分布式地震数据采集关键技术

分布式地震数据采集系统需要解决的几个问题
与可控震源配套需增加实时相关功能
▪当前采用事后相关的方法，采集之后 传送给主机，在主机内相关，时间长。
▪德国的SUMMIT相关由于容量小，高频 采样时（采样间隔为1/4ms）难以突破 2s
▪解决办法：采用DSP技术或增加模拟相 关器
分布式地震数据采集系统需要解决的几个问题
系统测试电路
数据采集模块设计
有、无检波器两种情况下的测试曲线
数据传输模块设计
OSI参考模型
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
简化模型
应用层
数据链路层 物理层
数据传输模块设计
物理层设计
物理层定义了基本连接的机械和电气特性，它负 责从其上层获得数据并将数据转化为在通信链路上可 以传输的格式。
• 道数多，采样率高
• 采集站道数可选， 扩展方便
自行研制的分布式地震仪样机
总体方案设计
分两 布项 式关 地键 震技 仪术 中 的
24位Delta-Sigma技术
有线传输技术 数据传输技术 无线传输技术
集中回收技术
总体方案设计
分应 布考 式虑 地的 震几 仪个 设问 计题 中
机械物理 特性方面
工作温度范围宽； 抗震性能好； 密封性好， 具有良好的防尘、防水性能； 接插件牢固可靠。
电气 性能方面
功耗低； 具备足够高的数传速率； 信号输入通道 具有过压保护电路； 系统动态范围大； 系统具有自我诊断测试能力 并具备一定的容错能力； 输入阻抗高。
总体方案设计
系统总体设计方案
主控PC
EPP通信 适配器
数据传输模块设计
数字锁相环功能框图
数据传输模块设计
数字锁相环状态转换图
数据传输模块设计
差分曼彻斯特解码电路
数据传输模块设计
EPP通信适配器
EPP地址写周期
地址读周期
数据写周期
数据读周期
电 源通 管讯 理 模 块 框 图
充电 唤醒电路 电源2
充 AVR 电源1 电池组 电
模拟 模拟 正电源 负电源
❖物理层协议
▪线路配置标准：共享式总线 ▪数据通信模式：双向、同步、半双工 ▪网络拓扑结构：主从式 ▪信号传输方式：平衡传输（RS485规范） ▪编码方式：差分曼彻斯特编码 ▪传输介质：双芯电缆
数据传输模块设计
数据链路层设计
数据帧格式
命令帧格式
用户层设计
测控软件
数据传输模块设计
数据通信控制器设计
宽频长时的分布式记录仪 ▪高精度时钟（精度要求为0.1ppm） ▪长时间记录的海量数据存储（野外工 作半年到一年） ▪低功耗 ▪电源能量的自动补给
目标系统
野外工作方式 不用连线
美国研制的分布式野外宽频 地震记录仪
分布式地震数据采集系统需要解决的几个问题
低频（0.01-100Hz）检波器的研制 ▪美国实施USArray计划 ▪解决地球深部探测问题 ▪国内当前的检波器最底达1Hz（重庆地 质仪器厂） ▪是否可以利用光纤检波器？
24位
CPLD SRAM
A/D
MPU
数据采集模块设计
CS5396功能框图
数据采集模块设计
CS5396数据输出格式
数据格式一
数据格式二
数据采集模块设计
CS5396接口电路功能框图
数据采集模块设计
串并转换电路功能框图及时序图
数据采集模块设计
串并转换电路时序图
数据采集模块设计
采集触发电路
数据采集模块设计
终端 匹配电阻
触发 单元
采集 单元
终端 匹配电阻
采集 单元
总体方案设计
采集单元功能框图
总体方案设计
EPP通信适配器功能框图
RS
485 总
RS485 接口
线
芯片
CPLD
EPP
EPP
并
接口
行
口
电源模块
状
态
指
电池
电源模块 MPU
示
充电模块
数据采集模块设计
数据采集模块功能框图
检
模拟
波
器
前放
测试 电路
数据线 地址线
控制 逻辑
发送 模块
接收 模块
通
485
信
接口 总
线
0 10 1 0 0 1 1 1
曼彻斯特编码及差分曼彻斯特编码 示意图
数据传输模块设计
发送模块设计
数据传输模块设计
接收模块设计
串行 数据
接收 时钟
帧 检 测
串/并 转换
解码 电路
数字锁相环
恢复时钟
数据 输出
同步串行通信中收发同步的建立过程
多分量接收需增加每个采集站的道数
▪ 采用多通道的A/D，目前已有8通道的 单片24位A/D ▪增加内存 ▪研究数据压缩算法 ▪提高数据传输能力
分布式地震数据采集系统需要解决的几个问题
从有线传输到无线传输的转换 ▪ 研究近距离的无线通讯模块（用于城 市等浅层探测，数百米通讯距离） ▪提高通讯速率
分布式地震数据采集系统需要解决的几个问题
地下探测成像示意图
PHVS-1000型可控震源系统
天然 地震
人工 锤击
炸药
可控 震源
激励 源
激励 源
大线
地震仪 子站
检波 器
通讯线
主控站
检波 器
分布式地震仪的优越性
集中式地震仪 VS 分布式地震仪
• 模拟传输，易受干扰
• 多道共用A/D，采样 率和道数受限制
• 扩展困难
• 数字传输，抗干扰 能力强
数字 电源
软件设计及测试结果
主机测控软件框图
从机测控软件框图
上电复位
从
机
初始化
ห้องสมุดไป่ตู้
软
等待主机
件
指令
流
程
命令解释
图
否
合法命令？
是
处理命令
分布式地震数据采集系统需 要解决的几个问题
▪与可控震源配套需增加实时相关功能 ▪ 多分量接收需增加每个采集站的道数 ▪ 从有线传输到无线传输的转换 ▪ 宽频长时的分布式记录仪 ▪低频（0.01-100Hz）检波器的研制