基于虚拟仪器技术的浅层地震仪

0　引言

近年来,随着我国能源、交通以及旧城改造与扩建等各类工程勘察项目日益增多,使工程物探成为当今地质行业中的热门。而浅层地震勘探,由于其解决问题的直观性和有效性而成为工程物探中的主要方法和手段。浅层地震仪的关键技术在于如何解决信号的大动态范围(120 dB)问题,目前国内外地震仪解决这个问题有2种主流技术:一种采用浮点放大电路技术,另外一种为Δ-Σ24位A/D技术[1]。但目前这2种类型的浅层地震仪都存在一些缺陷。采用浮点放大电路的地震仪由于电路复杂而庞大维修升级复杂,而且对原始信号的相位影响较大,从而导致信号的非线性失真较大。对于Δ-Σ24位A/D技术,虽解决了信号失真问题和维修升级复杂的问题,但由于目前一般的24位A/D采样速率低,如果要采样速率高的24位A/D,价格则相当的昂贵,所以目前的地震仪每道采用一套24位A/D电路,这样不但成本高,而且电路设计复杂且每道传感器的一致性能变差[2-3]。

虚拟仪器技术是智能仪器发展的一个重要趋势和方向之一。它利用计算机系统的强大功能,结合相应的硬件,突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制,使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等,被广泛的应用各种仪器开发,是一个非常适合开发多功能综合仪器的、非常适合地学仪器开发的良好的工具和技术平台。基于以上的考虑,采用了基于虚拟仪器技术的全新理念的浅层地震仪的设计,该设计针对这些问题将虚拟仪器技术应用于地震仪,并尝试使用16位A/D技术和增益自动控制电路(AGC),成功设计一种价格较为便宜的而且动态范围大(100dB)且维修升级方便的地震仪,并制作了样机。

1　系统方案设计

如图1所示浅层地震检波器(传感器)的信号通过高精度前置仪表放大器和多路选择后,进入自动增益控制电路。增益自动控制电路是由2级AGC级联组成。经前置放大器放大的信号进入主放模块后分为2路,一路进入程控运算放大器,一路进入电压比较编码电路,用比较得到的编码来控制程控运算放大器的增益。这样系统可以根据检波器输出信号的强弱自动实时调整放大倍数,从而使得整个采集系统可以检测的地震信号的动态范围大大提高。

经过动态放大后的信号,经过程控低通滤波器和程控带通滤波器和工频滤波器后,地震信号通过16位A/D、PCI总线虚拟仪器数据采集卡完成数据采集。经过采集后地震数据通过PCI总线以DMA方式传输给嵌入式工控机,由其运行的数据采集控制及数据处理程序完成地震数据的增益还原,波形显示,存储、读取、数字滤波和频谱分析等数据处理。前置放大器的增益可以由虚拟仪器程序预先设定并通过计算机I/O口进行控制。当采集进行时,每个采样点数据的增益是由虚拟仪器程序通过计算机I/O口读取程控放大器的增益控制端口来获取,再由数据处理程序进行数据增益还原,即u原始信号=u采样值A前放增益A主放增益从而获得原始信号的真实值。