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用于海洋地震勘探系统的数据变采样率采集及自检控制模块

发布日期:2018-02-21 15:59    浏览次数:次

    作为获取海洋资源信息的重要手段之一,海洋地震勘探技术[1-6]正在往高精度、高分辨率、高可靠性的方向飞速发展。然而,随着勘探难度[7-11]的增加,传统的海洋地震勘探系统已无法在高分辨率、多频带以及实时自检等方面做到完全兼顾;同时,对于海洋环境噪声,以及不同采集通道之间的相互干扰也无法及时收集,大大降低了海洋地震勘探系统的实用性和可靠性[12-13]。
    常见的海洋地震勘探系统主要分为军用系统与民用系统两种[14-15]。其中,军用系统主要用于海洋预警及监测,其要求系统具有较高的数据采样率,一般为每秒3 000 至100 000 个数据采样点(3ksample/s~100 ksample/s),典型系统的数据采样率为每秒16 000 个数据采样点(16 ksample/s);民用系统则主要用于探测海底地质地貌,海底油气藏资源等,其对于采样率的要求较低,常见的系统采样率为每秒四千个采样点(4 ksample/s)。由此可见,海洋地震勘探系统在不同条件下对其数据采样率[16]有着不同的频带要求。
    一般地,根据奈奎斯特采样定理,为保证原始信号在经过采样后能够不失真地还原,采样电路的数据采样率必须至少两倍于原始信号的最高频率,即Ωs>2Ωh,其中Ωs 为数据采样率,Ωh 为原始信号的最高频率。但是,在实际操作工程中,数据采样率一般需要达到原始信号最高频率的10 倍以上,即Ωs>10Ωh。
    目前,传统的海洋地震勘探系统,均采用基于过采样技术的24 bit Δ-Σ 模数转换器(ADC)作为地震信号采集单元的核心部件,这种过采样技术能够保证采样信号不失真;同时,Δ-Σ ADC 还具有超宽的动态范围,优良的线性度,超低的谐波失真以及灵活的串行接口等优点,因此能够满足海洋地震勘探系统在复杂水下环境中高信噪比地震信号进行采集的严苛需求。
    然而,传统的海洋地震勘探系统往往只具有单一的数据采样率,其能够分析的水声信号频带是固定的、有限的,不能根据实际需求做出改变,因而制约了海洋地震勘探系统的灵活性及功能性,其单一的数据采样率已不能够满足用户对于宽带水声信号分析的需求。
    同时,海洋地震勘探系统成本较高且维修困难,对系统进行实时自检测是十分必要的。常规的自检测参数主要包括通道间串扰、系统本底噪声、通道一致性、直流偏置、谐波失真等。当系统工作在异常状态时,对以上参数的实时自检测可以使其能够及时对故障进行分析、定位。因此,实时自检测对于海洋地震勘探系统也具有重要意义。
    为克服上述缺陷,本文提出了一种用于海洋地震勘探系统的数据变采样率采集及自检控制模块。该模块可灵活实现不同数据采样率的地震信号采集,且具有良好的信号采集同步精度;同时,该模块能够实现多种自检信息的采集与显示。现场的实验结果也进一步验证了该模块的灵活性与可靠性。
1 海洋地震勘探系统拓扑结构
    海洋地震勘探系统的拓扑结构如图1 所示,主要由船上系统、数据采集卡,M 级数字包以及水听器阵列缆段组成。其中,每段水听器阵列包含16 路水听器,1 路命令同步采集链路以及1 路数据链路,链路介质均为超5 类非屏蔽双绞线。船上系统与数据采集卡之间采用光纤介质进行连接;数据采集卡与各级数字包之间均采用水听器阵列缆段进行连接。命令同步链路向下一级数字包传输控制命令以及同步时钟,数据链路负责完成采集数据的上传。
    各级数字包由采集节点和传输节点组成,采集节点负责接收左右各8 路,共16 路地震信号,并将其转换成数字信号后,上传至对应的传输节点;同时,完成变采样率数据同步采集以及系统自检。传输节点的作用是通过命令同步链路与数据链路分别完成命令解析、同步时钟的转发以及数据上传。数据采集卡负责将传输节点上传的数据整合,并通过光纤收发模块上传至上位机系统;同时转发上位机系统下发的命令。上位机系统的主要功能是接收与存储数据,实时显示采集信号波形,并对整个海洋地震勘探系统进行控制。

                                                图1    海洋地震勘探系统拓扑结构
2 采集节点工作原理
    本海洋地震勘探系统中,数据采样率可调以及系统自检功能主要是通过采集节点来完成的。采集节点的拓扑结构如图2 所示,主要由现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、锁相环、16 路采集模块、16 路水听器、自检模块以及电源模块组成。
采集节点中各模块功能如下所示:
①FPGA。FPGA 主要负责接收并识别传输节点下发的命令与同步时钟,一方面根据命令内容控制不同模块进行相应处理,另一方面将同步时钟转发给锁相环,以实现各级数字包同步采集数据的功能。同时,接收本地采集节点16 路采集模块转换的数字信号,组成系统所需的数据帧格式,并上传至传输节点。
②锁相环。用于控制采集模块的同步采集、自检模块各测试信号的同步产生。
③采集模块与自检模块。各采集节点包含16路采集模块和1 路自检模块。采集节点中采集模块的内部拓扑结构如图3 所示,由数据抽取器、Δ-ΣADC、程控放大器以及模拟开关组成。其中,模拟开关的输入端分别连接水听器滤波网络、自检模块、以及公共地,完成地震信号的采集,自检信号测试等不同功能。自检模块主要由Δ-Σ 数模转换器(DAC)组成,通过FPGA 对Δ-ΣDAC 进行相应的配置,即可产生系统自检功能所需的正弦信号、直流偏置信号与脉冲信号,最终用于进行通道一致性、直流偏置、奇偶通道间串扰等系统自检信息的测试。
                                  
                                              图2    海洋地震勘探系统采集节点拓扑结构
                      
                                                        图3    采集模块内部拓扑结构
3 系统采样率可调及自检功能的实现
3.1 基于锁相环的变采样率采集节点同步设计方法
    海洋地震勘探系统的同步,主要取决于各级数字包中16 路采集模块的采集同步,自检模块测试信号同步以及数字包之间的时钟同步。由于各级数字包均源于同一系统同步时钟,在采样率变化的情况下,各级数字包之间,亦能够实现包间同步。为保证本系统在采样率可调的情况下仍然能够同步采集,系统同步时钟频率应与采样率保持一致。目前,本系统已实现了4 ksample/s、2 ksample/s、1 ksample/s、500sample/s、250 sample/s 5 种采样率可调的功能,对应的系统同步时钟频率分别为4kHz、2kHz、1kHz、500Hz、250Hz。
    采集节点中的采集同步与自检模块测试信号同步主要通过锁相环电路实现(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以及数据抽取器组成。其中,压控振荡器的时钟频率为16.384MHz,分频器的分频数设为4,Δ-ΣADC 的主时钟频率为4.096 MHz,其数据采样率为固定的4ksample/s,这里可将ADC看作一个分频数为1024的伪分频器。这样,分频器与ADC共同组成了一个分频数为4×1024=4096的分频环节。
    假设当前系统的采样率为4 ksample/s,则系统同步时钟为4kHz,将ADC的数据经过数据抽取器进行数据抽取,利用其产生的数据就绪位(DRDY)可以实现对系统同步时钟的跟踪与锁定。由于DRDY与系统同步时钟是同频率的,当系统需要改变采样率时,系统同步采集时钟与DRDY 将同时改变,并最终完成同步。这里,同一采集节点的所有ADC 与DAC 的主时钟均为同一主时钟。通过上述环节,海洋地震勘探系统的变采样率同步采集即可实现。

                                  图4    锁相环电路的内部组成
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 产生的转换数据,计数器用于控制数据缓存模块进行数据抽取,实现信号的变采样率采集。

                                图5    数据抽取器原理框图
    数据抽取器的原理(如图6)如下:
    Δ-ΣADC 在对采集到的信号完成转换之后对其进行相应抽取,即可完成变采样率的数据采集。每两个数字信号抽取一次,则系统的采样率变为2 ksample/s,每3 个抽取1 次,采样率变为1.333
ksample/s,以此类推。最终,本系统可以实现4 ksample/s、2 ksample/s、1 ksample/s、500 sample/s、250 sample/s 5 种采样率的信号采集通道。

                                                                  图6    变采样率数据采集示意图
3.3 基于奇、偶通道控制模块的自检功能设计与实现
    如图7 所示,FPGA 由奇、偶通道控制模块以及同步控制模块组成,其中,奇通道控制模块控制奇数通道采集模块,偶通道控制模块控制偶数通道采集模块,同步控制模块负责转发传输节点下传的系统同步时钟。
             
                                        图7    奇、偶通道控制模块示意图
    采集节点可根据传输节点下发的命令,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,控制采集模块中的模拟开关,采集奇通道或者偶通道的数据,从而改变采集系统的传感器道数,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(奇通道接入公共地,偶通道接入自检模块产生的标准测试信号时,奇通道所采集到的干扰信号即为奇通道串扰)及偶通道串扰(偶通道接入公共地,奇通道接入自检模块产生的标准测试信号时,偶通道所采集到的干扰信号),或者分别测量系统的通道一致性,噪声,直流偏置以及谐波畸变。
3.4 数据采样率可调以及系统自检功能的实现
    最终,采集节点的内部功能流程图如图8 所示。
               
                               图8    采集节点的内部功能流程图
    首先系统需要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,自检模块将会产生自检需要的标准参考信号,同时奇、偶通道控制模块将配置模拟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,系统将采集到的数据上传至传输节点。
4 实验
    基于本文提出的系统模型,课题组搭建了一套具有16 路水听器的海洋地震勘探系统,如图9所示,其中数字包2 与数字包3 之间是由一长度为100m的水听器阵列连接,该段阵列内共含有16 路的水听器。在试验现场,课题组共进行了3 组实验,分别测试了本文设计模块的采样率可调功能,采集节点的同步精度以及系统自检的功能。

                                    图9    海洋地震勘探系统试验现场
    在第一组实验中,课题组验证了设计模块的采样率可调功能。实验以4 ksample/s 与1 ksample/s两种采样率模式为代表,采用示波器来验证采样率可调的功能。系统在工作状态下,采集节点中数据就绪位(DRDY)与数据读取时钟(SCLK)的波形情况如图10、图11 所示。

                               图10    4 ksample/s 采样率模式
图10 为4 ksample/s 采样率模式下的情形,在该模式下,采集节点的DRDY 频率为4 kHz,SCLK与DRDY 信号保持同步。
  
                                图11    1 ksample/s 采样率模式
    图11 为1 ksample/s 采样率模式下的情形,该模式下采集节点的DRDY 为1 kHz,SCLK 仍可以与DRDY 信号保持同步。该实验结果表明,系统能够灵活实现采样率可调的功能。
    在第2 组实验中,课题组选取4 ksample/s 采样率下的系统同步时钟(Sync-CLK)与采集模块DRDY 进行比较,来测量采集节点的同步精度,系统同步精度即为DRDY 信号与Sync-CLK 信号之间的相位差(时间差),实验结果如图12所示,可以看出系统同步精度为4.86ns,说明系统具有良好的同步性。

                              图12    系统同步精度为4.86 ns
    在第3 组实验中,课题组分别验证了奇通道串扰自检测及噪声检测的功能。如图13 所示为系统上位机软件的显示界面,其中偶数通道接收的信号是由自检模块产生的频率为31.25 Hz,幅值为1.25 V的标准正弦波信号,而奇数通道直接与公共地相连,此时上位机接收到的奇通道数据即为串扰检测信号。接下来可以通过对奇数通道上的数据进行处理,得出其串扰的大小。
    课题组又对系统噪声自检功能进行了测试,如图14 所示。将所有通道的信号输入端接入公共地,其接收到的数据即为系统噪声,再对采集到的数据进行后续处理,即可完成噪声的测算。

                                 图13    系统配置为串扰奇通道自检模式时的信号波形图

                                              图14    系统配置为噪声自检模式时的信号波形图
5 结束语
    本文提出了一种用于海洋地震勘探系统的数据变采样率采集及自检控制模块,针对水听器阵列系统的特点,设计了基于锁相环的变采样率采集节点同步设计方法,通过对数据抽取器的同步控制,灵活地实现了变采样率的数据采集功能;同时,本文介绍了基于奇、偶通道控制模块的自检功能,通过对奇、偶通道的同步控制,实现可变道数的数据采集功能。从现场试验结果可以看出,本系统具有良好的同步性,且能够完成采样率可调的数据采集以及系统自检。
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李彦超,段发阶,蒋佳佳,袁建富,薛俊,王宪全(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072)

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