一种钻孔应变观测全频带数据采集器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及数字化地震观测领域，特别是涉及一种钻孔应变观测全频带数据采集器。该数据采集器同时设有两个4输入数据采集通道，同时产出秒采样和100采样的高精度大动态范围的观测数据以及10000Hz采样的高采样率的观测数据，并且通过GPS时钟对观测数据进行了精密同步，可以与频带范围10-6Hz-1000Hz的4分量钻孔应变地震仪一起组成观测系统，同时进行固体潮、地震波和高频微震或地声的数字化观测。既保留了钻孔应变仪传统的固体潮观测功能，又开拓了摆式地震仪以外的地震波观测新途径，特别是同时具有了高频微震或地声观测功能，覆盖了地震观测领域的全部频带，在丰富人们对于地震波的认识，加深人们对于高频微震或地声的了解等方面具有良好应用意义。
【专利说明】
一种钻孔应变观测全频带数据采集器
技术领域
[0001]本发明涉及数字化地震观测领域，特别是涉及一种钻孔应变观测全频带数据采集控制器。能够对4输入信号同时产出秒采样和10Hz采样的高精度大动态范围以及10000Hz采样的高采样率观测数据，并且通过GPS时钟对观测数据进行时钟精密同步，可与频带范围10-6Hz-1000Hz的4分量钻孔应变地震仪一起组成同时观测固体潮、地震波和高频微震或地声的观测系统。
【背景技术】
[0002]钻孔应变仪是一种地壳应变观测仪器，在中国数字地震台网中是一种主要仪器之一，也是美国“地球透镜”计划采用的仪器。在中国数字地震台网中，利用钻孔应变仪周期120秒以上的低频观测信息，数据采集器的采样率为分钟采样，主要通过观测固体潮及其变化来进行预测预报地震研究；在美国“地球透镜”计划中，观测频带为10-6Hz-5Hz，也是限定在低频范围。一直以来人们用钻孔应变仪来记录低频信号，而用来记录更高频的地震波，在高频响应特性很好的钻孔应变仪出现前并没有引起更多的关注。在短周期地震波频域，主要通过摆式地震仪来观测。目前，摆式地震仪的观测频带为360秒-100Hz，记录的是速度(或加速度、位移)向量。原理上讲，钻孔应变仪观测的应变地震波是二阶张量，不同的物理量将为我们提供更多对地震波的认识。而频率高于100 Hz的地壳运动已经超出摆式地震仪的监测频域，因此在高于100 Hz的频域中，究竟存在何种地壳运动还不为人所知。但有种种迹象表明，在这一频率域中有非常重要的地壳活动信息。岩石受力实验揭示了声发射现象，在应力达到岩石破裂强度的一半时，声发射信号显著增加，当微破裂进一步发展时，声发射频率由高频向低频变化。因而在地震孕育或大地震前地层微破裂过程中，必定会有高频率的声发射信号产生，也在多次地震前为人耳所听到，只不过因缺少可靠仪器记录数据而无法深入认识。地声是一种临震前兆，往往发生在地震前的几秒、几分或几小时、几天内，对临震预报和地震自救有重要研究意义。为此，国家发明专利ZL20061007216.7提出并实现了一种频带范围10-6Hz-1000Hz的4分量钻孔应变地震仪，具备同时观测固体潮、地震波和高频微震或地声的能力。
[0003]随着电子技术的进步，数字化观测技术不断得到发展，数字化观测技术因具有观测数据易于存储、传输和处理的突出优点而日益成为地震观测技术的选择。国家发明专利ZL20061007216.7提出和实现的钻孔应变地震仪应变分辨率高达I X 10-12，需要高精度、大动态范围的数据采集器与之配套。目前与之配套应用的数据采集器虽在精度上满足要求，但采样率为分钟采样，改进的数据采集器采样率提高到秒采样，均仅考虑低频的固体潮观测。采样率更高的地震数据采集器，针对摆式地震仪设计，着重于地震波观测，一般提供
3-6个数据采集通道，对应1-2台地震仪，采样率可达500Hz，有的地震数据采集器还增加了秒采样的辅助通道，用于固体潮观测。当应用于国家发明专利ZL20061007216.7提出和实现的4分量钻孔应变地震仪时，存在以下问题:1、由于主要针对三分向地震仪设计，其通道数不适合于该钻孔应变地震仪，即如果把钻孔应变地震仪的4个分量安排在2组数据采集通道当作两台地震仪来看待，将为仪器和数据管理带来极大不便；2、最多只能兼顾地震波和固定潮观测，不具有高频微震或地声的观测功能。其它类型的数据采集器也均不具备同时观测固体潮、地震波和高频微震或地声的能力或功能。
[0004]
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:提供一种钻孔应变观测全频带数据采集器，能够对4输入信号同时产出秒采样和10Hz采样高精度大动态范围以及10000Hz采样的高采样率观测数据，并且通过GPS时钟对观测数据进行时钟精密同步，可与频带范围10-6Hz-1000Hz的4分量钻孔应变地震仪一起组成同时观测固体潮、地震波和高频微震或地声的观测系统，应用于基于该钻孔应变地震仪的数字化地震观测领域。
[0006]本发明解决其技术问题采用的技术方案是:高精度大动态范围的秒采样和10Hz采样数据产出通道通过4片32位Σ -Δ型AD转换器ADS1281、CPLD和DSP实现，CPLD将ADS1281仅经过SINC滤波器的过采样数据(8000Hz采样率)组织为可以为DSP读取的形式，DSP读取该数据分别经过各自的系列FIR数字抽取滤波器进行滤波处理，分别产出秒采样和10Hz采样数据，通过RS232 口传送给数据处理、存储和通信传输模块。数据处理、存储和通信传输模块主要由ARM9处理器、网卡和SD卡组成。此外由I片24位Σ - Λ型AD转换器ADS1274和上述CPLD实现高采样率的数据产出通道，I片ADS1274支持4输入信号同步输入，直接输出10000Hz采样数据。CPLD将ADS1274的输出数据转换为上述的ARM9处理器的IIS接口可以读取的格式，ARM9读取该数据后进行处理、存储和通信传输。通过以下3个措施实现采集数据的精密时钟同步:1、嵌入授时型GPS模块，用GPS PPS信号控制VCXO的输出频率锁定于某一设定频率，稳定度为土 IHz，该频率信号再经过CPLD分频后输入到各AD转换器作为工作频率，保证输入AD转换器稳定的工作频率；2、在GPS PPS有效后的某个上升沿时刻发出同步脉冲输入到各AD转换器，将AD转换器的工作状态同步；3、将ADS1281的8000Hz采样率的每个输出数据和ADS1274的10000Hz采样率的数据都加上时钟标志，并在后续处理中加以识别。
[0007]本发明具有以下创新点和主要优点:
1.集成了高精度大动态范围的数据采集通道和高采样率的数据采集通道，能够同时进行固体潮、地震波和高频微震或地声的数字化观测，可与频带范围10-6Hz-1000Hz的4分量钻孔应变地震仪一起组成观测系统。既保留了钻孔应变仪传统的固体潮观测功能，又开拓了摆式地震仪以外的地震波观测新途径，特别是同时具有了高频微震或地声观测功能，覆盖了地震观测领域的全部频带，在丰富人们对于地震波的认识，加深人们对于高频微震或地声的了解等方面具有良好应用意义。
[0008]2.包含时钟同步模块，特别是对AD转换器的转换数据加上时钟标志，并在软件中加以识别处理，能够有效地克服时钟的漂移影响。
[0009]
【附图说明】
[0010]图1为数据采集器结构框图。[0011 ] 图中:I——低通滤波电路 2-ADS1281
3—CPLD,复杂可编程逻辑器件
4——高通滤波及放大电路 5-ADS1274
6——ARM9处理器
7—HS，集成音频接口
8——时钟同步模块
9——DSP,数字信号处理器
10-RS232 接口
11-RS232 接口
12-网卡
13-SD 卡。
[0012]图2为时钟同步模块结构框图。
[0013]图中:14——GPS模块，全球定位系统模块
15——PPS，秒脉冲信号
16—天线
17——单片机
18——DAC,数字模拟转换器件
19——VCX0，压控振荡器。
[0014]
【具体实施方式】
[0015]下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
[0016]本发明提供的一种钻孔应变观测全频带数据采集器，其结构框图如图1所示:4分量钻孔应变地震仪的4个分量信号输入数据采集器后被分为两路，一路输入低通滤波电路
(I)后输入ADS1281 (2)，低通滤波电路(I)的截止频率设为40Hz。ADS1281 (2)是一种32位的高精度大动态范围Σ -Δ型AD转换器，它内部包含4阶Σ -Δ调制器和SINC与系列FIR数字抽取滤波器，能产出采样率250Hz到4000Hz的转换数据。由于其最低采样率250Hz通常不符合地震波观测的10Hz采样率的要求，而且其内部的部分FIR数字抽取滤波器为半带滤波器，阻带衰减小于_150dB，不满足地震波观测对于数字滤波器的要求，因此本发明的钻孔应变观测全频带数据采集器采用ADS1281 (2)仅经过SINC数字滤波器的8000Hz采样率的输出数据，通过自行设计的满足地震波观测要求的FIR数字抽取滤波器来进行滤波处理得到所要求的采样率的转换数据。ADS1281 (2)的8000Hz采样率的数据由CPLD (3)组织成可以为DSP (9)所读取的形式，DSP (9)通过软件编程对读取的数据进行所述的FIR数字抽取滤波。对于10Hz采样率的转换数据产出，8000Hz采样率的数据分别经过降采样率为10、4和2的FIR数字抽取滤波器，其中降采样率为10的为梳状滤波器，滤波器长度较短，计算效率高且延迟较小，降采样率为4和2的为低通滤波器，滤波器长度较长，计算效率低且延迟较大。对于秒采样的转换数据产出，一种方法是对上述的10Hz采样率产出数据进行平均，相当于进行简单的梳状滤波，计算简单但不能有效地滤掉奈奎斯特频率(0.5Hz)以上的信号成分，存在严重的混叠效应影响，为此本发明的钻孔应变观测全频带数据采集器对于秒采样的转换数据产出是对8000Hz采样率的数据经过另一系列FIR数字抽取滤波器进行滤波，即分别经过降采样率为20、10、5、4和2的FIR数字抽取滤波器，其中降采样率为20、10和5的为梳状滤波器，并且降采样率为10的滤波器参数与10Hz采样率转换数据产出中降采样率为10的滤波器的参数相同，降采样率为4和2的为低通滤波器，也与10Hz采样率转换数据产出中降采样率为4和2的滤波器的参数相同。10Hz采样率和秒采样转换数据分别经过RS232(10)和RS232(11)两个串口发送给ARM9处理器(6)，ARM9处理器
(6)支持网卡(12)和SD卡(13)，可以对连续数据进行存储和网络通信传输，也可以进行地震事件判断，对事件数据进行存储和网络通信传输。
[0017]另一路4分量信号输入高通滤波及放大电路(4)后输入ADS1274(5)，高通滤波及放大电路(4)的截止频率设为40Hz。ADS1274 (5)为24位Σ - Λ型AD转换器，I片支持4路信号同步输入，采样率设为10000Hz。对于4路10000Hz采样率的数据，数据位为16位的情况下，每秒数据量为80000字节，无法通过RS232 口来传输，通常采用FIFO或双口 RAM来进行数据交换，但存在增加器件、数据线多和稳定性差的缺点。ARM9处理器(6)选择S3C2410，本发明利用ARM9处理器(6)自带的IIS (7)接口来实现数据传输以减少器件、减少数据线和提高稳定性。CPLD (3)接收ADS1274(5)的24位转换数据，仅取其高16位，将其转换为ARM9处理器(6)的IIS (7)接口所要求的输入形式，ARM9处理器(6)读取该数据，进行地震事件判断、事件数据存储和网络通信传输。
[0018]对于地震波观测而言，一个重要的要求是观测数据必须时钟精密同步，因而可以通过地震波到达不同台站的时差来进行震源的定位。本发明的钻孔应变观测全频带数据采集器包含时钟同步模块来实现时钟精密同步，时钟同步模块的结构框图如图2所示:单片机(17)与 CPLD (3)、GPS 模块(14)和 DAC(18)相连，VCXO (19)与 CPLD (3)和 DAC(18)相连，GPS模块(14)提供PPS (15)给CPLD (3)。GPS模块(14)选择授时型模块，其授时精度通常优于100ns。时钟同步的过程如下:
1.GPS模块(14)接上天线(16)工作，单片机(17)读取GPS模块(14)的输出信息等待其PPS (15)有效；
2.在PPS(15)的控制下，CPLD (3)对VCXO (19)的输出频率进行测量，单片机(17)读取测量结果，与某一设定的频率值进行比较，根据频率差值通过DAC(IS)调整输入VCXO
[19]的电压控制量，使VCXO(19)的输出频率锁定于设定的频率上(±1Ηζ精度)。该频率输出由CPLD (3)分频后输出给AD转换器，作为其工作频率，保证各数据采集器内的各AD转换器的工作频率相等；
3.VCXO (19)的输出频率锁定后，PPS (15)的某一个上升沿时刻，通过CPLD (3)产生一个同步脉冲输出至AD转换器，使各AD转换器的工作状态同步于准确的时刻；
4.为了防止VCXO(19)输出频率漂移的影响，在CPLD (3)内对ADS1281(2)的8000Hz采样数据加上时钟标志，即将其32位数据的最低位设置为当前秒的状态，例如如果当前秒的所有数据的最低位为“1”，则下一秒的所有数据的最低位为“0”，如此不断变换。在DSP(9)的程序中对数据的时钟标志加以判断，如果某秒的数据不是正好8000个，则进行多则舍弃少则补全的调整处理，克服输出频率漂移的影响。同样对ADS1274(5)的10000Hz采样数据也加上时钟标志，即在CPLD(3)内在每秒的第I个采样数据之前产生一个时钟标志字0x7fff输出给ARM9的IIS (7)接口接收，为了让0x7fff起到标志作用，当ADS1274 (5)的转换结果为0x7fff的时则将其置换为0x7ffe，保证数据中除了时钟标志字外不会出现其它的0x7fff。因为0x7fff对应双极性16位的满幅度值，这一置换一般不会带来什么影响。ARM9(6)对从IIS(7)接口接收的数据进行时钟标志的判断，如果某秒的数据不是正好10000个，也进行多则舍弃少则补全的调整处理。由于8000Hz和10000Hz采样率本身较高，这样处理可以可靠地保证时钟同步精度达到0.1ms，满足地震波观测要求。
【主权项】
1.一种钻孔应变观测全频带数据采集器，设有由低通滤波电路和ADS1281组成的4输入数据采集通道，低通滤波电路和ADS1281通过信号线相连，还设有由高通滤波及放大电路和ADS1274组成的4输入数据采集通道，高通滤波及放大电路与ADS1274通过信号线相连，还设有CPLD、时钟同步模块、DSP、ARM9处理器、网卡和SD卡，所述的CPLD分别与ADS1281、ADS1274、时钟同步模块、DSP和ARM9处理器的IIS接口通过数据线相连，DSP和ARM9处理器通过数据线相连，ARM9处理器和网卡、SD卡通过数据线相连。2.根据权利要求1所述的一种钻孔应变观测全频带数据采集器，其特征是同时具有两个4输入数据采集通道，一个数据采集通道的AD转换器是ADS1281，用来产出秒采样和10Hz采样的观测数据，另一数据采集通道的AD转换器是ADS1274，用来产出10000Hz采样的观测数据。3.根据权利要求1所述的一种钻孔应变观测全频带数据采集器，其特征是秒采样和10Hz采样的数据是从ADS1281的仅经过SINC数字抽取滤波器的8000Hz采样的输出数据通过DSP程序分别经过各自的系列FIR数字抽取滤波器滤波得到。4.根据权利要求1所述的一种钻孔应变观测全频带数据采集器，其特征是ADS1274的10000Hz采样数据是经由CPLD通过ARM9处理器的IIS接口实现传输。5.根据权利要求1所述的一种钻孔应变观测全频带数据采集器，其特征是对ADS1281的8000Hz采样数据和ADS1274的10000Hz采样数据均加上时钟标志，进一步克服时钟漂移的影响。
【文档编号】G01V1/22GK105988133SQ201510055175
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月3日
【发明人】廖成旺, 邓涛, 丁炜, 王浩
【申请人】中国地震局地震研究所