CN102809759A - 一种地球物理勘探数据采集站 - Google Patents

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本发明公开了一种地球物理勘探数据采集站，包括相互连接的前端的模数变换单元和后端的处理单元；模数变换单元是由可变增益放大器和模数转换器组成；处理单元是由现场可编程门阵列和连接于现场可编程门阵列上的数据传输接口芯片组成。本发明结构简单，使用方便，集数据采集和数据传输于一体，具有高集成度、高精度、低噪声和低功耗的优点。

Description

一种地球物理勘探数据采集站
 
技术领域
本发明涉及地震数据采集和传输系统，具体是一种地球物理勘探数据采集站。
背景技术
目前国内外最为先进的地震勘探仪器中的数据采集系统当属法国Sercel公司的428系列陆上地震数据采集系统，中海油海上地震数据采集系统-“海亮“系统，中石油ES109万道陆上地震仪系统等。另外还有一些其他研究机构研制的采集系统，如中国地震局分析预报中心申请的专利“地震数据采集器”（申请号01142110.X）。
法国Sercel公司在陆上地震仪器研制方面积累了多年经验，其最新推出的428系列，在其408的基础上改进后功能更加强大，采集板功耗更低，噪声也更低，系统动态范围更大。由于商业机密，其未公开其数据采集单元的具体实现细节，428系列采集站采用的模数转换器仍然是24位。这是当前地震勘探领域普遍使用的精度。随着高精度、高分辨地震勘探技术的发展，以及复杂地质勘探的需求，对地震数据采集模数变换器（ADC）的精度提出了更高的要求。
中海油“海亮“地震数据采集系统采用Cirrus Logic公司生产的采集套片，以CS5372+CS5376构成A/D变换模块，完成24-bit的模数变换，其在1ms采样率下的动态范围典型值为115dB左右。由于调制器和滤波器分开实现，采集系统功耗和面积都较大。基于采集系统可变增益的需要，其前端采用独立的可变增益放大器进行处理，前端模拟系统集成度低，造成系统噪声平台高，1ms采样率下的典型噪声值为2.5μV RMS。
中石油ES109万道陆上地震采集系统中使用的芯片和中海油类似，具有和中海油系统同样的问题，动态范围不高，功耗大，面积大，系统集成度低。
中国地震局分析预报中心申请的专利“地震数据采集器”中使用的A/D变换芯片采用的也是Cirrus Logic的一款产品:CS5321+CS5322。输出字长为24-bit，1ms典型采样率下，系统动态范围典型值不超过120dB。且采集站后端处理单元采用了数字信号处理器TMS320C32，系统结构相对复杂，灵活性相对较差。 
可见，目前地震勘探仪器数据采集系统普遍采用24-bit精度，系统噪声受系统集成度影响较大，基于ASIC电路的系统通常具有较低的系统噪声，系统动态范围大；而基于分立芯片构建的前端模数变换系统，则集成度差，系统噪声高。随着地震勘探仪器研制技术的发展以及对高分辨地震勘探精度要求的提高，前端模数变换系统需要向高集成度，低噪声，高精度，低功耗的方向发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种地球物理勘探数据采集站，其结构简单，具有高集成度、高精度、低噪声的优点。
本发明的技术方案为：
一种地球物理勘探数据采集站，包括相互连接的前端的模数变换单元和后端的处理单元；所述的模数变换单元是由可变增益放大器和模数转换器组成；所述的处理单元是由现场可编程门阵列和连接于现场可编程门阵列上的数据传输接口芯片组成。
所述的可变增益放大器和模数转换器选用ADS1282变换芯片。
所述的模数变换单元的前端连接有模拟RC滤波器。
所述的数据传输接口芯片包括有两个相对现场可编程门阵列对称设置的命令接口和两个相对现场可编程门阵列对称设置的数据接口；所述的数据接口是由与现场可编程门阵列连接的并/串转换器和与并/串转换器连接的驱动器组成，所述的命令接口是由与现场可编程门阵列连接的串/并转换器和与串/并转换器连接的均衡器组成。
所述的驱动器选用驱动器CLC001；所述的均衡器选用均衡器CLC012。
本发明的优点：
（1）、本发明具有高集成度，高精度，低噪声，低功耗等诸多优点；在1ms典型采样率下，允许输入信号幅度为5Vpp，系统噪声典型值为1.1μV RMS，根据动态范围计算公式：DR=20log10(Srms/Nrms),Srms为输入信号RMS值，Nrms为计算后噪声RMS值，由此可得系统动态范围为124dB。A/D变换输出字长为31-bit高精度，系统单道模拟功耗约为30mW，相对于中海油“海亮“系统单道模拟功耗约为56mW，功耗减少约一半；由于Sercel 428系列以及中石油ES109仪器均为公开模拟部分实现细节，无法进行功耗对比。
（2）、本发明结构紧凑简洁，总体架构上由前端的采集单元和后端的处理单元构成，前端采集单元由单个芯片完成增益可变，A/D变换，采用的ADS1282变换芯片内部集成可变增益放大器，同时支持多路信号输入，从而给采集站自检提供测试信号输入通道，避免采用模拟开关引入额外噪声和信号畸变，除了内部集成可变增益放大器外，所使用的ADS1282变换芯片同时支持可变采样率，芯片最终输出31-bit高精度变换结果，同时为了满足现有仪器后端处理单元的接口需要，芯片也可输出24-bit变换结果，极大了提升了采集站的灵活性，给整个地震勘探系统的传输系统设计也提供了极大的灵活性；后端的采集单元由现场可编程门阵列（FPGA）以及数据传输接口芯片构成，本发明即可适应单站多道等中小型地震勘探仪器的设计需求，同时也可适应单站单道等大型地震勘探仪器的设计需求，结构上具有很大的灵活性和扩展性。
（3）、本发明所述的数据传输接口芯片采用了对称式设计，采集站不区分方向性，这对野外施工提供了极大地便利，提高了野外作业的效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明短路噪声测试的结构示意图。
图3是本发明短路噪声测试后得到的噪声幅度随频率变化的频谱图。
具体实施方式
见图1，一种地球物理勘探数据采集站，包括相互连接的前端的模数变换单元和后端的处理单元；模数变换单元包括顺次连接的模拟RC滤波器1和ADS1282变换芯片2；处理单元是由现场可编程门阵列3和连接于现场可编程门阵列3上的数据传输接口芯片组成，据传输接口芯片包括有两个相对现场可编程门阵列3对称设置的命令接口和两个相对现场可编程门阵列3对称设置的数据接口；数据接口是由与现场可编程门阵列连接的并/串转换器4和与并/串转换器4连接的驱动器CLC001 5组成，命令接口是由与现场可编程门阵列3连接的串/并转换器6和与串/并转换器6连接的均衡器CLC012 7组成。
见图2，采集站短路噪声测试电路，包括现场可编程门阵列3，被测试ADS1282变换芯片2以及数据上传接口RS232 8组成。数据上传接口RS232 8为采集站外部电路，通过现场可编程门阵列3直接驱动，将测试数据传递给PC机进行分析。测试电路除了外部RS232 8外，利用了采集站原有内部芯片，通过控制芯片内部寄存器值来更改连接方式，测试采集站系统噪声。采集站具有低噪声特点，该测试电路给出了采集站噪声测试的连接方式，通过控制ADS1282变换芯片2内部寄存器的配置，可以设置ADS1282变换芯片2输入为电阻短接到地，用以测试采集站的短路噪声。ADS1282变换芯片2输入端通过400ohm电阻下拉到地，获取ADS1282变换芯片2A/D变换结果后，现场可编程门阵列3将采集得到的结果通过RS232 8上传给PC，在PC上采用专业软件进行噪声计算，获得系统短路噪声RMS值。计算中采用的计算点数为8192。
见图3，按照图2连接方式测试得到的采集站短路噪声FFT计算结果。测试结果显示噪声平台在-150dB，计算得到噪声RMS值为1.1uV，根据计算公式可得动态范围为124dB左右。
本发明的工作原理：
（1）、采集站上电后，进行初始化，初始化主要完成各采集站编号，为接下来的组帧上传做好准备，避免软件在进行数据重组（时序转道序）时混乱。
（2）、完成初始化后，等待质量控制测试命令：质量控制即在进行实际数据采集前，由采集站内部产生测试波形对采集电路进行测试，查看通道的好坏以及各项指标情况，这项测试由人工控制，不自动进行，通常只需在最开始时进行测试，在以后工作中，只要拓扑结构不发生变化，均可跳过。
（3）、完成质量控制测试后，采集站进入正常工作流程，等待用户命令：现场可编程门阵列3通过命令接口发送启动采集命令和停止采集命令等，通过数据接口启动组帧上传数据命令等。
为了降低功耗，通常采集站在上电后并不进行A/D变换，需要配置命令启动ADC进行模数变换操作，启动之后需要配置停止命令才能停止A/D变换。

Claims (5)

1.一种地球物理勘探数据采集站，其特征在于：包括相互连接的前端的模数变换单元和后端的处理单元；所述的模数变换单元是由可变增益放大器和模数转换器组成；所述的处理单元是由现场可编程门阵列和连接于现场可编程门阵列上的数据传输接口芯片组成。
2.根据权利要求1所述的一种地球物理勘探数据采集站，其特征在于：所述的可变增益放大器和模数转换器选用ADS1282变换芯片。
3.根据权利要求1所述的一种地球物理勘探数据采集站，其特征在于：所述的模数变换单元的前端连接有模拟RC滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种地球物理勘探数据采集站，其特征在于：所述的数据传输接口芯片包括有两个相对现场可编程门阵列对称设置的命令接口和两个相对现场可编程门阵列对称设置的数据接口；所述的数据接口是由与现场可编程门阵列连接的并/串转换器和与并/串转换器连接的驱动器组成，所述的命令接口是由与现场可编程门阵列连接的串/并转换器和与串/并转换器连接的均衡器组成。
5.根据权利要求4所述的一种地球物理勘探数据采集站，其特征在于：所述的驱动器选用驱动器CLC001；所述的均衡器选用均衡器CLC012。
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