基于本地無線同步的微動勘探儀設計

牟新剛，朱開瑄，周 曉，喻 顏

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

短周期脈動也稱常時微動(簡稱微動)是地面土層對于外界的各種干擾的響應，微動臺陣布置通常半徑在30 m以內。由于外界任意時間都存在著震動，因此微動的檢測沒有時間限制[1]。微動勘探常用的數(shù)據(jù)處理方法包括：單點譜比法與臺陣方法。微動數(shù)據(jù)經(jīng)過單點譜比法(spectral ration method，H/V)處理后在低頻處存在峰值，該峰值頻率稱為卓越頻率[2]。常時微動特性受周圍環(huán)境影響，因此同一地方的不同時刻幅值大小會有所差異，但是頻譜形狀基本相同。單點譜比法處理后的微動數(shù)據(jù)通常有以下作用：建筑物自振周期選取，場地土類型確定[3]，建筑物場地選擇[4]。臺陣方法數(shù)據(jù)處理采用高頻率頻率-波速法(high resolution frequency-wave number spectrum analysis, HRFK)[5]，該方法可用于反演地質構造與城市孤石勘探[6]。

目前，微動勘探多用于市政工程與基建工程中，因此常在隧道、高樓群、地下以及密林中勘探。微動勘探設備多采用GPS(global positioning system)信號同步[7]。GPS信號在上述場合中存在信號弱、不穩(wěn)定的缺點?，F(xiàn)有儀器通常在上述場合采用外接同步線方式實現(xiàn)同步勘探。有線同步方式存在設備同步數(shù)量較少，線纜較重，不方便作業(yè)的缺點。

為了在隧道、高樓群、地下以及密林等無法使用GPS信號地區(qū)，高效、高精度地進行微動勘探，設計了一種基于SYN1000模塊的本地無線同步的微動勘探儀。該儀器彌補現(xiàn)有以GPS同步儀器的不足同時，在開闊地能與現(xiàn)有以GPS同步儀器進行相同性能的勘探。

1 勘探方案設計

為滿足單點譜比法與臺陣勘探法需求，制定了如圖1所示勘探方案。微動勘探臺陣半徑距離通常在30 m以內，由于臺陣勘探法要求各個儀器間相關性在0.999以上，相位差在±3～5°以內，設備同步精度需低于1 μs[8]。因此設計勘探儀同步采用SYN1000同步模塊。微動勘探儀的方案為：將1～6號勘探儀按圖1臺陣擺放，數(shù)據(jù)收集站放置于勘探臺陣遠方，數(shù)據(jù)收集站發(fā)送同步指令，實現(xiàn)各個勘探儀與數(shù)據(jù)收集站的時間、脈沖同步。完成同步后發(fā)送采集指令，勘探儀完成指定時長采集，將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)收集站內。若臺陣半徑大于30 m，可添加WiFi與同步模塊中繼站實現(xiàn)遠距離同步勘探。

圖1 臺陣勘探方案

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)選取磁電式速度傳感器PS-4.5C作為脈動勘探儀的傳感器，模數(shù)轉換選擇ADS1251，勘探儀主控芯片為STM32F412，WiFi模塊為Marvell 88W8801。微動勘探儀總體結構框圖如圖2所示。數(shù)據(jù)收集站與微動勘探儀采用WiFi通信，當勘探儀連接至電腦WiFi后，將設備信息(電池電量、SD(secure digital)卡剩余容量等)發(fā)送至數(shù)據(jù)收集站。工作人員通過上位機發(fā)送采集指令至數(shù)據(jù)收集站，勘探儀主控控制三軸上的ADS1251模塊，該模塊根據(jù)指定頻率、時長進行同步采樣，并保存至本地。采集完成后勘探儀將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)收集站，從而實現(xiàn)單次微動數(shù)據(jù)采集。

圖2 系統(tǒng)總體結構框圖

2.1 傳感器及低頻補償電路

以PS-4.5C傳感器為模型建立低頻補償電路，主要技術指標如表1所示。

表1 PS-4.5C傳感器主要技術指標

從表1可知，PS-4.5C磁電式速度傳感器的固有頻率為4.5 Hz，通常常時微動頻率為0.5～20 Hz，傳感器需進行低頻補償。采用串聯(lián)補償法[9]進行低頻補償。磁電式速度傳感器添加補償電路的傳遞函數(shù)為：

(1)

式中：k0為傳感器靈敏度系數(shù)；ξ0為傳感器固有阻尼；ξ1為傳感器最佳阻尼；ω0為矯正前傳感器固有角頻率；ω1為期望補償后的角頻率；G0(s)為傳感器傳遞函數(shù)；C(s)為低頻補償電路傳遞函數(shù)。

結合表1與式(1)傳感器傳遞函數(shù)為：

(2)

將C(s)進行拆解，得到高通、帶通、低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

(3)

由于ω1<ω0因此式(3)中第2個等號后面的第1項高通濾波器可換成全通濾波器[10]。在實際電路中由于振動位移是待測量參數(shù)，然而磁電式速度傳感器輸出是速度參數(shù)，因此需要對傳感器輸出進行一次積分處理才能得到振動位移參數(shù)，為防止積累零漂，因此采用一階慣性環(huán)節(jié)實現(xiàn)積分處理，實現(xiàn)框圖如圖3所示。單軸傳感器補償電路如圖4所示。

圖3 補償電路原理框圖

圖4 磁電式傳感器低頻補償電路

傳感器補償前后的Bode圖如圖5所示。通過對比圖5中未串聯(lián)補償前傳感器Bode圖(虛線)與添加串聯(lián)補償后新模型Bode圖(實線)可知：未加補償電路前傳感器在4.5 Hz處增益為35.6 dB，添加補償電路后傳感器與補償電路組成的新模型在0.45 Hz處的增益為33.8 dB，因此可以認為磁電式速度傳感器添加串聯(lián)補償后系統(tǒng)固有頻率從4.5 Hz降至0.45 Hz，同時相位整體上改變不大。

圖5 傳感器補償前、后Bode圖

2.2 AD電路

模數(shù)轉換模塊ADS1251具有24位高精度、寬動態(tài)范圍、采樣頻率快的特點。因此ADS1251適合作為高精度地質勘探設備的模數(shù)轉換器件[11-12]。本系統(tǒng)采用+5 V電源供電，2.5 V參考電壓，ADS1251電路圖如圖6所示。除去符號位后，理論最小精度為2.5/223≈0.30 μV，滿足高精度微動勘探需求。通過使用單功能的3個運算放大器和4個外部電阻，ADS1251可以配置為相對于地的雙極性輸入。由于微動信號電壓輸入范圍在±5 V之間，R1，R4為10 kΩ，R2為5 kΩ，R3為20 kΩ。3軸ADS1251的SCLK引腳接主控同一引腳，實現(xiàn)多通道同步采集。

圖6 ADS1251電路圖

2.3 設備同步方案硬件設計

SYN1000同步模塊為主、從模塊，分別安裝于數(shù)據(jù)收集站與各個勘探儀中。SYN1000同步模塊電路圖如圖7所示。經(jīng)測試該同步模塊在室內中間隔有兩堵厚度約為20 cm的實心墻情況下，依然能夠保持800 ns高精度同步。主從同步模塊電路一致。SYN1000同步模塊與主控之間信號傳輸都采用高速光耦將其隔離， HPSYNC引腳為高速同步脈沖輸出?？捎捎脩粼O定輸出頻率，SYN1000同步模塊通過UART2將本地時間信息、高速同步脈沖占空比等信息發(fā)送至主控。SYNC ON引腳為勘探儀主控控制該模塊是否工作。

圖7 SYN1000同步模塊電路圖

2.4 STM32F412電路

主控芯片采用STM32F412RET6，該芯片主頻高達100 MHz，內置1 MB內存以及256 KB的SRAM(static random access memory)，該芯片還集成大量的外圍設備及接口電路，并且該芯片價格低廉，資料齊全，開發(fā)難度低。

2.5 WiFi模塊電路

WiFi模塊采用的是Marvell 88W8801無線WiFi智能模塊，該模塊價格低廉，性能可靠。通過WiFi傳輸能夠有效提高工作效率，降低勘探人員操作儀器難度，相比于有線數(shù)據(jù)傳輸方式，減少勘探人員物品攜帶，降低了野外勘探所需時間,有效提高勘探效率。

3 系統(tǒng)軟件設計

勘探系統(tǒng)上電后采集設備首先將本機設備信息發(fā)送至數(shù)據(jù)收集站，當接收到數(shù)據(jù)收集站采集指令時，主控SCLK引腳發(fā)出時鐘至ADS1251，并打開采樣中斷，采樣指定次數(shù)的數(shù)據(jù)后，通知數(shù)據(jù)收集站，數(shù)據(jù)收集站發(fā)送傳輸指令，采集的數(shù)據(jù)分包發(fā)送至數(shù)據(jù)收集站，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。軟件總體設計流程如圖8所示。

圖8 軟件設計流程圖

3.1 勘探儀同步設計

同步軟件設計方案流程如圖9所示,主從模塊分別安裝在主設備以及檢波采集設備中。

圖9 同步軟件設計流程圖

無線同步模塊通過發(fā)送同步脈沖至STM32F412RET6來確保不同設備間的采集時間差控制在1 μs以內。硬件上電后主、從同步模塊首先進行本地時間校準，若發(fā)現(xiàn)主、從模塊本地時間不匹配，則以主模塊本地時間為系統(tǒng)時間。主從模塊匹配后，數(shù)據(jù)收集站等待接收上位機開始采樣指令，數(shù)據(jù)收集站接收到開始采樣指令后，主同步模塊向從同步模塊發(fā)出當前時間戳，從同步模塊接收到時間戳后打開SYNC ON引腳中斷并記錄當前時間戳。當設備完成采樣后從同步模塊關閉SYNC ON引腳中斷，從而實現(xiàn)設備同步。

3.2 多臺勘探儀數(shù)據(jù)對齊程序設計

由于采用本地無線，各個勘探儀開啟采樣時刻存在不一致的問題，因此各個勘探儀數(shù)據(jù)需進行時間戳對齊處理。其流程如圖10所示。

圖10 時間戳對齊軟件設計流程圖

在數(shù)據(jù)收集站進行時間戳對齊前需將各個檢波器傳輸來的數(shù)據(jù)打開，對比各設備采樣起始時間，獲取最晚啟動時間，按最晚啟動時間截取數(shù)據(jù)后，計算最早結束時間，提取最晚啟動時間與最早結束時間內的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)并去除時間戳保存。

4 實驗結果與分析

4.1 等效噪聲及動態(tài)范圍測試

硬件電路受到各種元器件以及走線影響產(chǎn)生各種噪聲，噪聲過高影響系統(tǒng)動態(tài)范圍。為了解儀器噪聲特性，將各個儀器輸入端短接，計算等效噪聲(root mean square,RMS)。對某臺儀器3通道各取1 000個點，其測試結果如圖11所示。經(jīng)計算，圖11中X、Y、Z 3通道的等效噪聲分別為：4.61 μV，3.57 μV，3.20 μV。根據(jù)3通道等效噪聲計算各個通道相應的動態(tài)范圍，分別為121 dB，123 dB和124 dB。等效噪聲與動態(tài)范圍均滿足系統(tǒng)需求。

4.2 同步脈沖時間差測試

取設備1與設備2兩臺勘探儀。將設備1的HPSYNC_1引腳通過延長線與光耦傳輸至30 m處，與設備2的HPSYNC_2引腳脈沖上升沿進行對比，測試兩臺設備間上升沿時間同步差。其結果如圖12所示。圖12(a)中上方脈沖為設備1的HPSYNC_1引腳輸出，下方脈沖為設備1 的HPSYNC_1引腳經(jīng)光耦后的輸出。圖12(b)中下方上升沿為設備1的HPSYNC_1引腳上升沿，上方下降沿為設備1的HPSYNC_1引腳經(jīng)光耦后反相的下降沿。圖12(c)中下方上升沿為設備2的HPSYNC_2引腳上升沿，上方下降沿為設備1的HPSYNC_1引腳經(jīng)光耦后反相的下降沿。

圖12中光耦下降沿與設備1 HPSYNC_1時差為150 ns，光耦本身延遲為45 ns，光耦下降沿與設備2 的HPSYNC_2引腳時差為350 ns，則設備2的HPSYNC_2上升沿與設備1的HPSYNC_1上升沿時差為545 ns，滿足系統(tǒng)需求。

4.3 儀器野外勘探測試

儀器野外勘探場地選取福州金塘路邊平坦開闊的土地上。采用200 Hz采樣頻率，采集30 min?？碧絻x按圖1方式擺放。0.1 Hz高通濾波后的數(shù)據(jù)如圖13所示。數(shù)據(jù)經(jīng)單點譜比法處理后的功率譜如圖14所示，從圖14可知，該地卓越頻率為1.5 Hz。為防止共振，該地建筑物設計時，固有頻率應避免1.5 Hz，降低地震可能造成的破壞。

圖13 0.1 Hz高通濾波后數(shù)據(jù)

圖14 單點譜比法處理后的功率譜

該地區(qū)經(jīng)HRFK處理后的速度-深度圖如圖15所示，從圖15可知，該儀器有效勘探深度在80～90 m。

圖15 HRFK處理后速度-深度圖

4.4 儀器性能對比

選取重慶地質儀器有限公司產(chǎn)的EPS便攜式數(shù)字地震儀與本儀器的關鍵性能進行對比，如表2所示。

表2 EPS地震儀與本文儀器部分性能對比

從表2可知，本儀器在主要性能上能夠達到現(xiàn)有市面上儀器水平。并且在隧道、高樓群、地下以及密林等場合具有更高的勘探效率。

5 結論

為實現(xiàn)在隧道、地下以及密林等無法連接GPS信號地區(qū)，高精度、高效地進行微動勘探，設計了一種基于SYN1000模塊的本地無線同步微動勘探儀。野外實際勘探表明：該儀器的等效噪聲均低于5 μV，動態(tài)范圍均大于120 dB，30 m處同步脈沖時間間隔低于800 ns，符合系統(tǒng)需求。野外某地勘探的數(shù)據(jù)經(jīng)H/V法與HRFK法處理后，得到某地的卓越頻率為1.5 Hz，地層反演有效深度為80～90 m。該系統(tǒng)具有較高的可行性與實用性。