专利名称：高同步精度的多通道地震信号采集装置的制作方法
技术领域：
本发明属于地球物理勘探领域，特别是一种用于地球物理探测的高同步精度的多通道地震信号采集装置。
背景技术：
地震信号采集系统是地震勘探中非常关键的设备，地震采集系统中的传感器具有呈链式排列、分散性大的特点，而且地震信号微弱，从传感器到模数转换器的距离大。所以将微弱的地震信号经长距离无失真的传输到模数转换器是有效获得地震信号的一个关键。 此外，由于地质不同层对声音信号反射波的大衰减特点，使得地震采集系统必须具有大动态范围、低噪音、低漂移、抑制干扰能力强等能力；因此前端采集板的信号调理性能直接关系到最终获得的地震数据的质量。此外，现有的一些地震采集系统的采集板支持的采集通道数少，如目前法国 SERCEL公司开发的408UL系统中一个采集板只能采集一个通道的地震信号，这样导致在同样通道数的系统下，需要更多的采集板，从而使系统的可靠性降低，系统的成本变高。中国专利公开号CN1289921C，
公开日2006年12月13日，发明创造的名称为分布式海洋地震勘探拖缆，该申请案公开了一种拖曳式海洋地震勘探拖缆。虽然该专利在通道数上有了一定的进步，但每个采集板也只能采集4个通道的信号，且信号调理与采集部分电路的集成度不高，而使采集板体积庞大。当采集板上的地震信号通道数增多时，多通道信号的高精度同步采集是有效获取地震信号的关键，但现有的地震仪器的同步精度也只有微秒级。
发明内容
为克服现有技术的不足，做到(1)克服现有技术中微弱的地震模拟信号经长距离传输线后易受干扰影响的缺点，提供一种能有效抑制干扰的采集板。(2)克服现有技术中一个采集板采集地震信号通道数少，集成度低，体积大的缺点，提供一种能同时高精度同步采集16个通道地震信号的集成度高的采集板。(3)突破现有地震仪器同步采集地震信号只有微秒级精度的现状，提供一种具有纳秒级高同步精度的16通道地震信号采集板。本发明采取的技术方案是，高同步精度的多通道地震信号采集装置，包括前置放大器在传感器端集成一个前置放大器对从传感器传出的微弱信号先进行一定倍数的前置放大；模数转换器，包括两个模数转换芯片，每个是有8个输入通道且高度集成的M位 A-EADC之模数转换芯片，用两个所述的模数转换芯片实现16个通道地震信号的转换、滤波与抽取过程，16个传感器等分为两组，每组中的每个传感器检测到的信号分别通过前置放大器、多路转换开关、增益调节电路、信号调理电路后被传送到模数转换芯片的一个通道中，模数转换芯片输出的数据经数据预处理器传送到数据接收与转发器；
增益控制�？榉直鹆用罱饴肫�、增益调节电路，实现对放大增益的调节；自检控制�？榉直鹆用罱饴肫�、DAC电路、多路转换开关，在控制命令的控制下实现自检功能；从传感器输出到模数转换器输入之间全部采用差分的形式对信号进行放大和传输；命令解码器接收来自RS485接口或SPI接口的下行命令，并对其解码后控制采集板的工作过程及工作状态；同步时钟接收器接收来自RS485接口或SPI接口的用于进行地震信号采样的同步时钟，此同步时钟通过锁相环路控制模数转换芯片共16个通道数据的同步采集；数据接收与转发器将本地、模数转换芯片采集到的共16通道地震数据通过RS485 接口或SPI接口进行输出。锁相环电路中鉴频鉴相器PFD、比例积分滤波器、晶体压控振荡器VCTCXO依次串接，采用鉴频鉴相器PFD提高相位的捕获能力；采用具有高直流增益的比例积分滤波器，使锁相环具有在任何条件下均能从失锁状态恢复到锁定状态的能力，提高锁相环工作的可靠性；采用具有温度补偿的晶体压控振荡器VCTCXO保证锁相环路的高稳定性和低相位噪声， 提高锁相环路的同步精度。本发明具有如下技术效果(1)本发明一方面在传感器端集成一个前置放大器对从传感器传出的微弱信号先进行一定倍数的前置放大，以提高长距离传输线上有用信号对噪声信号的比例，即提高信噪比；(2)本发明从传感器到模数转换器全部采用全差分的模拟信号放大与传输方式， 一方面这种全差分放大与传输的方法能有效提高共模抑制比，另一方面能有效克服了传统单端放大技术中容易引入干扰和存在地电位差的缺点；(3)本发明采用两片8通道且具有高集成度的M位Δ-Σ ADC芯片实现了 16个通道信号的采集，克服了现有技术中一个采集板采集地震信号通道数少，集成度低，体积大的缺点；(4)本发明将高稳定度的锁相环电路的输出作为对位Δ- Σ ADC芯片的时钟信号，且将ADC芯片引入锁相环路中充当分频器；这种将ADC芯片引入到锁相环路中的方法有效地提高了 16个地震通道信号的同步采集精度，测度结果表明16个通道地震信号的采集精度达到了纳秒级，优于传统系统中微秒级的同步精度。
图1示出本发明采集板的主要功能框图。图2示出本发明中传感器与前置放大器集成的结构图。图3示出本发明中正常获取地震信号时多路转换开关的工作状态图。图4示出本发明中电路自检时多路转换开关的工作状态图。图5示出本发明中程控增益放大电路的结构原理图。图6示出本发明中16通道ADC同步转换的原理图。图7示出本发明中高精度锁相环的同步误差图。
图8示出本发明中高精度锁相环的结构原理图。图1中1为RS485接口或SPI接口 ；2为命令解码器；3为数据接收与转发器；4为同步时钟接收器；5为电源接口 ；6为电源�？椋�7为增益控制�？椋�8为数据预处理器；9为鉴相器；10为环路滤波器；11为温度补偿晶体振荡器VCTCXO ；12为DAC电路；13和14为8 通路的Σ -AADC电路；15为信号调理电路；16为多路转换开关；17为前置放大器；18为传感器；19为集成了传感器与前置放大器的�？椋�20为锁相环电路；21为自检控制模块；22 为增益调节器；23为地震数据传输板为控制多路转换开关16进行切换的信号线；25为调节增益的控制线；26为同步时钟输出信号线；27为自检控制信号testjignal。图2中28为前置放大器的差分输出信号线。图5中29为程控增益放大芯片里的增益控制器。图6中30为ADC芯片里的数字滤波器；31为ADC芯片里的增量调制器。图8中32为分频器，它由ADC芯片14来实现。
具体实施例方式为克服现有技术的前述不足，本发明主要解决的技术问题是(1)克服现有技术中微弱的地震模拟信号经长距离传输线后易受干扰影响的缺点，提供一种能有效抑制干扰的采集板。( 克服现有技术中一个采集板采集地震信号通道数少，集成度低，体积大的缺点，提供一种能同时高精度同步采集16个通道地震信号的集成度高的采集板。( 突破现有地震仪器同步采集地震信号只有微秒级精度的现状，提供一种具有纳秒级高同步精度的 16通道地震信号采集板。本发明是这样实现的本发明中，在传感器端集成一个前置放大器对从传感器传出的微弱信号先进行一定倍数的前置放大，以提高长距离传输线上有用信号对噪声信号的比例，即提高长距离信号线上的信噪比。进一步，本发明采用全差分模拟信号放大与传输技术，即信号从传感器输出到模数转换器输入之间全部采用差分的形式对信号进行放大和传输。这种全差分放大与传输的方法一方面能有效提高共模抑制比，即有效抑制信号传输线上引入的共模干扰；另一方面能有效克服了传统单端放大技术中容易引入干扰和存在地电位差的缺点；进一步，本发明将16个通道地震信号的转换、滤波与抽取通过两片8通路的具有高集成度的M位Δ-Σ ADC芯片实现，减小了采集板的体积和重量，提高了采集板电路的抗干扰能力。进一步，本发明根据ADC芯片的特点，设计了具有高精度和高稳定度的能控制16 通道地震信号同步采集的锁相环电路。锁相环电路中采用鉴频鉴相器(PFD)提高相位的捕获能力；采用具有高直流增益的比例积分滤波器，使锁相环具有在任何条件下均能从失锁状态恢复到锁定状态的能力，提高锁相环工作的可靠性；采用具有温度补偿的晶体压控振荡器(VCTCXO)保证锁相环路的低相位噪声和低相位抖动，提高锁相环路的同步精度。进一步，为了满足地震信号动态范围大的应用要求，本发明中的增益控制模块及自检控制�？樵诳刂泼畹目刂葡率迪侄圆杉缏分蟹糯笃髟鲆娴牡鹘谝约笆迪侄圆杉宓淖约旃δ�。
进一步，采集板与传输板之间通过RS485接口或SPI接口实现通信，一方面命令解码器接收来自RS485接口或SPI接口的下行命令，并对其解码后控制采集板的工作过程及工作状态；另一方面采集时钟接收器接收来自RS485接口或SPI接口的用于进行地震信号采样的同步时钟，此同步时钟通过锁相环路控制16个通道数据的同步采集；再一方面数据接收与转发器将本地采集到的16通道地震数据通过RS485接口或SPI接口发送到传输板。本发明的特点(1)本发明一方面在传感器端集成一个前置放大器对从传感器传出的微弱信号先进行一定倍数的前置放大，以提高长距离传输线上有用信号对噪声信号的比例，即提高信噪比；( 本发明从传感器到模数转换器全部采用全差分的模拟信号放大与传输方式，一方面这种全差分放大与传输的方法能有效提高共模抑制比，另一方面能有效克服了传统单端放大技术中容易引入干扰和存在地电位差的缺点；C3)本发明采用两片 8通路具有高集成度的M位Δ - Σ ADC芯片实现了 16个通道信号的采集，克服了现有技术中一个采集板采集地震信号通道数少，集成度低，体积大的缺点；(4)本发明将高稳定度的锁相环电路的输出作为M位Δ - Σ ADC芯片的时钟信号，且将ADC芯片引入锁相环路中充当分频器；这种将ADC芯片引入到锁相环路中的方法有效地提高了 16个地震通道信号的同步采集精度，测度结果表明16个通道地震信号的采集精度达到了纳秒级；( 本发明同时
具有增益调节及自检功能；(6)本发明中采集板与传输板之间可采用RS485接口或SPI接□。下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。本发明中，命令解码器2用于对从RS485接口或SPI接口 1传来的命令进行解码， 然后根据解码出的命令控制采集板的相应操作过程，包括如下过程(1)程控放大器的增益调节；(2)采集板的自检；(3)控制本地16通道地震数据传输的开始与停止。本发明中，数据预处理器8用于对接收到的16通道的地震数据进行组帧预处理。本发明中，数据接收与转发器3用于将本地16通道的数据通过RS485接口或SPI 接口 1送至传输板23 ；且本地地震数据的传输过程是以同步时钟接收器4输出的时钟信号为基准的，即每当同步时钟接收器4输出信号的上升沿到来时，数据接收与转发器3就将本地16通道的地震数据从RS485接口或SPI接口 1传至传输板23 —次。本发明中的电源接口 5和电源�？�6为采集板提供正负5V、正5V、正3. 3V、正2. 5V 和正1. 2V的电源，其中正负5V电源供模拟电路部分使用，正5V、正3. 3V、正2. 5V和正1. 2V 电源供数字电路部分使用。本发明中考虑到从地震探测传感器18传出的模拟信号非常微弱，且需要进行长距离(几米到几十米)的传输，所以在传感器端集成一个噪声抑制能力强、共模抑制比高的差分输入差分输出前置放大器17先对微弱的地震信号进行预放大，以提高信号在线通道中传输的信噪比，差分放大电路如图2所示。经放大后的差分地震信号通过双绞线观传向下一级差分放大电路。本发明中，多通道转换开关的工作原理及结构如图3和4所示。图3示出了正常接收地震信号时多路转换开关的连接方式，图4示出了采集板自检时多路转换开关的连接方式；自检控制�？�21首先通过信号线M将多路转换开关切换到自检连接方式，然后通过信号线27向DAC电路12输出test_signal信号，控制DAC电路12输出用于自检的波形。本发明中，增益调节电路22的主要结构如图5所示。本发明中采用专门用于对地震信号进行程控放大的芯片对地震信号进行放大，其中此程控芯片的放大倍数在0dB、6dB、 12dB、18dB、24dB、30dB、36dB之间可调节；其中Gain_control信号25来自于增益控制模块 7，用于控制程控放大器的增益值。Rl与R2为匹配电阻、Cl用于滤除传输线通道中产生的差模干扰信号，C2和C3用于滤除传输线通道中产生的共模干扰，R6和R7也为传输线匹配电阻。信号经程控放大后，再经过信号调理电路15对信号进行共模滤波和高切滤波处理， 以消除高频噪声，为后续防止过采样产生假频干扰作初始的滤波准备。本发明中，16通道地震信号通过两片8通路具有高集成度的M位A-EADC芯片完成地震信号的转换、滤波与抽取的全过程，如图6所示，且两片ADC在高精度锁相环20 提供的时钟下工作，输出的数字信号能与从RS485接口或SPI接口传下来的同步时钟信号 Syn_signal26保持高精度的同步性，16个地震通道的同步采集误差不超过5ns，经现场测量，其同步误差如图7所示。本发明中，高精度锁相环电路如图8所示。其中Syrusignal信号沈由同步时钟接收器4传来。锁相环电路中采用鉴频鉴相器(PFD)作为鉴相器9提高锁相环的捕获能力； 采用具有高直流增益的比例积分滤波器作为环路滤波器10，使锁相环具有在任何条件下均能从失锁状态恢复到锁定状态的能力，提高锁相环工作的可靠性；采用具有温度补偿的晶体压控振荡器(VCTCXO) 11保证锁相环路的高精度同步运行能力；将高稳定度的锁相环电路的输出作为M位A-EADC芯片的时钟信号，且将ADC芯片引入锁相环路中充当分频器 32 ；这种将ADC芯片引入到锁相环路中的方法有效地提高了 16个地震通道信号的同步采集精度，经测试，此锁相环路的锁相精度高，同步误差不超过5ns，如图7所示。
权利要求
1.一种高同步精度的多通道地震信号采集装置，其特征是，包括前置放大器在传感器端集成一个前置放大器对从传感器传出的微弱信号先进行一定倍数的前置放大；模数转换器，包括两个模数转换芯片，每个是有8个输入通道且高度集成的M位 Δ-Σ ADC之模数转换芯片，用两个所述的模数转换芯片实现16个通道地震信号的转换、滤波与抽取过程，16个传感器等分为两组，每组中的每个传感器检测到的信号分别通过前置放大器、多路转换开关、增益调节电路、信号调理电路后被传送到模数转换芯片的一个通道中，模数转换芯片输出的数据经数据预处理器传送到数据接收与转发器；增益控制模块分别连接命令解码器、增益调节电路，实现对放大增益的调节； 自检控制�？榉直鹆用罱饴肫鳌AC电路、多路转换开关，在控制命令的控制下实现自检功能；从传感器输出到模数转换器输入之间全部采用差分的形式对信号进行放大和传输； 命令解码器接收来自RS485接口或SPI接口的下行命令，并对其解码后控制采集板的工作过程及工作状态；同步时钟接收器接收来自RS485接口或SPI接口的用于进行地震信号采样的同步时钟，此同步时钟通过锁相环路控制模数转换芯片共16个通道数据的同步采集；数据接收与转发器将本地、模数转换芯片采集到的共16通道地震数据通过RS485接口或SPI接口进行输出。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是，锁相环电路中鉴频鉴相器PFD、比例积分滤波器、晶体压控振荡器VCTCM)依次串接，采用鉴频鉴相器PFD提高相位的捕获能力；采用具有高直流增益的比例积分滤波器，使锁相环具有在任何条件下均能从失锁状态恢复到锁定状态的能力，提高锁相环工作的可靠性；采用具有温度补偿的晶体压控振荡器VCTCM)保证锁相环路的高稳定性和低相位噪声，提高锁相环路的同步精度。
全文摘要
本发明属于地球物理勘探领域。为提供一种使用较少摄像机即能实现多视点立体图像的实时获取方法，本发明采取的技术方案是，为提供一种能有效抑制干扰、集成度高、纳秒级的采集板，本发明采取的技术方案是，高同步精度的多通道地震信号采集装置，包括前置放大器、模数转换器，每个传感器检测到的信号分别通过前置放大器、多路转换开关、增益调节电路、信号调理电路后被传送到模数转换芯片的一个通道中，模数转换芯片输出的数据经数据预处理器传送到数据接收与转发器；此外还包括增益控制�？�、自检控制模块、命令解码器、同步时钟接收器、数据接收与转发器将本地。本发明主要应用于地球勘探。
文档编号G01V1/22GK102508290SQ20111029932
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月8日 优先权日2011年10月8日
发明者何智刚, 华香凝, 常宗杰, 张超, 段发阶, 蒋佳佳, 陈劲 申请人:天津大学
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