多道轻便地震数据采集系统.doc

1998 年 10 月JOU RN A L O F CHA N GCHU N U N IV ER S IT Y O F SC IEN C E A N D T ECHN OL O GYO c t. 1998多道轻便地震数据采集系统李颖罗维芳唱鹤鸣( 长春科技大学信息科学与技术学院, 长春 130026)摘要 详细介绍了 48 道浅震仪数据采集系统的硬件组成及各部分的工作原理, 并介绍了浅震仪数据采集系统的基本软件流程及编制软件原理。关键词 多路转换 瞬时浮点放大中图分类号 P 631. 43A D 转换滤波引言0地震数据采集系统是为了接收和记录地震波而专门设计的一种精密的电子仪器组合装置, 它的性能好坏直接影响地震记录质量。随着地震勘探工作的迅速发展, 地震勘探仪器在金属矿地震勘探工作和工程地质勘 查中的作用也日益显著, 为此, 国内外许多大学、公司、研究单位都建立了工程地震勘探实 验室, 对方法、仪器、应用和数据处理等进行了广泛的研究。 就地震勘探仪器而言, 大部分 都是从国外引进的, 如瑞典的 M A R K 6、日本的 170F、美国的 R 24, 这些仪器多用于浅层 地震勘探, 工程地震勘测应用的范围有限, 而且体积大、笨重、价值昂贵, 不宜推广。本系统就是为了发展国内地震仪器, 为金属矿地震勘探提供手段而研制的一种轻便 的数字化多功能地震仪。该系统包括由微机控制的数字地震仪和采集处理系统, 可用于金 属矿地震勘探、石油和煤田地震勘探、工程勘探、V SP 垂直地震剖面、P S 测井, 该仪器同 时还具备多种功能, 可进行桩基的无损检测、岩土 R S 测试、地面常时微动测试等, 并能实 时处理数据, 实时出图, 及时提供岩土的基础资料。1系统硬件电路的设计系统工作原理人工震源所产生的振动信号, 通过大地形成的折射波、反射波、面波等到达检波器, 并通过检波器被转换成模拟的电信号, 传递到前置放大器 ( 包括放大器和 滤波器) , 进行固定增益的前置放大和各种必要的滤波 ( 包括高通、低通、陷波等) , 再经过可变增益的主放放大。经放大的信号又送到A D 转换器, 并经 A D 转换器进行量化转换 为相应的数字信号, 由计算机读入内存, 经变换后按规定的格式存入硬盘或软盘上, 同时在显示器上进行显示或在打印机上进行打印。存贮后的数据还可以进行处理分析, 如频谱 分析、滤波等, 以达到预期的目的。第一作者简介 李颖 女 32 岁 博士生 仪器分析专业收稿日期 1998 01 14系统原理1 框图如图 1 所示, 它是由计算机控制的数字 式浅震仪。包括以下几个部分: 前置放大器, 滤波器, 多路转换 开关, 主放电路2 , 瞬时浮点增益 调 整 电 路3, A D转 换 器,存贮器, 屏幕显示, 图形打印,微机控制。前置放大电路 包括放大 电路和滤波电路。信号放大电路就是把从检 波器接收到的微弱信号放大到 多 路 转 换 开 关 能 够 采 样 的 电 平, 并配合浮点增益放大器将地震信号放大到 A D 转换器 的测量范围, 同时提高信噪比。另外, 放大电路对输入信号进 行可选择的具有一定增益的线 性放大。 本系统使用差动式放 大电路, 即噪声抑制电路。滤波电路就是滤除有效信号中的干扰信号, 提高信噪比。 由于接收到的地震信号中不仅 含有效波, 而且还含有许多干 扰波, 如面波、声波等, 另外还图 1 多道轻便地震仪数字采集系统硬件框图F ig. 1 The hardware block d iagram of m ult ichann e ls l igh t da ta acqu is it ion sy stem of se ism ograph in strum en t有长线传输中存在的工频干扰, 因此, 滤波电路必须尽可能滤除可能存在的干扰信号。 滤波电路的主要器件是开关、滤波器。 该滤波器的带通频率是软件可编程的。 多路转换开关又称多路转换器。在分时采集离散模拟信号的同时, 又负责将各道输入的离散信号依次连接到公用放大器上, 因此, 多路转换开关是用来按选定的采样间隔切换 模拟信号实现“多路合一”任务的关键元件。开关是 16 选 1 模拟电子开关, 具有体积小、转 换速度快等优点。主放电路 主放的全称是瞬时浮点放大器, 其结构框图见图 2。地震信号子样的放大 要由它来完成, 它是一种瞬时可变的高增益放大器。 它的作用可概括为: 放大离散子样并 实现增益数字化, 扩大数字仪的记录动态范围, 快速调整确定最佳增益值, 高精度放大每 个子样。A D 转换器 A D 转换器负责将经主放放大后的模拟子样进行量化和编码, 形成适 合于数字处理的分离的二进制代码, 便于计算机进行数据存贮和处理。系统与微机的接口电路由于本系统是高速采集系统, 所以采用了自带 RAM的方446长 春 科 技 大 学 学 报1998 年图 2 瞬时浮点放大器框图F ig. 2 The block d iagram of in stan tan eous f loa t pr in t am p l if ier法来暂存地震数据。 首先数据由 A D 输出存入 RAM 中, 最后数据再由 RAM 中读出并通过缓冲送入微机内存中, 本电路在 A D 和 RAM 中间加一个三态隔离器, A D 输出时 起锁存作用。控制电路 控制电路是系统中的“总管”, 它负责叫通各个器件端口, 并发送控制码到 各放大电路及其它电路, 起到微机与其它电路间的“接口”作用。 本系统控制电路包括: 译码电路和控制码发送电路。检测电路的设计 检测电路包括放大器检测电路和爆炸信号检测电路。 放大器检测 电路的原理是系统内部产生一标准正弦波, 输入到各放大电路, 在各放大电路工作参数一 致的前提下检测放大器输出的波形是否一致; 爆炸信号检测电路用于接收并放大由锤击或火药引起的触发信号, 该信号送至 A D 转换器作为数据采集的同步信号。 该电路分为两部分, 一部分用于接收触发开关产生的触发信号, 另一部分用于接收火药爆炸时形成的电压跳变信号, 在逻辑关系上将两者放大输出相“或”, 无论哪一种触发信 号触发都能使与门输出“1”电平。系统主要特点该系统主要技术指标达到同类型地震仪的国际先进水平, 与国内外同类型仪器相比体积小 (30 cm 20 cm 8 cm ) , 重量轻 (7 k g ) , 携带方便, 动态范围较大,其值可达 132 dB ; 频带范围宽, 最低为 1 H z, 最高为 1 000 H z。 滤波特性好; 采用先进开 关、滤波器, 可利用软件任选高、低切截止频率, 滤波陡度高达 28 dB 倍频程; 信噪比高。2系统软件电路设计数据采集系统软件主要是用来采集野外的地震波数据, 将采集后的数据装入微机的内存, 直接在屏幕显示, 然后存成数据文件, 以便以后处理时用。本套系统软件采用下拉式 汉化菜单, 主菜单采用 C 语言编制, 采集程序采用 C 语言调用汇编语言形式, 充分利用了 高级语言和低级语言的特点, 使采集软件界面清晰、操作灵活、功能完善、内容丰富, 包括反射波、折射波、面波处理, 以及桩基检测波、常时微动信号的分析。数据采集流程见图 3。图 3 数据采集系统软件流程图F ig. 3 The sof twan e d iagram of da ta acqu is it ion sy stem参 考 文 献1 唱鹤鸣编 1 地震勘探仪器基本原理 1 北京: 地质出版社, 19852 数字地震仪编写组 1 数字地震仪集成电路基础 1 北京: 石油工业出版社, 19843 吴承佑, 徐这心主编 1 新编世界集成电路大全 1 哈尔滨: 黑龙江人民出版社, 1984M UL T ICHA NNEL S L IGHTER D A TA -SE ISM O GRA PH COLL ECT ING SY STEML i Y in g(C h ang ch u n U n iv ersity of S cience and T ech nolog gy , C h ang ch u n 130026)A bstra c tT h is p ap e r in t ro du ce s th e h a rdw a re sy stem o f 48 ch an n e ls m u lt ifu c t io nse ism ic da ta acqu isit io n sy stem , th e p r in c ip le o f w o rk , b a sic so f tw a re tech no lo g ica l p ro 2 ce ss o f th e f low ch a r t o f da ta acqu isit io n sy stem