CN103513275A - 具有采样率可调及自检功能的地震信号采集节点 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号探测领域，为提供地震信号采集节点，其获取的信号质量高，系统的性能好，实现可变道数采集工作、多种自检信息的采集与测量。本发明采用的技术方案是，具有采样率可调及自检功能的地震信号采集节点，包括：命令配置及数据处理模块；同步控制模块：接收传输节点下传的同步时钟，并转发给本采集节点内的奇通道控制模块、偶通道控制模块、锁相环，用于采集节点的各模块的同步控制；信号采集模块；奇、偶通道控制模块：一方面接收由命令接收模块下发的命令，并对其进行相应处理，另一方面，分别接收奇通道、偶通道采集到的地震信号，并对奇、偶通道分别进行控制；锁相环：用于控制各采集通道的同步。本发明主要应用于信号探测。

Description

具有采样率可调及自检功能的地震信号采集节点

技术领域

本发明属于信号探测领域，特别是一种具有采样率可调及自检功能的地震信号采集节点。

技术背景

能源是现代工业生命的基础,并广泛地影响着经济。陆地与海底的石油和天然气作为一种重要的能源和战略资源,在现代社会中越来越显示其重要性,在世界各国经济发展中都占有非常重要的地位,并已渗透到人类生活的方方面面^[1-3]。因此，石油和天然气的探测已经成为世界各国的研究热点。

近20多年来,各种先进技术的应用,尤其是地震勘探技术的迅速发展,使人们对地下地质的刻画和预测更加准确,精度也越来越高。在勘探程度较低的地区获得了许多重要突破,在一些勘探程度较高的地区,石油勘探向精细化发展,找到了一大批隐藏油气藏^[1]。而其中，对地质信息的获取主要是通过基于地震勘探技术的采集系统^[2]来实现的。

目前，基于地震勘探技术的地震采集系统多采用基于过采样技术的24位模数转换器，其有超宽的动态范围，优良的线性度，超低的谐波失真，去假频滤波器，简单的外界器件及外接串行接口大大简化了硬件设计，以24位模数转换器为核心的采集系统几乎可以完全克服原来瞬时浮点地震仪的缺点，新型的地震采集系统几乎都使用24位模数转换器。使用24位模数转换器已经成为新型地震采集系统的标志^[3]。

然而，这种基于过采样技术的新型地震采集系统无法灵活地完成变采样率的数据采集功能，对于采集系统所处环境的噪声^[4]，不同采集通道之间的相互干扰等系统自检信息也无法收集。这些都大大降低了地震采集系统的实用性和可靠性。

[1]马灵.海上地震数据多缆采集与记录[D].博士学位论文,中国科学技术大学,2012.

[2]刘志田.海上多波地震勘探技术研究[D].硕士学位论文,中国海洋大学,2003.

[3]吴康.声纳拖曳阵缆采集传输技术研究[D].硕士学位论文,天津大学,2010.

[4]褚宏宪,杨源,张晓波等.高分辨率单道地震调查数据采集技术方法[J].海洋地质前沿,2012,28(12);70-74.

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供地震信号采集节点，其获取的信号质量高，系统的性能好，实现可变道数采集工作、多种自检信息的采集与测量。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，具有采样率可调及自检功能的地震信号采集节点，包括：

命令配置及数据处理模块：一方面接收由传输节点下发的命令，并对其进行相应处理，根据命令内容转发给本采集节点内的同步控制模块、奇通道控制模块、偶通道控制模块、自检模块，另一方面将接收到的数据组帧，根据命令的要求将组帧数据依次上传至传输节点；

同步控制模块：接收传输节点下传的同步时钟，并转发给本采集节点内的奇通道控制模块、偶通道控制模块、锁相环，用于采集节点的各模块的同步控制；

信号采集模块：信号采集模块一方面负责接收传感器输出的地震信号，并将其转换为可靠的数字信号上传至采集节点控制单元，另一方面负责接收采集节点控制单元对其下发的配置信息，并对这些配置信息进行相应处理；

奇、偶通道控制模块：一方面接收由命令接收模块下发的命令，并对其进行相应处理，另一方面，分别接收奇通道、偶通道采集到的地震信号，并对奇、偶通道分别进行控制；

锁相环：用于控制各采集通道的同步，实现同步采集功能。

自检模块通过SPI接口对产生系统自检所需的标准信号芯片进行配置，标准信号芯片连接到各信号采集模块，用于进行包括通道一致性、直流偏置、奇偶通道串扰的系统自检信息的测试。

当需要正常采集所有通道的地震信号时，奇、偶通道控制模块将会同步控制其连接的相应信号采集模块进行数据采集；当只需要采集奇通道或者偶通道的数据时，奇、偶通道控制模块做出相应的处理，只采集奇通道或者偶通道的数据；当需要进行自检测试时，奇、偶通道控制模块分别测量奇通道串扰及偶通道串扰或者同时控制自检测试。

信号采集模块主要由依次相连的数据抽取器，△-Σ模数转换器，程控放大器，电子开关组成，传感器通过滤波网络连接到电子开关，电子开关连接公共地。

数据抽取器由计数器、数据缓存器、锁相环构成；锁相环对各个△-Σ模数转换器及计数器进行同步，数据缓存模块用于缓存△-Σ模数转换器的转换数据，计数器用于抽取数据缓存模块中的数据，即每一个数字信号抽取一次，或每两个数字信号抽取一次，或每三个数字信号抽取一次，以此类推。

本发明具备下列技术效果：

本发明具有如下优点：(1)采用基于过采样技术的△-Σ模数转换器来对传感器信号进行采集及模数转换，获取的信号质量高，系统的性能好；(2)采用同步时钟控制的数据抽取器，可灵活实现地震采集系统采样率可调的功能，即通过对数据抽取器的同步控制灵活实现变采样率的数据采集功能；(3)采用奇偶通道控制模块对奇、偶采集通道分别控制的拓扑结构，可按照采集要求灵活采集不同通道的数据，实现可变道数采集工作，也可满足系统自检对采集节点拓扑结构的要求；(4)采用DAC1282作为系统自检信号源，此转换器可提供低失真，数字合成电压输出，适合于地震采集系统的自检。它可在低功率小型封装内实现非常高的性能。

附图说明

本发明的其它目的和方面将参考附图从以下具体实施方式中变得清楚，附图中：

图1示出本发明的地震采集系统总体原理框图。

图2示出本发明的采集节点内部原理框图。

图3示出本发明的采集节点内部功能流程图。

图4示出本发明的数据抽取器原理框图。

图5示出本发明的数据抽取器程序流程图。

图6示出本发明的数据抽取器功能框图。

图1中：1为地震采集系统主控中心与数据记录中心，即上位机系统，2为上位机与数据采集卡间命令与数据的传输链路，3为数据采集卡，4为数据采集卡与传输节点间命令与数据的传输链路，5为传输节点(1)，6为传输节点与采集节点间命令与数据的传输链路，7为采集节点(1)，8为传输节点间命令与数据的传输链路，9为传输节点(M)，10为传输节点与采集节点间命令与数据的传输链路，11为采集节点(M)。

图2中：12为采集节点控制单元，13为命令配置及数据处理模块，14为同步控制模块，15为奇通道控制模块，16为偶通道控制模块，17为锁相环，18为自检模块，19为DAC1282数模转换器，20、21、22、23均为信号采集模块，其中20为奇通道(1)，21为偶通道(1)，22为奇通道(N)，23为偶通道(N)，24为数据抽取器，25为△-Σ模数转换器，26为程控放大器，27为电子开关，28为滤波网络，29为传感器，30为公共地。

图4中：31为计数器，32为数据缓存模块。

具体实施方式

为克服现有技术的不足，本发明提供一种具有采样率可调及自检功能的地震信号采集节点，它能克服如下缺点：

(1)本发明能克服新型地震采集系统无法灵活地完成变采样率的数据采集功能的缺点；(2)本发明能克服新型地震采集系统无法自检、自检信息无法收集的缺点。

本发明具有如下优点：(1)采用基于过采样技术的△-Σ模数转换器来对传感器信号进行采集及模数转换，获取的信号质量高，系统的性能好；(2)采用同步时钟控制的数据抽取器，可灵活实现地震采集系统采样率可调的功能；(3)采用奇偶通道控制模块对奇、偶采集通道分别控制的拓扑结构，可按照采集要求灵活采集不同通道的数据，实现可变道数采集工作，也可满足系统自检对采集节点拓扑结构的要求；(4)采用DAC1282作为系统自检信号源，可实现多种自检信息的采集与测量。

本发明采取的技术方案是，地震信号采集节点，包括：

命令配置及数据处理模块：一方面接收由传输节点下发的命令，并对其进行相应处理，转发给采集节点控制单元的其他各个模块，另一方面将接收到的数据组帧，根据命令的要求将组帧数据依次上传至传输节点；

同步控制模块：接收传输节点下传的同步时钟，并转发给采集节点控制单元的其他各个模块，用于采集节点的各模块的同步控制；

信号采集模块：信号采集模块一方面负责接收传感器输出的地震信号，并将其转换为可靠的数字信号上传至采集节点控制单元，另一方面负责接收采集节点控制单元对其下发的配置信息，并对这些配置信息进行相应处理；

奇、偶通道控制模块：一方面接收由命令接收模块下发的命令，并对其进行相应处理，另一方面，分别接收奇通道、偶通道采集到的地震信号，并对奇、偶通道分别进行控制；

奇、偶通道控制模块可根据命令接收模块下发的命令，来实现以下功能：当采集系统需要正常采集所有通道的地震信号时，奇偶通道控制模块将会同步控制各个通道进行数据采集；当采集系统只需要采集奇通道或者偶通道的数据时，采集节点可以做出相应的处理，只采集奇通道或者偶通道的数据，这样可以改变采集系统的传感器道数，可以满足不同场合对大道数、小道数采集节点的不同要求；当系统需要进行自检测试时，采集节点可以分别测量奇通道串扰（奇通道接公共地，偶通道接DAC1282产生的标准信号时，奇通道所采集到的干扰信号）及偶通道串扰（偶通道接公共地，奇通道接DAC1282产生的标准信号时，偶通道所采集到的干扰信号）。这里采用奇、偶通道分别控制的方法是为了防止奇、偶通道之间的相互干扰导致系统在进行自检测试时所得结果不准确。

自检模块：用于控制DAC1282产生系统自检所需的标准信号；

自检模块主要应用SPI接口对DAC1282进行配置，以产生系统自检所需的标准信号。这些标准信号可以供采集节点进行通道一致性、直流偏置、奇偶通道串扰等系统自检信息的测试。

锁相环：用于控制各采集通道的同步，实现同步采集功能。

本发明具有如下技术效果：

（1）本发明能够通过对数据抽取器的同步控制灵活实现变采样率的数据采集功能；

（2）本发明能够通过奇、偶通道分开控制实现可变道数的数据采集功能以及满足系统自检对采集节点拓扑结构的要求；

（3）本发明采用一款全集成数模转换器DAC1282，此转换器可提供低失真，数字合成电压输出，适合于地震采集系统的自检。它可在低功率小型封装内实现非常高的性能。

本发明中，每个采集节点的采集通道在拓扑结构上分为奇通道及偶通道，它们各自与相应的奇、偶通道控制模块相连接，可按照采集要求灵活采集不同通道的数据，实现可变道数采集工作，也可满足系统自检对采集节点拓扑结构的要求；

进一步，本发明中传感器在获取信号之后，依次经过滤波网络、电子开关、程控放大器，再传入△-Σ模数转换器中，这样可以使信号消除干扰，得到较为纯净的采集信号，提高了系统的共模抑制比；

进一步，本发明中电子开关可以根据采集节点接收到的命令将采集通道切换至信号采集通道、自检信号源以及公共地，可以实现采集节点正常采集与自检等的多种不同功能；

进一步，本发明由于使用了性能优越的△-Σ模数转换器，其具有超宽的动态范围，优良的线性度，超低的谐波失真，去假频滤波器，因此在地震信息采集过程中我们可以获取高质量的信号，这也改善了地震采集系统的性能；

进一步，本发明中信号采集模块采用了同步时钟控制的数据抽取器，可灵活实现地震采集系统采样率可调的功能，目前水下地震信号的传输带宽为10Hz～100KHz，通过对数据抽取器的控制，可以将水下地震信号的采样率灵活地改变。一般地，数据抽取器可以通过硬件电路实现，目前很多△-Σ模数转换器都自带抽取模块，但是其抽取模块的抽取参数都是固定的，并不能完全实现水下地震信号的采样率灵活地改变这一要求。数据抽取器亦可以通过软件的方式实现，本发明中，数据抽取器就是通过采集节点控制单元实现的。

数据抽取器的原理如下：

△-Σ模数转换器在对采集到的信号完成转换之后，会产生具有固定频率（例如4KHz）的一系列数字信号，即每隔一段固定时间产生一段数字信号，且由于有同步时钟的控制，我们采集到的数字信号均为同步信号，即每个通道产生数据的时刻都是同步的，接下来我们对这一系列的数字信号进行如下处理：在同步时钟的控制下，每整数个数字信号抽取一次，就可以实现变采样率的功能，例如，某△-Σ模数转换器的采样率为4KHz，每一个数字信号抽取一次，可以得到4KHz的采样率，每三个数字信号抽取一次，可以得到1.333KHz的采样率，依此类推，于是，通过对数据抽取器的同步控制，我们可以得到4KHz、2KHz、1.333KHz、1KHz、800Hz、250Hz等多种采样率的信号采集通道；

进一步，本发明采用锁相环控制各信号采集通道的同步采集，所以获取信号具有较高的同步精度；

进一步，本发明中采用了奇、偶通道控制模块，由于传感器是等距离分布的，当采集节点正常采集时，奇、偶通道控制模块共同控制各自的奇、偶通道进行正常的数据采集，当系统需要扩大传感器采集的间距，我们就不需要将传感器撤掉，而直接可以将奇偶通道分别接入传感器和公共地，这样就可以将传感器的采集间距扩大一倍，当采集节点需要进行自检测试时，奇、偶通道控制模块分别控制各自的奇、偶通道进行自检测试，同时奇、偶通道控制模块负责接收信号采集通道采集到的数据；

进一步，本发明采用自检模块，运用SPI接口对DAC1282进行控制及相应配置，简便有效地实现自检测试的相关功能；

进一步，本发明采用一款全集成数模转换器DAC1282，此转换器可提供低失真，数字合成电压输出，适合于地震采集系统的自检。它可在低功率小型封装内实现非常高的性能；

进一步，本发明采用同步控制模块对采集节点控制模块中的各个模块进行同步控制，保证了采集节点中同步采集，数据同步传输，命令同步下发等功能的实现；

进一步，命令配置及数据处理模块从传输节点接收命令，识别命令后对其进行相应处理，对采集节点控制单元中的同步控制模块、奇通道控制模块、偶通道控制模块、自检模块进行控制，同时接收奇、偶通道控制模块上传上来的采集数据，并经过处理之后传输给传输节点；

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

本发明中，地震采集系统主要由主控中心与数据记录中心1，上位机与数据采集卡间命令与数据的传输链路2，数据采集卡3，数据采集卡与传输节点间命令与数据的传输链路4，传输节点(1)5，传输节点与采集节点间命令与数据的传输链路6，采集节点(1)7，传输节点间命令与数据的传输链路8，传输节点(M)9，传输节点与采集节点间命令与数据的传输链路10，采集节点(M)11组成。

采集节点主要由采集节点控制单元12，命令配置及数据处理模块13，同步控制模块14，奇通道控制模块15，偶通道控制模块16，锁相环17，自检模块18，DAC1282数模转换器19，奇通道(1)20，偶通道(1)21，奇通道(N)22，偶通道(N)23，数据抽取器24，△-Σ模数转换器25，程控放大器26，电子开关27，滤波网络28，传感器29，公共地30。

进一步，主控中心与数据记录中心1主要进行两方面的工作：当用户需要进行采集地震信号的工作时，主控中心与数据记录中心1会将相应命令下发至数据采集卡，由数据采集卡3进行进一步的处理，同时它会接受数据采集卡上传的采集数据，经过处理后存储起来并可以在上位机显示采集到的地震信号；

进一步，数据采集卡3接收到主控中心与数据记录中心1的命令之后，会根据命令内容将有关命令转发至下一级传输节点（1）5，同时它会接收传输节点（1）5上传的采集数据，经过相应处理后上传至主控中心与数据记录中心1；

进一步，传输节点（1）5转发接收到的命令至下一级传输节点，同时将本地采集节点需要的命令转发给采集节点（1）7，同时接收本地采集节点上传的采集数据及下一级传输节点上传的采集数据，并将它们组帧，一并上传给数据采集卡3；

进一步，采集节点7在接收到传输节点5下发的命令之后，会由命令配置及数据处理模块13进行识别并作相应处理，对采集节点控制单元中的同步控制模块14、奇通道控制模块15、偶通道控制模块16、自检模块18进行控制，同时接收奇、偶通道控制模块15、16上传上来的采集数据，并经过处理之后传输给传输节点5；

进一步，采集节点的内部功能流程图如图3所示：

首先对采集节点进行上电初始化，待初始化完成之后，采集节点将会通过锁相环对各个信号采集通道进行同步，只有当所有信号采集通道完成同步之后，采集节点才会进行下一步骤，否则采集节点会再次进行同步，直到各个采集通道完成同步。

然后采集节点将会等待上位机的命令，当采集节点接收到上位机下发的自检命令后，自检模块将会配置DAC1282产生自检需要的标准参考信号，同时配置电子开关转换至自检通道，系统进入自检模式；若采集节点不需要进行自检，则系统进入正常的数据采集工作并配置信号采集模块进入正常采集模式。

最后，将采集到的将采集到的数据最终上传至命令配置及数据处理模块数据经处理后上传至数据上传模块数据上传至传输节点。

进一步，信号采集模块主要由数据抽取器24，△-Σ模数转换器25，程控放大器26，电子开关27组成，数据抽取器可以灵活实现地震采集系统采样率可调的要求，数据抽取器的原理框图如图4所示。

△-Σ模数转换器在对采集到的信号完成转换之后，会产生具有固定频率（这里我们以4KHz为例）的一系列数字信号，即每隔一段固定时间产生一段数字信号，且由于有同步时钟的控制，我们采集到的数字信号均为同步信号，即每个通道产生数据的时刻都是同步的，接下来我们对这一系列的数字信号进行如下处理：在同步时钟的控制下，每整数个数字信号抽取一次，就可以实现变采样率的功能。数据抽取器的程序流程图如图5所示。

首先对采集节点进行上电初始化，待初始化完成之后，采集节点将会通过锁相环对各个△-Σ模数转换器及数据抽取器进行同步，只有当所有部分完成同步之后，采集节点才会进行下一步骤，否则采集节点会再次进行同步，直到各部分完成同步。

然后采集节点将会等待上位机的命令，对命令进行识别，之后配置数据抽取器中的计数器参数，当配置完成后，接收△-Σ模数转换器的转换数据并缓存至数据缓存模块。

最后，将数据缓存模块缓存的数据进行抽取，并将抽取后的数据上传至奇偶通道控制模块。

假设△-Σ模数转换器产生数据的采样率为4KHz，经过数据抽取器，我们可以得到不同采样率的数字信号：如果每一个数字信号抽取一次，可以得到4KHz的采样率；每两个数字信号抽取一次，可以得到2KHz的采样率；每三个数字信号抽取一次，可以得到1.333KHz的采样率。依此类推，于是，通过对数据抽取器的同步控制，我们可以得到4KHz、2KHz、1.333KHz、1KHz、800Hz、250Hz等多种采样率的信号采集通道，具体的功能实现如图6所示。

进一步，本发明由于使用了性能优越的△-Σ模数转换器25，其具有超宽的动态范围，优良的线性度，超低的谐波失真，去假频滤波器，因此在地震信息采集过程中我们可以获取高质量的信号，这也改善了地震采集系统的性能；

进一步，本发明中电子开关26可以根据采集节点接收到的命令将采集通道切换至信号采集通道、自检信号源以及公共地，可以实现采集节点正常采集与自检等的多种不同功能；

进一步，本发明中传感器29在获取信号之后，依次经过滤波网络28、电子开关27、程控放大器26，再传入△-Σ模数转换器25中，这样可以使信号消除干扰，得到较为纯净的采集信号，提高了系统的共模抑制比；

综上所述，本发明集合了信号质量高、系统性能好，灵活实现地震采集系统采样率可调的功能，奇、偶采集通道分别控制的拓扑结构，低失真、数字合成电压输出且适合于地震采集系统的自检芯片DAC1282等多种优势于一身，保证了地震采集系统采集节点的灵活与稳定。

Claims (5)

1.一种具有采样率可调及自检功能的地震信号采集节点，其特征是，包括：

命令配置及数据处理模块：一方面接收由传输节点下发的命令，并对其进行相应处理，根据命令内容转发给本采集节点内的同步控制模块、奇通道控制模块、偶通道控制模块、自检模块，另一方面将接收到的数据组帧，根据命令的要求将组帧数据依次上传至传输节点；

同步控制模块：接收传输节点下传的同步时钟，并转发给本采集节点内的奇通道控制模块、偶通道控制模块、锁相环，用于采集节点的各模块的同步控制；

信号采集模块：信号采集模块一方面负责接收传感器输出的地震信号，并将其转换为可靠的数字信号上传至采集节点控制单元，另一方面负责接收采集节点控制单元对其下发的配置信息，并对这些配置信息进行相应处理；

奇、偶通道控制模块：一方面接收由命令接收模块下发的命令，并对其进行相应处理，另一方面，分别接收奇通道、偶通道采集到的地震信号，并对奇、偶通道分别进行控制；

锁相环：用于控制各采集通道的同步，实现同步采集功能。

2.如权利要求1所述的具有采样率可调及自检功能的地震信号采集节点，其特征是，自检模块通过SPI接口对产生系统自检所需的标准信号芯片进行配置，标准信号芯片连接到各信号采集模块，用于进行包括通道一致性、直流偏置、奇偶通道串扰的系统自检信息的测试。

3.如权利要求1所述的具有采样率可调及自检功能的地震信号采集节点，其特征是，当需要正常采集所有通道的地震信号时，奇、偶通道控制模块将会同步控制其连接的相应信号采集模块进行数据采集；当只需要采集奇通道或者偶通道的数据时，奇、偶通道控制模块做出相应的处理，只采集奇通道或者偶通道的数据；当需要进行自检测试时，奇、偶通道控制模块分别测量奇通道串扰及偶通道串扰或者同时控制自检测试。

4.如权利要求1所述的具有采样率可调及自检功能的地震信号采集节点，其特征是，信号采集模块主要由依次相连的数据抽取器，△-Σ模数转换器，程控放大器，电子开关组成，传感器通过滤波网络连接到电子开关，电子开关连接公共地。

5.如权利要求4所述的具有采样率可调及自检功能的地震信号采集节点，其特征是，数据抽取器由计数器、数据缓存器、锁相环构成；锁相环对各个△-Σ模数转换器及计数器进行同步，数据缓存模块用于缓存△-Σ模数转换器的转换数据，计数器用于抽取数据缓存模块中的数据，即每一个数字信号抽取一次，或每两个数字信号抽取一次，或每三个数字信号抽取一次，以此类推。

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