2017, Vol. 60
2. 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心, 长春 130061
2. National Engineering Research Center of Geophysics Exploration Instruments, Changchun 130061, China
地震仪是地震勘探中最为重要的设备之一.自从地震仪器诞生以来，地震仪经历了光点记录地震仪、模拟磁带记录地震仪、数字地震仪、遥测地震仪和全数字遥测地震仪五代的发展(程建远等，2013).遥测地震仪的进一步发展，逐渐形成了有缆遥测地震仪和无缆遥测地震仪.随着地震勘探的发展，特别是高精度，高密度地震数据采集概念的提出(张帅帅等，2014)，传统有缆系统逐渐对很多问题的处理显得力不从心.现代地震勘探提出了万道、十万道甚至百万道的概念.有缆仪器要实现万道采集已经非常困难，如果将其利用在百万道的“超级地震队”中，所增加的勘探成本巨大.在有缆系统中，线缆成本占整个系统成本的50%以上.有缆系统因为需要布设大量的电缆，线缆布设占了整个系统工作的大部分比重，真正的有效作业时间的比例不足40%.线缆的定期检测，损坏线缆的更换、维修工作需要投入大量的人力物力.在一些特殊地形区(比如沼泽，跨河地区)，有缆系统往往难以施工(张正峰等，2015).这一系列的因素都促使地震勘探设备的结构从有缆系统向无缆系统过渡.
无缆存储式地震仪打破常规的有缆地震仪的结构配置，省去仪器之间的长线传输，提升了系统对环境的适应性，特别适用在交通不便以及人口稠密等复杂环境下进行地震勘探.新型的无缆存储式地震仪，省去了大线传输，解决了复杂环境下进行大道数地震数据采集的问题.但是由于缺乏有效的监测手段，无法对其进行现场实时质量监控，施工质量和效率难以保证，具有封闭性的技术缺陷(吴海超等，2012a).国外成熟的无缆采集系统有SERCEL公司的Unite系统和Fairfield Nodal公司的Z-land系统等，其采用高精密器件以及大容量的铅酸电池等，造成每道数万元的成本，这些因素也制约了无缆地震仪器的发展(王肃静等，2015).国内吉林大学自主研发了GEIWSR系统，但是由于仪器成本较高，体积和重量比较大，一直没有在大规模地震勘探中得到广泛应用.针对以上问题，本文提出研制一款基于无线网络通讯技术的新型单通道无线存储式地震仪.
2 地震仪总体设计本文研制的单通道无线存储式地震仪，搭配重庆地质仪器厂生产的CDJ系列速度平坦型动圈式检波器，进行地震数据采集.其整体结构如图 1所示.
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图 1 地震仪整体硬件系统框图 Fig. 1 Hardware system diagram of the seismic instrument |
地震仪由采集系统和电源管理模块两部分构成.采集系统包括微处理器，数据采集单元，数据存储单元和无线通讯系统.通过无线通讯系统组建Ad-hoc网络对采集站进行实时监控，以及组建AP网络对地震数据进行无线回收等.电源管理部分主要负责电池供电管理，其中高效率DC-DC单元用于将电池电压转换为系统电压，充电模块负责内置电池充电.
2.1 采集系统总体设计及关键技术地震仪采用意法半导体公司生产的高性能Cortex-M4型STM32处理器作为主控芯片，其具有非常丰富的外设接口.微处理器通过SPI2接口与高性能模数转换器ADS1282连接，ADS1282为32位A/D转换芯片，保证了数据采集的精度.通过模拟SPI接口与数模转换器模块DAC1282连接，用于完成通道自检.地震仪本地存储模块采用大容量SD卡作为存储设备，与微处理器通过SDIO接口进行连接.GPS定位与同步授时模块通过双UART接口与微处理器连接，为数据采集提供精准的时间服务.微处理器通过SPI1接口连接低功耗无线WiFi模块，用于地震数据的实时监测.通过RMII接口连接有线以太网网口模块，在微处理器上搭建FTP服务器，用于完成地震数据的回收.
为了实现地震仪的低功耗和高精度目标，各个模块的设计方案如下.
2.1.1 模拟信号调理电路设计每台地震仪采集一道地震数据，采集通道彼此之间完全隔离，完全消除了道间串扰的影响.信号输入前端设计一个双向瞬态电压抑制管，组成了过压过流保护电路.保护电路后端设计了模拟开关，采用导通电阻小、开关速度快、功耗低的模拟开关实现采集信号的输入切换.信号经多路模拟开关进入多节π型RC滤波串、并联电路，用以滤除地震信号外的高频谐波和杂波，经滤波后的地震信号最终由A/D进行采样.地震仪集成的地震勘探专用的32位Δ-∑型模数转换器ADS1282，保证了地震数据采集的高精度.Δ-∑型转换器是一种将过采样技术和噪声整形技术相结合的A/D，过采样技术将量化噪声分配到更高的带宽之中，使原始带宽内的量化噪声降低，降低信号的失真度.ADS1282采用连续采集模式，通过SPI接口与控制器连接，当管脚DRDY有效以后SDO口立即开始输出数据，芯片内置PGA，增益范围为1、2、4、8、16、32、64，可以打开和关闭斩波模式，采样率250SPS、500SPS、1000SPS、2000SPS，4000SPS，实际地震工作时，AD内部开启斩波模式，分辨率可达1 μV.由高性能数模转换器DAC1282与ADS1282构成的测试系统，DAC1282输出频率范围为0.5~250 Hz之间，并且震级由模拟和数字控制进行计算.模拟增益和数字增益分别可在6 dB步长和0.5 dB步长内调节.模拟增益设置与ADS1282上用于高分辨率增益下测试的设置相匹配.DAC1282还提供脉冲输出.用户可对脉冲振幅进行编程，然后由引脚做出选择并进行精确计时.通过采用一个外部比特流样式可生成定制输出信号.同步(SYNC)引脚使DAC输出与模数转换器(ADS1282)采样间隔同步.使其非常适合于地震仪采集通道的测试.
采集站开机之后首先进行采集通道测试，由MCU控制DAC1282产生正弦波测试信号，检测系统自身数据采集功能及相关指标参数，自检完成以后通过模拟开关进行切换，开始采集地震信号.在ADS1282前设有一片全差动放大器THS4521，全差动放大器配合ADS1282工作，使其在需要高分辨率、高精度、低功耗以及出色动态范围的地震仪中更好地发挥作用.
2.1.2 地震数据同步授时与存储单元设计地震勘探系统中的各个采集单元之间需要实现同步采集，这样才能保证地震数据的可用性.常用的同步方法包括有线同步、无线同步、GPS同步和原子钟同步.有缆地震勘探系统中常采用的方法是有线同步，控制中心的触发信号通过连接大线触发系统中的地震仪开始工作.此种同步方式在无缆系统中并不适用，无缆系统的同步依靠无线同步技术，其同步信号在无线传输过程中容易受到外界电磁干扰的影响，同步精度不易保证.原子钟是已存的时间获取装置里精度最高的，但是采用原子钟进行系统同步成本较高，无法满足低成本的要求(孙浩等，2015).GPS同步授时技术是现在节点、无线等新型地震仪器中最常用的同步方法(杜长富等，2014).具有采集单元自主同步，同步授时精度高，可以提供位置信息，布设流程简单的特点.考虑到工作方式、同步精度以及实现成本等因素，本系统采用GPS同步授时技术实现系统同步.
图 2所示的时序图中，地震数据采集的起始时间对应PPS信号的上升沿，PPS信号的上升沿每隔一秒出现一次，此后的时钟保持通过晶振完成.SYNC信号是调理后真正的同步信号，严格与PPS信号上升沿对齐，所不同的是使能灵活，结合主控芯片的控制，建立一种灵活控制同步信号的机制，即在需要的时候PPS信号的上升沿可以转换为SYNC信号的上升沿作用于地震仪，在不需要同步的时候，令PPS无法作用到地震仪.利用GPS授时的分布式采集系统在每个采集单元中都内置了GPS模块，用来接收GPS卫星的信号.GPS卫星中装载了高精度的铯原子钟，可在全球范围内提供精确的UTC时间信息.地面仪器接收到GPS信息以后，通过解析GPS数据，转换形成人们习惯的时间信息，利用时间信息给数据文件打上时间戳，达到对仪器授时的目的.
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图 2 GPS同步时序图 Fig. 2 GPS synchronization timing diagram |
地震数据存储采用大容量SD卡，SD卡具有存储介质体积小、存储容量大、数据传送存储速度快等特点.在要求安全性、大容量、高速存储的场合，SD卡是首选的存储介质之一(周国家等，2012).在SD卡中创建数据文件，等待地震数据的写入，文件名由GPS提供的时间信息命名，这样SD卡中的数据文件中存储的将是整秒时刻开始记录的地震数据，数据文件中第一数据点在时域内对应文件名中的时间信息.达到数据同步存储的目的.
2.1.3 数据回收方案地震数据回收是整个地震勘探中的重要组成部分.本文研究的地震仪中集成了以太网PHY控制器，预留了以太网口，通过在地震仪中搭建FTP服务器，实现地震仪和客户端(PC)之间的网络通信，并完成地震数据的下载回收.考虑存储式地震仪数据回收工作的需要，选择性地在地震仪上实现FTP服务器的部分功能，包括服务器登陆、文件路径切换(便于切换到以日期信息命名的文件夹中)、文件显示、文件删除(释放地震仪存储空间)、文件下载(回收地震数据)等，完成地震数据的回收.
采集站采用连续采集工作模式，数据采集结束后，各采集站将数据存储在仪器自带的非易失性海量存储设备中，若采用1 kHz采样率，可连续记录192个小时(8天).在施工任务完成之后，将所有的采集站集中到一起，主控电脑通过以太网交换机回收所有采集站的数据，数据回收通讯架构如图 3所示.
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图 3 采集站与上位机通讯架构 Fig. 3 Communication of station and host computer |
网络通讯是决定地震勘探仪器系统性能和规模的关键核心技术之一，按照所采用的数据传输方式，数字地震仪目前可分为有线遥测地震仪、无线遥测地震仪和无缆存储式地震仪(吴海超等，2012b).随着地震勘探精度的提高和仪器道数的剧增，有线遥测的时代已经过去，无缆化是野外勘探作业便捷性的必然要求.
传统的无缆地震仪没有传输地震数据的通信线缆，采集站将炮点数据存储在内置的存储器中，采集任务完成后使用数据回收系统把炮点数据从所有记录器集中回收至主机中.虽然有部分仪器通过无线系统对所有的记录器发送控制命令，但不通过无线方式监视各个记录器的工作状态及回收数据，无法进行现场实时质量监控，具有封闭性的技术缺陷.而无线遥测地震仪一般只通过无线方式发送指令和回收地震数据，无线传输方式难以保证数据传输的稳定性和可靠性，在电磁干扰或障碍物阻碍等情况下，丢包率更高，多次重发数据容易导致数据传输率变低，影响采集作业的效率.
本文研究的单通道无线存储式地震仪是传统无缆地震仪和无线地震仪的结合，在无缆地震仪的基础上引入了无线质量监控和应急数据回收系统，通过无线系统对地震仪采集站发送指令，对其进行实时控制、测试.并将地震仪和人工可控震源同步，震源作业时，采集站被唤醒并进行采集作业，震源停止工作时，采集站进入休眠模式.这种工作方式大大降低了采集站的功耗，并且没有空采集的时间，后续数据处理工作量也大大降低.数据的回收有采集时的无线回收和本地存储后集中回收两种模式，因为无线传输难以保证100%的可靠性，所以将无线回收数据和本地存储有机结合，为采集作业提供了更多的数据传输选择，提高了数据传输的可靠性.
在实际的地震勘探中，假设测线上的采集站数为n，对单通道采集站来说，每个采集站可采集一道地震信号，则测线总道数S：
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(1) |
设每个采集通道的记录时间为T(单位：s)，每个采集样点的字节数为B，采样率为Fs(单位：Hz), 则每道的记录长度L(单位：字节)：
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(2) |
因此一条测线上传输的总数据量D(单位：字节)：
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(3) |
总数据量取决于B、Fs、T、n，一般情况下采样率设置为1000 sps, 记录时间为1 s, 每个采样点记录4个字节，单个采集站采集的数据量为3 kB, 要求单个采集站的传输速率不低于24 Kbit/s.若每条测线上采集站总数为1000，且按照最大采样率4000 sps来算，则单个采集站的最大传输速率不低于为96 Kbit/s, 而总数据量达到11.7 MB.
由此分析可知，地震数据采集时的数据量比较大，要求数据的实时传输速率高，因此选用合适的无线传输模块至关重要.本文研发的地震仪集成低功耗的RAK型WiFi模块，RAK型WiFi模块是一款完全符合802.11b/g/n无线协议的WiFi模块，功能非常强大，具有如下特性：
(1) RAK型WiFi模块在内部集成了完整的TCP/IP协议栈，使得WiFi模块能够独立运行.
(2) RAK型WiFi模块内部支持多种协议，比如DHCP的SERVER和CLIENT功能，同时支持TCP和UDP协议传输，并且内部支持AP网络模式和Ad-hoc网络模式.
(3) RAK型WiFi模块传输速率也可通过合理配置达到2 Mbit/s，可以编程实现各种组网模式以及数据收发.
由于本文所选单通道的地震仪主控芯片能力有限，因此选择一款具有内部集成TCP/IP协议栈的WiFi模块较为合适，WiFi模块采用MCU+WiFi型设计，其单芯片解决方案极大方便了用户操作.模块系统框图如图 4所示.模块内嵌小型MCU，集成TCP/IP协议栈，预留外设接口.主机通过一个RESET复位键进行对WiFi模块的复位操作，电源管理模块通过对WiFi模块进行3.3 V的电源输入，同时WiFi内部包括时钟管理部分，模块内部自带天线，进行数据发射和接收.
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图 4 WiFi模块的系统框图 Fig. 4 System block diagram of WiFi module |
地震仪与WiFi模块的接口图如图 5所示.模块提供一个中断INT引脚，主机可以通过M_IO_INT引脚快速响应模块数据的通知请求，Reset引脚用来进行对WiFi模块的复位，当数据传输出现故障时，主机通过Reset引脚对WiFi模块进行复位重启操作.
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图 5 WiFi模块接口图 Fig. 5 WiFi module interface |
野外操作员通常要对地震数据资料进行质量鉴定，根据波形显示能及时准确了解现场采集数据的好坏，迅速判断出数据采集的系统工作是否异常，以及系统的道间一致性等性能信息，实现对地震采集资料进行有效的质量控制.上位机系统根据相应指令收到数据后将实时显示地震波形图.
单站单通道地震仪的无线模块使用了两种组网模式：Ad-Hoc组网模式和AP组网模式.在Ad-Hoc组网模式下，上位机软件作为客户端，单通道地震仪作为服务器.在AP组网模式下，上位机软件作为服务器，地震仪单通道地震仪作为客户端.登录界面上位机软件可以选择作为客户端或服务器登录，那么地震数据传输则由上位机软件独立完成，即客户端与服务器之间的数据交互.
当对单个单通道地震仪进行监控时，采用单站单通道上位机与单通道地震仪相互通讯，单通道地震仪作为服务器，手持设备作为客户端连接地震仪的无线信号，其IP地址将有无线设备的DHCP功能自行分配，其工作示意图如图 6a所示.
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图 6 AP组网模式无线监控结构图(a)和Ad-Hoc组网模式无线监控结构图(b) Fig. 6 AP network mode wireless monitoring structure (a) & Ad-Hoc network mode wireless monitoring structure (b) |
当对多台地震仪进行统一监测时，使用中心服务器上位机系统的工作人员，设置大功率AP，查询此时AP中当前接入的单通道地震仪，单通道地震仪中的WiFi模块连入大功率AP，对未接入的地震仪进行单个设置或修正，使其连入大功率AP，地震仪IP地址及端口由大功率AP的DHCP功能自行分配，其工作示意图如图 6b所示.
施工前，上位机即运行上位机软件的设备，对单通道地震仪发送自检指令，逐一校对地震仪是否存在故障，将带故障的地震仪修正或剔除.同时上位机对各个地震仪的采样率、增益等进行统一的查询、修改和设置；震源作业时，上位机即运行上位机软件的设备，唤醒单通道地震仪并进行采集作业；此时上位机监测各个地震仪的状态，通过向地震仪发送命令将当前地震仪的采集数据实时显示在上位机中，观测采集系统工作是否异常并作相应处理；震源停止工作时，上位机发送指令使单通道地震仪进入休眠模式，这种工作方式大大降低了单通道地震仪的功耗，并且没有空采集的时间，后续数据处理工作量也大大降低.
经实际测试，在空旷的野外无线传输距离可达120 m，满足了地震采集站进行无线监控的数据传输距离要求.在上位机端完成地震波形的实时显示以及与采集站的命令交互，命令交互包括采集站采样率、增益的查询与设置以及对采集站运行状态的控制(包括开始采集、停止采集、休眠、唤醒等).这种无线监控方案，实现了对地震数据采集的现场实时质量监控，保证了施工质量和效率.
2.3 智能电源管理方案及关键技术由于野外工作条件限制，一般地震仪通常采用大容量电池供电方式，因而需要电源管理器件将电池电压转换为系统工作电压.为提高电源转换效率，保证整体系统的低功耗和低噪声，本文研究的地震仪使用低功耗和低噪声的思路自主设计了的电源管理集成电路，其主要内容如下：
2.3.1 低功耗设计(1) 功率MOS管的动态优化
变换器的传导损耗与开关晶体管的宽度成反比，开关损耗与开关晶体管的宽度成正比，适当优化开关晶体管的宽度可以降低总的损耗，提高变换器的效率.所设计的变换器内部集成状态控制电路，可根据负载变化情况动态地调整功率MOS管的宽长比，减小功率MOS管的损耗，提高效率.
(2) 优化控制方式
设计采用PFM-PWM(脉冲频率调制和脉冲宽度调制)混合控制方式模式，对于高负载和低负载可以在PFM和PWM控制方式之间自动切换，再结合功率MOS管的宽长比动态调整算法，可以在整个负载范围内达到最优化的效率.
2.3.2 低噪声设计(1) 数字、模拟电源隔离
根据本采集站的实际电源需求，系统模拟部分所需±5 V、+3.3 V、+2.5 V电源，数字部分所需+3.3 V、+5 V、+1.8 V电源，均采用相互独立的集成稳压器模块供电，使仪器的模拟通道、数字通道电源有效隔离.
(2) 金属壳屏蔽
为解决电源模块对仪器模拟通道可能产生的射频干扰，设计中对整个电源板进行了金属壳屏蔽，另外在模拟电源的输出端加入二阶低通滤波器，有效抑制电源纹波.
(3) 电路就近接地
通常，当工作频率低于1 MHz时，可用一点接地方式；当频率在1~10 MHz时，如果采用一点接地，其地线总长度不得超过波长的1/20；反之，则应使用多点接地；当频率高于10 MHz时，应采用多点接地.
地震信号带宽属低频范围，低于1 MHz，但是，考虑到各个有源模拟器件供电电流的回流，应该让有源电子器件的回流通道最短，防止形成较长回流线路而产生地电位差，从而耦合到模拟输入通道，引入干扰.因此，采用多点就近接地方式.同时PCB布线时采用地平面代替地导线，进一步减小地线回路电阻，避免地电位差.
3 技术指标本文所研制的单通道无线存储式地震仪的关键指标如下所示，其中与主流地震仪的几个核心性能指标对比如表 1所示.
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表 1 几种地震仪核心性能指标对比 Table 1 Comparison of key performance indexes of several kinds of seismic instrument |
(1) 采集道：单分量/站；
(2) 采样率：250 sps、500 sps、1000 sps、2000 sps、4000 sps可选；
(3) 程控增益：可选16倍；
(4) AD分辨率：32位(有效位24位以上)；
(5) 动态范围：120 dB；
(6) 噪声水平: < 1.0 μV@1 ms;
(7) 存储容量:大于8 GB/采集站;
(8) 系统功耗: < 0.7 W@采集模式;
(9) 数据回收方式: 100 M以太网;
(10)时间同步方式: GPS与TCXO结合.
(11)数据格式：SEG2、SEGY可选.
4 系统测试(1) 自检测试和震动信号测试
系统上电自检后，控制ADS1282以1 kHz采样率对DAC1282产生的1.4 V，50 Hz正弦波进行采集，自检测试采集到的数据波形如图 7所示.
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图 7 自检测试数据波形 Fig. 7 Waveform of test data |
(2) 在室外进行仪器震动波对比测试实验，采用锤击震源.图 8中分别是吉林大学自主研制的无缆自定位地震仪与本文研发的地震仪采集得到的锤击测试中一次震动信号，由对比波形中可看出，两台地震仪记录的信息基本一致，由此证明仪器工作良好.
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图 8 震动波测试波形图 Fig. 8 Waveform of shock wave test |
(3) 噪声水平测试
测试系统的噪声水平首先计算直流漂移，其中x(n)为各个采样点的数值，N为采样点数, 这里N=T/TS，TS为采样间隔，T为采样时长，直流漂移为
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(4) |
噪声的有效值为：
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(5) |
根据式(4)和式(5)以1000 sps的采样率为例进行短路噪声测试，得到图 9所示系统短路噪声水平的测试结果.
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图 9 输入短路时记录的采集站噪声测试 Fig. 9 Noise test of acquisition station recorded at short circuit |
在地震勘探中，地震仪采集站的性能决定着采集数据的质量，有缆地震勘探系统依靠连接大线工作，这种工作方式导致勘探成本长期居高不下.为了降低勘探成本，无缆地震勘探系统成为实现勘探低成本化的新途径.本文设计的地震仪所采用的各种器件均是性价比较高的器件，保证了地震仪整体的低成本和高性能；同时各硬件模块均采用低功耗的思路进行设计，保证了地震仪的低功耗；地震仪采用32位高精度的A/D转换芯片，同时软件设计滤波算法，保证了地震仪采集数据的高精度.
本文研制的地震仪以其低功耗、高精度、低成本以及利用无线通讯技术进行质量监控的特点，搭配不同检波器，可应用于普通折射与反射地震勘探、微动勘探领域、地球背景噪声研究等复杂环境下大道数、高密度、宽方位的地震勘探中.
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