高分辨率无线分布式浅层地震仪的设计



高分辨率无线分布式浅层地震仪的设计

0引言

地震法是地球物理勘探中的重要方法之一，该方法基于地层和岩石的弹性差异，通过观测人工震源发出的波在不同弹性分界面上产生的反射、折射和透射现象，实现地下地质体的探测[1]。近年来，我国在高铁、高速公路、机场等基础建设领域进行了大量的投资，这使得浅层目标的探测越来越受到重视。浅层地震法是该方法的主要探测手段[2,3]。

在浅层地震法中，由于受到人工震源功率的限制，远端检波器所接收到的信号通常非常微弱，因此要求仪器具有大动态范围(大于100 dB)的特点。此外，高铁地基的探查往往要求仪器具有较高的分辨率，故要求仪器具备多通道(48道、72道等)采集的能力，而目前大多数传统浅层地震仪采用的是集中式有线测量形式，这一类仪器通常体积较大且笨重，难以实现多通道测量。基于此，本文提出并实现了一种能够对地震波进行大动态范围高精度采集，并利用WiFi技术,实现多通道无线分布式测量的浅层地震仪设计方案，具有一定的现实意义。

1系统总体设计

根据浅层地震波信号的特点，仪器的整体方案如图1所示，主要分为检波器阵列、分布式采集站、控制终端、PC这4部分。检波器阵列中的每4个检波器由一个采集站控制，以进行地震波信号的高精度同步采集，并通过内置GPS模块实现自定位，以便于后期数据的处理和反演，而采集站之间的同步是利用GPS和恒温晶振来实现的。所有的采集站利用内置的WiFi通信模块和控制终端组建一个WiFi无线局域网，实现无线分布式测量。这种方式的优点是便于在不更改仪器硬件配置的情况下，灵活地根据探测需求进行采集道数的调整。控制终端实时采集的数据通过USB接口上传至PC，而PC主要完成整个仪器系统的控制，并实现基于LabVIEW软件的人机交互控制。

图1　仪器整体结构图

2硬件设计

2.1检波器

地震检波器通常埋在地表，可将地震波的振动信号转化为电路可测的电信号[4]。检波器一般分为动圈式和压电式。压电式多用于海上地震勘探；动圈式主要用于陆地探测，具有结构简单、可靠性高、灵敏度高等特点[5]。因此，本设计选择动圈式检波器，结构如图2所示。当地震波到达地面引起机械振动时，磁铁会作相对运动，使得线圈切割磁力线。这时，线圈中相应地产生感生电动势，将振动信号转化电压信

号。由于浅层的信息主要集中在声波的高频段，因此应尽可能选用高频检波器。本设计采用重庆地质仪器厂的CDJ-Z/P100型检波器。

图2　动圈式检波器结构图

2.2采集站

单个采集站的内部结构如图3所示，主要由数据采集板、控制与通信板、内置电池组成。数据采集板完成信号的调理和数模转换，控制与通信板主要实现采集站的控制、数据存储和上传。

图3　采集站结构图

2.2.1数据采集板

数据采集板由信号调理电路、模数转换电路、数字隔离芯片、低噪声电源组成。信号调理电路的结构如图4所示。

图4　采集站信号调理电路结构图

在野外进行浅层地震信号的采集过程中，由于检波器输出的微弱信号容易受到通信电磁波、市电、杂散电流等各种因素的干扰，因此在进行模数转换前应进行放大和滤波，以提高信号的信噪比。

由于检波器输出的信号较微弱，因此可首先利用TI公司的仪表放大器INA129作为前置放大器，对信号进行放大。该放大器的优点是不仅噪声低，而且其输入阻抗和共模抑制比均很高，因此非常适合将检波器输出的差分信号转化为单端信号，以便后续的进一步信号处理。由于浅层地震波的频率主要集中在100～150 Hz范围内，因此可利用截止频率为150 Hz的低通滤波器来消除高频信号的干扰。浅层地震仪在靠近居民区等人文干扰较大的地方进行工程物探时，极其容易受到50 Hz市电的干扰，因此在本设计中设置了双T型50 Hz陷波电路对干扰进行抑制，并结合低导通电阻的模拟开关ADG1402实现陷波电路的接入控制，以便根据干扰情况进行灵活选择。程控放大器PGA204用于将滤波处理后的信号放大到合适的程度，以便提高后级ADC的动态范围，从而尽可能发挥其性能。为进一步提高信号的共模抑制比，在将信号送入ADC之前进行单端转差分处理，在本设计中采用的是低噪声差分放大器THS4130。此外，通过在电路的反馈电阻上并联电容的形式，将该电路配置为低通滤波形式以实现抗混叠滤波。

由于浅层地震波的频率在音频范围内，因此本文选用TI公司的Σ-Δ型24-bit音频模数转换器ADS1274进行4路的同步转换。该ADC的特点是信噪比可达111 dB，仅通过硬件引脚即可实现参数配置，从而大大简化了其控制程序。在设计中采用帧同步接口(Frame-Sync)进行转换数据的读取，数据转换模式为高分辨率(High-Resolution)模式，且各个通道的输出顺序固定，其参数配置简图如图5所示。当输入的基本时钟为20 MHz时，此时的数据输出率约为39 kHz。

图5　ADS1274配置图

由于控制与通信板自身存在大量的开关高频噪声，为避免这些噪声对数据采集板中敏感模拟电路造成干扰，在两部分电路板之间用隔离芯片ADUM3400/02进行信号线和地线的完全隔离。该系列芯片采用最新的变压器隔离技术，与传统的光耦、电容隔离技术相比具有电平转换选择灵活、响应速度快等特点，因此特别适合高频数字信号的隔离。此外，控制与通信板也将使用鑫达飞公司的隔离型DFA(M)5-12D5，以实现电源的完全隔离。

要实现数据采集电路的大动态范围，模拟电路的电源性能是决定因素之一。为此，本设计中采用“内置电池+低噪声LDO+低噪声DC-DC芯片”的模式进行供电，该方案虽然牺牲一部分供电效率，但提供了噪声极低的模拟电路电源。其中正电源由LDO芯片TPS7A4901提供，负电源由DC-DC芯片LT1931、LDO芯片TPS7A3001提供。

2.2.2控制与通信板

控制与通信板由FPGA及外设、控制器、WiFi模块、GPS模块组成。其中，FPGA采用EP3C40Q240，用于完成ADC输出的高速大容量数据的采集、数字处理、存储；控制器采用低功耗ARM-Cotex芯片STM32F103ZET；为保证控制器读取的数据能够快速进行本地存储，在设计中选用高速型SD卡作为存储器，并采用比传统SPI接口传输速度更快的SDIO接口。当ADS1274的采样率为39 kHz，根据当前的配置，此时转换数据的输出速度如式(1)所示：

39 kS/s×12 B/S=468 kB/s

(1)

显然，通过控制器自带的硬件SPI接口，很难在数据包不丢失的情况下直接读取这样的高速数据。因此，本设计采用了如图6所示的架构，来解决这一关键问题。首先，利用FIFO将数据缓存至SDRAM中，与此同时，利用FPGA的并行特性在STM32F103ZET内部建立SDRAM、FIFO与高速SD卡之间的DMA通道。通过这种两级缓存架构，能够有效解决高速ADC与低速控制器之间的速度匹配问题。

图6　ADS1274高速数据缓存与存储示意图

WiFi是一种基于IEEE 802.11标准的无线局域网数据传输技术与规范，在开放空间里，其传输距离可以达到200～300 m，传输速率为54 Mbit/s[6-7]，因此非常适用于野外地震数据分布式采集。为降低开发难度，本设计选用USI公司的WM-G-MR-09模块[8]。该模块的待机功耗仅为7 μA，且屏蔽了具体的基带协议，用户仅需通过SPI接口即可实现控制。WM-G-MR-09通信电路示意图如图7所示。利用STM32的硬件SPI接口进行控制：G-SPI_ClK、G-SPI_SDO、G-SPI_SDI、G_SPI_SCSn分别为模块SPI接口的时钟、数据输出、数据输入、片选引脚；PDn则为整个模块的使能引脚，用于开启或关闭该模块；RF_PORT为天线的输出接口。

图7　通信电路示意图

在本设计中进行WiFi局域网搭建时，采用基础模式的网络拓扑结构[9]。当各采集站数据采集完毕后，通过各自的WiFi模块将数据上传至控制终端中的接入点设备(access point,AP)，最后由AP将数据传至PC机。

3软件设计

仪器软件主要包括采集站WiFi通信软件和上位机软件。采集站WiFi通信流程图如图8所示。

图8　采集站WiFi通信流程图

WiFi通信软件主要完成WiFi模块控制，其流程如下。①控制器首先初始化其自身的SPI接口，以便对模块进行控制。②控制器通过使能信号PDn使模块上电开始工作；然后配置模块的网络参数，如IP地址、网关、监听端口号等，使其在局域网络中具有唯一地址，以便控制终端下传的命令能够转发到正确的采集站。③当模块搜索到控制终端的中心网络后，发出握手请求，当握手成功并加入网络后，模块所在采集站开始发送状态参数，如数据采集板自检参数、供电状态等。④待控制终端确认站点状态正常后，采集站将处于正常工作状态，可以接收PC命令或发送采集数据。

当浅层地震仪长时间在野外工作时，要求仪器尽可能降低功耗，而WiFi模块长时间处于待机状态时会消耗大量电池能量。因此，在仪器中设计了以“心跳监测”为核心的省电策略。当采集站处于待机状态时，WiFi模块定时开启并向上位机发送包含当前的状态参数的心跳包，收到确认回复后自动进入低功耗模式，从而可以大大降低功耗，提高整个仪器的待机时间。

上位机软件采用LabVIEW软件进行编写，该软件的特点是开发难度小、周期短、界面直观[10]。该软件可实现仪器的状态监控、参数设置、采集站控制、数据的实时显示等功能。

4测试

室内测试主要进行仪器本底噪声、动态范围、通道一致性的测试。仪器本底噪声测试采用72通道采集通道输入端短路的形式进行。其中，10通道的结果如图9所示。结果表明噪声水平低于10 μV。

图9　数据采集电路噪声水平示意图

仪器的动态范围测试采用输入频率为100 Hz正弦波的形式进行，系统测到的最大和最小信号幅度分别为12 μV和2.48 V，则动态范围为106 dB。通道的一致性测试采用72个通道分组同时接入频率为100 Hz的正弦波信号进行，测试结果表明幅度的一致性优于1.2%，相位一致性优于1%。

野外测试主要进行仪器整体性能测试，图10是仪器在广西某油库建设现场开展地震折射法(24道)的探测结果，分别为地震波成像图和反演结果。观察结果可知，该区域分层信息明显：第一层为覆盖层，中间层为中等分化基岩，底层为基岩层。该结果与现场钻探结果一致，从而验证了仪器测量结果的有效性。

图10　某地探测结果示意图

5结束语

本文在浅层地震法原理的基础上，设计并实现了基于WiFi的高分辨率无线分布式浅层地震仪，并分别经过了室内电路和野外探测性能测试。结果表明，仪器通过采用Σ-Δ型A/D转换技术，实现了对地震信号的高精度采集：噪声水平低于10 μV，动态范围为106 dB，幅度的一致性优于1.2%，相位一致性优于1%；利用WiFi技术，实现了多达72道数据的同步高分辨率采集，大大减小了仪器体积，适用于多种场合。

参考文献

[1] 王有新.应用地震数据处理方法[M].北京: 石油工业出版社,2009:15-17.

[2] 刘天佑.应用地球物理数据采集与处理[M].武汉:中国地质大学出版社,2004:190-192.

[3] 李怀良,庹先国,刘明哲.无线遥测式数字地震仪关键技术[J].地球物理学报,2013,56(11):3673-3682.

[4] 张林行,裴利然,孙自超,等.浅层地震勘探中的无线同步装置研究[J].吉林大学学报：信息科学版,2013,31(5):464-469.

[5] 李晓旭.48道集中式地震仪的研制[D].长春: 吉林大学,2006.

[6] 邢磊.海洋小多道地震高精度探测关键技术研究[D].青岛: 中国海洋大学,2012.

[7] 何鹏举,张捷,张亮亮.基于WiFi的超低功耗温湿度网络传感器设计[J].测控技术,2013,32(2):81-86.

[8] 吴静然,李秀凤,吴倩.基于WiFi的煤矿井下智能终端设计[J].工矿自动化,2013,39(4):5-8.

[9] 张晓辉.串口转WiFi/GPRS数据双网模块开发[D].西安: 西安科技大学,2011.

[10]刘军良.WiFi技术在温湿度远程监测系统中的应用[J].自动化仪表,2014,35(6):79-82.

Design of the Wireless Distributed Shallow Seismograph with High Resolution

李旭1,2童乔凌2

(武汉职业技术学院电子信息工程学院1，湖北 武汉430074；华中科技大学光学与电子信息学院2，湖北 武汉430074)

摘要：针对浅层地震法中传统集中式仪器存在的问题，设计了高分辨率无线分布式浅层地震仪。仪器硬件由动圈式检波器阵列、分布式采集站、控制终端、PC组成。测试结果表明，仪器实现了对微弱地震波信号的高分辨率采集，且能通过WiFi局域网将多达72道的数据上传至PC，并利用LabVIEW软件进行实时显示。该仪器具有体积小、动态范围大、采集道数多等特点，特别适合在高铁、高速公路、机场等热点基础建设领域中使用。

关键词：地震仪测量信号采集检波器无线网络局域网数据控制软硬件设计转换电路

Abstract：Aimed at the problems existing in the traditional centralized instrument for measurement method of superficial seismic,a wireless distributed superficial seismograph with high resolution is designed.The hardware of the instrument consists of moving-coil geophone array,distributed acquisition station,controlling terminal and PC.The test results indicate that the instrument realizes high resolution acquisition of weak seismic wave signals,and uploads as much as 72-channel data to PC via WiFi LAN,furthermore,it proceeds real-time display by means of LabVIEW software.The instrument has prominent characteristics such as small volume,large dynamic range,more channels of data acquisition ,and so on,which is particularly suitable for applications of high-speed railway,highway,airport and other current popular infrastructure.

Keywords:SeismographMeasurementSignal acquisitionDetectorWireless networkLocal area network (LAN)DataControlThe hardware and software designConversion circuit

中图分类号：TP216；TH6

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604021

国家自然科学基金仪器专项基金资助项目(编号：40727001)；

中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(编号：CUG110822)。

修改稿收到日期：2015-05-21。

第一作者李旭(1961-)，男，1991年毕业于华中理工大学电子应用技术专业，获学士学位，副教授；主要从事通信仪器的研究。