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用于陆地地动勘测体系的数据变采样率收罗及自检节制模块

宣布日期:2018-02-21 15:59    阅读次数:次

    作为获得陆地资本信息的首要手腕之一,陆地地动勘测手艺[1-6]正在往高精度、高分辩率、高靠得住性的标的目的飞速成长。可是,跟着勘测难度[7-11]的增添,传统的陆地地动勘测体系已没法在高分辩率、多频带和及时自检等方面做到完整统筹;同时,对陆地环境噪声,和差别收罗通道之间的彼此搅扰也没法及时搜集,大大下降了陆地地动勘测体系的适用性和靠得住性[12-13]。
    罕见的陆地地动勘测体系首要分为军用体系与民用体系两种[14-15]。此中,军用体系首要用于陆地预警及监测,其请求体系具备较高的数据采样率,普通为每秒3 000 至100 000 个数据采样点(3ksample/s~100 ksample/s),典范体系的数据采样率为每秒16 000 个数据采样点(16 ksample/s);民用体系则首要用于探测海底地质地貌,海底油气藏资本等,其对采样率的请求较低,罕见的体系采样率为每秒四千个采样点(4 ksample/s)。是以可知,陆地地动勘测体系在差别前提下对其数据采样率[16]有着差别的频带请求。
    普通地,按照奈奎斯特采样定理,为保障原始旌旗灯号在颠末采样后可以或许或许或许或许不失真地复原,采样电路的数据采样率必须最少两倍于原始旌旗灯号的最高频次,即Ωs>2Ωh,此中Ωs 为数据采样率,Ωh 为原始旌旗灯号的最高频次。可是,在现实操纵工程中,数据采样率普通须要到达原始旌旗灯号最高频次的10 倍以上,即Ωs>10Ωh。
    今朝,传统的陆地地动勘测体系,均接纳基于过采样手艺的24 bit Δ-Σ 模数转换器(ADC)作为地动旌旗灯号收罗单位的焦点部件,这类过采样手艺可以或许或许或许或许保障采样旌旗灯号不失真;同时,Δ-Σ ADC 还具备超宽的静态规模,杰出的线性度,超低的谐波失真和矫捷的串行接口等长处,是以可以或许或许或许或许知足陆地地动勘测体系在庞杂水下环境中高信噪比地动旌旗灯号停止收罗的严苛须要。
    可是,传统的陆地地动勘测体系常常只具备单一的数据采样率,其可以或许或许或许或许阐发的水声旌旗灯号频带是牢固的、无限的,不能按照现实须要做出转变,是以限制了陆地地动勘测体系的矫捷性及功效性,其单一的数据采样率已不可以或许或许或许或许知足用户对宽带水声旌旗灯号阐发的须要。
    同时,陆地地动勘测体系本钱较高且维修坚苦,对体系停止及时自检测是非常须要的。惯例的自检测参数首要包罗通道间串扰、体系本底噪声、通道分歧性、直流偏置、谐波失真等。当体系任务在非常状况时,对以上参数的及时自检测可以或许或许或许使其可以或许或许或许或许及时对毛病停止阐发、定位。是以,及时自检测对陆地地动勘测体系也具备首要意思。
    为降服上述缺点,本文提出了一种用于陆地地动勘测体系的数据变采样率收罗及自检节制模块。该模块可矫捷完成差别数据采样率的地动旌旗灯号收罗,且具备杰出的旌旗灯号收罗同步精度;同时,该模块可以或许或许或许或许完成多种自检信息的收罗与显现。现场的尝试成果也进一步考证了该模块的矫捷性与靠得住性。
1 陆地地动勘测体系拓扑布局
    陆地地动勘测体系的拓扑布局如图1 所示,首要由船上体系、数据收罗卡,M 级数字包和水听器阵列缆段构成。此中,每段水听器阵列包罗16 路水听器,1 路号令同步收罗链路和1 路数据链路,链路介质均为超5 类非屏障双绞线。船上体系与数据收罗卡之间接纳光纤介质停止毗连;数据收罗卡与各级数字包之间均接纳水听器阵列缆段停止毗连。号令同步链路向下一级数字包传输节制号令和同步时钟,数据链路担任完成收罗数据的上传。
    各级数字包由收罗节点和传输节点构成,收罗节点担任领受摆布各8 路,共16 路地动旌旗灯号,并将其转换成数字旌旗灯号后,上传至对应的传输节点;同时,完成变采样率数据同步收罗和体系自检。传输节点的感化是经由过程号令同步链路与数据链路别离完成号令剖析、同步时钟的转发和数据上传。数据收罗卡担任将传输节点上传的数据整合,并经由过程光纤收发模块上传至上位机体系;同时转发上位机体系下发的号令。上位机体系的首要功效是领受与存储数据,及时显现收罗旌旗灯号波形,并对全部陆地地动勘测体系停止节制。

                                                图1    陆地地动勘测体系拓扑布局
2 收罗节点任务道理
    本陆地地动勘测体系中,数据采样率可调和体系自检功效首要是经由过程收罗节点来完成的。收罗节点的拓扑布局如图2 所示,首要由现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、锁相环、16 路收罗模块、16 路水听器、自检模块和电源模块构成。
收罗节点中各模块功效以下所示:
①FPGA。FPGA 首要担任领受并辨认传输节点下发的号令与同步时钟,一方面按照号令内容节制差别模块停止响应处置,另外一方面将同步时钟转发给锁相环,以完成各级数字包同步收罗数据的功效。同时,领受本地收罗节点16 路收罗模块转换的数字旌旗灯号,构成体系所需的数据帧格局,并上传至传输节点。
②锁相环。用于节制收罗模块的同步收罗、自检模块各测试旌旗灯号的同步发生。
③收罗模块与自检模块。各收罗节点包罗16路收罗模块和1 路自检模块。收罗节点中收罗模块的外部拓扑布局如图3 所示,由数据抽取器、Δ-ΣADC、程控缩小器和摹拟开关构成。此中,摹拟开关的输出端别离毗连水听器滤波搜集、自检模块、和大众地,完成地动旌旗灯号的收罗,自检旌旗灯号测试等差别功效。自检模块首要由Δ-Σ 数模转换器(DAC)构成,经由过程FPGA 对Δ-ΣDAC 停止响应的设置装备摆设,便可发生体系自检功效所需的正弦旌旗灯号、直流偏置旌旗灯号与脉冲旌旗灯号,终究用于停止通道分歧性、直流偏置、奇偶通道间串扰等体系自检信息的测试。
                                  
                                              图2    陆地地动勘测体系收罗节点拓扑布局
                      
                                                        图3    收罗模块外部拓扑布局
3 体系采样率可调及自检功效的完成
3.1 基于锁相环的变采样率收罗节点同步设想方式
    陆地地动勘测体系的同步,首要取决于各级数字包中16 路收罗模块的收罗同步,自检模块测试旌旗灯号同步和数字包之间的时钟同步。因为各级数字包均源于统一体系同步时钟,在采样率变更的环境下,各级数字包之间,亦可以或许或许或许或许完成包间同步。为保障本体系在采样率可调的环境下依然可以或许或许或许或许同步收罗,体系同步时钟频次应与采样率坚持分歧。今朝,本体系已完成了4 ksample/s、2 ksample/s、1 ksample/s、500sample/s、250 sample/s 5 种采样率可调的功效,对应的体系同步时钟频次别离为4kHz、2kHz、1kHz、500Hz、250Hz。
    收罗节点中的收罗同步与自检模块测试旌旗灯号同步首要经由过程锁相环电路完成(如图4 所示)。锁相环由鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、分频器、Δ-ΣADC和数据抽取器构成。此中,压控振荡器的时钟频次为16.384MHz,分频器的分频数设为4,Δ-ΣADC 的主时钟频次为4.096 MHz,其数据采样率为牢固的4ksample/s,这里可将ADC看做一个分频数为1024的伪分频器。如许,分频器与ADC配合构成了一个分频数为4×1024=4096的分频关键。
    假定以后体系的采样率为4 ksample/s,则体系同步时钟为4kHz,将ADC的数据颠末数据抽取器停止数据抽取,操纵其发生的数据停当位(DRDY)可以或许或许或许完成对体系同步时钟的跟踪与锁定。因为DRDY与体系同步时钟是同频次的,当体系须要转变采样率时,体系同步收罗时钟与DRDY 将同时转变,并终究完成同步。这里,统一收罗节点的一切ADC 与DAC 的主时钟均为统一主时钟。经由过程上述关键,陆地地动勘测体系的变采样率同步收罗便可完成。

                                  图4    锁相环电路的外部构成
3.2 数据抽取器
    数据抽取器(如图5)由计数器和数据缓存构成。数据缓存模块用于缓存ADC 发生的转换数据,计数器用于节制数据缓存模块停止数据抽取,完成旌旗灯号的变采样率收罗。

                                图5    数据抽取器道理框图
    数据抽取器的道理(如图6)以下:
    Δ-ΣADC 在对收罗到的旌旗灯号完成转换以后对其停止响应抽取,便可完成变采样率的数据收罗。每两个数字旌旗灯号抽取一次,则体系的采样率变为2 ksample/s,每3 个抽取1 次,采样率变为1.333
ksample/s,以此类推。终究,本体系可以或许或许或许完成4 ksample/s、2 ksample/s、1 ksample/s、500 sample/s、250 sample/s 5 种采样率的旌旗灯号收罗通道。

                                                                  图6    变采样率数据收罗表示图
3.3 基于奇、偶通道节制模块的自检功效设想与完成
    如图7 所示,FPGA 由奇、偶通道节制模块和同步节制模块构成,此中,奇通道节制模块节制奇数通道收罗模块,偶通道节制模块节制偶数通道收罗模块,同步节制模块担任转发传输节点下传的体系同步时钟。
             
                                        图7    奇、偶通道节制模块表示图
    收罗节点可按照传输节点下发的号令,来完成以下功效:当收罗体系须要一般收罗一切通道的地动旌旗灯号时,奇、偶通道节制模块将会同步节制各个通道停止数据收罗;当收罗体系只须要收罗奇通道或偶通道的数据时,收罗节点可以或许或许或许做出响应的处置,节制收罗模块中的摹拟开关,收罗奇通道或偶通道的数据,从而转变收罗体系的传感器道数,知足差别场所对大道数、大道数收罗节点的差别请求;当体系须要停止自检测试时,收罗节点可以或许或许或许别离丈量奇通道串扰(奇通道接入大众地,偶通道接入自检模块发生的规范测试旌旗灯号时,奇通道所收罗到的搅扰旌旗灯号即为奇通道串扰)及偶通道串扰(偶通道接入大众地,奇通道接入自检模块发生的规范测试旌旗灯号时,偶通道所收罗到的搅扰旌旗灯号),或别离丈量体系的通道分歧性,噪声,直流偏置和谐波畸变。
3.4 数据采样率可调和体系自检功效的完成
    终究,收罗节点的外部功效流程图如图8 所示。
               
                               图8    收罗节点的外部功效流程图
    起首体系须要对收罗节点停止上电初始化,待初始化完成以后,收罗节点将会经由过程锁相环对各个旌旗灯号收罗通道停止同步,只要当一切旌旗灯号收罗通道完成同步以后,收罗节点才会停止下一步骤,不然收罗节点会再次停止同步,直到各个收罗通道完成同步。
    而后,收罗节点将会期待上位机的号令,当收罗节点领受到上位机下发的自检号令后,自检模块将会发生自检须要的规范参考旌旗灯号,同时奇、偶通道节制模块将设置装备摆设摹拟开关转换至自检通道,体系进入自检形式;若收罗节点不须要停止自检,则体系进入一般的数据收罗任务,并设置装备摆设旌旗灯号收罗模块进入一般收罗形式。
    最初,体系将收罗到的数据上传至传输节点。
4 尝试
    基于本文提出的体系模子,课题组搭建了一套具备16 路水听器的陆地地动勘测体系,如图9所示,此中数字包2 与数字包3 之间是由一长度为100m的水听器阵列毗连,该段阵列内共含有16 路的水听器。在尝试现场,课题组共停止了3 组尝试,别离测试了本文设想模块的采样率可调功效,收罗节点的同步精度和体系自检的功效。

                                    图9    陆地地动勘测体系尝试现场
    在第一组尝试中,课题组考证了设想模块的采样率可调功效。尝试以4 ksample/s 与1 ksample/s两种采样率形式为代表,接纳示波器来考证采样率可调的功效。体系在任务状况下,收罗节点中数据停当位(DRDY)与数据读取时钟(SCLK)的波形环境如图10、图11 所示。

                               图10    4 ksample/s 采样率形式
图10 为4 ksample/s 采样率形式下的景象,在该形式下,收罗节点的DRDY 频次为4 kHz,SCLK与DRDY 旌旗灯号坚持同步。
  
                                图11    1 ksample/s 采样率形式
    图11 为1 ksample/s 采样率形式下的景象,该形式下收罗节点的DRDY 为1 kHz,SCLK 仍可以或许或许或许与DRDY 旌旗灯号坚持同步。该尝试成果标明,体系可以或许或许或许或许矫捷完成采样率可调的功效。
    在第2 组尝试中,课题组拔取4 ksample/s 采样率下的体系同步时钟(Sync-CLK)与收罗模块DRDY 停止比拟,来丈量收罗节点的同步精度,体系同步精度即为DRDY 旌旗灯号与Sync-CLK 旌旗灯号之间的相位差(时候差),尝试成果如图12所示,可以或许或许或许看出体系同步精度为4.86ns,申明体系具备杰出的同步性。

                              图12    体系同步精度为4.86 ns
    在第3 组尝试中,课题组别离考证了奇通道串扰自检测及噪声检测的功效。如图13 所示为体系上位机软件的显现界面,此中偶数通道领受的旌旗灯号是由自检模块发生的频次为31.25 Hz,幅值为1.25 V的规范正弦波旌旗灯号,而奇数通道间接与大众地相连,此时上位机领受到的奇通道数据即为串扰检测旌旗灯号。接上去可以或许或许或许经由过程对奇数通道上的数据停止处置,得出其串扰的巨细。
    课题组又对体系噪声自检功效停止了测试,如图14 所示。将一切通道的旌旗灯号输出端接入大众地,其领受到的数据即为体系噪声,再对收罗到的数据停止后续处置,便可完成噪声的测算。

                                 图13    体系设置装备摆设为串扰奇通道自检形式时的旌旗灯号波形图

                                              图14    体系设置装备摆设为噪声自检形式时的旌旗灯号波形图
5 竣事语
    本文提出了一种用于陆地地动勘测体系的数据变采样率收罗及自检节制模块,针对水听器阵列体系的特色,设想了基于锁相环的变采样率收罗节点同步设想方式,经由过程对数据抽取器的同步节制,矫捷地完成了变采样率的数据收罗功效;同时,本文先容了基于奇、偶通道节制模块的自检功效,经由过程对奇、偶通道的同步节制,完成可变道数的数据收罗功效。从现场尝试成果可以或许或许或许看出,本体系具备杰出的同步性,且可以或许或许或许或许完成采样率可调的数据收罗和体系自检。
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李彦超,段发阶,蒋佳佳,袁建富,薛俊,王宪全(天津大学紧密测试手艺及仪器国度重点尝试室,天津300072)

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