CN103837887B - 一种高动态范围地震信号分级采集方法及系统 - Google Patents
一种高动态范围地震信号分级采集方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高动态范围地震信号的分级采集方法及系统，所述方法包括：步骤1，确定输入信号需要分成的级数，将要采集的高动态范围地震模拟输入信号分成相应级数的多路输入，每一路输入信号匹配一路24位的模数转换器；步骤2，对各路输入信号依次进行过压保护、幅度匹配和电平搬移，使输入信号幅度范围完全匹配相应的模数转换器的转换范围，再经模数转换器得到对应的24位数字输出信号；步骤3，读取并处理各路数字输出信号，再合并各路数字输出信号，得到32位二进制数据格式的最终转换结果。所述系统的各模块功能与所述方法的技术方案一一对应。本发明使地震数据采集器既能采集较大幅度的地震信号而不易出现限幅，又对小信号有较高分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及地震信号数字化技术领域，特别是涉及一种高动态范围地震信号的分级采集方法及系统。
背景技术
地震数据采集系统是地震信号数字化必不可少的环节，其性能优劣直接关系到最终获得地震信号的质量，并会影响数据处理结果。地震观测的信号幅度跨度很大，即其是一种高动态范围的信号：例如地震观测中，既要接收来自几千公里之外的微弱地震、核震信号、地脉动及地球背景噪声等微弱信号，又要近场监测8级以上的大地震，总的动态范围甚至高达160dB以上。目前宽频带地震计的噪声水平小于2μV，而地震计的最大输出幅度达到或超过了±20V（单端输出）或±40V（差分输出），输出模拟电压信号动态范围可达到150dB以上。如美国Kinemetrics公司的宽频带地震计KS-2000，动态范围为155dB。在早期的16位模数转换时代，地震数据采集系统中普遍采用瞬时浮点放大器IFP（InstantaneousFloatingPointAmplifier,IFP）加多路开关来提高整个系统的动态范围，这一状况一直延续了20多年。1992年美国I/O公司首次推出采用24位delta-sigma(ΔΣ)模数转换器（Analog-to-DigitalConverter,ADC）的地震数据采集系统，引领了地震勘探设备的一场革命，很快，无论是有线地震数据采集系统还是无线地震数据采集系统纷纷摈弃IFP(瞬时浮点放大器)+16位模数转换器的设计模式，无一例外地都采用了24位ΔΣ模数转换器。但现代基于ΔΣAD转换技术的高性能24位数据采集器的动态范围RMS值（有效值）也只能达到130dB250SPS，不能满足地震信号宽动态范围记录的要求。由于地震计输出信号的动态范围比地震数据采集器的大，也由此导致了数据采集器在记录地震时对微小信号分辨率不够，而在大地震时又容易使数据采集器出现限幅的现象。因此为保证仪器既能记录诸如火山体的蠕动、远程人工爆破监测、地脉动背景噪声等微震信号，又能记录大震级的天然地震，有的24位数据采集器设计增加了前置增益放大器或程控前置放大器以及可选的多级满幅信号输入范围（比如满幅输入为±10V、±20V可选），以此提高对小信号的分辨率和进行大信号的测量，使其适应实际中不同场合的需求。但这种方法并不能提高数据采集系统的真实动态范围，即在提高分辨率时降低了满幅信号值，或在增大了满幅输入范围的同时，牺牲了分辨率，只适用于信号实际动态范围不大且已知的情况，应用有限；而且还要专业人员每次根据实际的应用场合预先估测地震信号幅度范围，再进行人工设置，应用不便；此外也不适于全范围信号的记录，比如地震台站既要记录地球背景噪声、远震等微弱信号，又要监测近场的大地震。
本发明针对地震数据采集器需要记录大动态范围的地震信号的使用需求，提出了一种按信号幅度实行高动态范围地震信号的分级采集方法及系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种分级采集高动态范围地震信号的方法及系统，用于解决地震观测的信号幅度跨度很大、宽频带地震计输出信号的动态范围高的问题，以及解决24位地震数据采集器存在对小信号的分辨率不高、信噪比不高、对大信号容许度不够、容易出现大信号限幅现象等问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种分级采集高动态范围地震信号的方法，包括：
步骤1，确定输入信号需要分成的级数，将要采集的高动态范围地震模拟输入信号分成相应级数的多路输入，且每一路输入信号匹配有一路24位的模数转换器；
步骤2，分别对各路输入信号依次进行过压保护、幅度匹配和电平搬移，使输入信号幅度范围与相应的模数转换器的转换范围完全匹配，再经模数转换器的转换得到各路输入信号对应的24位数字输出信号；
步骤3，读取各路数字输出信号，经数字信号处理后再合并各路数字输出信号，得到32位二进制数据格式的最终转换结果。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤1中根据要采集的高动态范围地震模拟输入信号的最大电平幅度范围或具有的最大动态范围，以及单路24位的模数转换器所能达到的动态范围，确定输入信号需要分成的级数。
进一步，所述步骤2具体包括：
步骤21，根据总的输入信号的动态范围和所需分成的级数，确定各路24位的模数转换器要转换的信号电压范围；
步骤22，对各路输入信号进行过压保护，保证该路输入信号的电压范围不超过该路24位的模数转换器所能承受的正常输入电压范围；
步骤23，分别给每路输入信号确定一个相应的匹配放大因子，通过匹配放大因子使该路输入信号的幅度范围跟该路24位的模数转换器的转换范围相匹配；
步骤24，通过直流电平位移处理，使各路输入信号的中间直流电平与该路24位的模数转换器输入的中间直流电平一致；
步骤25，采用24位的模数转换器，将各路模拟信号转换为相应数字输出信号。
进一步，所述步骤25具体包括：
步骤251，采用4阶ΔΣ调制器，将经步骤21至步骤24处理过的模拟输入信号调制为高频的一比特流数字信号；
步骤252，将一比特流数字信号经抽取和滤波转换为24位的二进制数字信号输出。
进一步，所述步骤3具体包括：读取各路24位数字输出信号，对各路24位数字输出信号均进行线性一致性处理、灵敏度一致性处理、零输入偏移处理和交越匹配处理，再将处理后的各路数字输出信号通过移位进行合并，得到32位二进制数据格式的最终转换结果。
本发明的技术方案还包括一种高动态范围地震信号的分级采集系统，其包括依次连接的信号分配模块、模拟信号处理模块和数字信号处理模块：
信号分配模块，用于根据输入信号需要分成的级数，将要采集的高动态范围地震模拟输入信号分成相应级数的多路输入，且为每一路输入信号匹配一路24位的模数转换器；
模拟信号处理模块，用于分别对各路输入信号依次进行过压保护、幅度匹配和电平搬移，使输入信号幅度范围与相应的模数转换器的转换范围完全匹配，再经模数转换器的转换得到各路输入信号对应的24位数字输出信号；
数字信号处理模块，用于读取各路数字输出信号，并经数字信号处理后再合并各路数字输出信号，得到32位二进制数据格式的最终转换结果。
进一步，所述模拟信号处理模块包括依次连接的过压保护电路、幅度匹配电路和电平搬移电路：
过压保护电路，其用于对各路输入信号进行过压保护，保证该路输入信号的电压范围不超过其承受的正常输入电压范围；
幅度匹配电路，其用于分别给每路输入信号确定一个相应的匹配放大因子，通过匹配放大因子使该路输入信号的幅度范围跟该路输入信号的模数转换范围相匹配；
电平搬移电路，其用于通过直流电平位移处理，使各路输入信号的中间直流电平与对应的24位的模数转换器输入的中间直流电平一致。
进一步，所述24位的模数转换器中集成有依次连接的ΔΣ调制器和数字抽取滤波器：
所述ΔΣ调制器为4阶ΔΣ调制器，用于将经过压保护电路、幅度匹配电路和电平搬移电路处理过的各路模拟输入信号调制为高频的一比特流数字信号；
所述数字抽取滤波器，用于将得到的一比特流数字信号经抽取和滤波转换为24位的二进制数字信号输出。
进一步，所述数字信号处理模块采用微控制单元MCU，所述MCU读取各路数字输出信号，对各路数字输出信号均进行线性一致性处理、灵敏度一致性处理、零输入偏移处理和交越匹配处理，再将处理后的各路数字输出信号通过移位进行合并，得到32位二进制数据格式的最终转换结果。
进一步，所述24位的模数转换器采用型号为ADS1255的24位高精度模数转换器。
本发明的有益效果是：地震观测的信号幅度跨度很大，动态范围在160dB以上；现代宽频带地震计的输出信号动态范围也达到了150dB以上，而当前普遍使用的24位地震数据采集器动态范围只有130dB250SPS，远远不能满足实际地震观测的需求，导致在记录小信号时分辨率不够、信噪比不高，而在记录大地震时又容易出现限幅现象。本发明能使用24位的模数转换器采集动态范围超过24位转换器所能达到的最大动态范围的信号，扩大24位AD采集器的信号输入幅度范围，能采集具有大动态范围的地震信号，能够实现150dB以上动态范围、±20V满幅输入范围的采集要求，在实际应用中使采集器既能够满足对微小地震信号高分辨力的要求，又能够完整记录大幅度的地震信号而不易出现限幅失真的现象，具有广泛的应用。
附图说明
图1为本发明所述高动态范围地震信号的分级采集方法的流程示意图；
图2为本发明所述高动态范围地震信号的分级采集系统的结构示意图；
图3为本发明所述高动态范围地震信号的分级采集系统的应用示例图；
图4为实施例中实现高动态范围地震信号采集的应用例示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、信号分配模块，2、模拟信号处理模块，3、数字信号处理模块，4、模数转换器，21、过压保护电路，22、幅度匹配电路，23、电平搬移电路，41、ΔΣ调制器，42、数字抽取滤波器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本实施例提出了一种高动态范围地震信号的分级采集方法，包括：
步骤1，确定输入信号需要分成的级数，将要采集的高动态范围地震模拟输入信号分成相应级数的多路输入，且每一路输入信号匹配有一路24位的模数转换器。可知，分级后各路要转换的输入信号幅度范围不同。另外，这里是根据要采集的高动态范围地震模拟输入信号的最大电平幅度范围或具有的最大动态范围，以及单路24位的模数转换器所能达到的动态范围，确定输入信号需要分成的级数。
步骤2，分别对各路输入信号依次进行过压保护、幅度匹配和电平搬移，使输入信号幅度范围与相应的模数转换器的转换范围完全匹配，再经模数转换器的转换得到各路输入信号对应的24位数字输出信号。
步骤3，读取各路数字输出信号，经数字信号处理后再合并各路数字输出信号，得到32位二进制数据格式的最终转换结果。
所述步骤2又具体包括：
步骤21，根据总的输入信号的动态范围和所需分成的级数，确定各路24位的模数转换器要转换的信号电压范围；
步骤22，对各路输入信号进行过压保护，保证该路输入信号的电压范围不超过该路24位的模数转换器所能承受的正常输入电压范围；
步骤23，分别给每路输入信号确定一个相应的匹配放大因子，通过匹配放大因子使该路输入信号的幅度范围跟该路24位的模数转换器的转换范围相匹配；
步骤24，通过直流电平位移处理，使各路输入信号的中间直流电平与该路24位的模数转换器输入的中间直流电平一致；
步骤25，采用24位的模数转换器，将各路模拟信号转换为相应数字输出信号。
其中，所述步骤25具体包括：
步骤251，采用4阶ΔΣ调制器，将经步骤21至步骤24处理过的模拟输入信号调制为高频的一比特流数字信号；
步骤252，将一比特流数字信号经抽取和滤波转换为24位的二进制数字信号输出。
对应上述高动态范围地震信号的采集方法，本实施例还给出一种高动态范围地震信号的分级采集系统。如图2所示，该系统包括依次连接的信号分配模块1、模拟信号处理模块2和数字信号处理模块3：
信号分配模块1，用于根据输入信号需要分成的级数，将要采集的高动态范围地震模拟输入信号分成相应级数的多路输入，且为每一路输入信号匹配一路24位的模数转换器4；
模拟信号处理模块2，用于分别对各路输入信号依次进行过压保护、幅度匹配和电平搬移，使输入信号幅度范围与相应的模数转换器4的转换范围完全匹配，再经模数转换器4的转换得到各路输入信号对应的24位数字输出信号；
数字信号处理模块3，用于读取各路数字输出信号，并经数字信号处理后再合并各路数字输出信号，得到32位二进制数据格式的最终转换结果。
如图3所示，在具体的实施过程中，所述模拟信号处理模块2包括依次连接的过压保护电路21、幅度匹配电路22和电平搬移电路23，同时所述24位的模数转换器4中集成有依次连接的4阶ΔΣ调制器41和数字抽取滤波器42。
所述过压保护电路21用于对各路输入信号进行过压保护，保证该路输入信号的电压范围不超过其承受的正常输入电压范围；所述幅度匹配电路22用于分别给每路输入信号确定一个相应的匹配放大因子，通过匹配放大因子使该路输入信号的幅度范围跟该路输入信号的模数转换范围相匹配；所述电平搬移电路23用于通过直流电平位移处理，使各路输入信号的中间直流电平与模数转换器输入的中间直流电平一致。
所述24位的模数转换器4，用于根据各路输入信号的模数转换范围，将经过压保护电路、幅度匹配电路和电平搬移电路处理的各路输入信号转换为数字输出信号：所述4阶ΔΣ调制器41，用于将经过压保护电路、幅度匹配电路和电平搬移电路处理过的各路输入信号调制为高频的一比特流数字信号；所述数字滤波器42，用于将得到的一比特流数字信号经抽取和滤波转换为24位的二进制数字信号输出。
本实施例中，所述数字信号处理模块3可采用MCU，而所述MCU读取各路数字输出信号，对各路数字输出信号均进行线性一致性处理、灵敏度一致性处理、零输入偏移处理和交越匹配处理，再将处理后的各路数字输出信号通过移位进行合并，得到32位二进制数据格式的最终转换结果。
根据上述高动态范围地震信号的分级采集系统和方法的基本技术方案，本实施例给出了一个实现高动态范围地震信号采集的具体应用例。
如图4所示，高动态范围的模拟输入信号由信号分配器（相当于信号分配模块）将输入信号分为两路，每一路前端均设置有过压保护电路，保证从本路输入的信号电压范围不会超过本路所能承受的正常输入电压范围，因而能够保护本路不会因输入过载而损坏。输入信号经过压保护电路后进入高精度低噪声的前置放大器进行放大或幅度匹配（即幅度匹配电路采用该前置放大器），每路的放大倍数或幅度匹配放大因子因本路输入信号的幅度范围不同而不同，对于大幅度输入级，幅度匹配放大因子可能会小于1，而对于小幅度输入级，放大倍数则会大于1。经幅度放大或匹配后的信号再经过电平搬移电路，使输入信号的中间直流电平经电平搬移后跟模数转换器的输入直流电平的中间值一致。模数转换器采用24位高精度模数转换器ADS1255，其差分输入信号由AIN0、AIN1两引脚输入。高精度参考电压源采用ADR441，为ADS1255提供2.5V低噪声、低温漂的AD转换参考电压，其参考电压输出接至ADS1255的VREFP引脚端。
为了提高系统采集精度，降低系统噪声，采集系统的模数转换部分与数字控制部分（图4中分别用两个虚线框示意模数转换部分和数字控制部分）采取电隔离设计，数字控制部分主要包括控制处理器（相当于数字信号处理模块采用该控制处理器）及控制部分电源。模数转换部分的数字信号经数字隔离器隔离后再与控制处理器连接，控制部分电源也经过DC-DC隔离电源稳压模块后再给模数转换部分供电，使两部分的地线实现完全隔离，避免数字控制部分的数字脉冲干扰通过电源和地线串入模数转换部分而形成噪声。数字隔离器采用磁隔离方式的数字隔离模块ADuM14××系列，模数转换器ADS1255的数字接口控制信号SCLK、DIN、DOUT、DRDY、CS经数字隔离器后再分别与控制处理器相连，其中两ADS1255的SCLK信号和两DIN信号在经隔离前分别相连，以节省硬件控制系统资源。控制处理器采用ARM9嵌入式控制处理器S3C2440，运行Linux操作系统。两路24位的AD转换结果经控制处理器由数字接口读入，经控制处理器判断和运算，合并为32位的采集结果，实现有效值（RMS）为150dB50SPS的高动态采集目标。控制部分电源把输入12V电源变换并稳压成3.3V和5V的稳定、低纹波电压，其中3.3V为数字控制部分供电，5V电压再经DC-DC隔离电源稳压模块后分为两路为模数转换部分供电，其中一路经稳压电路稳压成3.3V并滤波后为模数转换部分的数字部分供电，另一路经稳压和滤波电路处理后为模数转换部分的模拟部分提供5V的低噪声稳定工作电源。同时模拟部分的5V电源再经高精度参考电压源ADR441稳压为2.5V高稳定低噪声低温漂的电压为模数转换器提供高精度参考电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高动态范围地震信号的分级采集方法，其特征在于，包括：
步骤1，确定输入信号需要分成的级数，将要采集的高动态范围地震模拟输入信号分成相应级数的多路输入，且每一路输入信号匹配有一路24位的模数转换器；
步骤2，分别对各路输入信号依次进行过压保护、幅度匹配和电平搬移，使输入信号幅度范围与相应的模数转换器的转换范围完全匹配，再经模数转换器的转换得到各路输入信号对应的24位数字输出信号；
步骤3，读取各路数字输出信号，经数字信号处理后再合并各路数字输出信号，得到32位二进制数据格式的最终转换结果；
所述步骤1中根据要采集的高动态范围地震模拟输入信号的最大电平幅度范围或具有的最大动态范围，以及单路24位的模数转换器所能达到的动态范围，确定输入信号需要分成的级数；
所述步骤2具体包括：
步骤21，根据总的输入信号的动态范围和所需分成的级数，确定各路24位的模数转换器要转换的信号电压范围；
步骤22，对各路输入信号进行过压保护，保证该路输入信号的电压范围不超过该路24位的模数转换器所能承受的正常输入电压范围；
步骤23，分别给每路输入信号确定一个相应的匹配放大因子，通过匹配放大因子使该路输入信号的幅度范围跟该路24位的模数转换器的转换范围相匹配；
步骤24，通过直流电平位移处理，使各路输入信号的中间直流电平与该路24位的模数转换器输入的中间直流电平一致；
步骤25，采用24位的模数转换器，将各路模拟信号转换为相应数字输出信号。
2.根据权利要求1所述的分级采集方法，其特征在于，所述步骤25具体包括：
步骤251，采用4阶的ΔΣ调制器，将经步骤21至步骤24处理过的模拟输入信号调制为高频的一比特流数字信号；
步骤252，将一比特流数字信号经抽取和滤波转换为24位的二进制数字信号输出。
3.根据权利要求1所述的分级采集方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：读取各路24位数字输出信号，对各路24位数字输出信号均进行线性一致性处理、灵敏度一致性处理、零输入偏移处理和交越匹配处理，再将处理后的各路数字输出信号通过移位进行合并，得到32位二进制数据格式的最终转换结果。
4.一种高动态范围地震信号的分级采集系统，其特征在于，包括依次连接的信号分配模块、模拟信号处理模块和数字信号处理模块：
信号分配模块，用于根据输入信号需要分成的级数，将要采集的高动态范围地震模拟输入信号分成相应级数的多路输入，且为每一路输入信号匹配一路24位的模数转换器；
模拟信号处理模块，用于分别对各路输入信号依次进行过压保护、幅度匹配和电平搬移，使输入信号幅度范围与相应的模数转换器的转换范围完全匹配，再经模数转换器的转换得到各路输入信号对应的24位数字输出信号；
数字信号处理模块，用于读取各路数字输出信号，并经数字信号处理后再合并各路数字输出信号，得到32位二进制数据格式的最终转换结果；
所述模拟信号处理模块包括依次连接的过压保护电路、幅度匹配电路和电平搬移电路：
过压保护电路，其用于对各路输入信号进行过压保护，保证该路输入信号的电压范围不超过其承受的正常输入电压范围；
幅度匹配电路，其用于分别给每路输入信号确定一个相应的匹配放大因子，通过匹配放大因子使该路输入信号的幅度范围跟该路输入信号的模数转换范围相匹配；
电平搬移电路，其用于通过直流电平位移处理，使各路输入信号的中间直流电平与对应的24位的模数转换器输入的中间直流电平一致。
5.根据权利要求4所述的分级采集系统，其特征在于，所述24位的模数转换器中集成有依次连接的ΔΣ调制器和数字抽取滤波器：
所述ΔΣ调制器为4阶ΔΣ调制器，用于将经过压保护电路、幅度匹配电路和电平搬移电路处理过的各路模拟输入信号调制为高频的一比特流数字信号；
所述数字抽取滤波器，用于将得到的一比特流数字信号经抽取和滤波转换为24位的二进制数字信号输出。
6.根据权利要求4所述的分级采集系统，其特征在于，所述数字信号处理模块采用微控制单元(MCU)，所述微控制单元读取各路数字输出信号，对各路数字输出信号均进行线性一致性处理、灵敏度一致性处理、零输入偏移处理和交越匹配处理，再将处理后的各路数字输出信号通过移位进行合并，得到32位二进制数据格式的最终转换结果。
7.根据权利要求4至6中任一所述的系统，其特征在于，所述24位的模数转换器采用型号为ADS1255的24位高精度模数转换器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |