数字光栅检波器系统架构及数据采样

罗洋+徐海侠

摘 要：随着全球经济发展以及能源危机的加剧，全面提高油气勘探技术，增加石油储量已经成为世界各国的当务之急。地震检波器作为油气勘探工作的首要环节，它的发展水平已成为衡量油气勘探能力的一个重要标志，而光栅地震检波器以高的地震波探测性能和强的电磁兼容性能展示出了强劲的发展前景。本文主要研究了一种数字光栅检波器及其信号采样。

关键词：光栅检波器 信号采样 原理

中图分类号：TH361 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0006-02

近年来，随着工业现代化的快速发展，石油的需求量急剧增加。作为当今世界最主要的能源，石油是经济和民生赖以运转的血液，它在国民经济中占据着举足轻重的地位，关系着国家安全与发展的大局。为了缓解我国油气供应不足的现状，除发展新能源外，进一步寻找油气资源已迫在眉睫[1]。

地震检波器是地震勘探的关键环节之一，它决定了整个勘探系统的优劣，不管在地震接收系统方面进行多大的改进，地震检波器性能仍然直接影响到数据采集的质量。因此，高性能的地震检波器的研究和开发具有重要的现实意义。

在经历模拟地震检波器之后，对模拟地震检波器的工艺进行了改进，发展到了超级地震检波器。随着油气勘探条件的变化，已有的模拟地震检波器或超级地震检波器在地震波探测频率范围、动态范围、分辨率及保真度方面已不能完全满足勘探的要求，进而推动了地震波探测新方法的研究，其中基于光栅测量的地震波探测方法就是一种具有发展前景的地震波探测方法[2]。

1 光栅检波器测量原理

光栅式传感器是基于光栅检测装置测量物体受力作用下结构表面的线位移，进而转化为其它所测量。光栅检测装置关键的部分是光栅读数头，如图1所示，它一般是由光源、指示光栅、会聚透镜、调整机构以及光电元件等组成，本文中使用的是RENISHAW公司生产的RGH25型反射读数头。

常见的光栅都是根据莫尔条纹的形成原理来进行工作的。如下图2所示，当标尺光栅与指示光栅成一角度来放置时，则必然会使得两光栅尺上的线纹相互交叉，这时在光源的照射下，交叉点旁边的小区域内因为由于未产生线纹重叠，因此挡光效应最弱，由于光的累积作用而使得这个区域出现了亮带。与之相反，在距交叉点相对较远的区域内，因两光栅尺上线纹重叠面积减小，不透明区域面积也会逐渐变大，挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，所以这个区域出现暗带，从而便形成了我们见到的明暗交替的莫尔条纹[3]。

本论文所设计的光栅地震检波器就是基于光栅莫尔条纹测量的基本原理来实现对振动信号的检测。为实现对光栅信号的测量，将光栅系统中的主光栅与弹簧组合成振子（惯性体），将指示光栅与外壳固定。当外部激励产生振动时，由于惯性，主光栅与指示光栅产生相对运动，从而产生变化的莫尔条纹，经光电转换得到被测对象的振动信息。

2 信号采样

光栅摩尔条纹信号在地震波的探测频率范围内以及动态范围内始终是等幅变化的正弦波和余弦波，为采集所需要的正余弦信号，我们针对MP426型数据采集卡进行光栅信号采集程序编写。

MP426采集卡以DLL动态链接库的方式封装了用户在WINDOWS环境下编程需要的函数，如设备操作函数、AD函数、开关量函数以及EEPROM函数等，动态链接库可以被多种编程语言调用。本文采用VC进行编程，实现了对光栅数据的采集以及误差修正，图2为光栅数据采集程序的上位机界面。

MP426采集卡的采集频率可达到100 kHz/通道，光栅地震检波器输出等幅的正弦和余弦信号，则每秒需采集20万个点，数据量比较庞大。为验证光栅检波器输出以及所采集光栅数据的准确性，我们随机选取几组不同频率信号进行测量，对所测得的正余弦数据利用李萨如图进行观察比较。

通过软件设置采集卡进行数据采集，两路信号各采集一万个点，分别设置振动台振动频率分别为20 Hz和50 Hz时，根据所测数据绘制的图形如图3所示。

3 结果与误差分析

根据测量数据绘制的波形图及李萨如图形可知，光栅检波器及采集卡所采集数据呈圆形。观察发现，在不同振动频率下，李萨如图形未能呈现标准圆，数据存在一定误差，根据实际情况分析采集数据误差的来源包括：

实验使用的电磁振动台输出波形与输入电压、使用环境以及振动台内部结构参数有一定关系，因此，在实际使用中不可能产生严格意义上的正弦波，整个系统输入存在一定误差；光栅信号自身的幅值误差、直流误差和正交误差等；由于采集卡采用多通道数据采集，采集频率高，因此，不同通道采集时具有一定的软件延迟；由于传感器自身结构缺陷以及其它因素（传感器与振动台贴合、光栅读数头与光栅尺配合等）引入的误差。

4 结论

虽然光栅技术应用于地震检波器还只是一种尝试，但正由于光栅地震检波器具有很高的分辨率和动态范围等特点，将会在未来高分辨率、大频带地震勘探任务中发挥越来越重要的作用[4]。

参考文献

[1] 罗福龙，易碧金，罗兰兵.地震检波器技术及应用[J].物探装备，2005，15（1）：6-14.

[2] 李淑清，陶知非.未来地震检波器理论分析[J].物探装备，2003，13（3）：152-156.

[3] 付清锋.地震检波器新技术发展方向[J].石油仪器，2006，19（6）：1-4.

[4] 高华.地球物理勘探中新型地震检波器的研究[D].天津：天津大学，2004：11-12.endprint

摘 要：随着全球经济发展以及能源危机的加剧，全面提高油气勘探技术，增加石油储量已经成为世界各国的当务之急。地震检波器作为油气勘探工作的首要环节，它的发展水平已成为衡量油气勘探能力的一个重要标志，而光栅地震检波器以高的地震波探测性能和强的电磁兼容性能展示出了强劲的发展前景。本文主要研究了一种数字光栅检波器及其信号采样。

关键词：光栅检波器 信号采样 原理

中图分类号：TH361 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0006-02

近年来，随着工业现代化的快速发展，石油的需求量急剧增加。作为当今世界最主要的能源，石油是经济和民生赖以运转的血液，它在国民经济中占据着举足轻重的地位，关系着国家安全与发展的大局。为了缓解我国油气供应不足的现状，除发展新能源外，进一步寻找油气资源已迫在眉睫[1]。

地震检波器是地震勘探的关键环节之一，它决定了整个勘探系统的优劣，不管在地震接收系统方面进行多大的改进，地震检波器性能仍然直接影响到数据采集的质量。因此，高性能的地震检波器的研究和开发具有重要的现实意义。

在经历模拟地震检波器之后，对模拟地震检波器的工艺进行了改进，发展到了超级地震检波器。随着油气勘探条件的变化，已有的模拟地震检波器或超级地震检波器在地震波探测频率范围、动态范围、分辨率及保真度方面已不能完全满足勘探的要求，进而推动了地震波探测新方法的研究，其中基于光栅测量的地震波探测方法就是一种具有发展前景的地震波探测方法[2]。

1 光栅检波器测量原理

光栅式传感器是基于光栅检测装置测量物体受力作用下结构表面的线位移，进而转化为其它所测量。光栅检测装置关键的部分是光栅读数头，如图1所示，它一般是由光源、指示光栅、会聚透镜、调整机构以及光电元件等组成，本文中使用的是RENISHAW公司生产的RGH25型反射读数头。

常见的光栅都是根据莫尔条纹的形成原理来进行工作的。如下图2所示，当标尺光栅与指示光栅成一角度来放置时，则必然会使得两光栅尺上的线纹相互交叉，这时在光源的照射下，交叉点旁边的小区域内因为由于未产生线纹重叠，因此挡光效应最弱，由于光的累积作用而使得这个区域出现了亮带。与之相反，在距交叉点相对较远的区域内，因两光栅尺上线纹重叠面积减小，不透明区域面积也会逐渐变大，挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，所以这个区域出现暗带，从而便形成了我们见到的明暗交替的莫尔条纹[3]。

本论文所设计的光栅地震检波器就是基于光栅莫尔条纹测量的基本原理来实现对振动信号的检测。为实现对光栅信号的测量，将光栅系统中的主光栅与弹簧组合成振子（惯性体），将指示光栅与外壳固定。当外部激励产生振动时，由于惯性，主光栅与指示光栅产生相对运动，从而产生变化的莫尔条纹，经光电转换得到被测对象的振动信息。

2 信号采样

光栅摩尔条纹信号在地震波的探测频率范围内以及动态范围内始终是等幅变化的正弦波和余弦波，为采集所需要的正余弦信号，我们针对MP426型数据采集卡进行光栅信号采集程序编写。

MP426采集卡以DLL动态链接库的方式封装了用户在WINDOWS环境下编程需要的函数，如设备操作函数、AD函数、开关量函数以及EEPROM函数等，动态链接库可以被多种编程语言调用。本文采用VC进行编程，实现了对光栅数据的采集以及误差修正，图2为光栅数据采集程序的上位机界面。

MP426采集卡的采集频率可达到100 kHz/通道，光栅地震检波器输出等幅的正弦和余弦信号，则每秒需采集20万个点，数据量比较庞大。为验证光栅检波器输出以及所采集光栅数据的准确性，我们随机选取几组不同频率信号进行测量，对所测得的正余弦数据利用李萨如图进行观察比较。

通过软件设置采集卡进行数据采集，两路信号各采集一万个点，分别设置振动台振动频率分别为20 Hz和50 Hz时，根据所测数据绘制的图形如图3所示。

3 结果与误差分析

根据测量数据绘制的波形图及李萨如图形可知，光栅检波器及采集卡所采集数据呈圆形。观察发现，在不同振动频率下，李萨如图形未能呈现标准圆，数据存在一定误差，根据实际情况分析采集数据误差的来源包括：

实验使用的电磁振动台输出波形与输入电压、使用环境以及振动台内部结构参数有一定关系，因此，在实际使用中不可能产生严格意义上的正弦波，整个系统输入存在一定误差；光栅信号自身的幅值误差、直流误差和正交误差等；由于采集卡采用多通道数据采集，采集频率高，因此，不同通道采集时具有一定的软件延迟；由于传感器自身结构缺陷以及其它因素（传感器与振动台贴合、光栅读数头与光栅尺配合等）引入的误差。

4 结论

虽然光栅技术应用于地震检波器还只是一种尝试，但正由于光栅地震检波器具有很高的分辨率和动态范围等特点，将会在未来高分辨率、大频带地震勘探任务中发挥越来越重要的作用[4]。

参考文献

[1] 罗福龙，易碧金，罗兰兵.地震检波器技术及应用[J].物探装备，2005，15（1）：6-14.

[2] 李淑清，陶知非.未来地震检波器理论分析[J].物探装备，2003，13（3）：152-156.

[3] 付清锋.地震检波器新技术发展方向[J].石油仪器，2006，19（6）：1-4.

[4] 高华.地球物理勘探中新型地震检波器的研究[D].天津：天津大学，2004：11-12.endprint

摘 要：随着全球经济发展以及能源危机的加剧，全面提高油气勘探技术，增加石油储量已经成为世界各国的当务之急。地震检波器作为油气勘探工作的首要环节，它的发展水平已成为衡量油气勘探能力的一个重要标志，而光栅地震检波器以高的地震波探测性能和强的电磁兼容性能展示出了强劲的发展前景。本文主要研究了一种数字光栅检波器及其信号采样。

关键词：光栅检波器 信号采样 原理

中图分类号：TH361 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0006-02

近年来，随着工业现代化的快速发展，石油的需求量急剧增加。作为当今世界最主要的能源，石油是经济和民生赖以运转的血液，它在国民经济中占据着举足轻重的地位，关系着国家安全与发展的大局。为了缓解我国油气供应不足的现状，除发展新能源外，进一步寻找油气资源已迫在眉睫[1]。

地震检波器是地震勘探的关键环节之一，它决定了整个勘探系统的优劣，不管在地震接收系统方面进行多大的改进，地震检波器性能仍然直接影响到数据采集的质量。因此，高性能的地震检波器的研究和开发具有重要的现实意义。

在经历模拟地震检波器之后，对模拟地震检波器的工艺进行了改进，发展到了超级地震检波器。随着油气勘探条件的变化，已有的模拟地震检波器或超级地震检波器在地震波探测频率范围、动态范围、分辨率及保真度方面已不能完全满足勘探的要求，进而推动了地震波探测新方法的研究，其中基于光栅测量的地震波探测方法就是一种具有发展前景的地震波探测方法[2]。

1 光栅检波器测量原理

光栅式传感器是基于光栅检测装置测量物体受力作用下结构表面的线位移，进而转化为其它所测量。光栅检测装置关键的部分是光栅读数头，如图1所示，它一般是由光源、指示光栅、会聚透镜、调整机构以及光电元件等组成，本文中使用的是RENISHAW公司生产的RGH25型反射读数头。

常见的光栅都是根据莫尔条纹的形成原理来进行工作的。如下图2所示，当标尺光栅与指示光栅成一角度来放置时，则必然会使得两光栅尺上的线纹相互交叉，这时在光源的照射下，交叉点旁边的小区域内因为由于未产生线纹重叠，因此挡光效应最弱，由于光的累积作用而使得这个区域出现了亮带。与之相反，在距交叉点相对较远的区域内，因两光栅尺上线纹重叠面积减小，不透明区域面积也会逐渐变大，挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，所以这个区域出现暗带，从而便形成了我们见到的明暗交替的莫尔条纹[3]。

本论文所设计的光栅地震检波器就是基于光栅莫尔条纹测量的基本原理来实现对振动信号的检测。为实现对光栅信号的测量，将光栅系统中的主光栅与弹簧组合成振子（惯性体），将指示光栅与外壳固定。当外部激励产生振动时，由于惯性，主光栅与指示光栅产生相对运动，从而产生变化的莫尔条纹，经光电转换得到被测对象的振动信息。

2 信号采样

光栅摩尔条纹信号在地震波的探测频率范围内以及动态范围内始终是等幅变化的正弦波和余弦波，为采集所需要的正余弦信号，我们针对MP426型数据采集卡进行光栅信号采集程序编写。

MP426采集卡以DLL动态链接库的方式封装了用户在WINDOWS环境下编程需要的函数，如设备操作函数、AD函数、开关量函数以及EEPROM函数等，动态链接库可以被多种编程语言调用。本文采用VC进行编程，实现了对光栅数据的采集以及误差修正，图2为光栅数据采集程序的上位机界面。

MP426采集卡的采集频率可达到100 kHz/通道，光栅地震检波器输出等幅的正弦和余弦信号，则每秒需采集20万个点，数据量比较庞大。为验证光栅检波器输出以及所采集光栅数据的准确性，我们随机选取几组不同频率信号进行测量，对所测得的正余弦数据利用李萨如图进行观察比较。

通过软件设置采集卡进行数据采集，两路信号各采集一万个点，分别设置振动台振动频率分别为20 Hz和50 Hz时，根据所测数据绘制的图形如图3所示。

3 结果与误差分析

根据测量数据绘制的波形图及李萨如图形可知，光栅检波器及采集卡所采集数据呈圆形。观察发现，在不同振动频率下，李萨如图形未能呈现标准圆，数据存在一定误差，根据实际情况分析采集数据误差的来源包括：

实验使用的电磁振动台输出波形与输入电压、使用环境以及振动台内部结构参数有一定关系，因此，在实际使用中不可能产生严格意义上的正弦波，整个系统输入存在一定误差；光栅信号自身的幅值误差、直流误差和正交误差等；由于采集卡采用多通道数据采集，采集频率高，因此，不同通道采集时具有一定的软件延迟；由于传感器自身结构缺陷以及其它因素（传感器与振动台贴合、光栅读数头与光栅尺配合等）引入的误差。

4 结论

虽然光栅技术应用于地震检波器还只是一种尝试，但正由于光栅地震检波器具有很高的分辨率和动态范围等特点，将会在未来高分辨率、大频带地震勘探任务中发挥越来越重要的作用[4]。

参考文献

[1] 罗福龙，易碧金，罗兰兵.地震检波器技术及应用[J].物探装备，2005，15（1）：6-14.

[2] 李淑清，陶知非.未来地震检波器理论分析[J].物探装备，2003，13（3）：152-156.

[3] 付清锋.地震检波器新技术发展方向[J].石油仪器，2006，19（6）：1-4.

[4] 高华.地球物理勘探中新型地震检波器的研究[D].天津：天津大学，2004：11-12.endprint