（检测技术与自动化装置专业论文）dsp细分技术在光栅检波器中的应用.pdf

天津科技大学硕士学位论文 摘要 地震检波器是一种将机械振动转换为电信号的机电转换装置，是应用于 地球物理勘探及工程测量领域的专用传感器，是为了接收和记录地震波而专 门设计的一种精密的机械、电子组合装置，它性能的好坏直接影响地震记录 质量和地震资料的解释工作，它是地震勘探数据采集中最重要的一个环节。 本文主要介绍了一种莫尔条纹信号电子学细分方法及其装置在高精度高 分辨率光栅地震检波器中的应用。该装置根据细分原理，采用数字信号处理 器d s p ，并与滤波电路、辨向电路、鉴零电路，a d 转换器等外部电路相结 合，实现了莫尔条纹信号2 0 0 倍频的快速细分。该装置具有以下优点： l 、通过差动放大器和滤波电路改善了莫尔条纹原始信号的质量，降低了 高次谐波的干扰，采用高速比较器改善了方波质量。 2 、采用高速1 2 位a d 转换器提高了模拟数字量的转换精度，该a d 转 换器内含八路同步采样保持电路，减少了系统元器件的数量并提高了系统的 稳定性和可靠性，它所能辨别的输入模拟电压的最小变化量为2 4 4 1 m v 。 3 、采用数字信号处理器d s p 完成软件细分，数据处理时间小于1 7 “s ， 仅为p i c 单片机同样的细分程序处理时间的1 1 0 ，有效地缩短了数据处理时 间，提高了系统的响应频率。 4 、软件细分采用幅值相位法，可以消除振幅波动对细分精度的影响，软 件实现了2 0 0 细分，提高了光栅地震检波器的分辨力，使1 0 0 线的光栅分辩 力可达5 0 n m 。 5 、系统可以灵活扩展细分数，在满足系统响应频率前提下，细分数可以 进一步提升，1 2 位a d 转换器理论细分值最高可达2 0 4 8 倍。 6 、该系统采用软件查值和硬件辨向相结合的方式查找光栅运动副换向关 键点的a d 值，与传统的细分辨向电路有很大不同，是本论文的一个创新之 处。 通过软、硬件技术的有机结合，将细分技术应用于光栅地震检波器中， 将会带来广泛的发展前景。 关键词：光栅地震检波器软件细分莫尔条纹d s p 天律科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t g e o p h o n ei st h es p e c i a ls e n s o rt h a tc o u l dc o n v e as i g n a lo fm e c h a n i c a l v i b r a t i o ni n t os i g n a lo fe l e c t r i c i t ya n dc o u l db eu s e di ns e i s mp r o s p e c t i n go r m e a s u r eo fp r o j e c t f i e l d t ti sa l s oas p e c i a lp r e c i s i o nm a c h i n i n gc o m b i n e dw i t h e l e c t r i ci n s t r u m e n t i t sc a p a b i l i t yd i r e c t l ya f f e c t sr e c o r d i n gq u a l i t yo fs e i s m i cw a v e a n de x p l a i n i n go fs e i s m i cd a t a i ti st h em o s ti m p o r t a n tp a r td u r i n gc o l l e c t i n g s e i s m i cw a v ed a t a t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e sak i n do fm e a n sa b o u ts u b d i v i s i o no fg r a t i n g m o i r 4f r i n g ea n di t sd e v i c eu s e do ng r a t i n gg e o p h o n es y s t e m b a s e do np r i n c i p l e o fs u b d i v i s i o n ，t h i sd e v i c ec o u l dr e a l i z e2 0 0p a r t s u b d i v i s i o nd e p e n d e do n c o m m o n e f f e c t so fd i f f e r e n t i a l a m p l i f i e r ,f i l e r ,c o m p a r a t o r ，t r i g g e d a n a l o g t o d i g i t a l c o n v e n e ra n dd s rt h i s d e v i c eh a ss i xm a i na d v a n t a g e s d e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 d i f f e r e n t i a la m p l i f i e rc i r c u i ta n df i l e rc i r c u i ti m p r o v et h eq u a l i t yo f o r i g i n a lm o i r 6 行i n g ea n du l t r a f a s tc o m p a r a t o r si m p r o v et h eq u a l i t yo fp u l s e 2 t h es e ta d a p t st h eh i 曲s p e e d1 2b i t sa d i th a se i g h t c h a n n e l t r a c k h o l dc i r c u i t s s ot h ep a r t so ft h ea p p a r a t u sa r er e d u c e da n dt h es y s t e m s t a b i l i t yi si m p r o v e d ，t h el e a s tv a r i e t yw h i c ha n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e rc o u l d d i s t i n g u i s hi s2 4 4 1 m v 3 t h ed s p c o m p l e t e ss o f t w a r e s u b d i v i s i o no fg r a t i n gm o i r 6f r i n g e ，t h ed a t a p r o c e s st i m ei sl e s s12 1 - tsa n dr e s p o n d i n g 一行e q u e n c yo ft h es y s t e mi si m p r o v e d 4 t h er e s o l u t i o no fg r a t i n gg e o p h o n er e a c ht o5 0 h ma n di t sp e r f o r m a n c ei s e n h a n c e dh i g h l y 2 0 0p a r t s u b d i v i s i o ni sc a r r i e do u tb ys o f t w a r e t h ec a p a b i l i t yo f g r a t i n gg e o p h o n ei si m p r o v e d 5 t h en u m b e ro fs u b d i v i s i o nc o u l db ec h a n g e df l e x i b l y t h em a x i m a l n u m b e ro fs u b d i v i s i o nc o u l dr e a c ht o2 0 4 8 6 t h es y s t e ma c q u i r e sa dv a l u eo fs h i f t p o i n tb ym e a n so fc o m b i n e d e f f e c to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，w h i c hi si n n o v a t i o n a lc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l d i s c r i m i n a t i n g d i r e c t i o nc i r c u i t r y c o m b i n e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ea p p l i c a t i o no fs u b d i v i s i o nt og r a t i n g g e o p h o n e ，w i l lb ed e v e l o p e dt o w a r dt h en i c ep r o s p e c t k e y w o r d ：g r a t i n gg e o p h o n e s o f t w a r es u b d i v i s i o nm o i r 6f r i n g ed s p 天津科技大学硕士学位论文 第一章绪论 任务来源：国家自然科学资金资助项目4 0 1 7 4 0 3 1 。 石油、天然气等自然资源一般埋藏于地表深层，为了开采利用这些资源就 必须获得油气藏的位置、平面分布、储油层厚度广度、油气储量等资料。地球 物理勘探的主要任务之一就是获得这些资料。 地球物理勘探方法有地震勘探、重力勘探、磁力勘探、电法勘探等。其中 地震勘探法是使用最普遍的方法，地震勘探是石油和煤用勘探中的一种重要的 物探方法。它是一种利用人工方法激发地震波，依据岩石的弹性、流体的运动 规律和性质来研究地震波在地层中传播的规律，以查明地层和构造的物理参数， 从而更逼真地恢复所研究地质体的真实面貌。如图1 一l 所示： 罔1 - 1 撤嚣勘糖数据采事讨界不意图 在地面附近的震源受到激发产生地震波并向四面八方传播，遇到地下不同 岩性的分界面时，产生反射或折射这些反射波或折射波又返回地面，引起地 面的振动，然后利用分布在不同检测点的各个地震检波器检测这些反射或折射 信号的振幅、周期或频率等，并将这些在不同位置点所测得的信号传输到中央 计算机里进行分析处理。由于地震波在不同介质中传播时的路径、振动强度和 波形是随所通过介质的弹性性质及几何形态的不同而变化，因此根据对接收到 的波旅行时间和速度资料等的分析，可推断波的传播途径和介质结构：根据波 的振幅、频率及地层速度等参数，可推断岩石的性质、地下石油及矿藏等分布， 从而达到勘探的目的。 地震勘探基本工作包括激发地震波、接收记录地震波和处理解释地震资料 三个方面。它们互相衔接，前一个工作是后一个工作成败的基础，在接收记录 天津科技大学顿士学位论文 地震波的环节中，地震勘探仪是通过地震检波器来拾取信号的，地震检波器是 一种将地震波的反射或折射信号转换为电信号的精密的机械、电子组合装置， 是应用于地球物理勘探及工程测量领域的专用传感器，它性能的好坏直接影响 地震记录质量和地震资料的解释工作。因此，在石油和煤田的地球物理勘探中， 检波器是地震勘探仪中最重要的一个环节。 近些年来，随着石油工业和电子工业的发展，地震勘探技术也飞速发展。 因此，对地震勘探仪器的要求越来越高，需要使用具有的高分辨力、高抗干扰 能力、高信噪比、高保真度和大动态范围的地震检波器，许多国家都投入了很 大的人力、物力来研制高性能的检波器。 1 1 国内外检波器发展状况 从5 0 年代开始，国内开始生产检波器，产品基本上是仿制苏联和美国的 检波器。7 0 年代开始自行研制和生产地震检波器。8 0 年代以后，西安石油仪器 总厂和石油天然气总公司物探局仪器总厂先后引进荷兰s e n s o r 公司的s m 一 4 系列和美国g e o s p a c e 的c s - - 2 0 d x 系列数字地震检波器的技术和设备，产 品不仅满足国内需要，而且还可以出口。9 0 年代，为适应高分辨率勘探的要求， 国内的一些厂家先后研制了具有国际水平系列超级检波器，如西安石油仪器总 厂的“s n 7 c 系列超级检波器”，它具有以下特点口j ： 1 ) 各项常规技术指标允差均为2 5 ： 2 ) 超过3 0 0 h z 的典型假频，适用于l m s 采样； 3 ) 失真系数小于0 1 。 国内的地震检波器经过5 0 年的发展，已由最初的单一品种发展到多品种， 从勘探方法上可以分为：纵波检波器和横波检波器；就品种而言，不仅有用于 接收纵波、横波的检波器，还有沼泽检波器、涡流检波器、三分量检波器和压 电式检波器；从机理上划分，又可分为速度型、加速度型和压电型三种，压电 型检波器主要用于水域及海洋的地层勘探，速度型和加速度型检波器主要用于 陆地上的地震勘探；以自然频率分类，有低频、中频和高频检波器，频率范围 有4 5 h z 、8 h z 、1 0 h z 、1 4 h z 、2 8 h z 、3 5 h z 、3 8 h z 、4 0 h z 、6 0 h z 、8 0 h z 、1 0 0 h z 等各种不同自然频率的检波器 2 】【”。 国际上，1 9 9 3 年，s e n s o r 公司推出遥测地震仪相配套的超级检波器 s m - 4 h s ( s u p e r p h o n e ) 参数允差从5 缩小为2 5 ，失真系数由0 2 降低为 0 1 以下，但其假频只有1 8 0 h z 。 1 9 9 4 年，s e n s o r 公司又推出了低失真、高假频s m 一2 4 超级地震检波器， 假频指标已由s m 一4 h s 的1 8 0 h z 提高到2 4 0 h z ，参数允差2 5 ，失真 0 1 ， 是国际物探市场最早推向市场的真正的满足2 4 位数字地震仪的超级检波器。 1 9 9 3 年后，美国西方地球物理公司( w e s t e r n g e o p h y s i c a l ) 推出了1 0 1 8 型 2 天津科技大学硕j 学位论文 检波器，虽然其假频已提高到3 0 0 h z ，失真己降低为o 1 2 ，但参数允差仍为4 - 5 。同时期，日本的o y 0 公司推出了g s 3 0 c t 超级检波器，各项允差均为4 - 2 ，失真 0 1 2 ，但假频指标仅为1 6 0 h z 。随后，它又推出了g s ，3 2 c t 超级 检波器。 美国m a r k 公司1 9 9 5 年推出了一种低失真的m a r k 2 超级检波器，各项 指标允差为2 5 ，开路阻尼为6 8 4 - 2 5 。为减少失真，采用了一种独特线 架结构，磁钢选用航天航空工业常用的高矫顽力、高剩磁、低温度系数的钐钻 磁钢，失真系数达到典型值 0 0 2 ，0 - 2 0 0c 最大失真 0 0 5 ，国外超级检波器 的技术指标见表2 p j ： 表2i i t # 1 - 超级检波器技术指标( 2 0 。c 1 公司s e n s o rs e n s o r m a r k o y ow e s t e m c 型号s m 4 h ss m - 2 4m a r k 2c s 3 0 c t1 0 1 8 自然频率( h z ) 1 0 4 - 2 5 1 0 2 5 1 0 2 5 1 0 2 1 0 4 - 5 线圈电阻( n ) 3 7 5 4 - 2 5 3 7 5 4 - 2 5 3 9 5 2 5 3 9 5 4 - 2 3 9 5 5 开路阻尼 o 2 50 2 50 ，6 8 2 5 o3 1 60 4 2 5 并阻阻尼 0 6 4 - 2 5 0 6 2 5 0 6 4 - 2 0 6 、0 7 5 灵敏度( v c r n s ) 2 8 8 2 5 2 8 8 2 5 2 7 5 2 5 2 7 5 2 2 8 7 4 - 5 失真 o 1 o 1 o 0 5 0 1 2 l 为过阻尼： f = l 为临界阻尼； f 1 为欠阻尼。 对于一般的二阶传感器系统适用于欠阻尼情形， ( 2 6 ) 因此我们主要讨论欠阻尼 情况：当f l 时，曲，：( - f j f 了b ，方程有一对共轭虚根，方程( 2 - 5 ) 的通解为： 铲e t “k 。s 乒再，+ 华s i n 乒瓦f 1 ( - ，) lqj 其中x 。为初始位置，z j 为初始速度， 式( 2 7 ) 可变形为： 五= p 一伽a s i n ( q t + o ) 。 ( 2 8 ) 天津科技大学硕士学位论文 口：a r c t a n 竺l ， x o + p x 0 从( 2 8 ) 式可以看出，这是一个衰减的运动，只在开始有限的时间内有意 义，故可以省略。 设( 2 - 4 ) 式的特解为： x 2 = b s i d a 一纠 ( 2 - 9 ) 式中b 为受迫振动的振幅，矿为相位角， 代入( 2 - 4 ) 式中解得： b ：坚堕：垒! 兰丝! c ：邶， ( k - m 0 0 2 ) 2 + c2 埘2 ( 1 ) 2 + ) 2 式中：竺，从式( 2 一1 0 ) 可以看出，由大地运动引发的受迫振动决定于 p 大地运动的幅值h 、频率比z 和阻尼比f 。 2 2 2 动态范围 系统用光栅副拾取振动信号，并用硅光电池以及相关电路将莫尔条纹转换 为脉冲输出，见图2 1 ，则光栅振动的一个周期内单方向峰一峰值输出脉冲个数 为： n ：丝( 2 1 1 ) 式中b 为光栅振幅，w 为光栅常数。通过对莫尔条纹计数可以直接得出光 栅的位移，即可以反映出受地震运动影响的光栅振动幅度。 目前，作为计量用的光栅栅距一般为o 0 4 0 0 1 m m ，即2 5 - 1 0 0 r a m ，我们 选用栅距为o 0 1 m m 的光栅，进行2 0 0 倍频的细分处理，可以使光栅地震检波 器的精确度达到o 0 1 2 0 0 = 0 0 0 0 0 5 m m ，即5 0 1 0 一i n l t l 。当检波器的振幅为 l m m ，精确度为o 0 0 0 0 5 m m ，动态范围为： ， d = 2 0 l o g = 9 2 d b ( 2 1 2 ) 一00 0 0 0 5 麓 g = 4 中其 天津科技大学硕士学位论史 2 3 光学系统 由于光栅地震检波器采用光栅副运动时产生的莫尔条纹作为检测手段，因 此，必须合理的设计光学系统来消除光电信号的谐波，提高莫尔条纹光电信号 对比度，保证光电信号的质量。 2 3 1 莫尔条纹产生原理及特点 莫尔( m o i r e ) 是法语，意思是在水面产生的波纹，两块光栅迭合时，也产 生类似花样，故由此得名。图2 5 ( a ) 所示即为一个黑白型光栅的一部分，光 栅上平行等距的刻线称为栅线，其中透光的缝宽为b ，不透光的缝宽为a ，一般 情况下，透光的缝宽等于不透光的缝宽，即a = b ，图中d = a + b 为光栅栅距( 亦 称光栅常数或光栅节距) 。把两块黑白型光栅刻线面对面迭合，并使两块光栅的 栅线形成很小的夹角9 ，这时，在与线垂直的方向上就出现明暗相恻的条纹。 如图2 5 ( b ) 所示，i 为暗条纹，i i 为亮条纹，这种条纹被称为莫尔条纹。 两条亮条纹( 或两条暗条纹) 之间的距离称为莫尔条纹间距，图2 - 6 ( b ) 中表 示为w 。 ( a ) 黑白光栅示意图 ( b ) 莫尔条纹示意图 图2 - 5 光栅与莫尔条纹 莫尔条纹都具有以下特征【7 】【1 4 】【1 5 1 ： 1 ) 数量上的对应关系：最简单的情形是l ：1 的对应的关系，即两块光栅 相对移动过一个栅距时，莫尔条纹恰恰移动了一个条纹间距。 2 ) 有方向上的对应关系：两光栅的相对移动方向和条纹的移动方向是完 全对应的。 3 ) 位移放大作用：在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度w 和 天津科技丈学硕士学位论文 光栅栅距d ，栅线夹角0 之间有下列近似关系： w c l e w d 一1 o f 2 - 1 3 ) 当e 很小时，w 与d 之比很大。所以莫尔条纹间距对光栅栅距有放大作用。 4 ) 误差平均效果：莫尔条纹是由两块光栅的大量栅线共同形成的宏觋效 果，通常包括几百条栅线，因此对栅线的某些误差( 主要是偶然误差和小周期 误差) 有平均作用，能在很大程度上减小这些误差的影响。 2 3 2 莫尔条纹光强度分布 光强度是衡量点光源发光能力大小的参数，现在我们把光栅平面，看作一 个朝给定方向发的面光源，这个光源又是由无数个点光源组成，如图2 - 6 所示 i m a x i c p i m i n i 旷 x l i a 人i| i a 图2 6 冥尔条纹光强沿y 方向的分布 所谓莫尔条纹的光强度分布，就是指沿着与莫尔条纹垂直的方向y 7 来看， 点光源的发光变化的规律。 假设光强度沿y 方向的分布是符合正弦变化规律的，w 表示莫尔条纹间 距，i 。表示最大光强，i m m 表示最小光强，i 。表示平均光强，i 。表示光强变化 的幅值，则光强分布函数i ( y7 ) n n n n n f l 4 l 【”1 ： 坳弘”小。s ( z 石爿以l - + 每c o s ( 2 石芳 | p ，。， 为了讨论方便，令i 。= 1 ，这时上式变成了 厂17r 、 7 ( y ) - 1 “一3 【2 n 旁j 2 1 5 ) 这表明光强是一个周期函数，我们可以利用光强的周期变化规律检测出莫 尔条纹的运动规律。 天津科技人学硕士学位论义 2 3 3 垂直入射光学系统 本光栅地震检波器采用垂直入射光学系统，具体原理如图2 7 所示 1 一光源s 2 准直透镜l3 一主光栅6 一莫尔条纹7 硅光电池1 、2 、3 、4 4 一指示光栅5 一光电元件 图2 7 垂直入射光学系统 光线从点光源s 出发，经过准直透镜变成了平行的光线，垂直入射到主光 栅和指示光栅上，产生了莫尔条纹，由4 个硅光电池接收变化的莫尔条纹信号。 大地的振动引起光栅谐振子( 主光栅) 的振动，从而产生光栅副之问的相对运 动，因而4 个硅光电池可以接收到莫尔条纹的光强度的周期变化，产生4 相信 号。 然而，实际上要使莫尔条纹的光强度分布规律是比较理想的正弦形状，必 须定出合适的光源角宽度、气隙等参数。 2 3 4 光源角宽度和气隙的影响 实际的光源不可能是平行光源，首先，准直透镜的焦距f 是不可能无限大 的，而光源灯丝的宽度( 灯丝卷的直径) 不可能是无限小。有一定宽度的灯丝 可以看作是由无限小的缝光源组成，每一缝光源都有本身的子莫尔条纹系统， 最终的合成条纹便是这许多子条纹重叠的结果，同样不同的波长的光所形成的 子系统也重叠。因此导致了合成莫尔条纹的对比度下降。 如果只考虑光源不平行的影响，我们用k 表示对比度，用k 表示下降后 的对比度，则有： k ：。g s i f n ( 愿t t d ) s i n r ( 庀s t 2 r d ) ( 2 - 1 6 ) b 奄“d ) 、矧f 2 d ) 式中s _ 一光源角宽度，s = x f i x 一灯丝宽度和出缝宽( 二者调到相等) ； f 准直透镜焦距；d 光栅栅距； t _ 一气隙值。 可见，无论是增加灯丝宽度x ，还是增加气隙t ，或减小准直透镜焦距f 和 天滓科技大学硕十学位论文 减小栅距d ，都将导致莫尔条纹对比度迅速下降，因此考虑到综合的效果，选 用的参数范围如下 1 4 l | ”】 1 6 】： 1 灯丝宽x = 0 2 5 0 ，5 0 m m ，直丝灯泡，出缝宽度选择与灯泡宽度相等； 2 准直透镜焦距f = - 2 5 5 0 r a m 平球型； 3 气隙t 不小于o 0 2 m m ，气隙的选择还考虑到费涅耳焦面； 4 不宜采用过细的栅距，通常采用2 5 ，4 0 ，5 0 线m m 或1 0 0 线m m 的光 栅，本系统选用的是1 0 0 线m m 的黑白比为l 光栅。 2 3 5 费涅耳焦面 一块衍射光栅g l 的光场，在平行于光栅面的某些平面上会重复出现，这 些平面称为费涅耳焦面，这些离g 1 光栅面为t 的平面称为费涅耳焦面，t 的表 达式如下： ，：0 尘1 l 兄 ( 2 1 7 ) 式中为整数，n = i ，2 ，3 ，五为峰值波长。 在这些平面上，光栅的光场花纹重现，即在这些平面上形成了光栅的衍射 像。n - o 时，t - - - 0 ，就是g 1 的光栅面；n = i ，2 ，的面称为第一，第二，费 涅耳焦面。将光栅g 2 放在这些平面上，就如将光栅g 2 与g l 重叠是一样的。 在光学系统设计中，通常把第二块光栅g 2 ( 指示光栅) 放在n = 0 ( 即重 叠) 或n = i ( 第一费涅耳焦面) 的位置【1 4 1 【1 5 i 【。7 18 1 ，为了避免两块光栅因表面 接触移动时擦伤或灰尘落入而损坏，n = 0 即t = 0 是不可能实现的。在选择n = 0 的位置时，实际上是偏离t = 0 位置的一个很小的距离，即控制最小间隙的下限， 通常使气隙不小于0 0 1 - 0 0 2 r a m ，考虑到偏离费涅耳焦面引起的基波条纹反差 r , 4 2 、 的下降，一般将气隙变动范围控制在o 1 刮i 之内，这时基波强度下降到 lz 9 0 。对于1 0 0 线m m 的光栅( d = o o l m m ) ，设定峰值波长五= 1 0 5 p m ，气隙 上1 ：车：o 0 9 5 肋 ，基波气隙变动范围为o 1 4 f 霉i - - + 0 0 1 3 肌历。 l 九j 在偏离像平面时，当谐波的相位与基波的相位相同时，合成波可能加强， 相位相反则合成波减小。一般说来，从计算所得的像位置( n = o 或n = i 位置) 偏离一个小距离会带来一个附加的好处，即消除高级次谐波，一般偏离公差可 2 以取得大点，此时的间隙和公差f = ( + o 2 8 ) ，最佳i a j 隙的选取应该综合考 1 6 天津科技大学硕士学位论义 虑条纹对比度和消除谐波效果，通常是在计算的基础上由实验加以调整。 对于本地震检波器光学系统而言，选用1 0 0 线m m 的光栅，峰值波长 五：1 0 5 n n ，将第二块光栅g 2 放在第一费涅耳焦面的位置，则有： 扛f 1 + 0 2 8 篮：1 2 8 x 螋：0 1 2 1 掰m 、 丑i 0 5 x 1 0 。 这样的间隙是比较合理的【1 4 】【1 5 】，不会给检波器的结构设计和两块光栅的平 行安装带来太大的麻烦，从实验中输出的正、余弦波形中可以看出，这样的间 隙比较合理可行。 2 3 6 光电信号中谐波的消除 为了提高光栅分辨率，我们需要对光栅检波器输出的光电信号进行细分处 理，因此光电信号的波形就是极其重要的指标，我们所采用的幅值相位细分方 法要求输出的光电信号为较理想的正弦形状，特别是细分数较大时，对波形的 要求更严，因此消除光电信号谐波成分是至关重要的。 一般的理论分析和试验都证明【1 5 l ，选择幅值光栅的“黑一自”比是消 除谐波的一种有效方法。 我们消除光电信号谐波的另一种方法为对光源宽度的调节，缝宽为无限小 的线光源产生的条纹亮度分布函数可用下式表示： b 。= 1 + b 1c o s 2 n p + b 2c o s 4 j r p + ，+ 只c o s 2 n a p ( 2 - 1 8 ) 式中p = l i d ； d 为条纹间距； 1 为所论点离某选定点距离； 1 1 - 为谐波级次； b 。所论点的亮度； b 。n 次谐波的幅值系数。 设ap 为积分区间，则光电信号正比于亮度函数的积分值为： l ：i + z x p b p d = a p + 拈些n ；型, rj i c o s ( 2 n ，r + n 咖) ( 2 - 1 9 ) 设其中一般项的幅值为1 只些尘堡型i ，该项可以作为对比度的度量。该 l 群万 j 项由两部分构成，第一项b 。为原始条纹中n 次谐波的幅值；第二项是一个小于 1 的系数，称为n 次谐波的幅值降低系数，以1 l r 。来表示： 一，=s i n ( n r , a p ) 如础p ) ( 2 2 0 ) 天津科技大学硕士学位论文 幅值降低系数v 。与n ? r a p 的关系见图2 - 8 所示：可以看出在乘积眦d 、 、 | j 、 、 、 、 t 一 、 ，一一一 | ，f 7 、 1 、：一。+ 。 、 7 图2 - 8 幅值降低系数v 。与n ，r a p 的关系 为整数1 ，2 ，3 时，该级谐波被消除了，具有一定宽度的缝光源可以看作是 由无限小的线光源所组成的，产生各自本身的条纹系统。用增宽光源的方法可 使子条纹错移的范围加大，使合成条纹逐渐模糊。 如果缝光源的角宽度为s ，s - - x f , 其中x 为光源宽度，f 为准直透镜的焦距。 这时若气隙为t ，由于入射光的分散，在光栅g 1 上的一点到达g 2 的表面的宽 度为成s t 。在s t = - d 时子条纹的积分区间为2n 的相位，基波消失；在s t - 一, v n 时 n 级谐波消失，故积分区间可以写成 a p ：_ s t ( 2 2 1 ) d 将p 代入式( 3 - 1 3 ) 得角宽为s 时的n 级谐波的幅值降低系数w s n = 谢卜等 ( 2 2 2 ) 从式中可以看出，我们可以用加宽光源的方法有效降低谐波幅值，在实际调节 中，最简单的就是转动光源使之不再与光栅栅线相平行，这时的等效宽度为光 图2 - 9 光源调整图 源的实际宽度加上它的长度乘转角如图2 - 9 示 得： x 荨掖x 宴际+ z y ( 2 2 3 ) 实际上我们可以通过观察示波器波形的方法 调节嗨效来获取理想效果。 天津科技大学硕士学位论文 3 1 硬件系统概述 第三章硬件系统的设计 士b 髀 隔虿l，再磊 2杪d 1 比较i 1 _ j 3 卜l ：翮r 忑 4j 州瓣 麓 墨j 粥 l i “l 1 竺竺| d s p光 电 匦飞鸯 | 型 蟓 图3 - 1 硬件系统框图 如图3 1 所示，光电池l 、2 、3 、4 各输出相位相差9 0 0 的光电信号，光电 池l 、3 组合经过差动放大器后变成一路输出信号，2 、4 组合后变成了另外一 路输出信号，这两路信号在相位上相差9 0 0 ，经过a d 转换器后，变成数字量 送入d s p 中，与此同时，这两路信号经过滤波整形、鉴零比较后变成了两路相 位相差9 0 0 的方波分别送入触发电路、辨向电路、辅助控制电路中进行处理， 最后送入d s p 中。本章将对各部分电路分别进行详细介绍。 3 2 光电信号的采集 从前面的讨论可知，高分辨率的地震检波器要有高的频率范围和动态范 围，而反映这种变化的光栅莫尔条纹频率则更高。因此，要求前端的模拟部分 有能覆盖莫尔条纹输出频率和动态范围的能力。其中，低噪声前置放大器有至 关重要的作用。如图3 2 所示： 我们选用了l m 6 1 1 8 低噪声前置放大器，它具有较高的上限频率1 7 m h z ， 完全可以满足使用要求。1 、3 光电池的输出信号经过差动放大后变成s i n 信号 2 、4 组合放大后变成c o s 信号，两路信号在相位上相差9 0 。，经过这样的处理 后，可以消除光电池的零点漂移对信号质量的影响，改善波形质量【1 9 1 2 0 】【2 1 1 。 天津科技大学硕士学位论文 3 3 滤波整形电路 图3 - 2 低噪声前置放大器 为了进一步滤去高次谐波，我们选用带通滤波器( b p f ) ，它是一个用来选 通某一频段有用信号而抑制其余无用信号的网络。选通段范围为频带宽度，用 b 表示，b = f 2 - - f l ，如图3 3 所示。它定义为幅频特性曲线下降3 d b 处的频率 范围。带通滤波器的选择性因子q = w o b ，w o _ 2n 矗。可见，通频带越窄，则 q 值越高，即带通滤波器的选择性越好。 图3 3 带通滤波器的幅频特性 对于光栅地震检波器而言，光栅谐振子的振幅为1m m ，系统要求谐振子 的工作频率为3 h z 5 0 0 h z ，则莫尔条纹的输出频率高达1 0 0 k h z ，频率已经超 出一般意义的低频，因此，我们把它作为频带为0 1 0 0 k h z 的带通滤波器，其 中心频率为5 0 k h z 。我们可以采用r c 有源带通滤波器的设计方法，但此时q 值不能太大，因为q 大，g o ( g o 为中心频率f o 处的增益) 高的时候，带通滤 波器的稳定性和可靠性下降。其现象之一是：带通滤波器容易自激，其二是g o 不稳定，这是因为有源b p f 是由r c 和运放组成的电路，其中心频率由其电路 中的r c 决定。当环境温度改变时，r 、c 的值均在改变，因此，幅频特性改变 时，其增益也在改变，影响测量精度。另一种情况是b p f 的中心频率与信号源 的频率均在改变，但不一致，使两个频率不能恒等于，也会引起中心频率f o 处 天津科技大学硕上学位论文 的增益g o 变化。 滤波器的输出直接影响到系统的精度及后面细分的准确度，为了提高滤波 器的精度和稳定性，我们采用m a x 2 6 8 滤波器1 2 “。m a x 2 6 8 为c m o s 开关电 容有源滤波器，它可以用于精密的滤波场合，它的中心频率、品质因数和滤波 器工作方式由管脚的输入方式决定。m a x 2 6 8 设计为带通滤波器时，只能工作 于方式1 ，输入时钟与5 位编程输入码一起决定滤波器的中心频率或截止频率， 并影响其它滤波参数，0 值可以从0 5 到6 4 编码，每个滤波器的独立时钟输入 端可以连接晶体、r c 网络或外部时钟产生器，使用起来非常方便。 m a x 2 6 8 包括两个二阶开关电容有源滤波器，它使用了两个串联的积分 器和一个求和运算放大器，片内开关和电容提供反馈以控制每个滤波器的中心 频率f 0 和选择性因子q ，内部电容的开关速率是影响这些参数的主要因素，尽 管这些开关电容网络( s c n ) 实际上为采样系统，但它们的特性可与连续 滤波器( 如r c 开关滤波器) 的特性相媲美。时钟频率与滤波器的中心频率之 比( f c l k f o ) 保持大的值，以便得到更理想的二阶状态变量响应。m a x 2 6 8 内 的每个二阶滤波器有其独立的时钟输入，但是由于管脚的限制，要求f o 、q 和 模式控制由两部分共享。 滤波器的设计过程如下：首先把所要求的频率响应特性换算成实现该滤波 器所需的二阶组件的适当数量及对应的f o 和q 值，其次把它们转换成m a x 2 6 8 所需的数字编程系数。 图3 4 四阶乘法反馈带通滤波器 在图3 4 中的滤波器中，总品质因数为q f - = f o b w ，每个二阶滤波的品质因 数为q r = q v k o ，电阻r f 选用1 0 k o 计算： 电阻r 2 = k 2 砟( q 。2 ) 2 电阻r 。= k 。r ，( q 。2 ) 2 g 电容c = 5 1 0 矿 在电路的实际设计中用m a x 2 6 8 做成一个四阶中心频率5 0 k h z 的切比 天津科技大学硕十学位论文 雪夫带通滤波器，其参数要求为： 时钟频率五。= 2 m h z 中心频率f o = 5 0 k h z 带宽b 。= i o o k h z 最大带通纹波= 1 招 中心频率处的增益g 。= 1 根据m a x 2 6 8 的编程表格，将以上参数进行调整，可得： 疋l 。k = 2 m h z b 。= 9 7 2 k h z f o = 4 8 9 7 2 k h zu ，o = 4 0 8 4 ) ，即n = 0 ，f 4 f 3 f 2 f 1 f o = 0 0 0 0 0 q = 0 5 0 4即n = 0q 6 q 5 q 4 q 3 q 2 q 1 q 俨0 r ，= 1 0 k f 2 从m a x 2 6 8 使用说明的表5 中，查得 = 1 8 2 1 9 ， 垦= 1 5 0 3 9 ， q r = q ，1 墨) = 0 5 0 4 1 8 2 1 9 = 0 9 1 8 ，则 r 2 = k 2 r f ( q n 2 ) 2 = 1 ：5 0 3 9 1 0 k x ( o 9 1 8 2 ) 2 = 3 1 7 k f 2 r 。= 民r ，( q 月2 ) 2 g = 1 0 9 3 0 x 1 0 k x ( o 9 1 8 2 ) 2 1 = 2 3 0 k e 2 c = 1 0 p f m a x 2 6 8 的输出被设计为驱动1 0 kq 负载，它的输出在1 0 kq 负载下摆幅 可达每个电源电压值的o 1 5 v 以内。为保证输出不被驱动到超过最大范围( 输 出摆幅) ，峰值幅度响应、单极增益、输入信号电平和滤波器失调电压必须认真 加以考虑。 3 4 鉴零比较器 滤波器的输出是带有移动量信息的正弦波信号，要实现辨向、触发等后续 电路功能，需用鉴零比较器把正弦波转换为方波【23 1 。为简化电路、提高系统稳 定性我们采用超快低功耗t t l 输出集成比较器m a x 9 1 3 22 1 ，它的延迟时间仅为 1 0 n s ，增加了方波上升沿和下降沿陡度，改善了方波质量，m a x 9 1 3 输出的方 波与t t l 电路如图3 5 所示，电路单路( s i n ) 输出如图3 - 6 所示。 天津科技大学硕士学位论文 图3 5 鉴零比较电路 图3 - 6 单路输出结果图 3 5 1 光栅莫尔条纹换向特征描述 3 5 辨向技术研究 光栅换向时，可能发生在光栅莫尔条纹信号周期的任意一点处，所引起的 方波信号在换向点处具有不同的特征。换向点处正、余弦及其各自方波可能发 生的情形详见图3 7 ，一 vv、j j ， 1 八厂、 vv 、：7 i _ 厂 厂 7 几几_ 7 几几 厂， 、嗣1 、飞 vv ：沁 j 厂、一卜厂、厂 v jt vvv 厂 _ _ 厂 厂 厂 厂_ 厂 n 厂 厂、八l 八八八 t l? j j j 厂、，八八、 ，f。0 i 几厂 广 厂 _ _ _ l 。一 一 _ _ _ l 。1、f厂、 v 、乙t l r 八八f j 幻1 、j j 、j 图3 7 光栅揩振子换向波形图 光栅换向时共有4 种不同的情形，每种情形换向点处( 实线处1 的s i n 、c o s 的模拟波和方波是有明显差别的，利用方波进行换向点的瞬时辨别是很难做到 一 昌撒 一臌咖 一 咖撇 一撇 天津科技大学硕士学位论文 的，因为换向的瞬时点( 图中虚线处) 正是s i n 方波和c o s 方波持续高电平或低 电平( 取决于不同的换向情形) 的l 2 处。因此必须用软硬件结合的方式来查 找，我们将在下一章论述。 3 5 2 传统方向辨别电路原理及弊病 传统的方向辨别电路 1 9 】 2 1 】 2 4 1 1 2 5 1 【2 6 2 7 2 8 1 1 2 9 1 如图3 - 8 ： 图3 - 8传统的方向辨别电路 其工作原理为：当光栅谐振子作正向运动时，s i n 方波超前c o s 方波9 0 0 ， s ir l 方波信号经过微分电路产生的脉冲与c o s 方波信号在与门中相与，从而获 得脉冲输出( 3 脚) ，而s i n 方波的反向信号所产生的脉冲与c o s 方波产生的信 号相与，输出低电平；同理，当光栅谐振子反方向运动时，c o s 方波超前s i n 方波9 0 。，于是与门2 输出脉冲，与门l 输出低电平。我们将上述的过程解析 成图3 9 的波形图。 方渡 方渡 撬 5 点 波形 正向 输出 反向 输出 厂 一厂 | r 广 厂 广 厂 uul il8ll 88 。 68 l10 nl 图3 - 9 传统的方向辨别电路输出波形 由图中可以看出，换向过程结束后，一直到s i n 方波的下沿，反向习有脉 天津科技大学颁士学位论文 冲输出，不难看出，这是一种滞后的方向辨别，没有在相位发生改变的瞬间( 图 中虚线处) 反映出来，容易导致计数时脉冲的丢失，因此它只适合细分数很低 的情况。对于高的细分数则意味计数脉冲的丢失。虽然电路结构简单，但不适 合高细分数情况。再者，微分电路产生的脉冲波形质量也较差，宽度窄，性能 不稳定。 3 5 3 辨向电路 为： 从图3 7 中，我们可以得出光栅振子f 向运动时，s i n 和c o s 输出序列状态 反向运动时，s i n 和c o s 输出序列状态为： 通过对换向时光栅两路信号特征及序列状态的分析，我们用卡诺图的方法 得出辨向电路见图3 一1 0 所示： 天津科技大学硕十学位论文 图3 1 0系统辨向电路 天津科技大学硕l 学位论文 其输出波形如图3 1 1 所示 3 5 4 辨向电路的特点 图3 1 1 逻辑分析仪的辨向输出波形图 从逻辑分析仪的波形图中可以看出，该辨向电路具备以下特点： 1 ) 在相位发生改变的瞬间，q ( 辨向电路的输出端) 的值同时也改变，在 脉冲序列改变后的第一时f b