（地球探测与信息技术专业论文）基于dsp技术的浅探孔多级多分量地震波信号数据采集系统.pdf

摘要 地震波的接收问题，是地震勘探过程中极其重要的环节，本文根据相关科研项目 的研究内容为背景，采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器作为主控制器，重点 开展了浅探孔多级多分量地震波信号数据采集系统的硬件和软件的设计。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制器不仅具有运算能力强、低功耗、速度快等优点，其内部还集成 了多种外设器件，简化了系统设计。论文对系统硬件和软件功能的实现、抗干扰性等问 题进行了深入的研究。 在硬件部分，介绍了系统所用到的主要芯片的特性，设计了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心 的硬件电路，主要包括信号调理电路、d s p 最小系统电路、数据存储器电路和串行通信 接口电路。 在软件部分，给出了d s p 系统软件的主体框架及各功能模块的设计与实现。d s p 软 件的编制和调试是在集成开发环境c c s 2 0 0 0 下完成的，采用c 语言和汇编语言混合编程。 利用d e l p h i6 0 编写了一个在w i n d o w s 环境下的应用程序，通过可视化、友好的人机 界面实现数据的接收与显示。 硬件电路和软件设计是整个系统的核心。经过调试，系统可以完成信号的采集、存 储、处理和传输任务，测试表明其性能达到预期目标。 关键词：v s p 微测井多级多分量地震波数据采集d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a b s t r a c t t h es e i s m i cw a v er e c e i v eq u e s t i o ni st h ee x t r e m e l yi m p o r t a n tp r o c e s si nt h es e i s m i c s u r v e y c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a lp r o j e c tb a c k g r o u n d ，t h e t h e s i sp u t sf o r w a r dap r o j e c to f m eb a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fm u l t i e l e m e n ta n dm u l t i c o m p o n e n tu p h o l es e i s m i cs i g n a l d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nt h ed s pt e c h n o l o g ya d o p t s t m s 3 2 0 f 2 812d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ro ft ic o r ea st h em a i nc o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e rn o to n l yh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g h - p e r f o r m a n c ep r o c e s s i n g , l o w p o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g hs p e e d ，b u ta l s oi n t e g r a t e sm a n yp e r i p h e r a l sw h i c hs i m p l i f yt h e s y s t e md e s i g n t h ep a p e rd e e p l yr e s e a r c h e do nt h er e a l i z a t i o no f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e f u n c t i o n ，s y s t e md e b u g g i n ga n da n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e a n ds oo n i nt h eh a r d w a r ep a r t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a i nc h i p su s e di nt h es y s t e ma l ei n t r o d u c e d 。 t h eh a r d w a r ec i r c u i tt a k e st m s 3 2 0 f 2 8 12a st h ec o r eo ft h ec o n t r o l l e r , m a i n l yi n c l u d i n g s i g n a lr e g u l a t i o nc i r c u i t ，d s pm i n i m u ms y s t e mc i r c u i t ，d a t am e m o r yc i r c u i ta n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t kt h es o f t w a r ep a r t ，p a p e rp r e s e n t st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs o f t w a r em a i nf r a m e a n de a c hf u n c t i o n a lm o d u l eo fd s ps y s t e m d s ps o f t w a r ei sc o m p i l e da n dd e b u g g e du n d e r i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc c s 2 0 0 0 i ti sp r o g r a m m e db y cl a n g u a g ea n d a s s e m b l yl a n g u a g e t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mp r o g r a m m e db yd e l p h i6 0 u n d e raw i n d o w s e n v i r o n m e n tc a nr e c e i v ea n dd i s p l a yt h ed a t at h r o u g ht h ev i s u a l ，f r i e n d l ym a n - m a c h i n e i n t e r f a c e t h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n dt h es o f t w a r ed e s i g na r et h ec o r eo ft h ew h d es y s t e m a f t e r d e b u g g i n g ，t h es y s t e mc a nf i n i s ht h e s e t a s k so fd m a a c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ，d a t ap r o c e s s i n g a n dd a t at r a n s m i s s i o n ，t h et e s ti n d i c a t e st h a tt h ep e r f o r m a n c ea c h i e v e sa l le x p e c t a n t a i m k e yw o r d s ：v s p ，m i c r o l o g ，m u l t i e l e m e n t ，m u l t i c o m p o n e n t ，s e i s m i cs i g n a l ， d a t aa c q u i s i t i o n ，d s p ，t m s 3 2 0 f 2 8 12 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：划、d 永 呷咐刖棚 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 彦搿嬲 仙1 i ，永 l 1 夕 1引_ i n、i=j别川j 名 孔 斜 名 者 签 作 币 划 师 论 导 长安大学硕上学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 数据采集技术是联系模拟世界和数字世界的桥梁，是一门综合了模拟信号处理、数 字化、数字信号处理和计算机编程等高科技为一体的技术。数据采集系统的任务是将模 拟信号通过a d 转换器转换为计算机可以识别的数字信号，最后通过计算机对数据进行 处理、显示、分析，从而实现对相应物理量的监控。数据采集技术是信息科学的重要组 成部分，己广泛用于国民经济和国防建设领域中，特别是在测量和控制领域是必不可少 的。 地震波的接收问题，是地震勘探过程中极其重要的环节，地震数据资料在室内处理 和解释时，要对野外获得的原始资料进行各种去粗取精，去伪存真的加工处理工作，地 震波采集系统决定了地震勘探的精度。由于地震波数据采集系统工作环境相对恶劣，对 数据采集系统的许多技术指标提出了很高的要求，如信号处理的速度，抗干扰能力等方 面【1 1 。 在石油、煤炭、水资源、地热资源、土木工程、环境地质灾害勘查中地震勘探为 首选的勘查方法，而在地震勘探中，近地表不均匀性给激发、接收、静校正等带来一 些困难，尤其是复杂地区的静校正问题，制约了勘探效果的提高。本文依托交通部西 部科技项目“探测湿陷性黄土暗穴技术研究( 项目编号：x z 2 0 0 1 0 2 0 8 ) 的部分研究 成果为基础，针对作业深度0 - 5 0 0 米的浅探孔地震波测试技术需要，以d s p 处理器 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 高速数字信号处理器为基础，重点开展了浅探孔多级多分量地震波信号 采集系统的硬件和软件的设计。 1 2 数字地震仪的发展和v s p 地震信号采集系统国内外现状 “地球科学发展的基础是观测 【2 】近半个世纪以来，随着油气勘探的飞速发展，作 为油气地球物理勘探主要手段的反射地震勘探也取得了长足的进步。这一点在地震勘探 的关键设备数字地震仪方面有着明显的反映。 1 2 1 数字地震仪发展的历史及特点【3 】 光点地震仪阶段 2 0 世纪4 0 - 5 0 年代，在反射地震勘探的初期。采用的是光点记录，在照相纸上每道 记录一个反射地震信号。对于来自深层或较弱的地震信号，在光点地震记录上难以示出， 第一章绪论 对于动态范围很大的地震信号，不得不采用自动振幅控$ 1 j a g c 和半自动振幅控制器( 抑 制器) 等技术。其所能反映的动态范围仅2 5d b 左右，正因为其动态范围很小，即不能真 实记录深层弱反射信号，也不能有效克服噪声的干扰，尽管如此，光点地震技术在早期 油气勘探上作出了巨大的贡献，例如在5 0 年代我国松辽盆地的勘探中，5 1 型地震仪还是 较好地解决了大庆长垣等地区的储油构造问题，为发现大庆油田立下了头功。 模拟磁带地震仪阶段 为了克服光点记录仪地震记录难以选择最佳录制因素，尤其是地震记录动态范围很 低的缺点。国外能源勘探工业界研制开发了模拟磁带地震仪和回放仪( 专用模拟计算机) 。 模拟磁带地震仪的使用，提供了多次迭加技术推广运用的仪器技术基础，在国内，由地 质部第六物探大队及石油部物探局牵头引进了成套模拟地震技术，随即在全国范围内得 到推广。模拟地震仪所记录的地震资料可以在模拟回放仪上进行处理。并可运用电子数 字计算机对经模数转换后的模拟磁带记录进行数字化处理，处理效果得到明显改善。但 是，模拟磁带地震技术的局限性仍然存在，主要是动态范围仍然较小( 约4 5d b ) ，频率滤 波不灵活，抗干扰能力弱，因而信噪比、分辨率及保真度同样受到限制，因而解决地质 问题的能力也就相应削弱。但是，在使用模拟磁带仪时发展起来的多次迭加技术，为大 规模开展数字地震仪采集奠定了重要的技术基础。 数字地震仪阶段 随着数字电路和计算机技术的发展，7 0 年代后期地震勘探进入了数字地震仪时代。 早期的数字地震仪如d f s - v ，s n 3 3 8 等，无论是采用定点还是瞬时浮点记录，都只应 用了数字电路，尚没有实现计算机控制，检波器采集到的模拟信号通过大线传输到主机， 在记录仪中实现前置放大、增益控制、模数转换和记录输出，尽管动态范围、抗干扰能 力等较模拟磁带记录有很大的提高，但仍因较长距离的模拟信号传输、模数转换在1 6 位 以下等原因，抗干扰与动态范围仍不能很好地满足地震勘探的需要。与此同时，地震勘 探在此期间已进入三维地震勘探的阶段，对接收道数的要求l t , - - 维勘探时有大幅度的增 加。来自生产的要求促使早期的数字地震仪要做进一步的改进。改进的方案是多样的， 例如用符号位信息代替全波信息以减少道数增加带来的对存贮器的压力( g e o c o r i v ) ， 用光纤代替电缆作为传输大线( m d s - - 1 6 ) 等。在不断实践的过程中，逐步形成了目前占 主流地位的新型数字地震仪，这一类新型的数字地震仪有下述特点：( 1 ) 1 主1 计算机控制的 分布式数字地震仪，计算机不但控制主控系统，而且具有控制和监测采集终端的功能。 ( 2 ) 检波器获得的信号进入采集站，在采集站中实现前置放大、模数转换、暂时存贮和数 2 长安大学硕士学位论文 字信号处理从采集终端到主机实现数字信号传输。传输的方式可分为有线、无线和混 合三种。( 3 ) 采用2 4 位模数转换，使地震仪的动态范围达至u 1 2 0d b 以上。这一类的数字 地震仪如s n 3 8 8 ，s n 4 0 8 ，i os y s t e mi m a g e ，g d a p s 4 ，b o x 等等，其中b o x 采用了先进 的通讯技术以无线传输为主，s n 3 8 8 、s n 4 0 8 ，i os y s t e m i i ，i m a g e ，g d a p s 4 等均以 有线传输为主，上述型号的地震仪都在发展和增强有线和无线或混合传输的能力。其它 型号地震仪如s u m r n i t 贝j j 以轻便、低成本为发展方向。 从地震仪的发展可以看到：( 1 ) 地震勘探的实际需求是推动地震仪发展的动力。( 2 ) 计算机技术的发展是地震仪得以更新的技术基础。( 3 ) 高信噪比，高分辨率和高保真度是 地震仪的主要目标。 1 2 2v s p 地震信号采集系统国内外现状【4 1 国外进口或国产新型高分辨地震仪，原则上均可作为近地表浅探孔v s p 测量中的地 面记录仪器。选用地面接收仪器的主要技术性指标：一是应具有足够的动态范围，二是 多通道并行数据采集时使用尽可能小的时间采样率( 如1 0 0 u s 或者更小) 。 国外采集系统现状 在v s p 或井间地震测井仪器中国外的发展要远远超过国内。并以方便快捷、野外 作业能力强、支持多道采集、自动步进采集、多次叠加功能和丰富的预处理功能于一身。 下表列出了新型井下地震信号接收系统及特剧5 1 。 表1部分新型井下地震信号接收系统及特点 系统名称研制机构主要特点 采用七芯电缆下井、连接各级检波器组件、数字信号传输。 各级检波器组件负责数据采集、数字化、叠加、存储和信号 三分量井下多级 莫比尔石油公 传输。 检波器( b d g )各级检波组件均有一个推靠器、三分量地震波检波器、温度 司( 美国) 传感器和微处理器。 各级之间间隔3 - 6 m ，共7 级 新型三分量井下美国桑迪国家 采用七芯电缆下井、多级连接、传输信号。 加速度检波器 实验室和o y o 多级组合容量为5 级1 5 道，级间距为2 5 m 。 每级检波器为三轴正交的加速度传感器、电机驱动的推靠器 ( a b r ) g e o s p a c e 公司 和微处理器。 斯伦贝谢技术采用电缆下井、多级连接、传输信号。 双体磁性推靠式公司( 总部位于 每级含控制电路、检波器、电磁推靠器和电动元器件等四部 井下多级检波器美国的纽约和分组成。 法国的巴黎)整个系统可多级连接、同步推靠，但级数和级间距不详。 w e u s e i s 液压推 b o l t 技术公司 采用特制的铠装电缆下井、多级连接、传输信号。 靠式井下多级检系统采用液压推靠器和模拟信号传输方式。 第一章绪论 波器 系统多级连接可达5 级，级间距3 m ，每级由正交三分量检波 器组成。 m u l t i l o c k 井下检c g c 公司 波器系列 国内采集系统现状 国内以大陆石油公司为代表，其产品是三点推靠式三分量井下检波器，特点是采 用特制电缆下井、提供动力、传输信号；系统主要由三分量检波器、方位测试器和液 压推靠装置组成。西安地质仪器厂生产井下设备，但其服务对象为石油的深井勘探。因 此用于岩土工程小孔径工程探井以及作业于能源勘探微测井方面的专用多级三分量传 感器及其与之配套的地面控制设备，至少国内目前尚未见有权威性产品面世。 长安大学地测学院于2 0 0 4 年研制了双级三分量地震测井仪，它是集多通道地震数 据采集、数字信号传输及地面程控系统为一体的成套地震波测井仪器装备。本套勘探仪 器装备包括： ( 1 ) 井下双级三分量传感器及6 通道数字信号采集站； ( 2 ) 地面测控仪器及地面3 通道数字信号采集站； ( 3 ) 井地信号传输使用铠装7 芯电缆； 针对近地表浅探孔井中地震波测试专用成套器设备极度匮乏之现状，在交通部西部 科技项目“探测湿陷性黄土暗穴技术研究( 项目编号：x z 2 0 0 1 0 2 0 8 ) 大力资助下和 原双级三分量地震测井仪的基础上，本文重点开展了基于d s p 技术的浅探孔多级多分 量地震波信号数据采集系统的硬件和软件的设计。 1 3 数字信号处理【6 】 近几年，各种处理器性能提高非常快，系统中互连网络己经成为影响系统总体性能 的主要因素，数字信号处理( d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是- - f 7 涉及许多学科而 又被广泛应用于许多领域的新兴科学。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的 飞速发展，数字信号处理( d s p ) 技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时 间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。 实现数字信号处理的方法一般有以下几种： 在通用计算机( p c ) 上用软件( 如c 语言) 实现； 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现； 用通用的单片机( 如m c s 5 1 等) 实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号 4 长安大学硕十学位论文 处理，如数字控制等； 用通用的可编程d s p 芯片实现。与单片机相比，d s p 芯片具有更加适合于数字 信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法； 用专用的d s p 芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，用通 用的d s p 芯片很难实现，例如f f t 、数字滤波、卷积、相关等算法，需用专用的d s p 芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无须进行编程。 d s p 芯片主要针对连续信号采样后的离散化数字进行数学运算，以得到相应的处 理结果。为了达到快速进行数字信号处理的目的，d s p 芯片一般都具有程序和数据分开 的总线结构、流水线操作、强劲的乘法功能以及一套适合数字信号处理的特殊指令集。 基于d s p 芯片的很强的实时处理能力、高精度运算能力、强大的数据通信能力、灵活 的可编程性及低功耗性，关键是它的集成度很高，体积小，能够满足v s p 地震信号采 集系统的需求，所以采用d s p 最新的2 0 0 0 系列芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心处理器构 建高速信号处理系统，实现v s p 地震信号采集系统的开发和设计。 1 4 论文主要工作内容 本文较系统地阐述了浅探孔v s p 地震波信号采集系统的工作原理及设计思想，介 绍了系统的主要技术指标。主要任务是开发研制一套以数字信号处理器( d s p ) 为核心 的浅探孔v s p 地震波信号采集系统，实时完成浅探孔v s p 地震波信号的数据采集、存 储和传输。 本文的主要工作包括以下几方面： 学习调研了v s p 地震信号采集系统的国内外发展现状，分析d s p 的发展和应用领 域，进而完成系统的总体方案的设计； 设计开发了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的测试系统，代替传统的单片机核心； 采用模块化方法设计系统的软件，编写基于d s p 的c 语言和汇编语言程序； 开发了1 2 通道a d 转换底板，利用d s p 快速的特点，实时地测量采集浅探孔v s p 地震波信号； 运用数字滤波方法，对采集的数据进行处理，消除或减弱了噪声干扰的影响，提 高了测量信号的精度。 本系统具有可扩展性和技术升级空间。设计时充分考虑了系统硬件和软件的可移植 性，稍作修改，可移植到其它系统中。 5 第二章系统总体设计方案 第二章系统总体设计方案 针对系统设计的实际需求，本章从系统整体构成出发，对基于d s p 技术的v s p 地 震波数据采集系统的总体方案进行了规划和研究，并给出了具体的设计方案。 2 1 垂直地震剖面方法的主要技术特点和基本理论【7 】【8 】 2 1 1 垂直地震剖面方法主要技术特点 垂直地震剖面方法( v e r t i c a ls e i s m i cp r o f i l e ) 简称v s p ，实际上是地震速度测井技 术的发展。它不仅利用了直达波信息，而且还充分利用了各类续至波信息。通过对这些 地震波的分析，能获得大量有意义的地质信息。利用这些信息研究波场、波速、岩层结 构、岩石孔隙等为直接找油找气提供了可能性。垂直地震剖面方法较水平地震剖面方法 有许多优点： 水平地震剖面方法是地表布置地震检波器以研究地震波场，解释来自地下反射界 面的信息。而垂直地震剖面方法是沿井孔布置地震检波器接收地震波。这样，地震波的 运动学与动力学特征就更明显，更灵敏。 由于垂直地震剖面法的检波器位置在井中，紧靠或正好在反射界面上，若震源能 避开复杂地表的影响，则有助于研究地震波在实际地层中的形成与传播规律。 垂直地震剖面法可用于预测未钻遇地层的地质情况，预测深部地层阻抗特性。 井中放置检波器可以接收来自上、下方波的能量。因而，可以有效得判断波的到 达方向。 由于垂直地震剖面法一般采用三分量地震波接收，因此有利于对三分量地震记录 作更精细的定量分析。为直接找油找气、评价油气贮藏条件提供依据。 关于工程应用及微测井方面，浅探孔v s p 方法除具备现行p s 测井的全部效能外， 利用透射直达波和反射波信息及其内在联系，能够精细描述近地表工程探孔旁侧隐蔽构 造现象的细节特征和地层关系，特别是可以将其用于探孔掘进工程前方岩土层弹性参数 估算或不良地质体超前预测方面1 4 。 2 1 2 垂直地震剖面方法基本原理 垂直地震剖面观测系统及其特点 在地面地震勘探中，我们把震源与检波器位于一条直线上的观测方式定义为纵测线 观测系统，若震源与检波器不在一条直线上的观测方式定义为非纵测线法观测系统。同 理，在垂直地震剖面( v s p ) 工作中，震源位于井轴剖面上方( 即井口) 的观测方式称 6 长安大学硕士学位论文 为零偏移距v s p ，震源偏离井口的观测方式称为非零偏移距v s p 。此两种常规v s p 观 测系统如图2 1 、图2 2 所示。 s 。 s g | j _ z - - - - - - fc ， 7 r r 地面面 图2 1 零偏移距v s p 观测系统示意图图2 2 非零偏移距v s p 观测系统示意图 如图2 3 所示，射线a 表示直达波，射线b 表示向上反射波，射线c 表示向下反射 波，射线d 表示多次反射波。 s s g l | 归谢 v 凹队 绝 图2 3 同一激发点的波射线图 几种典型时距曲线方程 ( 1 ) 均匀介质直达波时距曲线 均匀介质情况下，设波的传播速度为v ，在井中观测， 激发在s 点，井口在o 点，g 点为检波器的位置。如图 2 4 所示。由图可知：o s - d ，o g = h 。设波的传播时间 为t ，贝j j t = 古丽= 丽= 吉矿丽式中的d 7 p l p 2 图2 4 直达波时距曲线图 第二章系统总体设计方案 和h 为已知量，只要我们真实测量t 的时间，我们就可以计算出波速v 。 ( 2 ) 均匀介质反射波时距曲线方程 向上反射波的时距曲线方程： 设反射界面以上的介质为均匀介质，波在该介质中的传播速度为v ，如图2 5 所示。 o n sa - 一- 一 t h 屯 g 己 彳 、 i 、l 、。 、l 讲 、 s 图2 5 向上反射波时距曲线图 g 为接收点，s 为激发点，o 为井1 3 ，矽为地层倾角，s 为虚震源，z 为井口到反射面 的垂直距离，h 为激发点到垂直于反射界面的距离。由图可知波的射线路径是s f g 。 设地震波的传播时间为t ，则t 古渺+ f g ) = 古s g 虿2 ：历2 + 而2 g b = o a = o s + s a 。o s = d s a = 2 h s i n a o a = d + 2 h s i n a b s + = 2 h s i n 口a h 则t = 1 4 ( 2 h s i n q + d ) 2 + ( 2 h c o s o - h ) 2 一 如果激发点移到下倾方向，则时距曲线方程为： 户吉肛面i 再西面可 下反射波的时距曲线方程： 长安大学硕士学位论文 设反射界面之上的速度为v ，如 图2 6 所示，由图中的三角形关系 a o g a 兰a o g a ，a a b s “兰a a b s 。 向下反射波的射线路径为s - f a g 。 s f a g = s f + f a 斗- a g = g s g 7 e = o b 面2 ：b - r 9 2 + 而2 0 b = 2 h s i n + d 又e s = 2 h c o s c p + h g s ：扼赢面i 再面i 丽f n f ：土g s y _ = 古肛面两厢赢面两 式中的h = z c o s q ，一d s i n 呼a 3 ” 刀 l l l 2 6 向下反射波时距曲线图 透射波时距曲线方程： 地下为一个水平界面，界面的上下介质分别为均匀介质，其速度分别为v 1 和v 2 ， 如图2 7 所示，波所走的射线路径为s - r - g ，由斯奈尔定理可知 圪s i n 吼 一= 一k s i n o , s r = z c o s e lr g = 似一z ) c o s 0 2 f ：上舣+ 上r g ： 圣 + 垡兰! kkc o s 0 1c o s 0 2 c o s 吼= ，k = 嚣k 9 图2 7 投射波时距曲线图 第二章系统总体设计方案 f ： 兰 + kc o s o , 令 ( h - z 甜 则上式得：r2 丽z + 丽( h 丽- z x n ) 2 2 2 浅探孑l 地震波频谱主要特征 在生产实践中人们积累了一些与地震勘探有关的一些波的频谱特点，如图2 9 所示。 面波的频率较低在1 0h z 3 0h z ；反射波的主频在2 0 h z 8 0 h z ，风吹草动等微震的频谱 比较宽；声波的频率在1 0 0 赫兹以上。工业交流电子干扰主频是5 0 赫，并有一个很窄 的频带f 。 就 警 遥 狻攀，赫 图2 9 与地震勘探有关的一些波的频谱 浅探孔v s p 测井信号的频谱特点与上面所述的地震波的频谱有所区别，一般的情 况是4 0 h z 2 0 0 h z 。但也有较特的情况，图2 1 0 是三峡大坝永久船闸排水洞内实测v s p 记录的频谱图，分析时窗取直达波初至段前后2 0 m s 记录，其间包含了部分横波能量。 由图可见有效波频带较宽( 2 0 0 - - 9 0 0 h z ) ，直达p 波主频大约为6 5 0 h z ；2 0 0 h z 以下是 低频干扰，8 5 0 h z 之后属高频噪声。横波( s h 、s v ) 的有效频带范围估计在2 0 0 - - - 5 0 0 h z 之间。该频谱图表明，对于三峡坝区花岗岩体而言，工程v s p 方法能够获取到有效的 1 0 n = k 一吃 k 安大学硕学拉论文 高频信息，这一结果对于岩土工程体弹性波探测而言，其高分辨能力的体现是以前所达 不到的 4 1 。由此可知信号的频率主要分布在2 0 0 0 h z 以内的范围。更 图2 1 0 三峡大坝永久船闸排水洞( n b 6 ) 实测v s p 道集的频谱圈 23 微测井野外地震仪记录频率范围的选择 野外地震仪记录频率范围应包括地震波的整个频率范围，采用数字技术后，记录频 率范围扩展到3 2 5 0 h z ，甚至更宽，即在野外尽可能把地震波的全部频率成分记录下来， 这样可以照顾到把浅、中、深层的反射都记录下来。但需要指出，不是简单地认为记录 的频率范围越宽越好，而是应结合实际情况、细致考虑。否则将使原始资料的信噪比太 低，无法处理出有效波。综上考虑本设计将采样带宽设计为0 1 h z 一2 0 0 0 t t z 。 所谓数字记录是指对地震信号的波形先按一定时间间隔t 进行取样，再把这一系 列的离散振幅值虬某种方式记录下来，在数学上可以概括为：以一个函数的一系列函数 值( n t ) ，而不是用函数的连续的图形函数i f 0 来表示这个函数，即用序列f i n a t ) 来代 替连续韵f ( t ) 。这里的问鼹是；如t 太小，则取样后的样值太多，不便记录和处理，如 t 太大，又可能使f ( t ) 受到畸变，即f ( n a 0 不能真实地反映f ( t ) 的特征。这个问题是数 字地震仪设计中必须解决的基本理论问题。 由采样定理知：一个连续信号，如果它是带限的，最高频率成分为o 则采样频 率o 。必须大于( 或等于) 信号最高频率n 。的两倍，即 o ；2 0 由采样定理知采样后的离散信号可以恢复原来连续信号的条件是： 1 、原来连续信号的频率不是无限带宽的带限的，否则必须先对连续信号进行一次 保留其主频的前置低通滤波，使其成为带限信号： 第二章系统总体设计方案 2 、频率q 。必须大于带限信号最高频率q m 瓢的两倍，或者采样时间间隔必须满足 a t 上 2 正 基于浅探孔v s p 测井信号的频谱的一般情况( 4 0 h z 2 0 0 h z ) 和特殊情况( 2 0 0 - - - 9 0 0 h z ) ，本设计将采样率设计为0 0 5 、o 1 0 、o 2 0 、o 5 0 、1 0 m s 。 2 4 系统总统设计方案 彳霸嬲徽 i 传感器卜 l 传感器2 卜 调 理 碰 电 - 路 i i i 传感器1 2 卜- 图2 1 1 系统总体结构框图 根据实际的需求分析，本设计完成1 2 路v s p 地震波数据的采集任务。基于 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 技术的v s p 地震波数据采集系统的总体设计包括以下几个部分：传感器、 信号调理电路、d s p 最小系统、存储器电路及与上位机的通信接口电路等。系统总体结 构框图如图2 1 1 所示。 整个采集系统以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( d s p ) 为控制核心，d s p 主要完成数据的采集、处 理、存储及与上位p c 机的通信。由地震波检波器测得的v s p 信号经过信号调理电路， 送入d s p 中进行a d 转换，并进行必要的数据处理，存入存储器中，最后通过数据传 输通路把数据传给上位p c 机。数据传输采用r s 4 8 5 通信协议，本系统为多机通信中的 下位机。最终实现数据采集、数据存储、数据传输三个主要功能。 v s p 地震波采集系统技术指标： 通道数：1 2 采样率：0 0 5 、0 1 0 、0 2 0 、0 5 0 、1 0 m s 采样长度：4 k p e rc h a n n e l 1 2 团 秽 ；，篪 长安大学硕士学位论文 频宽：0 1h z - 2 0 0 0 h z 前置放大器：增益：1 2 0 4 d b 精度：士1 输入阻抗：2 0 k o 数字滤波器：带通、高通、低通、陷波 a d ：1 6b i t ( 4 位浮点) 折合噪声： 8 0 d b 谐波失真： 1 0 m vi l 图35 前置放大电路 二级放大采用l m 3 5 8 完成，l m 3 5 8 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补 偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式， 在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流 增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。l m 3 5 8 的封装形式有塑 封8 引线双列直插式和贴片式。具体设计为图3 6 。 r 1 1 7m 图31 5 二极放大电路图 滤波电路设计f “i v s p 地震信号对高精度信号调理技术的要求也越来越高。由于传感器输出的信号往 往存在温漂、信号比较小及非线性等问题，因此它的信号通常不能被控制元件直接接收， 这样一来，信号调理电路就成为数据采集系统中不可缺少的一部分，并且其电路设计的 长安大学硕学位论文 优化程度直接关系到数据采集系统的精度和稳定性。本设计传感嚣调理电路采用了一种 l t c l 0 6 3 型i ”i 通用滤波器可对传感器输出的信号进行高精度的滤波调理，减小了温 漂和直流偏置，从而满足了采集系统高精度和高稳定性的要求。具体设计如图3 7 图3 7 滤波电路图 通过4 和5 引脚的电阻和电容选择滤波参数，因为设计中低通截止频率选择为2 k h z ， 所以参数选择分别是；r - 1 ko ，c - 2 0 0 p f 。 电平移位和限幅电路设计 因为检波器送出的v s p 地震信号是双极性的，我们设计时要将信号搬移到0 - 3 v 的 范围，所以本设计中采用l m 3 2 4 来设汁电平位移和限幅电路。l m 3 2 4 是四运放集成电 路，它采用1 4 脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图2 7 所示的符号来表示， 它有5 个引出脚，其中+ ”、i ”为两个信号输入端，“v + ”、v 一”为正、负电源端， v o ” 为输出端。两个信号输入端中，v i - ( 一) 为反相输入端，表示运放输出端v o 的信号与 该输入端的相位相反；v i + ( + ) 为同相输入端表示运放输出端v o 的信号与该输入端 的相位相同。l m 3 2 4 的引脚排列见图3 9 。 图38 一组运算放大器原理图 具体设计如图3 1 0 图39l m 3 2 4 的引脚排列图 鬻 第三章系统硬件设计 自乎雌 图3 1 0电平位移和限幅电路图 输入信号经过放大后，由电平位移电路移至0 - 3 v ，如超出范围将被限幅电路限制在此 范围，是对a i d 的保护。 3 22 接地电阻值的测量 接地电阻值的测量的目的是判断检波器是否正确接到仪器的输入端，即检波 器正确接到仪器输入端的电阻值大约为1 0 0 0 q ，如没连接好电阻值将远远高出 1 0 0 0 0 。此设计是为提高测量精度和减少测量误差设计的，具体电路入图31 1 图3 1 1 接地涮试电路 具体工作原理：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( d s p ) 韵信号端输出高电平时，三极管( c 9 0 1 2 ) 导 通，继电器( j d k ) 吸合，放大器( p g a 2 0 4 ) 的输入端( v i n ) 将测量到各检波器的测量电 压u i 。5 v 稳压管的电压将直接作用在电阻r 1 0 4 和z 1 0 上并与地连通，用5 v 减 去各检波器的测量电压u ，得到电阻r 1 0 4 上的电压差a u i ，因为r 1 0 4 的阻值为 已知( 1 0 0 0 0 ) ，所以由电流公式i = a u p , ，可以求出各路通道的电流i i ，由电阻 公式r = u 1 ，得到各通道电极的接地电阻值r i ，如r i 远远高出1 0 0 0 0 检波器没有 接好，如r i 接近1 0 0 0 0 证明连接正常，由此可以判断判断检波器的连接情况。 长安大学砸士学位论文 3 23 实际单通道电路原理图 0 0 0 0 i 串 0 图31 2单通道电路原理图 第! 系统硬件计 嘲31 3底板实际电路图 长安大学硕士学位论文 3 3d s p 最小系统硬件设计 3 3 1 核心d s p 芯片介绍【1 5 】【1 6 】【1 7 】 本系统要求具有对信号进行实时处理能力，所谓的实时处理能力即在下一个采样数 据到来之前，系统必须完成对当前数据所有操作，当运算量比较大的时候，一般的处理 器将很难达到要求。d s p 在近些年来发展迅速，它具有一系列优点使得高速实时处理系 统广泛采用d s p 来实现。本节只介绍一下系统采用的核心d s p 器件的性能特点。本系 统中用到的d s p 芯片是美国德州仪器公司推出的一种低功耗的3 2 位定点数字信号处理 芯片t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 ，它具有精简指令集计算( r i s c ) 功能、微型控制器结构、固件 ( f i r m w a r e ) 及工具装置，具有丰富的指令集、较大的存贮空间和较快的运算速度，多流 水线操作等优点。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 硬件结构框图如图3 1 2 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a 简介： 采用3 2 位定点d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 最高工作频率1 5 0 m h z 片上存储器： f l a s h ：1 2 8 kx1 6 位； s 洲：1 8 kx1 6 位； b o o tr o m ：4 kx1 6 位； o t pr o m ：1 kx1 6 位； 其中f l a s h ，o t p r o m 和8 kx1 6 一位s r a m 受密码保护，保护 用户程序。 片上外设：多达1 m b 的外部接口； p w m ：1 2 路 q e p 6 通道 a d c ：2x8 通道、1 2 位、8 0 n s 转换时间、0 3v 量程 s c i 步串口：2 通道 m c b s p 同步串口：1 通道 s p i 同步串口：l 通道 e c a n 总线：1 通道 外扩s r a m ，最大容量为5 1 2 kx1 6 位，基本配置为6 4 k x l 6 位 外扩r t c 实时时钟5 1 2x 8 位e e p r o m 外扩4 通道、1 2 位分辨率、1 0 u s 建立时间、士1 0 v 量程的d a c 输出 第三章系统硬件设计 外扩符合u s b 2 0 标准的高速h o s t 端接口 2 路s c i 进行收发驱动，接口标准r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 可配置 1 路e c a n 进行收发驱动，符合c a n 2 0 协议 提供看门狗电路、电源监视、上电复位、手动复位，系统可靠、稳定 标准的j t a g 接口，方便调试 标准化的扩展总线 具体讲主要特征： ( 1 ) c p u ： 可以3 0 m h z 外部晶体给t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 提供时钟，并使能t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上p l l 电路。p l l 倍频系数由p l l 控制寄存器p l l c r 的低4 位控制，可由软件动态地修改， 外部复位信号( x r s ) 将此4 位控制位清为0 ( c c s 中的复位命令将不对此4 位控制位作 清0 操作) ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的c p u 最高可工作在1 5 0 m h z 主频下，也即对3 0 m h z 输入 频率进行5 倍频。 ( 2 ) 片上外设时钟： 需要时钟信号的片上外设有： 看门狗电路w a t c h d o g ； c p u 定时器( 3 个3 2 位定时器) ； e c a n 总线控制器； s c i ( 2 个异步串行通信控制器) ； s p i ( 1 个4 线制同步串口) ； m c b s p ( 1 个多通道缓冲型同步串口) ； e v ( 2 个事件管理器，每个事件管理器包括：2 个通用定时器、3 个全比较 器p w m 单元、3 个事件捕捉单元、q e p 正交编码脉冲q u a d r a t u r e e n c o d e r p u l s e 、外部时钟输入、外部比较输入和外部触发输入) a d c ( 1 6 通道、1 2 位、1 2 s m s p s 0 - 3v 输入范围) 。 ( 3 ) 片上存储空间： t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为哈佛结构的d s p ，在逻辑上有4 m 1 6 位程序空