寬頻帶地震儀數(shù)據(jù)采集及壓縮傳輸?shù)难芯?/h1>
2020-07-23 06:27:48王巨龍張懷柱玄金鵬
現(xiàn)代電子技術(shù) 2020年4期
王巨龍 張懷柱 玄金鵬
摘? 要： 寬頻帶地震儀以記錄天然地震數(shù)據(jù)為目的設(shè)計(jì)，具有信號(hào)采集精度高、頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集范圍大等優(yōu)點(diǎn)。為滿足對(duì)天然地震信號(hào)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集，采用24位Δ∑型過(guò)采樣調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器構(gòu)成24位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，利用Steim2壓縮算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮，并通過(guò)FTP（File Transfer Protocol）通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)自身噪聲數(shù)據(jù)計(jì)算得出儀器的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到140.83 dB。利用該儀器對(duì)天然地震進(jìn)行觀測(cè)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，壓縮比最大達(dá)2.18∶1，傳輸效率最大提高67%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用Steim2實(shí)時(shí)壓縮算法能夠有效利用存儲(chǔ)空間，顯著提高數(shù)據(jù)傳輸效率。
關(guān)鍵詞： 寬頻帶地震儀; 數(shù)據(jù)采集; 數(shù)據(jù)壓縮; 電路設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)傳輸; 系統(tǒng)測(cè)試
中圖分類號(hào)： TN919?34; P631.4? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）04?0100?04
Research on data acquisition， compression and transmission of broadband seismograph
WANG Julong1， ZHANG Huaizhu1，2， XUAN Jinpeng1
（1. College of Instrument Science & Electrical Engineering， Jilin University， Changchun 130026， China;
2. Research Center of National Geophysical Exploration Instrument Engineering Technology， Changchun 130062， China）
Abstract： The broadband seismograph is designed for the purpose of recording earthquake data， which has the advantages of high signal acquisition accuracy， wide frequency domain and large dynamic signal acquisition range. The 24?bit analog?to?digital conversion circuit consists of the 24?bitΔ∑?type oversampling modulator and the digital decimation filter， the data is compressed in real time by means of the Steim2 compression algorithm and transmitted with the FTP （file transfer protocol） communication protocol. The dynamic range of the instrument can reach 140.83 dB， which is obtained by calculating the self?noise data. With this instrument to observe the natural earthquakes， it can be seen from the experimental data that the maximum compression ratio is 2.18：1， and the transmission efficiency is increased by 67% to the maximum. The experimental results indicate that the Steim2 real?time compression algorithm can effectively utilize the storage space and significantly improve the data transmission efficiency.
Keywords： broadband seismograph; data acquisition; data compression; circuit design; data transmission; system test
0? 引? 言
在現(xiàn)有的4種地球物理探測(cè)方法（即重、磁、電、震）中，天然地震探測(cè)方法不僅成本低、操作簡(jiǎn)單，而且探測(cè)深度大，迅速發(fā)展成為對(duì)地球深部探測(cè)和研究的重要手段[1]。從19世紀(jì)末開(kāi)始，人類采用現(xiàn)代儀器進(jìn)行地震學(xué)研究?，F(xiàn)今，世界各國(guó)加速建設(shè)地震臺(tái)網(wǎng)，國(guó)外的天然地震探測(cè)儀器飛速發(fā)展，而我國(guó)的地震勘探儀器以及相關(guān)的集成電路技術(shù)嚴(yán)重落后于國(guó)際技術(shù)，所使用的天然地震探測(cè)儀器一直依賴于國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，自主研制寬頻帶天然地震儀器符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略[2?3]。本文對(duì)寬頻帶地震儀的數(shù)據(jù)采集、壓縮及傳輸進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一款可以實(shí)現(xiàn)高精度采集、高效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸?shù)奶烊坏卣鹦盘?hào)記錄儀器。
1? 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，以ARM（Acorn RISC Machine）架構(gòu)的AT91RM9200為主控制器，利用高精度24位A/D轉(zhuǎn)換器，并輔以FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)天然地震數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)及傳輸。為了節(jié)約數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間及提高數(shù)據(jù)傳輸效率，采用Steim2壓縮算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮，同時(shí)加入GPS授時(shí)模塊和WiFi模塊，便于儀器獲取位置信息及無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2? 高精度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)
2.1? 信號(hào)采集整體電路設(shè)計(jì)
采集電路的功能主要為信號(hào)的調(diào)理、采集通道的選擇、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由于儀器需要適應(yīng)長(zhǎng)期工作在野外的環(huán)境，考慮到雷擊等自然因素的影響，設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，可以防止瞬間變換的電壓、過(guò)大的電流等非正常的電壓、電流等對(duì)電子器件造成損害。采集電路前端可以對(duì)測(cè)試通道和采集通道進(jìn)行切換。同時(shí)要適應(yīng)低頻信號(hào)，如金屬礦地震信號(hào)頻率通常在30～200 Hz，天然地震信號(hào)頻率通常在50 Hz。因此信號(hào)中的高頻信號(hào)被視為干擾信號(hào)，電路中引入了低通濾波器將其濾除掉，除去高頻干擾的信號(hào)經(jīng)過(guò)程控放大器CS3301A放大，再通過(guò)24位Δ?∑型A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字抽取濾波，最后系統(tǒng)控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存[4]。
2.2? 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將已預(yù)處理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，考慮到天然地震信號(hào)的頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、噪聲干擾等特性，在電路中，采用CIRRUS LOGIC公司的24位Δ?∑型過(guò)采樣調(diào)制器CS5372（如圖3所示）和數(shù)字抽取濾波器CS5376（如圖4所示）構(gòu)成的24位ADC。Δ?∑型過(guò)采樣調(diào)制器可以將模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的量化噪聲移出有效信號(hào)頻帶，數(shù)字抽取濾波器電路可以過(guò)濾掉通頻帶之外的噪聲[5?6]。這使信號(hào)中的量化噪聲顯著降低，使采集信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍能夠達(dá)到140 dB，滿足了天然地震觀測(cè)大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)采集需求。
3? 數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)原理
寬頻帶地震儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式是采用SEED（the Standard for the Exchange of Earthquake Data，SEED）格式的一種簡(jiǎn)化格式，即Mini?SEED數(shù)據(jù)格式[7]，數(shù)據(jù)整體由若干數(shù)據(jù)記錄組成，每個(gè)記錄包含一個(gè)固定頭段部分、一個(gè)可變頭段部分和一個(gè)數(shù)據(jù)部分。固定頭段部分為48 B，可變頭段16 B，選取純數(shù)據(jù)子塊和數(shù)據(jù)擴(kuò)展子塊來(lái)補(bǔ)充記錄數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和編碼格式信息，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4 032 B，總長(zhǎng)度為4 096 B，如圖5所示。
在32位有符號(hào)整數(shù)（二進(jìn)制補(bǔ)碼格式）的時(shí)間序列中，每個(gè)數(shù)據(jù)樣本或整數(shù)包括4個(gè)字節(jié)。在正常地震背景情況下，地震儀輸出的時(shí)間序列數(shù)據(jù)通常有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，也就是說(shuō)，如果給定前面的幾個(gè)數(shù)據(jù)樣本，則后續(xù)數(shù)據(jù)樣本都有很強(qiáng)的可預(yù)測(cè)性，而且正常地震背景的頻率與數(shù)據(jù)采樣率相比都比較低，所以連續(xù)數(shù)據(jù)樣本之間的差值與滿量程32位數(shù)值相比一般很小。如果要用原 32位數(shù)字的精度來(lái)表示這樣的差值，很少超過(guò)4或5位，那么這些差值可以很容易地表示為一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)且不丟失任何信息，如果這樣做，就可以顯著地壓縮數(shù)據(jù)，節(jié)省它的存儲(chǔ)空間。
采用Steim2算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[8?9]，其原理是：每一幀數(shù)據(jù)中，起始數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)第一個(gè)樣本值，以后的數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)兩個(gè)相鄰樣本的差值。根據(jù)數(shù)據(jù)差值的位數(shù)分類，將其保存為1個(gè)30位或2個(gè)15位或3個(gè)10位或4個(gè)8位或5個(gè)6位或6個(gè)5位或7個(gè)4位的樣點(diǎn)差值。如果所有差值都能用4位表示，那么用Steim2算法即可得到最大壓縮比，在這種情況下，壓縮比為6.74∶1。對(duì)數(shù)據(jù)壓縮算法的對(duì)比研究表明，在環(huán)境噪聲較大或在大地震事件期間，壓縮比會(huì)下降。
4? 地震數(shù)據(jù)傳輸
數(shù)據(jù)的傳輸與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)有著密切的聯(lián)系，而數(shù)據(jù)的傳輸往往是儀器系統(tǒng)的瓶頸。考慮數(shù)據(jù)通信的速率和可操作性，寬頻帶地震儀的數(shù)據(jù)傳輸采用有線傳輸方式，可以有效地獲取儀器所記錄的地震數(shù)據(jù)[10?11]。PC機(jī)與寬頻帶地震儀采用FTP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。FTP數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。
5? 系統(tǒng)測(cè)試
5.1? 測(cè)試條件
測(cè)試環(huán)境：國(guó)家地球物理探測(cè)儀器工程技術(shù)研究中心系統(tǒng)整機(jī)集成測(cè)試室，常溫常濕常壓。
測(cè)試設(shè)備：STS_2.5寬頻帶地震計(jì)、寬頻帶地震儀、PC機(jī)等。
5.2? 測(cè)試方案
5.2.1? 地震儀采集系統(tǒng)測(cè)試
測(cè)試方法是在不接地震計(jì)的條件下進(jìn)行系統(tǒng)自身噪聲檢測(cè)，以此作為噪聲的評(píng)價(jià)值，同時(shí)使用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用式（1）和式（2）計(jì)算出儀器的動(dòng)態(tài)范圍。
[VRMS=i=0N-1V2iN] （1）
式中：[VRMS]為均方根噪聲值;N為樣本個(gè)數(shù);[Vi]為樣本值。
[D=20log（AmaxAmin）] （2）
式中：D為動(dòng)態(tài)范圍數(shù)值;[Amax]為系統(tǒng)能檢測(cè)的最大信號(hào)值;[Amin]為系統(tǒng)能檢測(cè)到的最小信號(hào)值。
圖7所示為處理后的噪聲數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)測(cè)試得到的噪聲值和儀器設(shè)計(jì)的最大輸入范圍計(jì)算得出寬頻帶地震儀的動(dòng)態(tài)范圍為：140.83 dB。
5.2.2? 數(shù)據(jù)壓縮效率測(cè)試
1） 壓縮時(shí)間測(cè)試。改變一次壓縮數(shù)據(jù)量（即采用6組數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，數(shù)據(jù)量分別為4 000 B，8 000 B，12 000 B，16 000 B，20 000 B，32 000 B）進(jìn)行測(cè)試，此種方式主要對(duì)壓縮時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄如表1所示。
通過(guò)測(cè)試記錄的數(shù)據(jù)可以看出單次壓縮數(shù)據(jù)所用的時(shí)間隨著數(shù)據(jù)量的增多而增多，符合理論分析，壓縮算法的運(yùn)行速率可以達(dá)到系統(tǒng)工作要求。
2） 壓縮比測(cè)試。以采樣頻率為100 Hz進(jìn)行固定頻率記錄數(shù)據(jù)，地震計(jì)為三通道，保存數(shù)據(jù)的方式為每1 h保存一次。記錄的數(shù)據(jù)如表2所示。
通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)可以看出，在這6組數(shù)據(jù)中，最大的壓縮比為2.18∶1，可以節(jié)省55%的存儲(chǔ)空間，而表中數(shù)據(jù)的壓縮比在采樣頻率、時(shí)間不變的情況下，壓縮比發(fā)生了改變，驗(yàn)證了本文的分析，壓縮比在環(huán)境噪聲較大期間，壓縮比下降。
5.2.3? FTP數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試
通過(guò)從寬頻帶地震儀下載存儲(chǔ)的地震數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試FTP傳輸效率。如圖8所示為由測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的折線，文件大小由左至右依次為1.89 MB，2.77 MB，2.83 MB，2.92 MB，3.08 MB，3.11 MB，4.12 MB，傳輸時(shí)間由下至上依次為0.42 s，0.85 s，0.87 s，0.89 s，0.94 s，0.95 s，1.26 s，傳輸時(shí)間最大縮短了0.84 s，傳輸效率最大提高67%。
6? 結(jié)? 論
本文介紹的寬頻帶地震儀利用過(guò)采樣調(diào)制技術(shù)和數(shù)字濾波抽取技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然地震的數(shù)據(jù)采集，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到140.83 dB，加入了保護(hù)電路、低通濾波電路等提高抗干擾能力，確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。通過(guò)Steim2壓縮算法和FTP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)了地震數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)壓縮傳輸，縮短了傳輸時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的性能。目前，寬頻帶地震儀進(jìn)行了多次野外測(cè)試，結(jié)果表明其性能穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 喬德武，張春賀，李世臻，等.天然地震層析成像技術(shù)在油氣勘探中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2011，8（4）：1227?1233.
[2] 黃大年，于平，底青云，等.地球深部探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2012，9（5）：1485?1496.
[3] 陸其鵲，彭克中，易碧金.我國(guó)地球物理儀器的發(fā)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（4）：1332?1337.
[4] 王超，宋超，唐進(jìn).高性能水平地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2007，37（1）：168?172.
[5] 易碧金.地震儀器中應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[J].物探裝備，2008，18（6）：354?360.
[6] 楊泓淵.復(fù)雜山地自定位無(wú)纜地震儀的研究與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.
[7] 王洪體，陳陽(yáng)，莊燦濤.SEED格式Steim2數(shù)據(jù)壓縮算法在實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2004，25（4）：14?19.
[8] HERRMANN F J， WANG D L， HENNENFENT G， et al. Curvelet?based seismic data processing： a multiscale and nonlinear approach [J]. Geophysics， 2008， 73（1）： A1?A5.
[9] AHERN Tim， CASEY Rob， BARNES Deborah， et al. SEED reference manual [M]. 3rd ed. Seattle， USA： IRIS， 2006： 35?116.
[10] 吳海超，林君，張林行.地震儀器中應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27（4）：1822?1831.
[11] 陳倩.嵌入式FTP服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用，2010，12（12）：36?38.
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Keywords： broadband seismograph; data acquisition; data compression; circuit design; data transmission; system test
0? 引? 言
在現(xiàn)有的4種地球物理探測(cè)方法（即重、磁、電、震）中，天然地震探測(cè)方法不僅成本低、操作簡(jiǎn)單，而且探測(cè)深度大，迅速發(fā)展成為對(duì)地球深部探測(cè)和研究的重要手段[1]。從19世紀(jì)末開(kāi)始，人類采用現(xiàn)代儀器進(jìn)行地震學(xué)研究?，F(xiàn)今，世界各國(guó)加速建設(shè)地震臺(tái)網(wǎng)，國(guó)外的天然地震探測(cè)儀器飛速發(fā)展，而我國(guó)的地震勘探儀器以及相關(guān)的集成電路技術(shù)嚴(yán)重落后于國(guó)際技術(shù)，所使用的天然地震探測(cè)儀器一直依賴于國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，自主研制寬頻帶天然地震儀器符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略[2?3]。本文對(duì)寬頻帶地震儀的數(shù)據(jù)采集、壓縮及傳輸進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一款可以實(shí)現(xiàn)高精度采集、高效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸?shù)奶烊坏卣鹦盘?hào)記錄儀器。
1? 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，以ARM（Acorn RISC Machine）架構(gòu)的AT91RM9200為主控制器，利用高精度24位A/D轉(zhuǎn)換器，并輔以FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)天然地震數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)及傳輸。為了節(jié)約數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間及提高數(shù)據(jù)傳輸效率，采用Steim2壓縮算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮，同時(shí)加入GPS授時(shí)模塊和WiFi模塊，便于儀器獲取位置信息及無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2? 高精度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)
2.1? 信號(hào)采集整體電路設(shè)計(jì)
采集電路的功能主要為信號(hào)的調(diào)理、采集通道的選擇、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由于儀器需要適應(yīng)長(zhǎng)期工作在野外的環(huán)境，考慮到雷擊等自然因素的影響，設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，可以防止瞬間變換的電壓、過(guò)大的電流等非正常的電壓、電流等對(duì)電子器件造成損害。采集電路前端可以對(duì)測(cè)試通道和采集通道進(jìn)行切換。同時(shí)要適應(yīng)低頻信號(hào)，如金屬礦地震信號(hào)頻率通常在30～200 Hz，天然地震信號(hào)頻率通常在50 Hz。因此信號(hào)中的高頻信號(hào)被視為干擾信號(hào)，電路中引入了低通濾波器將其濾除掉，除去高頻干擾的信號(hào)經(jīng)過(guò)程控放大器CS3301A放大，再通過(guò)24位Δ?∑型A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字抽取濾波，最后系統(tǒng)控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存[4]。
2.2? 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將已預(yù)處理的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，考慮到天然地震信號(hào)的頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、噪聲干擾等特性，在電路中，采用CIRRUS LOGIC公司的24位Δ?∑型過(guò)采樣調(diào)制器CS5372（如圖3所示）和數(shù)字抽取濾波器CS5376（如圖4所示）構(gòu)成的24位ADC。Δ?∑型過(guò)采樣調(diào)制器可以將模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的量化噪聲移出有效信號(hào)頻帶，數(shù)字抽取濾波器電路可以過(guò)濾掉通頻帶之外的噪聲[5?6]。這使信號(hào)中的量化噪聲顯著降低，使采集信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍能夠達(dá)到140 dB，滿足了天然地震觀測(cè)大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)采集需求。
3? 數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)原理
寬頻帶地震儀的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式是采用SEED（the Standard for the Exchange of Earthquake Data，SEED）格式的一種簡(jiǎn)化格式，即Mini?SEED數(shù)據(jù)格式[7]，數(shù)據(jù)整體由若干數(shù)據(jù)記錄組成，每個(gè)記錄包含一個(gè)固定頭段部分、一個(gè)可變頭段部分和一個(gè)數(shù)據(jù)部分。固定頭段部分為48 B，可變頭段16 B，選取純數(shù)據(jù)子塊和數(shù)據(jù)擴(kuò)展子塊來(lái)補(bǔ)充記錄數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和編碼格式信息，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4 032 B，總長(zhǎng)度為4 096 B，如圖5所示。
在32位有符號(hào)整數(shù)（二進(jìn)制補(bǔ)碼格式）的時(shí)間序列中，每個(gè)數(shù)據(jù)樣本或整數(shù)包括4個(gè)字節(jié)。在正常地震背景情況下，地震儀輸出的時(shí)間序列數(shù)據(jù)通常有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，也就是說(shuō)，如果給定前面的幾個(gè)數(shù)據(jù)樣本，則后續(xù)數(shù)據(jù)樣本都有很強(qiáng)的可預(yù)測(cè)性，而且正常地震背景的頻率與數(shù)據(jù)采樣率相比都比較低，所以連續(xù)數(shù)據(jù)樣本之間的差值與滿量程32位數(shù)值相比一般很小。如果要用原 32位數(shù)字的精度來(lái)表示這樣的差值，很少超過(guò)4或5位，那么這些差值可以很容易地表示為一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)且不丟失任何信息，如果這樣做，就可以顯著地壓縮數(shù)據(jù)，節(jié)省它的存儲(chǔ)空間。
采用Steim2算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[8?9]，其原理是：每一幀數(shù)據(jù)中，起始數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)第一個(gè)樣本值，以后的數(shù)據(jù)區(qū)存儲(chǔ)兩個(gè)相鄰樣本的差值。根據(jù)數(shù)據(jù)差值的位數(shù)分類，將其保存為1個(gè)30位或2個(gè)15位或3個(gè)10位或4個(gè)8位或5個(gè)6位或6個(gè)5位或7個(gè)4位的樣點(diǎn)差值。如果所有差值都能用4位表示，那么用Steim2算法即可得到最大壓縮比，在這種情況下，壓縮比為6.74∶1。對(duì)數(shù)據(jù)壓縮算法的對(duì)比研究表明，在環(huán)境噪聲較大或在大地震事件期間，壓縮比會(huì)下降。
4? 地震數(shù)據(jù)傳輸
數(shù)據(jù)的傳輸與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)有著密切的聯(lián)系，而數(shù)據(jù)的傳輸往往是儀器系統(tǒng)的瓶頸。考慮數(shù)據(jù)通信的速率和可操作性，寬頻帶地震儀的數(shù)據(jù)傳輸采用有線傳輸方式，可以有效地獲取儀器所記錄的地震數(shù)據(jù)[10?11]。PC機(jī)與寬頻帶地震儀采用FTP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。FTP數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。
5? 系統(tǒng)測(cè)試
5.1? 測(cè)試條件
測(cè)試環(huán)境：國(guó)家地球物理探測(cè)儀器工程技術(shù)研究中心系統(tǒng)整機(jī)集成測(cè)試室，常溫常濕常壓。
測(cè)試設(shè)備：STS_2.5寬頻帶地震計(jì)、寬頻帶地震儀、PC機(jī)等。
5.2? 測(cè)試方案
5.2.1? 地震儀采集系統(tǒng)測(cè)試
測(cè)試方法是在不接地震計(jì)的條件下進(jìn)行系統(tǒng)自身噪聲檢測(cè)，以此作為噪聲的評(píng)價(jià)值，同時(shí)使用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用式（1）和式（2）計(jì)算出儀器的動(dòng)態(tài)范圍。
[VRMS=i=0N-1V2iN] （1）
式中：[VRMS]為均方根噪聲值;N為樣本個(gè)數(shù);[Vi]為樣本值。
[D=20log（AmaxAmin）] （2）
式中：D為動(dòng)態(tài)范圍數(shù)值;[Amax]為系統(tǒng)能檢測(cè)的最大信號(hào)值;[Amin]為系統(tǒng)能檢測(cè)到的最小信號(hào)值。
圖7所示為處理后的噪聲數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)測(cè)試得到的噪聲值和儀器設(shè)計(jì)的最大輸入范圍計(jì)算得出寬頻帶地震儀的動(dòng)態(tài)范圍為：140.83 dB。
5.2.2? 數(shù)據(jù)壓縮效率測(cè)試
1） 壓縮時(shí)間測(cè)試。改變一次壓縮數(shù)據(jù)量（即采用6組數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，數(shù)據(jù)量分別為4 000 B，8 000 B，12 000 B，16 000 B，20 000 B，32 000 B）進(jìn)行測(cè)試，此種方式主要對(duì)壓縮時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄如表1所示。
通過(guò)測(cè)試記錄的數(shù)據(jù)可以看出單次壓縮數(shù)據(jù)所用的時(shí)間隨著數(shù)據(jù)量的增多而增多，符合理論分析，壓縮算法的運(yùn)行速率可以達(dá)到系統(tǒng)工作要求。
2） 壓縮比測(cè)試。以采樣頻率為100 Hz進(jìn)行固定頻率記錄數(shù)據(jù)，地震計(jì)為三通道，保存數(shù)據(jù)的方式為每1 h保存一次。記錄的數(shù)據(jù)如表2所示。
通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)可以看出，在這6組數(shù)據(jù)中，最大的壓縮比為2.18∶1，可以節(jié)省55%的存儲(chǔ)空間，而表中數(shù)據(jù)的壓縮比在采樣頻率、時(shí)間不變的情況下，壓縮比發(fā)生了改變，驗(yàn)證了本文的分析，壓縮比在環(huán)境噪聲較大期間，壓縮比下降。
5.2.3? FTP數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試
通過(guò)從寬頻帶地震儀下載存儲(chǔ)的地震數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試FTP傳輸效率。如圖8所示為由測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的折線，文件大小由左至右依次為1.89 MB，2.77 MB，2.83 MB，2.92 MB，3.08 MB，3.11 MB，4.12 MB，傳輸時(shí)間由下至上依次為0.42 s，0.85 s，0.87 s，0.89 s，0.94 s，0.95 s，1.26 s，傳輸時(shí)間最大縮短了0.84 s，傳輸效率最大提高67%。
6? 結(jié)? 論
本文介紹的寬頻帶地震儀利用過(guò)采樣調(diào)制技術(shù)和數(shù)字濾波抽取技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然地震的數(shù)據(jù)采集，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到140.83 dB，加入了保護(hù)電路、低通濾波電路等提高抗干擾能力，確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。通過(guò)Steim2壓縮算法和FTP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)了地震數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)壓縮傳輸，縮短了傳輸時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的性能。目前，寬頻帶地震儀進(jìn)行了多次野外測(cè)試，結(jié)果表明其性能穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 喬德武，張春賀，李世臻，等.天然地震層析成像技術(shù)在油氣勘探中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2011，8（4）：1227?1233.
[2] 黃大年，于平，底青云，等.地球深部探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2012，9（5）：1485?1496.
[3] 陸其鵲，彭克中，易碧金.我國(guó)地球物理儀器的發(fā)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（4）：1332?1337.
[4] 王超，宋超，唐進(jìn).高性能水平地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2007，37（1）：168?172.
[5] 易碧金.地震儀器中應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[J].物探裝備，2008，18（6）：354?360.
[6] 楊泓淵.復(fù)雜山地自定位無(wú)纜地震儀的研究與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.
[7] 王洪體，陳陽(yáng)，莊燦濤.SEED格式Steim2數(shù)據(jù)壓縮算法在實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2004，25（4）：14?19.
[8] HERRMANN F J， WANG D L， HENNENFENT G， et al. Curvelet?based seismic data processing： a multiscale and nonlinear approach [J]. Geophysics， 2008， 73（1）： A1?A5.
[9] AHERN Tim， CASEY Rob， BARNES Deborah， et al. SEED reference manual [M]. 3rd ed. Seattle， USA： IRIS， 2006： 35?116.
[10] 吳海超，林君，張林行.地震儀器中應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27（4）：1822?1831.
[11] 陳倩.嵌入式FTP服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用，2010，12（12）：36?38.
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