数字地震仪关键技术研究.pdf
哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
在地球物理勘探中,主动源地震勘探是能源矿产勘探、地质环境检测等应
用领域的高效方法。其中,地震仪作为地震勘探中重要的工具被广泛研究。随
着待勘探地区地质条件越发复杂多样,传统地震仪面临布线繁琐、供电困难等
问题,对环境适应性也不强,采用新一代信息技术设计的数字地震仪有效的解
决了这些难题。针对地震勘探任务中对于地震仪在数据采集精度、时间同步稳
定性和续航能力等方面的需求,以及目前地震仪存在的不足,对数字地震仪的
关键技术进行了研究,主要内容如下:
第一,地震勘探过程中地震仪的应用研究。根据国内外地震仪的发展历程
和研究现状,总结了目前国内外学者针对地震仪的研究主要集中于三个方面,
即数据采集单元性能的提升、高精度的时间同步系统和仪器电源管理及低功耗
设计。从指标分析及测试和软硬件设计方面,论证了各技术方案的可行性。
第二,地震数据采集技术及测试方法。对数据采集单元中的动圈式检波器、
32位Δ-Σ型模数转换器ADS1281等关键器件进行介绍。分析了数据采集单元
中存在的噪声干扰,结合屏蔽技术、接地技术对噪声源进行消除和抑制,设计
了差分输入二阶抗混叠滤波预处理电路。研究了数字地震仪关键性能指标测试
方法和原理,分别针对最大输入信号、等效输入噪声、动态范围、总谐波失真、
道间串音、以及共模抑制比等参数,设计了测试方案。
第三,基于授时中心授时的高精度时间同步技术。针对地震勘探后期地震
数据反演过程中存在的时间同步问题,结合GPS的定位授时原理,设计了基于
GPS接收机和32位计数器的时间同步硬件结构,使用有源温补晶振对仪器内
部时钟进行时间校准。固件方面,调整了MiniSEED地震数据的时间戳格式,
设计了基于GPS接收机串口报文信息、PPS秒脉冲中断和单片机内部定时器的
高精度授时程序。
第四,地震仪电源管理与低功耗技术。对CMOS型电路的功耗组成进行分
析,基于CN3763充电管理芯片和单片机内部12位模数转换器设计了三节串联
锂电池充电管理和耗电监测电路。结合地震仪在野外连续工作时长的需求,从
电平转换及控制和仪器运行状态两方面,进行了低功耗设计。
最后,基于上述关键技术,对设计的地震仪样机进行指标对比分析与功能
测试。实验结果表明,仪器各指标均满足预期设计要求,其中等效输入噪声小
于5μV,与现有地震仪相比平均降低3.279μV;授时信号的时间、空间同步误
差小于1μs;数据的同步能力为10μs;500SPS采样率下平均功耗为614mW。
关键词:主动源地震勘探;数字地震仪;时间同步技术;低功耗设计;二阶抗
混叠滤波
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哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Ingeophysicalexploration,activesourceseismicexplorationisanefficient
methodforenergyandmineralexploration,geologicalenvironmentdetection,and
otherapplicationfields.Amongthem,seismometersarewidelystudiedasimportant
toolsinseismicexploration.Withtheincreasinglycomplexanddiversegeological
conditionsintheareastobeexplored,traditionalseismometersarefacingproblems
suchascumbersomewiringandpowersupply,andtheiradaptabilitytothe
environmentisnotstrong.Digital