文章信息
- 王书纯, 黄用勤, 葛健, 陈珺
- WANG Shuchun, HUANG Yongqin, GE Jian, CHEN Jun
- 高精度分布式面波地震仪
- High precision distributed surface wave seismograph
- 中国测试, 2018, 44(6): 66-70
- CHINA MEASUREMENT & TEST, 2018, 44(6): 66-70
- http://dx.doi.org/10.11857/j.issn.1674-5124.2018.06.013
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文章历史
- 收稿日期: 2018-01-12
- 收到修改稿日期: 2018-02-11
地震法是基于地震波的折射或反射原理,利用地下介质的弹性差异来实现目标探测,目前是地球物理工程勘探的主要方法之一[1-4],在大型基建工程中得到广泛应用。传统的地震仪是利用人工震源产生的地震波在地下介质传输过程中,在波阻抗界面形成反射或者折射来进行探测。该类地震仪对波阻抗差异较小的地下介质的分辨率较低,特别是折射法的应用前提是要求上层介质的波速小于下层介质的波速。对此,面波法被提出来改进传统方法的不足。面波是介质分层处由横波和纵波互干涉形成的合成波,主要在地表传播,因此能量较强;且利用其频散特性,可同时对地震波在地层中的运动学和动力学进行分析,因此具有更高的分辨率,且受到的限制也更少[5-6]。所以,有必要开展基于面波法的地震仪研究。
与传统地震仪可采用炸药等方式产生强人工震源不同,面波地震仪主要面向工程现场应用。为保证安全,震源只能采用重锤产生,因此所产生地震波信号较微弱,同时也特别容易受到周围振动噪声的影响,这就对仪器在强干扰背景下的微弱信号检测能力提出了更高要求,虽然部分单位通过弱信号提取电路的优化来改善这一问题,但效果并不明显[7-8]。其次,面波主要是利用地震波在不均匀土层中的频散特性来划分介质结构,因此要求仪器具有宽带接收能力。针对上述问题,本文设计一种面向工程应用的高精度分布式面波地震仪,可以满足面波法对仪器的特殊需求:通过采用数字检波器以提高地震波信号的检测带宽;通过纯数字滤波与采集设计,来提高强干扰背景下的弱信号提取能力。
1 系统设计基于面波地震法的探测原理,分布式面波地震仪的系统设计如图1所示,主要由数字面波检波器阵列、数据采集节点、控制中心站组成,该阵列的长度即为检波器间距的总和。
在仪器启动后,首先由人工操作重锤产生震源,触发数据采集节点通过数字检波器阵列进行数据处理和模数转换。然后,利用无线传输模块将数据实时传输到控制中心的PC机进行进一步处理,由于检波器接收到的地震波信号同时包含了反射波、折射波以及面波,通过设置合适的采样启动时间即可提取到面波信号。最后将面波信号进行频散处理得到地层信息。
2 仪器设计 2.1 数字面波检波器在经典的地震折射法或反射法中,信号频谱单一、作业背景干扰较少,因此一般采用传统的模拟检波器(如电磁感应式、压电式等)即可满足要求[9-11];而面波则要求检波器具有大动态范围、宽频带响应能力。为此本文设计了基于闭环结构的数字检波器,传感器结构如图2所示。
该传感器直接以电信号的平衡变化来检测地震波信号,主要包括MEMS加速度传感器、伺服电路、静电力反馈3部分。利用加速度传感器中的质量块,可将振动加速度信号转换为电容比变化信号;伺服电路则将电容比信号转化为可测的加速度电信号,并利用∑-Δ单元将其进一步转化为数据流;静电力反馈则是用于将加速度电信号作为输入,迫使质量体恢复为平衡状态。该传感器的动态范围大于120 dB,频响大于600 Hz,等效输入噪声小于900 ng(RMS,600 Hz带宽内),失真度低于0.003%。
在检波器布置中,应保证阵列长度不小于目标深度;同时在施工现场周围应尽可能远离墙体,以降低地震波反射或折射的可能性。
2.2 分布式数据采集节点由于数字面波检波器直接输出的是数字信号,与模拟检波器相比,并不需要信号调理电路。但仍然需要对一位数据流信号进行数字滤波[12],同时将其变化为24 bit的并行数据;此外,由于面波通常要求的检波器数量较多,数据处理难度大。对此,本文设计一种基于FPGA的数据采集节点,如图3所示。
每个数据采集节点通过有线的方式可挂载5个数字检波器,安装在重锤上的触发器可以检测到震源发出人工地震波信号,并触发控制器开始数据采集和处理;节点控制器采用低功耗的STM32,用于数字滤波器的参数配置,并将处理后的数据通过4G通信模块,发送到控制中心站。
2.2.1 数字滤波器由于在面波信号的采集中,检波器虽然会对面波以外的信号进行有效抑制,但仍还会引入转换波、纵横波以及作业现场周边的机械振动信号,因此数字滤波器不仅要实现1 bit数据流到24 bit并行数据的抽取转换,还要对上述干扰进行抑制。数字滤波器的结构如图4所示。
通常,抽取滤波器可以用FIR半带滤波器或CIC滤波器来实现[13]。对于CIC滤波器,其特殊结构使该类型滤波器主要面向于采样速率远远大于信号频率的情况;而对于FIR半带滤波器,其通阻带对称性使该滤波器在2倍抽取和内插滤波器中较为适用。此外,为了满足抽取倍数要求,也可以通过滤波器串联的方式来实现。但由于面波信号主要集中在地震波的高频段10~100 Hz,当检波器数量较多时,运算量很大,一般的单片机难以满足运算要求,本文采用FPGA实现数字滤波器算法,以满足快速处理要求,设计的多相分解结构的抽取数字滤波器如图5所示。
由于在工程现场也有可能存在起重器、打桩机、压路机等带有大量振动噪声的设备,因此在实现抽取后,还要进行有针对性的背景噪声抑制。由于通常振动噪声的频带集中在5~10 Hz之间,因此本文利用FIR滤波器的IP核实现了振动噪声陷波器的设计,其阻带为3~12 Hz,增益大约为-40 dB。
在背景噪声抑制的基础上,针对反射波和折射波,本文设计了带宽为600 Hz的带通滤波器,以进一步提高面波信号的信噪比,该滤波器利用Matlab中的FDAtool工具来实现。在设计过程中,首先对滤波器的带宽、阶数、窗口类型进行配置,然后利用Simulink进行性能分析,最后利用DSP Builder来生成相应的Verilog语言。
由于每个采集节点可同时挂接5路检波器,因此当对多路24 bit数据进行处理时,由于STM32的并行处理有限,因此必须保证处理带宽足够高,否则会出现数据丢包现象。对此,本设计提出了一种基于FIFO和SDRAM结合的数据缓存结构。
2.2.2 控制板控制板主要实现数据采集站的控制和数据传输。由于面波数据量较大,因此传统的高频通信在现场容易受到小型电台等信号源的干扰,而GPRS通信难以满足速率和带宽要求,因此本设计采用了最新的4G模块U8300来进行数据传输。该模块主要包含射频单元、模拟基带单元、数字基带单元,其下行速度可达100 Mb/s,上行速度可达50 Mb/s。可配置为GSM、GPRS、CDMA、TD-SCDMA、LTE等模式,对网络适应能力较强。由于采用的AT指令集,因此通信操作较为简单。U8300的复位有RESET引脚复位、AT指令复位两种模式。为了尽可能提高仪器在现场的待机时间,可通过AT指令“AT+CFUN=1”将4G模块设置为飞行模式。
3 控制中心站软件分布式数据采集节点所获取的数据经由4G模块传输到控制中心站,并由中心控制软件来实现数据采集的控制和处理显示。软件的人机交互界面主要分为频散曲线显示区、采集参数配置区、文件存储区。软件工作流程如图6所示。
4 测 试
为验证本仪器的探测性能,将本文研制的仪器在某高层建筑地基施工现场进行了测试,测试结果如图7所示。图7(a)为面波(S波)偏移剖面,图7(b)为相应的反演结果,根据反演结果可以在地下13~40 m、43~76 m范围内分别看到清晰的覆盖层与半风化层、半风化层与基岩间的分层界面,该结果与直接打钻结果基本一致,验证了本文仪器的功能。
5 结束语本文针对传统折射波或反射波地震法存在的问题,在面波法探测理论的基础上,设计了一种高准确度分布式面波地震仪,该系统具有接收信号能量强、人机交互简单友好、对地下分层信息分辨率高等优势。利用该系统在某高层建筑地基施工现场进行了实际测试,测试结果表明仪器采集数据处理后的反演结果与地下分层信息基本一致。该系统在大型水电站、高速铁路、超高层大楼等工程中具有一定的应用前景。
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