每激發(fā)一次，采集卡會(huì)連續(xù)采集2 048點(diǎn)～4 096點(diǎn)采樣深度，對(duì)應(yīng)的是10 MS/s采樣率，18 bit分辨率。在兩個(gè)采集卡并行采集方式下，只需將兩塊采集卡設(shè)置成5 MS/s采樣率，每塊卡采集1 024點(diǎn)～2 048點(diǎn)，然后將采集的數(shù)據(jù)組合起來，相當(dāng)于依然是10 MS/s采樣率，同時(shí)分辨率提升為20 bit。完成數(shù)據(jù)組合的程序步驟如下：

(1)通過采集卡的數(shù)據(jù)獲取函數(shù)，獲得采集卡1的采集輸出數(shù)組；

(2)通過采集卡的數(shù)據(jù)獲取函數(shù)，獲取采集卡2 的采集輸出數(shù)組(采集卡2的數(shù)據(jù)是進(jìn)行半個(gè)采樣周期延時(shí)采集的)；

(3)將采集卡1和采集卡2 的采集輸出數(shù)組合并為一個(gè)大數(shù)組，數(shù)據(jù)交替放置(即采集卡2的數(shù)據(jù)放置在大數(shù)組的偶數(shù)位，采集卡1的數(shù)據(jù)放置在奇數(shù)位)。

經(jīng)過合并后的數(shù)組是并行采集中一次地震物理模擬信號(hào)采集的最終數(shù)據(jù)格式，后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和顯示，都是對(duì)合并后的數(shù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過軟硬件的綜合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地震物理模擬信號(hào)并行采集。圖3是一次激發(fā)所采集的地震物理模擬信號(hào)的波形圖，該圖是由連續(xù)采集的2 048點(diǎn)組成的，是基于VC++編寫的顯示控件。圖4是將并行采集的2 048點(diǎn)數(shù)據(jù)在MATLAB中顯示，圖5是局部放大觀察并行交織采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量和效果。

圖3 一次激發(fā)采集的地震物理模擬信號(hào)波形

圖4 并行采集數(shù)據(jù)組合后MATLAB散點(diǎn)顯示

圖5 并行采集局部采樣點(diǎn)放大顯示

3 結(jié)論

本文采用兩塊NI PXI5922采集卡完成了對(duì)地震物理模擬信號(hào)并行采集的功能。之前單卡采集是10 MS/s的采樣率，18 bit分辨率；現(xiàn)在用雙卡并行采集，每塊卡只需設(shè)置為5 MS/s的采樣率，20 bit分辨率，將兩塊采集卡的數(shù)據(jù)合并之后依然可以達(dá)到原先的采樣率，同時(shí)提高了分辨率。并行交織采集有助于化解地震物理模擬采集對(duì)高采樣率和高分辨率要求的矛盾，提高原始數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。

[1] 崔艷召,何欣,杜以強(qiáng)，等.多路高精度模擬量采集電路的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(21):82-84.

[2] 李玉生.超高速并行采集模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

[3] 狄?guī)妥專航ㄐ? VXI 總線產(chǎn)品在地震物理模擬多通道采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2001，9(2)：7-8.

[4] 馬國(guó)慶，王輝明，李守才.地震物理模擬數(shù)據(jù)采集方法[C].中國(guó)地球物理2009，2009：503.

[5] 王銀玲，李華聰. 基于FPGA 的多通道并行高速采樣研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015,34(9)：37-39.

[6] 嚴(yán)正國(guó),黎偉,馬龍，等.一種分布式無(wú)線同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(10):49-52,56.

[7] 楊辰. 多片ADC并行采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[8] NI.NI PXI-5922 24位可變分辨率數(shù)字化儀[EB/OL].[2015-10-29].http://www-ni-com/pdf/manuals/374049f.pdf.

Parallel high-speed sampling in the application of the geophysical modeling acquisition

(Hu Tao, Di Bangrang, Wei Jianxin)

(College of Geophysics and Information Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102200, China)

In order to solve the bottleneck problems in geophysical modeling acquisition—sampling rate and resolution, this paper uses parallel high-speed sampling scheme to ensure high sampling rate and improve the sampling resolution. It uses two pieces high-speed data acquisition card NI PXI5922, an ultrasonic transmitting apparatus, a pair of ultrasonic transducer and a preamplifier to complete the parallel high-speed sampling in the application of geophysical modeling acquisition design.

parallel acquisition； high-speed data acquisition card； geophysical modeling

TP274.2

A

1674-7720(2016)04-0101-03

胡濤，狄?guī)妥?，魏建新．并行高速采樣在地震物理模擬采集中的應(yīng)用[J] .微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35(4)：101-103.

2015-10-29)

胡濤(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：伺服運(yùn)動(dòng)控制和嵌入式應(yīng)用開發(fā)。E-mail:hutaohr@163.com。

狄?guī)妥?1961-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：地震采集、地球物理儀器。

魏建新(1958-)，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：地震物理模擬，巖石物理學(xué)。