（物理电子学专业论文）海上地震勘探中的数据采集系统研究与设计.pdf

致谢 首先，我要感谢我的指导老师宋克柱副教授。宋老师治学严谨，学识广博， 为人宽厚。我在快电子学实验室学习和工作的三年中，他在工作上一丝不苟的严 格要求使我受益良多：他在我最后一年申请和找工作期间给与的便利也使我能够 找到适合自己发展的道路。在此，我对他表示最衷心的感谢! 在这三年中，王砚方教授给与我很多指导。王老师孜孜不倦邀游学海，探索 新知的精神，值得我们每个人学习。 此外，项目组的杨俊峰老师，曹平博士后，马灵，张嗣峰，杜挺克，张可立， 王东旅，胡婷婷，周杰，吴增海，曹桂平同学，以及已经毕业的唐世悦博士、吴 义华博士、程敬原博士，王超博士，以及程涛硕士，他们在工作与论文完成过程 中都给予了我许多具体的支持与帮助，在此向他们深表感谓 ! 我还要感谢那些在快电子实验室一起工作学习并给予我启发和帮助的老师， 他们是：安琪教授、王永纲教授、刘树彬副教授、赵智宏副教授，程伊敏工程师。 衷心感谫j 我的女友王利玲女士，谢谢她几年来对我的支持。 衷心感谫十我的父母多年来对我的关心和支持。 刖百 储采比为2 0 ：2 ，低于世界平均储采比。我国人均能源开采储量更是远低于世界 平均水平，以2 0 0 0 年为例，该年人均石油开采储量为2 6 吨，仅仅为世界平均 值的1 1 1 。到2 0 0 7 年我国的原油产量也仅有1 8 6 6 5 亿吨。较低的开采率导致 我国每年大量的石油进口。因此，加快石油资源勘探，开辟新的大油田，是增加 我国石油产量的一个有效手段。其中，我国的海洋大陆架由于过去勘探较少，更 是最有可能发现发油田的地方，例如，在2 0 0 7 年发现的冀东南堡海上油田已发 现四个含油构造，油气地质储量( 当量) 1 0 2 亿吨，其中探明储量4 0 5 0 7 亿吨， 控制储量2 9 8 3 4 亿吨，预测储量2 0 2 1 7 亿吨，天然气地质储量折算油当量 1 1 1 6 3 亿吨，这个发现有力地加强了我国的石油安全。但是，我国目前使用的 海上石油勘探关键装备都是购自国外石油勘探公司，不但价格昂贵而且勘探精度 受到限制，严重影向了我国海洋石油资源的大规模勘探。在这种情况下，研制有 自主知识产权的海上石油勘探系统具有重要的意义。 第4 页 第l 章海上地震勘探原理及勘探设备介绍 s i na矿1 一：一s i n1 3矿2 图1 2 地震波的折射与反射 在实际的地层剖面中，由于沉积间断，或是由于沉积时的岩性差异，使其上、 下岩层的物理性质显著不同，因而能形成良好的反射界面。另外，在多层介质情 况下，会形成多界面的反射波( 如图1 3 所示) ，但不论是来自上界面的反射波， 还是来自下界面的反射波，彼此互不干扰，独立的依次向上传播。正是利用这个 特性，利用地震波可以同时勘探不同地层的地质构造。 图1 3 多界面地震波的反射 波在非法线入射的情况下，在介质分界面上不仅要改变波传播的方向，发生 反射和透射现象，而且会发生的震动方向的改变 x 第1 章海上地震勘探原理及勘探设备介绍 千焦耳之间，地震波穿透深度不超过2 0 0 米，适合浅层高精度勘探。b 0 0 m e r 震 源通过金属板与电磁线圈组成换能器，将电磁能转换成机械运动能，使金属板相 对线圈向后运动，在水中产生压缩波，b 0 0 m e r 震源产生的地震波频率在2 0 0 h z 到8 0 0 0 h z 之间，适合于浅层高精度勘探。剖面仪是一种基于线形调频脉冲技术 的震源，它发射扫频脉冲，其频率范围般在1k h z 到10 k h z 之间吲。 o d l h z纯l 比l 珏芏l q 抛i o 暇土l l 【l 缸l 氆沌 l 便懒 l t 皿 撼曩调煮 穿遗潍度绥；参；够整直分辨率整1 1 9 躐 1 2 。2 定位控制系统 图1 4 地震波穿透深度与勘探分辨率的关系 在海上地震勘探作业中，定位控制系统用于确定拖缆的位置和深度。如 图1 1 中所示，拖缆被船拖拽，并使用俗称“水鸟”的定位装置控制拖缆在水中 的深度和左右位置。有些先进的定位控制系统还在拖缆的一些位置装上g p s 系 统来精确确定拖缆的位置，并通过有动力的“水鸟”装置进行调整。 1 2 3 数据采集系统 数据采集系统也是地震勘探的关键设备，它收集地震波反射信号，通过水听 器转换成电信号，继而经过模拟滤波、放大、模数变换和数字滤波后打包上传到 数据记录系统供离线分析。 第8 页 啦 阻 溉 m 托 ， 如 ， 仉 第2 章地震数据采集与记录系统的总体结构介绍 剀倒： 一一7 宠终缎摧逶邋 豳盔臣莱裳系绕 r s 一4 8 5 缎荆惩落，缒毁线 口 ：题缓t d 彦翰器 图2 1 水下拖缆数据采集与传输系统结构示意图 头包通过光纤连接室内记录系统进行通信，共采用两个光纤，分别传送上行 数据和下行命令，或使用3 根光纤，另外一根光纤作为数据信道的备份。 在传输包之间的通信，数据信道采用两根光纤同时发送数据，互为冗余备份， 在传输包的数据接收部分通过判断传送数据的校验位来选择使用哪条光纤传送 数据；传输包之间的命令信道采用r s 4 8 5 接口，每个传输包使用两片全双工的 r s 一4 8 5 收发器，命令被逐级下传直到尾包；在尾包处实现命令回环，将接收到 的命令逐级向上传输。传输包和采集板之间的数据通信通过r s 4 8 5 接口进行点 到点的数据传输，每段1 0 0 米的拖缆共有8 块采集板，其中前4 块采集板与前级 传输包相连，后4 块采集板与后级传输包相连。采用这种连接方式，便于保证电 缆的对称性，同时所能达到的数据率满足系统设计的需要。 2 1 1 拖缆供电系统 水下拖缆的供电采用分级降压的供电方式。从拖缆头部向整条拖缆提供 3 8 0 v 的直流电压作为整条拖缆的供电电压，每2 0 0 米有个高压变换模块，将 电压从3 8 0 v 降到1 2 v 供两段1 0 0 米蓁誊| 冀| 譬； x 第2 章地震数据采集与记录系统的总体结构介绍 + 3 v 复采舅s 扳室菜鼻s 故夏采舅s 授至采集扳 图2 2 拖缆供电系统拓扑结构 拖缆电源采用逐级上电方式，从传输包的头包往下一次上电，这种方法 的好处是可以在上电时通过检测电源功耗的变化判断每个传输包供电状态时都 正常，方便检修。 2 1 。2 传输系统 在拖缆中，传输系统由头包、中间包和尾包组成，每条拖缆有头包、尾包各 一个，中间包则视拖缆长度而定。在进行系统连接时，对于中间包，命令信道和 命令回环信道分别与前后两个传输包的命令信道和命令回环信道通过双绞线连 接，数据信道和备份数据信道分别与前后两个传输包的数据信道和备份数据信道 通过光纤相连，前向r s 4 8 5 接口、后向r s 4 8 5 接口和拖缆i d 读入接口分别与 该中间包前后所接拖缆的相应接口相连。对于头包，下行命令来自f c i 板的命令 光纤，下行命令信道和命令回环信道分别与后级传输包的命令信道和命令回环信 道通过双绞线连接；上传数据信道和备份数据信道分别与f c i 板的数据光纤接口 和备份数据光纤接口通过光纤相连，下级数据信道及其备份数据信道分别与后级 传输包的数据信道和备份数据信道通过光纤相连，后向r s 4 8 5 接口和拖缆i d 读入接口分别与该中间包后所接拖缆的相应接口相连。对于尾包，与上级传输包 的命令信道和命令回环信道相连的接口通过双绞线迸行连接，同时经过两级 r s 4 8 5 总线驱动器后的下行的命令通道和上传的命令回环通道通过双绞线直接 第1 2 页 第2 章地震数据采集与记录系统的总体结构介绍 相连。上传数据信道和备份数据信道分别与前级数据包的相应接口使用光纤进行 连接，前向r s 4 8 5 接口和拖缆i d 读入接口分别与该中间包前所接拖缆的相应 接口相连。整个传输包工作控制的核心是一块f p g a ，主要的控制工作均在f p g a 内实现。 2 1 2 采集系统 述。 根据上面的叙述，采集系统主要完成三个功能： 2 4 位一a d c 进行有五档采样周期的采样：4 m s 、2 m s 、1 m s 、o 5 m s 、o 2 5 m s ； 对采样信号进行数字滤波： 实现自检功能。 采集系统的设计是作者所做的工作，也是本文的重点，将在下面章节仔细描 2 2 室内记录系统 室内记录系统是整个勘探系统的控制中心，具有以下功能： 最大支持1 6 条拖缆数据的采集和记录； 支持最大单缆数据率l1 5 2m b y t e s ( 3 8 4 0 l m s ，1 9 2 0 道 o 5 m s ，或9 6 0 道 0 2 5 m s ) 的数据接收，单炮最大记录长度为1 8 秒，两炮数据记录之间最小 问隔小于1 秒； 拖缆上电控制和电源自动保护功能； 高可靠c o m p a c tp c i 采集处理模块； 稳定的基于磁盘阵列r a i d 的高速数据存储； 具有一套高可靠、高稳定、易于操作维护的系统软件，实现1 6 缆地震数据 实时采集控制与q c 质量监控。 2 2 。1 室内记录系统的硬件结构 室内数据记录系统的整体结构框图如图2 3 所示： 第1 3 页 第2 章地震数据采集与记录系统的总体结构介绍 相连。上传数据信道和备份数据信道分别与前级数据包的相应接口使用光纤进行 连接，前向r s 4 8 5 接口和拖缆i d 读入接口分别与该中间包前所接拖缆的相应 接口相连。整个传输包工作控制的核心是一块f p g a ，主要的控制工作均在f p g a 内实现。 2 1 2 采集系统 述。 根据上面的叙述，采集系统主要完成三个功能： 2 4 位一a d c 进行有五档采样周期的采样：4 m s 、2 m s 、1 m s 、o 5 m s 、o 2 5 m s ； 对采样信号进行数字滤波： 实现自检功能。 采集系统的设计是作者所做的工作，也是本文的重点，将在下面章节仔细描 2 2 室内记录系统 室内记录系统是整个勘探系统的控制中心，具有以下功能： 最大支持1 6 条拖缆数据的采集和记录； 支持最大单缆数据率l1 5 2m b y t e s ( 3 8 4 0 l m s ，1 9 2 0 道 o 5 m s ，或9 6 0 道 0 2 5 m s ) 的数据接收，单炮最大记录长度为1 8 秒，两炮数据记录之间最小 问隔小于1 秒； 拖缆上电控制和电源自动保护功能； 高可靠c o m p a c tp c i 采集处理模块； 稳定的基于磁盘阵列r a i d 的高速数据存储； 具有一套高可靠、高稳定、易于操作维护的系统软件，实现1 6 缆地震数据 实时采集控制与q c 质量监控。 2 2 。1 室内记录系统的硬件结构 室内数据记录系统的整体结构框图如图2 3 所示： 第1 3 页 第2 ：蕈地震数据采集与记录蒙绕筒焦诛缡硒芥幼 雾雾 一x 一一“ 雾羲蓁囊篓奏 囊霾鬟鎏萋塞蓄目 蚋羹- 羹虿蓁薹鬟篓羹i 夏霎蓁 驯 l 髻耄薹；瑚篓翼耄 羹囊目翼羹囊霪霎薹冀鍪翼羹葡攀丕鬻娶亍磐终 墓薹黧羹薹j 耋薹攀 ；至羹鋈善一零；霎霉；三薹羹雾二羹蓁萎蓁薹雾 粪粪藿冀嚣霉蘑；鐾基禽童稀萤墓；薹一霎耋零翼堑雾薹霆羹鋈| | | 蒌錾； 囊霾蓊墓驾鏊霪羹冀：f 影 营翻嚣翁静嘉筢薹囊臻坦爱罐二籍薹哩遮1 吨， 垡雾婺矍羹霪葶瞄萋弱朝鞋鞫玉冀髫趔淫通囊辨鲤雾挲蠹蘸罂占娶f 囊刹蹲诌 祛蝥i 戮銎珊霭冀薹囊雾茜鋈羹蓁蓁并。翼苗叁篓! 陋蠢剿篓眩羹浔强猾褥砑霉薹 蠹羹；薹冀雾翘裂藏；帱嚣剐艄剁烈巍甏彦坚i 藉徭鍪葵彭羧缘穗雾疑；剥翻联笛 潮蹦翼赢瓣羹蝗雾墼j 蒜掣堡璧萨斧融肴鑫珊墓荔璀雩妻爹：霎譬雩魄羹璧霈萎 髦鬻蒌爱躺剽裂；型烈i 熏熏鋈鋈叁薹蓁鼙碧翼冀谣墨：拓霸羹委酾瑶插板囊降嘉 羹雾嚣墅葫；涔篓骘誊垂囊骀堡播强瓣螃甜矧。霞雾璺霎熏癸譬i 嵛薹矍蘑霎 蚓碰淄蛳鹫；蓁器荃萋饷锈垂蓁囊每彳拂罄霪琴角型堡受嚣i 薹i 莓i 萋蕻鏊隔薹搂篱 i | 囊凄薹喾叁丽薹繁藕黧翥强踵囊羹| 辇霎毪阢。稀融祷甜髓娶昌墨羁薛薹蠢 霞霎薹雾蘼陪羹萋羹宅薹萼j 作菲羹薄霎薹酲= 馒薹霎塞鬻载一蕞，薹嚣弭锃繁薹；爵 莽赫鏊莺望蓁霉耋萋：薹霎萋耋；主量誊 蓁鎏l 冀| 譬； x 第2 章地震数据采集与记录系统的总体结构介绍 主控工作站： 工作站，提供两个显示接口，分别为控制显示器和振子显示器，分别显示控 制界面和振子图。主控工作站通过百兆网口发送控制系统操作需要的各个命令， 同时通过百兆以太网接口接收各个f c l 板传来的拖缆初始化信息和振子数据并 将其显示。 中央质量控制工作站： 工作站，提供q c 显示接口用于质量控制，同时提供打印机、绘图仪等外设 接口。 数据记录工作站： 工作站，通过千兆以太网接口接收其对应的数据处理机机箱发来的帧头数据 和4 条拖缆的道序数据，通过百兆以太网接口接收和数据对应的s e gd 头段固 定信息，用软件对道序数据进行浮点转化，结合头段信息生成标准的s e gd 格 式的数据文件，并通过s c s i 接口( 或f c 接口) 传送到r a i d 上完成数据记录。 2 2 2 室内记录系统的软件 根据室内记录系统的功能模块划分，软件可以分一下几个部分： 主控工作站软件，这部分软件负责完成整个系统的管理配置以及振子图形的 显示等功能。 质量控制工作站软件，将数据上传的数据进行显示绘图，供使用者观察判断 系统的工作状态是否正常。 数据记录工作站软件：该软件主要是将接收的数据与辅助信息组合成s e gd 格式的文件并写入磁盘阵列进行保存。 零槽软件，提供千兆以太网、百兆以太网接口以及其他高速总线接口的驱动 及操作。 第1 6 页 第3 章数据采集系统的设计 第三章数据采集系统的设计 数据采集系统是海上地震勘探仪器最重要组成部分之一，在震源信号确定的 情况下，数据采集系统的性能将决定勘探的精度甚至成败。在设计数据采集系统 时，我们首先根据对海洋地震信号特性的研究确定了采集系统的性能指标，接着 按照指标要求调研了各公司的放大器、a d c 等产品的性能，选定c i r r u s 公司的 地震信号采集套片用于我们的系统，围绕套片进行电路板设计并根据通信协议编 写f p g a 控制逻辑，然后使用测试系统验证该系统的指标，最后与传输系统和室 内记录系统实现连调，实现了真个海上地震勘探系统预定的设计目标。下面分别 对数据采集系统的性能指标的确定、硬件设计和逻辑设计作展开论述。 1 数据采集系统的性能指标 3 1 1 频率响应 在地震勘探中，数据采集系统的幅频响应取决于两个目标：不丢失有效 信息和不混入干扰信息。在高频端，根据不同的任务要求选择截至在2 5 0 h z 、 5 0 0 h z 或者8 0 0 h z 都是比较合适的。在低频端，有用信号截止在3 h z ，更低频率 的信号一般是水声干扰。值得注意的，在低频2 0 h z 一下，会有瑞利面波的干扰， 但不能为了消除这个干扰而在低频端截止在2 0 h z ，因为这样会损失有效的低频 信号，不利于获得深层地质信息。这种面波的干扰一般可以在后续的数据离线分 析中去除。对于相频响应，过去要求数据经过采集系统的数字滤波器后，都经过 同样的延迟，以便于后续离线分析，现在随着计算技术的发展，对此已没有过多 的要求。 3 1 2 动态范围 动态范围是指系统接收的地震信号的最大与最小振幅之间的变化跨度。 由于大振幅地震信号来自浅底层的反射，小振幅地震信号来自深底层的反射。当 反射信号的幅度小于外界噪声的幅度时，将无法提取该信号，因此我们能够以噪 声的幅度来估算最小的动态范围：离震源1 0 米处的检波器的最大信号约为噪声 第1 7 页 第3 章数据采集系统的设计 信号的1 0 0 0 0 0 倍，因此需要的动态范围为1 0 0 d b ，然后刚好淹没在噪声中的小信 号毕竟不能被提取出来，因此再加上1 0 d b ，采集系统的通态范围1l o d b 比较合 适【3 1 。由上述分析可知，在地震勘探中，动态范围和信噪比可以看作同一个概念， 在下文中将不做区分。 3 1 3 谐波失真 谐波失真值是衡量一个电路系统线形度的量。如果电路为完全线形系 统，输入一个频率的信号，则输出信号也只含有该频率：若输出信号包含n 倍 频信号，则该系统存在非线性失真。地震勘探一起的非线性失真会使面波信号产 生倍频假信号，干扰有用信号。系统谐波失真一般用倍频谐波振幅的平方和根比 上所有信号的平方和根来衡量，一般这个比值要小于o 0 0 0 5 。 3 1 4 系统噪声 系统的噪声来源很广：热噪声、散粒噪声、调制噪声等等。根据对系统 动态范围的要求，系统噪声一般要低于0 1pv 。 3 1 5 增益一致性 对地震信号数据的解释主要依靠所采数据的幅度和采集时间的先后关 系，因此每个采集通道的对信号放大幅度的不一致性会导致数据分析产生误差。 当然，每个通道增益完全一致是无法实现的，一般我们要求各通道的增益一致性 好于o 0 1 。 3 1 6 采样周期 对采样周期的要求取决于上面分析的系统频率响应。在最高8 0 0 h z 信号带 宽的前提下，0 2 5 m s 次的采样率就可以满足系统的要求。根据不同应用环境， 我们的数据采集系统应具有可变采样率的功能，最高周期分别为4 m s 、2 m s 、l m s 、 0 5 m s 、0 2 5 m s 。相应的数据输出率为：2 5 0 s p s 、5 0 0 s p s 、1 0 0 0 s p s 、2 0 0 0 s p s 、 4 0 0 0 s p s 。 第1 8 页 第3 章数据采集系统的设计 3 1 7 道问串扰 由于每个采集电路有4 个采集通道，即会引入4 道模拟信号，因此用道间 串扰这个指标来衡量4 个通道的信号之间的相互干扰程度。 3 2 硬件设计 数据采集系统有四个采集通道，可以采集和处理4 道地震信号，这四道的连 接框图如图3 1 所示。 扮城器 柃波器 掩波器 检波器 翘+ 缓 魏按波删乡嚣 滤波纠络 盟丝一卜1 - _ - _ _ _ _ _ _ _ j l 亟叫 巫丑r o _ _ 赢万l d a c 图3 1 数据采集系统硬件结构 由框图可以看到数据采集系统主要由检波器、滤波网络、前置放大器、a d c 、 d s p 、d a c 、r s 4 8 5 芯片和f p g a 组成。这些部分之间的信号连接见图3 2 。 第1 9 页 第3 章数据采集系统的设计 b i o c k1 ) l c r a m 图3 2 数据采集系统各部分信号连接示意图 下面分别介绍每个部分。 3 2 1 检波器 检波器是一种将震动或压力信号转变为电信号的传感器，有磁电、涡流、压 电、压阻式等多种结构。根据水下地震数据采集的特点和要求，我们选用压电陶 瓷结构的检波器，其结构如图3 3 所示【4 】o 第2 0 页 第3 章数据采集系统的设计 譬气 p ) i 口r 【) ( xx 】 j 阡 受 7 l 】 - 虽 拜 i i 葺 l 雾 黝 黝 lh ： i 僦趟 0 ：“l 董 吒一! ，一r 皿1 ? 竖黼i拂；博i i 搿乏一柑出 基 癍 图3 3 压电陶瓷检波器结构 压电陶瓷检波器是一种压力敏感检波器当检波器承受振动应力的作用时， 由于传感器基座与试件刚性固定在一起，当传感器感受到振动时，由于弹簧的刚 度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块 感受到与传感器基座相同的振动，并受到与应力相反的惯性力的作用。这样，质 量块就有一正比于应力的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因 此在它的两个表面上就产生了交变电荷( 电压) ，当振动频率远低于传感器的固有 频率时，传感器的输出电荷( 电压) 与作用力成正比，亦即与试件的振动应力成正 比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用测量仪器测得 振动幅度的大小。从等效电路的角度来看，压电陶瓷检波器可以等效为一个电压 源与一个r c 结构的串联，等效电路如图3 4 所示，其中r o 是检波器的绝缘电 阻，正常情况下具有很大的阻值( 大于2 0 0mq ) ，c 是检波器的特征电容，不 同陶瓷材料的压电检波器具有不同的c 0 值，我们所采用的压电陶瓷检波器c 值 约为1 6pf 。压电陶瓷检波器具有检波器灵敏度高，信噪比大，结构简单、工作 可靠等优点。 图3 4 压电陶瓷检波器电路等效图 第2 1 页 第3 章数据采集系统的设计 3 2 2 无源滤波网络 在设计中，检波器通过个无源滤波电路连到前置放大器。无源滤波网络的 作用主要有以下三个【2 】：低频截止滤波器，滤除3 h z 以下的低频干扰( 主要 来自水面波浪等因素) ；高频截止滤波器，滤除高频假频干扰；为放大器提 供偏置电流通路；提供输入保护，防止电路中电流过大。为此，对每个检波器 通道，我们设计了如图3 5 所示的滤波网络。 r 2 图3 5 无源滤波网络结构 其中，电阻r 1 阻值取3 mq ，电阻r 2 、r 3 的阻值都取为2 0 0q ，电阻r 4 、 r 5 的阻值都取为1 2 m q ，电容c 1 容值取为0 。0 luf 。考虑到检波器的电路等效， 整个网络的电路结构如图3 6 。 图3 6 考虑检波器等效后的i i 墓彼网络结构 根据前文，电阻r o 的阻值大于2 0 0 m q ，可以看作开路；电容c o 容值为1 6 “f 。对检波器输出的差分信号，从估算的角度来看，c 0 与r l 形成一阶c r 低切， 一3 d b 低切值为芴裹而3 3 勉；r 2 、r 3 与c 1 形成一阶r c 高切，一3 d b 高切值为 r 2 、r 3 _ 二_ 一4 0 拖。同时，r 2 、r 3 的存在限制了大电流直接输入 2 万f 尺2 + r 3 ) c 1 放大器，r 4 、r 5 则可提供偏詈电流通路。 第2 2 页 第4 章采集系统性能指标测试 线。下面先介绍我们的对每个测试项目及指标算法，并给出具体的测试结果。 4 1 系统噪音测试 这个项目主要测试数据采集系统内部的噪声。通过计算系统输入接地时的系 统输出，便可得到系统噪声。进行系统噪声测试时，先将系统( 放大器输入端) 通过电阻输入接地，然后采集所有道的数据，计算每一道数据的均方根( r m s ) 值。该值就是每一道的噪音大小。均方根值的计算公式为： 脚= c 专) 2 ) 在测试中我们算出系统噪声为3 3uv ，噪声平台如图4 2 所示。 4 2 动态范围测试 图4 2 系统噪声平台 动态范围( d r ，d ”a m i cr a n g e ) ，表示一个系统可以达到的最大值和最小值之 司的范围。在s e g 的记录标准中，动态范围的定义，也就是系统的信噪比( s n r ) 。 第4 3 页 x 第3 章数据采集系统的设计 3 2 4 一a d c 一般情况下，对截止频率为f 的信号采样频率达到2 f 即可保证采样后的数 字信号不发生频率混叠，2 f 也就是该信号的n y q u i s t 频率。由于某些利好处，如 果用高于n y q u i s t 频率的采样频率( 不妨设为r 2 f ) 对该信号采样，则构成对 此信号的过采样，其中的r 即为过采样率。n y q u i s t 频率f 采样时量化噪声分布 在0 f 2 之间，按r f 频率过采样时，量化噪声分布在0 r 2 之间，而量化噪声 的总功率在不同采样率下是不变的，从而过采样使得信号带宽内的信噪比提高。 采样正是一种利用上述过采样噪的积分增量调制采样方式。按插入积 分器的个数n ，将a d c 称为为n 阶a d c 。下面以比较简单的一阶a d c 为例来说明其工作原理。一阶a d c 由插入积分器、减法器、量化器和反馈 积分器组成。如图3 1 0 所示。 一 x l ( t ) ji 图3 1 0 一阶一a d c 结构 根据此图推算输入模拟信号e ( t ) 与输出数字位流信号y ( n ) 的关系： e ( t ) = f x ( t p l ( t ) = 卜( t 瑚一y ( n t 沙 = x ( t ) y ( n t ) p 由( 1 ) 式可以看出图1 中的两个积分器可以用一个取代，这样得到图2 所 示形式。同时，对( 1 ) 式两边微分，得到： y ( 眦) = x ( t ) 一掣 从而可以看出图3 9 所示系统的输出是模拟信号的输入值加上量化噪声的相 关项。由于微分信号一般是高频成分，所以经过低通滤波可以去除。若假设噪声 为随机白噪声，我们可以得到噪声的功率谱密度为： w 瑚2 鲁 第2 5 页 第3 章数据采集系统的设计 一 一_ 一 其中要是量化白噪声的功率谱密度口由上式可以看出嘶调锘i j 器改变了 量化噪声的分布：在低频端量化噪声减小，在高频端量化噪声增加，如图3 1 1 所示，这种现象称之为量化噪声成型。 麟 图3 1 1量化噪声成型 计算表明每2 倍的过采样率可以对信噪比带来9 d b 的改善，增加调制器的 阶数也可以显著提高信噪比( 高阶调制器结构如图3 - 1 2 所示) ，过采样比和不 同阶数调制器对信噪比的想象如图3 1 3 所示【5 1 。 图3 1 2 高阶调制器结构 第2 6 页 第3 章数据采集系统的设计 喝 v 譬 誉 媳 过抽样比( r ) 图3 1 3 过抽样比和调制器阶数l 对信噪比的改善 从a d c 输出的一般是1 b i t 的位流信号，我们将输出的位流信号以 t 的时间间隔以第n 个点为中心取与其相临的前后共m 个点，把其中的o 变为1 ，1 不变，然后对其求和，这样求得的值乘上因子v r e f 则可以代表在这段 时间内输入信号的平均电压，接下来我们可以继续取第第( n + k ) 个点为中心重 复上述操作。这样将在原来位流数据的基础上得到类似普通a d 的采样数据， 同时采样间隔变为k t 。需要注意的是，在k l 的情况下，做上述变换后的 数据等效采样率降低了，这是一种抽样信号变速率的情况，此种情况下，为防止 混叠，采取低通滤波器是必不可少的。正是因为采样方式在高过抽样情况 下具有高信噪比的特点，所以特别适合用于有用信号频率较低的地震信号采集领 域。 在我们的设计中，选用c i r r u s 公司的c s 5 3 7 2 a d c 。该a d c 的特性 如下： 四阶调制器结构： 采样频率51 2 k h z 或2 5 6 k h z 可选； 高动态范围：1 2 4 d b 4 1 l h z 带宽，1 2 l d b 8 2 2 h z 带宽，相当于2 4 位a d c ： 输入信号范围：2 5 v 到+ 2 5 v 或0 v 到十5 v ； 第2 7 页 第3 章数据采集系统的设计 进行低通滤波，以抑制高频成分。 从硬件实现的速度和功耗考虑，抽取滤波器一般以级联的方式实现。每一级 都是由低通滤波器与一定抽取率的抽取器组成了基本的滤波电路单元，如图3 1 4 所示。采样率为的数据流x ( n ) 经过传递函数为h ( n ) 的低通滤波器后输出信号 w ( n ) ，此时信号频率仍为然后进过m ：l 的抽取器( 在m 个数据中选取一个) 输出y ( m ) ，此时信号的抽样率变为m 。在此过程中信号频谱的变化如图3 1 5 所示。 i x ( e 一) j 材( 矿) l l ，( e j i ) l y ( e 卜) 图3 14 抽取滤波的基本单元 0 图3 15 抽取滤波的过程中信号的频谱变化 实现抽取滤波器的一种比较经济的方法是采用梳状滤波器( s i n c ) 和高阶f i r 滤波器的级联。梳状滤波器是一类激响应系数全为l 的f i r 滤波器，其结构简单， 第2 9 页 第3 章数据采集系统的设计 作为抽取滤波器的最前级。梳状滤波器的系统函数如下： 噼( 箐) 其中r 是抽取系数，表示r ：1 抽取； m 是梳状滤波器结构中的延迟系数，一般取l 或2 ； n 是滤波器阶数。 图3 1 6 是r = 8 ，m = 1 ，n = 1 ，归一化频率下的梳状滤波器的幅频响应。 图3 16 梳状滤波器幅频响应 上图中第一瓣为其主带，也是滤波中的通带，旁瓣为阻带。可以看到其旁瓣 仅比主瓣低1 3 d b 左右，而瓣间衰减较大，形成阻带。 下面再来看看抽取滤波对滤波器阻带的要求。 从输入信号的角度看，假设( o ，f 。) 为基带频率，也就是需要采集的输入模拟 信号的频谱，( f 。，f 。) 为无用信号频谱，如图3 1 7 所示。为了保护基带信号在抽 取过程中不受混叠，我们仅需要滤去那些有可能混进( 0 ，f ，) 频带内的信号，而( f p ， f 。) 之间的频段可以留给后续滤波电路处理。 第3 0 页 口u mdj怠c西霸奎 第3 章数据采集系统的设计 图3 1 7 输入信号频谱 因此，从滤波器的角度来看，需要滤去的频带位于( k f l - f 。，k f l + f 。) ，其中k = l ，2 一m 。如图3 1 8 所示。 1 月( 力 图3 1 8 抽取滤波器频谱 这正是上述梳状滤波器在阶数n = m 时的多阻带的特性，此时相应的阻带宽 度为： v ：丝丝 钰 从梳状滤波器出来的数据流包含基频和一些带状高频成分，需要使用高阶 f i r 滤波器或级联f i r 滤波器进行低通滤波，在滤波的过程中也可以进行数据抽 取，以进一步降低输出信号频率。 3 2 5 2c s 5 3 7 6d s p 中滤波器结构 在我们的设计中，使用c i l l r u s 公司的c s 5 3 7 6 地震数据滤波器。该d s p 提供梳状滤波器、f i r 滤波器、i i r 滤波器配置。如图3 1 9 所示。 第3 1 页 第3 章数据采集系统的设计 图3 1 9c s 5 3 7 6 滤波器级联及配置选择示意图 其中梳状滤波器共有3 级，第一级是抽取率为8 的5 阶的梳状滤波器，第二 级4 个抽取率为2 的4 阶的梳状滤波器，第三阶比较复杂，由3 个抽取率为5 的4 阶的梳状滤波器、1 个抽取率为2 的5 阶的梳状滤波器、1 个抽取率为2 的 6 阶的梳状滤波器、1 个抽取率为3 的6 阶的梳状滤波器组成，如图3 2 0 所示。 图3 - 2 0c s 5 3 7 6 梳状滤波器级联示意图 第一、二、三级梳状滤波器的系统函数与滤波器参数分别见表3 3 、表3 - 4 、表3 5 ： 第3 2 页 2 4 由狂 ( 地l pu 1 第3 章数据采集系统的设计 f i l 乞rt 蚋 s ”t 蝴乳曩o t i 能 p i l t rc o f f i c i o n e _ g 工n c l 一( 导歹 h o 薯l h i ；= 2 4 6 0 5 2 ho r d 鲁rd e c i m a t 。b y8 h l = 5 h l 二= 2 3 3 0 35c o e f f i c i e n t g h ： = 1 5 h j o = 2 2 2 6 h ：= 3 5h ，= 三0 1 0 h 4 = 7 0 h 2 2 = 1 7 5 0 h ： =126 h ，3 ；1 4 7 0 h e= 2 1 0h 2 4 薯1 1 9 0 k= 3 3 0h ，= 9 2 6 h g = 4 9 0 h ：；= 6 9 0 h ， = 6 9 0 h 2 7 = 4 9 0 h l 口= 9 2 6h ：j = 3 ，0 h i ：= 1 1 9 0h j = 2 1 0 h 1 2 = 1 4 7 0h 3 0 车1 2 6 h l j = 1 7 5 0h ) l = 7 0 h ：4 = 2 0 i 0h ：= 3 5 h i 5 = 2 2 2 6h 1 3 = 】5 h l e = 2 3 8 0h 】 = 5 h 1 7 = 2 4 6 0h 3 s = 1 表3 3 第一级梳状滤波器系统函数与参数 f i l t 膏t y p 囊s y - t 蛳i 、l 七i o n f i l 乞口rc i c i 叠n 七曩 s i n c 2( s t a g q1 一悖j 4 h o= l s 工n c 2f g t a g 鲁2 h 土 = 4 4 凸o r d e rd 。c i m a 七自b y2 h i皇6 5c o o ff i c i e n 七s h i=4 h 毒墨1 s i n e 28 t a g e3 一晦) 5 h 。 =l 5 吐。r d 。rd e c i 如a t 鲁b y2h ，= 5 6c 口o f f i e i e n 七8 h 2量1 0 h ，=10 h = 5 h5=1 s i n c 2f s t a g e4 睁丁 h o= 1 6 如。r d 。rd 。c i m a 七。1 可2 h 2= 6 7e o e 王f i e i 鲁n 七8 h 2互1 5 h ，=20 h = = l 5 h 5= 6 h ；= 1 表3 - 4 第二级梳状滤波器系统函数与参数 第3 3 页 第3 章数据采集系统的设计 p i l t rt y p s y t 妊p u t i c 七i o n f i l t rc o f 土c i n 乞 s i n c 3c s t a g 鲁1 ) 一( g ) h 3 = l s i n c 3 ( s t a g e2 ) h1=4 s 工n c 3 c s t a g 岳3 h 2 = 1 0 4 h 。r d 鲁rd e c i r n a t 垂b y5 h 3 = 2 0 1 7c 0 9 f i e i 曾n t gk = 3 5 h 5 = 5 2 k = 6 8 h ，= 8 0 b 一8 5 b = 8 0 ho = 6 8 h l i 暑5 2 h 1 ：= 3 5 h 1 3 = 2 0 h l 五= 1 0 h 1 5 = 4 h l e 蕾l s i n c 3( s t a g 鲁4 ) ( 爿5 = 1 s ho r d 暑rd e c i m a 七eb y2 h=5 6c o 垂f f i c i 9 n 七8 h 2 = 】o h ) = l o ；5 h 5 薯工 s i n c 3f s t a g 台5 j 一陪 6 k=l 6 ：ho r d g rd e c i m a t eb y2 h l 暑6 7c o 鲁i c i 臼n t b h 2 = 1 5 h ：= 2 0 h t = 1 5 h s 叠6 k-1 8 工h c 3( s t a g o6 ) 一( 蓦) 6 一1 6 。ho r d 台rd e c i m a t 鲁b y3 h 1 =6 1 3c o o i e i 台n t 8 h ， = 2 1 h 二= 5 0 h =90 h 5= 1 2 6 k= 1 4 】| h 1= 1 2 6 b 逗 = 9 0 h 昼 罨5 0 h l o ；2 1 h l i = 6 h 1 2 = 1 表3 5第三级梳状滤波器系统函数与参数 根据不同的数据输出率，我们可以将梳状滤波器配置成不同的结构，使其抽 样率也不相同。 f i r 滤波器共有两级，第一级为4 8 阶f i r 滤波器，第二级为1 2 6 阶f i r 滤 波器。第一级f i r 滤波器参数见表3 6 ，第二级f i r 滤波器参数见表3 7 。 第3 4 页 第3 章数据采集系统的设计 f i l t e r b ef i l t e rc o e f i c i e n t g ( n o r i 随1 i z e d2 4 - b i t f 工r 王( c o e f f i c i e n ts e t0 k ：5 5 8h ： = 8 3 8 8 6 0 7 l o wp a s g ，s i n cc o m p e n s a t i o n h 】 = 1 9 0 5 h 3 5 = 7 0 4 2 7 2 3 l i n e a rp h a 窘ed e c i m a t eb y4h ，= 3 8 3 童h ，e ：吐7 6 8 9 4 6 4 8c o e i c i e n 七s h 】 = 5 1 1 8 l l ：了：2 2 6 6 4 2 8 h 4= 3 6 5h 2 3 = 1 8 9 4 3 6 h e = 一1 4 5 1 8 b ：，= 一1 0 5 3 3 0 3 h = 一3 9 了8 7 h 3 0 拳一1 3 9 2 8 2 7 h 1：一6 7 3 5 5h 3 l= 一1 0 8 4 i 3 0 h g = 一6 9 9 0 9 h ：= 一4 9 6 3 6 l h ； = 一1 9 4 5 0 h 33 ；3 9 8 6 4 h j o ：9 7 4 3 4h 3 童土33 2 3 6 7 h l j = 2 5 8 8 8 1 h ，5 = 3 7 5 5 6 2 h 1 2 ：3 7 5 5 6 2h 3 = 2 5 8 8 8 1 h 1 3 = 3 3 2 3 6 7h 3 了= 9 7 4 3 4 h i t ：3 9 8 6 4h 3 9z 1 9 4 5 0 h 】s = 一4 9 63 6 1h l o = 一6 9 9 0 9 h j 5 = 一1 0 8 4 l3 0h o = 一6 73 6 5 h 1 7 嚣一13 9 2 8 2 71 1 4 l = 一3 9 了8 7 h i 童= 一1 0 533 0 3h ：= 一1 4 5 1 8 h 1 = 1 8 9 43 6h j = 3 65 h 二o = 2 2 6 6 4 2 8h “= 5 1 1 8 h 2 i = 4 7 6 8 9 4 6h 5 = 3 83 4 h 2 ：7 0 4 2 7 2 3 h t 6 ：1 9 0 5 h 2 3 = 8 3 8 86 0 7 h l ，= 5 5 8 表3 6 第一级f l r 滤波器系统参数 第3 5 页 第3 章数据采集系统的设计 f i 】t e rt y p ef i l t e rc o e c f i c i e n 七毒 ( n o r m a l i z e d2 4 b i t ， p 工r 2f c o 垂f f i c i 售n ts e to ， h - = 一7 lh 。= 8 3 8 e 5 0 7 l o wp a 8 s ， p a 3 8 b a n d 七o4 0 f 。 h l ，一3 7 l h ； i3 8 7 5 3 1 5 l i n e a rp h a 8 ed e o i m a t eb y2 h ： = 一8 7 0 h d ， 萱一7 巧6 2 3 0 h 一一9 a 6 h - 一工8 5 43 3 6 1 2 6c o e f f i c i e n t 3 h t = 3 4 h 耵 - 一工3 7 i 7 9 h ，= 上7 8 6h j j l1 1 l3 7 8 8 h l2 2 拿i t k l it 5 t 9 o h ， t2 9 1 h ，6 = 一6 4 2 4 7 5 h = 2 0 3 6h ，l一5 5 3 8 7 3 h = 一9 4 3 h 嚣 = 2 9 8 9 7 5 h i = 2 9 8 5h ，3= s 3 3 3 3 4 h 工：l3 7 8 4h ，4 = 一4 9 9 5 b h i j -一1 4 5 8h ，3 l 一4 t 3 2 7 2 h t ，i 一5 8 0 8h 7 j 一1 1 6 0 0 5 h “i 一1 0 0 7h ，j i3 i 8 7 6 3 h lo=7756h ， l2 0 8 0 1 8 h iis 9 3 5h ，l 一1 8 7 1 4 1 h l ：誊一7 1 3 5h l 矗一2 3 8 0 2 5 h l j = 一1 1 6 9 1h l 暑6 8 8 6 3 h i ，；3 5 3 1h j= 2 ：1 2 1 l l k 】；1 7 5 0 0h 龆 i2 2 8 5 0 h ：= 4 3 b bh t 暑一1 7 4 4 5 2 h 2 霉一2 0 6 6 lh t 5 - 一8 1 9 9 3 h ：，i 一上5 9 6 0h t = 1 i 圣i 5 4 h ；= 1 8 9 ，0k 7 一1 0 9 0 0 9 h 2 ，2 9 8 0 8h l 暑一5 4 1 7 2 h ：，曩一9 7 9 5h ，i 一1 0 9 1 8 9 h ：，- 一4 2 5 7 ，h f ， i4 4 3 6 h ：o = 一7 7 4 5h 女1=90744 h 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