小型化多道地震信号采集系统设计与实现

李怀良 ， 庹先国 ， 任家富 ， 朱丽丽

（1.地球探测与信息技术教育部重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059）

0 引 言

浅层地震（即工程地震）勘探作为寻找隐伏断层、地质构造勘查及隧道超前预报的主要技术手段，在工程地质调查与评价领域发挥了极为重要的作用[1-3]。而地震数据的采集则是地震勘探的核心，目前主流的浅层地震勘探通常采用多道覆盖叠加的采集方法，即多道地震信号的并行采集。基于FPGA或工控机的多道信号采集方法已经被广泛应用于集中式地震仪中[4-5]，如DZQ48采取单板集成12道A/D，由4个FPGA来控制。这种方式具有较强的并行采集能力，但却大大增加了仪器自身的体积和重量，尤其是集中式的设计结构更限制了设备在复杂环境下的施工能力[6]。针对上述问题，方案采用分布式的采集结构，前端设计可动态配置的信号调理系统，并利用低功耗的MSP430F149结合集成4路差分输入的ADS1256来实现地震数据的采集和存储，从而在保证其性能的同时增加采集站的集成化程度和便携性。

1 多路地震信号采集方案分析

1.1 采集电路

地震勘探野外施工的条件和地质环境、勘探方法的不同，均要求采集系统的参数能够根据实际情况进行调整，以保证系统能够最大程度地拾取到人工震源激发的微弱地震信号。其设置参数主要包括放大增益、滤波器截止频率、采样率、采样长度等。同时设计中需要提高采集装置的集成化程度及便携性。结合这种需求，采用4路并行的前置放大器、程控放大器、抗混叠滤波器等组合成能拾取微弱信号的前端信号调理电路，同时将处理后的信号送入单端转差分电路以匹配后端A/D转换器。为了满足集成化及低功耗需求，方案采用单片集成4路差分输入的ADS1256来完成模数转换功能，由16位的低功耗处理器MSP430F149来控制各单元功能，其中大量的地震数据暂存工作也由处理器内部存储空间完成。由于需要将数据传输至主控中心，因此采集系统需要扩展对应的无线通信接口，即硬件SPI控制方式的nRF24L01。整个采集电路结构如图1所示。整个电路可以实现4路地震信号的并行处理和采集，供电部分采用内置可充电锂电配合开关电源的方式，以提高系统便携性和电源转换效率。

图1 多路地震信号采集电路框图

1.2 电路参数分析

系统前端的动圈式检波器，主要是靠高灵敏度地感应地下震动拾取人工地震信号，这种微弱信号是一种衰减较快的瞬时信号，而且不同的施工条件下，其信号幅度及变化范围也有所不同。设计中采用程控放大器配合固定增益放大器实现可调增益放大功能，主要是由于系统采用的PGA205，其输入失调电压是当前程控放大器中最低的50μV，为进一步提高系统的弱信号响应水平，电路前端先采用OPA2188以5倍固定增益对信号进行放大，OPA2188的输入失调电压为10μV，这就大大提高了系统的输入动态范围。

通常情况下，不同的勘探方法有效波范围不同，所采用的采样率也不同，如有效反射波范围为20～60 Hz，甚至更低，而且人工激发的地震信号频带较宽，包括野外现场所产生的各种噪声，在采样频率固定的情况下，极易由原始信号中的高频谐波产生假频，即频率混叠现象，滤除这种假频干扰的有效方式是采用截止频率和A/D采样频率相同的低通滤波器，同时为满足截止频率可调的功能，方案采用开关电容滤波器MAX263组合实现低通滤波功能。由于MAX263实现可调功能需要控制的引脚较多，为了节省控制器IO口，设计中将MAX263的控制参数引脚固定，转而控制其输入时钟频率来达到调整截止频率目的，这种方式仅仅需要控制占用较少IO口的时钟分频器即可实现可调功能。

模数转换部分采用集成4路差分输入的24位转换器ADS1256，由MSP430F149通过SPI端口控制，这进一步提高了采集电路的集成化程度。ADS1256在参考电压为2.5 V时，输入范围达±5 V，但其差分信号输入端均要求其输入电平高于0.2V，而且经过信号调理的原始地震信号为单端信号。系统采用放大器AD8138构成四臂相同电阻的跟随器，其调整共模输出的Vocm设置为与ADS1256相同的参考电压，这样就能将单端地震信号转换为适合于ADS1256的差分信号，尤其是ADS1256的差分输入端电平要求。

系统所采用的锂电池单节为3.6V，而系统采用的是±5V供电，需要两节电池串联为7.2V进行转换，如果直接采用线性稳压芯片转换，虽然系统中不会引入纹波噪声，但是2.2V的压差及其在稳压芯片上的损耗太大。因系统功能采用的锂电池配合开关电源来实现，但这种供电方案中会引入DC-DC开关电源固有的较大纹波干扰（50mV以上）[7]，应用电路中根据开关电源的开关频率加入π型的LC滤波电路，这种方式可以将电源纹波压制在10mV以下。

2 分时切换采集与暂存

四通道地震数据的采集和暂存是整个系统核心。由于MSP430F149是通过硬件SPI控制单片ADS1256进行分时切换采集的，这种采集方式是无法做到严格并行操作的。同时四道的地震数据量较为庞大，以单道2048个采样点计算，在24位分辨率时单道数据量为6kB，则四道总计24kB。而MSP430F149的RAM空间仅有2kB[8]，为了减少外围器件的扩展和功耗，设计中地震数据的暂存工作由MSP430F149的内部Flash来完成，其内部Flash的操作有频率限制，这也增加了A/D转换器在分时切换时的延时时间。

为了保证ADS1256分时切换采样的均匀性，采用单道采集单道暂存的连续操作方式。ADS1256在7.68 MHz工作时钟条件下以30kS/s采样率执行四路分时切换时，其等效的采样率仅为4374kS/s，而Flash操作的最大频率为476kHz[9]，加上控制器内部诸多指令执行的时间，使得暂存数据到Flash的操作以不可预知的延时影响系统的等效采样率，最终导致系统等效采样率无法计算，甚至是一个非整数值，这也导致了后期的地震数据处理极为不便。为了固定这一等效采样率，设计中将通道切换操作中加入等间隔延时调整等效采样率，通过采集标准信号进行频谱分析来调整加入的延时函数，即加入延时后采集的数据以某一固定采样频率计算的频谱，应和原始标准信号的频谱对应。反复测试调整后的结果表明，分时切换单道操作中需要加入6μs的延时，才能保证系统在30kS/s采样率时，实现标准的最大1kS/s等效采样频率。其他采样频率的调整，则可以通过编程调整ADS1256的原始采样频率实现。

3 性能及功耗测试

3.1 A/D稳定性及噪声有效位测试

为充分反映ADC在采集地震数据时长时间测量的稳定性，测试中设置ADC的采样率为1kS/s，参考电压为2.5 V，系统增益为1，滤波器截止频率为1 kHz，任意接入一稳定的直流电压以差分输入方式采样，采样长度为13 500 s，观察其特定稳定输入的情况下采集信号的波动情况，具体的测试结果如图2所示。可以观察有一定微小的波动，其波动影响应是来自于单端转差分芯片或提供参考电源的稳压芯片，总体而言，其能够稳定在平均线上工作。

针对系统噪声及有效位测试，采用直接将信号输入端短接连续采集2s长度数据的方式，系统增益为1，滤波器截止频率为1 kHz，实际的测试波形如图3所示。可以看出，系统的噪声水平为40μV，这主要受开关电源纹波的影响。而这也反应了ADS1256的有效分辨率在19位以上，充分满足了系统的动态范围要求。

3.2 现场应用测试

为验证这种设计方法的可行性，将该系统与重庆地质仪器厂生产的DZQ48地震仪进行对比测试，其中系统增益设置为20倍，DZQ48为32倍，滤波器截止频率均为1kHz，采样率均为1kS/s，512ms的采样长度，采用人工激发震源的方式，道间距50m，炮点偏移距为50m，连续采样叠加30次。测试的波形对比效果如图4所示，不难看出两套系统所采用的地震波形走势基本相同。而且从图5的本系统单道频谱图来看，其主频能量集中在40Hz的有效反射波范围内。

图2 A/D稳定性测试波形

图3 噪声及有效位测试波形

图4 现场测试波形

图5 本系统地震波形频谱图

3.3 功耗测试

由于单个信号采集站需要集成12道检波器，即3组本系统共用一组电源，实际测试表明整个采集站在启动所有功能的情况下工作电流为860mA，而单节锂电池为3.6V/2.6Ah，实际应用中采用六并两串的方式进行组合，即7.2V/15.6Ah。考虑到DC-DC开关电源的效率为85%，其理论工作时间可达15.6h，而实际测试采集站工作时间为13.5h左右，被损耗的能量主要是由于开关电源转换效率的不稳定，以及采集板中为主控制器供电的5 V转3.3 V线性稳压损耗。

4 结束语

采用低功耗的MSP430F149、ADS1256及可程控的信号处理模块，设计具有4路采集、暂存地震信号的小型化系统，其信号处理模块的各单元可根据实际需求进行配置，包括系统的采样率和采样长度。这种采用单芯片集成多路转换功能、内置存储空间的方式保证了系统的高度集成化及低功耗要求，进而提高了整个系统的便携性。同时采取分时切换采集暂存的方式保证了系统的均匀采样性能，其最大准并行等效采样率达1ks/s，最小输入响应信号低至10μV。实际的测试结果显示1ks/s采样率时其有效分辨率可达19位，最终应用于分布式地震仪的现场测试表明系统充分满足地震勘探需求。

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