1. 引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，并應(yīng)用到地震勘探領(lǐng)域，同時(shí)也提高了探測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的水平。在交通領(lǐng)域[1] [2]、建筑領(lǐng)域[3] [4]、海洋領(lǐng)域[5] [6]以及礦山領(lǐng)域[7] [8]普遍存在著地震勘探，對(duì)我國(guó)甚至世界查找資源、地質(zhì)普查以及安全預(yù)報(bào)做出卓越貢獻(xiàn)。但是，用于分析地震勘探數(shù)據(jù)的理論和系統(tǒng)雖然已逐漸完善，但是，作為地震勘探中最關(guān)鍵的部件，地震檢波器的發(fā)展較慢。目前，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用得比較廣泛的地震檢波器種類是模擬地震檢波器[9]，它是運(yùn)用電磁感應(yīng)的方式將地震波的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并進(jìn)行模擬傳輸。它存在精度不高、靈敏度低、頻響范圍小的缺點(diǎn)，滿足不了日益發(fā)展的地震勘探的需要。在數(shù)字地震檢波器的應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，主要由部分大學(xué)、檢波器廠家和科研院所在進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)，但目前大都處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，還沒有成熟的相關(guān)產(chǎn)品大范圍地投入實(shí)際應(yīng)用[10]。由此可見，開發(fā)一種高精度、高靈敏度、寬頻帶穩(wěn)定可靠的地震檢波器勢(shì)在必行。

2. 地震檢波器總體設(shè)計(jì)

2.1. 地震檢波器組成

Figure 1. Block diagram of MEMS-based wireless digital seismic detector

圖1. 基于MEMS的無線數(shù)字地震檢波器結(jié)構(gòu)框圖

基于MEMS的無線數(shù)字地震檢波器由MEMS傳感器板、放大采集板、FPGA控制主板、無線觸發(fā)接收板、無線WIFI模塊板和供電電源電路組成的。它的功能包括接收觸發(fā)信號(hào)并感知地震信號(hào)，并把此信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理后，轉(zhuǎn)換成地震數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)該地震數(shù)字信號(hào)，同時(shí)可把地震數(shù)字信號(hào)以無線WIFI方式傳輸給與之關(guān)聯(lián)的地震主機(jī)。另外，基于MEMS的無線數(shù)字地震檢波器也可以通過無線WIFI接收地震主機(jī)傳來的參數(shù)和命令?；贛EMS的無線數(shù)字地震檢波器組成如圖1所示。

2.2. 地震檢波器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與對(duì)策

基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于：1) 微弱信號(hào)的獲?。何⑷跣盘?hào)低至幾百納伏，而干擾信號(hào)與之相比要大得多，消除干擾信號(hào)尤為重要；2) 低功耗設(shè)計(jì)：本檢波器野外連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，而供電電池容量有限，必須采用低功耗設(shè)計(jì)；3) MEMS傳感芯片安裝設(shè)計(jì)：要保證MEMS傳感芯片獲得高精度微弱信號(hào)，必須設(shè)計(jì)有與該MEMS芯片具有很好的耦合的固定機(jī)構(gòu)；4) 傳感器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：合理設(shè)計(jì)線路板，布置各個(gè)部件得當(dāng)，降低部件及器件間的相互干擾；5) 無線通訊設(shè)計(jì)：由于本檢波器要求低噪聲、低功耗、高精度和體積的小設(shè)計(jì)，致使無線傳輸功率比較小，設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)傳輸距離和傳輸速率進(jìn)行合理平衡。

針對(duì)以上難點(diǎn)，應(yīng)對(duì)的方法有：1) 芯片選擇低噪聲，相關(guān)信號(hào)芯片必須是高精度、低溫漂。設(shè)計(jì)有去除干擾信號(hào)專用電路。電源設(shè)計(jì)有RC濾波電路；2) 在充分滿足性能和功能的要求下，選擇低功耗芯片和功能模塊，同時(shí)也采用低功耗電路設(shè)計(jì)，保證連續(xù)工作時(shí)間超過12小時(shí)；3) MEMS傳感芯片耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)MEMS傳感芯片形狀大小在外殼內(nèi)底部中心挖一個(gè)與該傳感芯片大小相符的方坑，安裝時(shí)把傳感芯片緊密嵌入方坑，安裝后使傳感芯片緊密耦合傳感器外殼底部，感知微弱信號(hào)；4) 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：將傳感器線路板分為三個(gè)部分：傳感芯片及模擬信號(hào)處理模塊，數(shù)字處理模塊以及無線通訊模塊，做到模擬電路、數(shù)字電路以及通訊高頻電路分開，降低干擾信號(hào)。

2.3. 地震檢波器工作原理

首先，本檢波器和關(guān)聯(lián)的地震主機(jī)聯(lián)機(jī)后，接收地震主機(jī)傳輸?shù)膮?shù)和命令，在FPGA控制主板的控制下，對(duì)放大采集板進(jìn)行增益、采樣間隔、采樣點(diǎn)數(shù)以及各部件初始化設(shè)置，之后進(jìn)入等待接收無線觸發(fā)接收板傳來的觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)立即啟動(dòng)采集工作，MEMS傳感器板感知地震信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，此信號(hào)經(jīng)過放大采集板的放大、濾波和緩沖放大電路的信號(hào)調(diào)理，并在FPGA控制主板的控制下，通過放大采集板24位AD采集電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)，同時(shí)利用無線WIFI模塊板把所采集的地震數(shù)據(jù)傳輸給地震主機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和顯示。

2.4. 地震檢波器的技術(shù)指標(biāo)

Table 1. Technical specifications of MEMS-based wireless digital seismic detector

表1. 基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器技術(shù)指標(biāo)

基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器整體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

3. 地震檢波器硬件設(shè)計(jì)

3.1. MEMS傳感器板

MEMS傳感器板核心芯片選擇美國(guó)模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的ADXL203加速度芯片，它是一款具有高精度、高靈敏度、低噪聲、低功耗的iMEMS型雙軸加速計(jì)，性價(jià)比極高，其基本性能完全滿足本檢波器設(shè)計(jì)的要求。由于ADXL203芯片只有兩軸，滿足不了三軸的要求，現(xiàn)采用兩片ADXL203，通過結(jié)構(gòu)和電路上的合理設(shè)計(jì)，完全可以滿足三軸的要求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

Figure 2. Schematic of triaxial detector using two ADXL203 chips

圖2. 兩個(gè)ADXL203芯片實(shí)現(xiàn)三軸檢波器結(jié)構(gòu)示意圖

在圖2中，MEMS傳感器板由兩塊板組成的，一塊ADXL203板橫向布置，簡(jiǎn)稱橫板，另一塊ADXL203板縱向布置，簡(jiǎn)稱豎板。其中，橫板規(guī)定為X軸方向、Y軸方向采集信號(hào)，豎板規(guī)定為Z軸方向采集信號(hào)，這樣就可完成三軸功能。無論是橫板，還是豎板，ADXL203傳感器的基本電路原理圖如圖3所示。

Figure 3. Basic circuit diagram of the ADXL203 sensor board, (a) horizontal board schematic, (b) vertical board schematic

圖3. ADXL203傳感器板基本電路原理圖，(a)橫板原理圖，(b)豎板原圖

3.2. 放大采集板

放大采集板電路包括前置放大電路和A/D采集電路。前置放大電路1的前端是RC差模共模電路，對(duì)MEMS傳感器板X軸輸出的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行抗干擾濾波，后經(jīng)過放大及二階低通濾波進(jìn)行信號(hào)放大濾波后，再經(jīng)過單端轉(zhuǎn)差分濾波匹配電路輸出到AD采集電路1轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在FPGA控制主板存儲(chǔ)器中。放大采集板電路原理圖如圖4所示。

Figure 4. Basic circuit diagram of the amplification and acquisition board

圖4. 放大采集板基本電路原理圖

在圖4中，放大器選擇美國(guó)模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的一款高精度、低噪聲、低失調(diào)以及低功耗的儀表放大器AD8231，增益×1、×2、×4、×8、×16、×32、×64、×128，并可編程控制。采集器選擇美國(guó)模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的一款高精度、低噪聲、低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7766，精度24位，采樣率125 KHz。這兩款芯片完全滿足基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器設(shè)計(jì)要求。

3.3. FPGA控制主板

FPGA控制主板核心芯片選擇美國(guó)Altera公司生產(chǎn)的CycloneⅣ系列EP4CE22F17C8。主要包括EP4CE22F17C8控制器、FLASH存儲(chǔ)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制接口、放大器增益控制接口、無線觸發(fā)接收板接口、WIFI模塊板接口、電源電路以及3.7 V電池輸入接口，其組成如圖5所示。從圖中可以看出，除了電源部分，其余均由FPGA芯片EP4CE22F17C8控制。

Figure 5. Block diagram of the FPGA control mainboard

圖5. FPGA控制主板基本組成框圖

3.4. 無線觸發(fā)接收板

無線觸發(fā)接收板核心是無線觸發(fā)接收模塊，其接收到的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過放大電路、絕對(duì)比較電路和觸發(fā)混合信號(hào)輸出電路后，F(xiàn)PGA控制主板接收到觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)采集地震信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)是模擬信號(hào)，傳輸極快，從發(fā)出觸發(fā)信號(hào)至采集開始這段時(shí)間極短，不超過20 uS，這為不同檢波器的同步采集提供至關(guān)重要的基礎(chǔ)。無線觸發(fā)接收板基本原理圖如圖6所示。

Figure 6. Basic circuit diagram of the wireless trigger receiver board

圖6. 無線觸發(fā)接收板基本電路原理圖

3.5. 無線WIFI模塊板

Figure 7. Basic circuit diagram of the wireless WIFI module board

圖7. 無線WIFI模塊板基本電路原理圖

無線WIFI模塊板核心是WIFI模塊，完全遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的WIFI協(xié)議，在FPGA控制主板的控制下，負(fù)責(zé)與相關(guān)的地震主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率1000 Kbps。無線WIFI模塊基本原理圖如圖7所示。

3.6. 供電電源設(shè)計(jì)

電源供電部分采用適配器和內(nèi)部電池雙供電，當(dāng)在野外施工時(shí)，適配器不能供電，內(nèi)部電池開始供電。內(nèi)部電池工作時(shí)間一般不超過12個(gè)小時(shí)，電源設(shè)計(jì)示意圖如圖8所示。

Figure 8. Block diagram of the power supply design

圖8. 供電電源設(shè)計(jì)框圖

4. 地震檢波器軟件設(shè)計(jì)

基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化程序編程、信號(hào)處理程序編程(包括放大增益設(shè)置程序和DSP濾波程序)、數(shù)據(jù)采集控制編程、數(shù)據(jù)存取編程(FLASH讀取控制程序)以及無線通訊程序編程。當(dāng)基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器工作時(shí)，其整體地震信號(hào)數(shù)據(jù)采集控制程序編程框圖如下圖9所示。

Figure 9. Block diagram of the seismic signal data acquisition design

圖9. 地震信號(hào)數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)框圖

5. 地震檢波器測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器的性能和功能是否能達(dá)到預(yù)期要求，進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試(如圖10所示)和野外測(cè)試(如圖11所示)來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的地震檢波器是否能正確接收到地震波。

Figure 10. Schematic of indoor testing

圖10. 室內(nèi)測(cè)試示意圖

Figure 11. Schematic of field experiment

圖11. 野外實(shí)驗(yàn)示意圖

圖12所示是在室內(nèi)用相同大小的震源，分別在距離0.3 m、0.6 m以及0.9 m處的振動(dòng)試驗(yàn)得到的時(shí)域波形。

Figure 12. Time domain waveform of seismic waves

圖12. 地震波時(shí)域波形

從室內(nèi)和室外對(duì)本設(shè)計(jì)的基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器測(cè)試結(jié)果分析，其功能和性能滿足設(shè)計(jì)的要求。

6. 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹并設(shè)計(jì)了一款基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)主要包括MEMS傳感器板、放大采集板、傳感器主板、無線觸發(fā)接收板、無線WIFI模塊板和供電電源設(shè)計(jì)等部分。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)如下：

1) 微弱信號(hào)獲?。篈DXL203傳感器能夠感知微弱的地震波并輸出低至1 μV的信號(hào)，因此在設(shè)計(jì)過程中，信號(hào)的獲取和干擾的排除成為主要挑戰(zhàn)。通過優(yōu)化芯片選型、線路板的合理設(shè)計(jì)和合理的擺放結(jié)構(gòu)，提高了信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2) 低功耗設(shè)計(jì)：為實(shí)現(xiàn)電池供電12小時(shí)持續(xù)工作，系統(tǒng)采用了低功耗設(shè)計(jì)策略。AD8231儀表放大器、AD8476緩沖放大器和AD7766模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇，不僅保證了高精度、低噪聲和低功耗，還在不同環(huán)境下具備穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。

3) 高精度和高靈敏度：系統(tǒng)采用高精度放大器和24位高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱地震波信號(hào)的準(zhǔn)確捕捉和數(shù)字化處理。這樣設(shè)計(jì)確保了信號(hào)的高靈敏度和數(shù)據(jù)采集的高效率。

4) 無線通訊：利用WIFI模塊進(jìn)行信號(hào)的無線傳輸，增強(qiáng)了系統(tǒng)的便攜性和實(shí)用性，適應(yīng)了現(xiàn)代地震勘探的需求。

綜上所述，本系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)代地震勘探中對(duì)高精度、高靈敏度和低功耗的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于MEMS無線數(shù)字地震檢波器。其創(chuàng)新點(diǎn)在于解決了微弱信號(hào)的獲取與傳輸、低功耗設(shè)計(jì)及高效無線通訊等技術(shù)難題，具有廣泛的應(yīng)用前景。

NOTES

*通訊作者。