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在石油地震勘探中, 地震仪通过地震检波器采集信号。地震检波器是为了接收和记录地震波而设计的一种精密的机械、电子组合装置, 是地震勘探数据采集中的重要环节, 其性能好坏直接影响地震记录质量和地震资料的解释工作。光栅传感技术的发展为检波器的设计提供了有力的手段, 但其采集振动信号后的处理系统尚不完善。FPGA 技术为光栅地震检波器信号采集和实时处理提供了有利的条件。
1 光栅地震检波器的工作原理
光栅地震检波器主要由光源( 白光或单色光) 、准直镜、光电池、指示光栅( 副光栅) 、光栅谐振子( 主光栅) 组成。光栅谐振子( 主光栅) 为检波器的可动部分, 由上弹簧片和下弹簧片支撑。工作时, 检波器外壳通过检波器尾钉与大地连接并固定, 当大地受到震源激发后, 地震波传至地面引起地面震动, 检波器外壳也随之震动。而光栅振子由于弹簧片的弹性和本身的惯性, 有保持绝对不动的趋势, 从而产生了光栅振子与外壳的相对运动, 也就是说光栅副中的主光栅与指示光栅之间产生了相对运动。两块叠放在一起的光栅具有了相对运动也就会产生与之相对应的莫尔条纹, 从而在相位差为90°的四个光电池上产生莫尔条纹的变化, 于是光信号被转化为电信号,再经差分放大后形成两路相位相差90°的正弦或余弦波信号[1]。
2 信号分析系统设计
光栅地震检波器信号分析系统如图1 所示。有四路信号需送入FPGA: 两路相位差为90°的正弦信号、一路方波信号、一路辨向方波信号。方波信号由整形电路产生, 用来对整周期的莫尔条纹计数。辨向方波信号由四细分及辨向电路产生, 高电平时进行加计数, 低电平时进行减计数。两路相位差为90°的正余弦波信号为模拟信号, 需用A/D 转换器转化为数字量才能送入FPGA 进行细分运算。
2.1 信号采集与AD 转换
FPGA 是在PAL、GAL、EPLD 等基础上进一步发展起来的一种可编程逻辑器件。本系统中选用的FPGA 是Xilinx 公司的Spartan3E 系列FPGA 器件XC3S500E, 其中有10476 个逻辑单元, 20 个位乘法器, 360kbits 的Block RAM, 73kbits 的分布式RAM,4 个数字时钟管理单元(DCM) , 92 个最大差分I/O对, 232 个单端I/O, 资源丰富, 成本低廉, 适合于低成本应用场合。
A/D 转换接口控制是在FPGA 内部用PicoBlaze软核实现的。PicoBlaze 处理器是一个小巧、实用、性价比很高的嵌入式8 位RISC 微控制器。PicoBlaze处理器通过软核形式完全嵌入在目标FPGA 中, 不需要提供其他外部资源, 极其灵活。并可以通过附加一些小的逻辑将处理器的输入和输出端口等进行连接, 使得基本功能可以很容易地扩展和增强。
本系统中使用的模数转换器LTC1407A 是14位、3MHz 串行AD, 它的两通道差分输入以1.5MHz/s速率同时采样。高采样速率、低电源功耗和较小的封装使得LTC1407A 适合高速率便携式采样应用。AD转换模拟锁相环如图2 所示。
LTC1407A 在CONV 脉冲的上升沿对两输入信号进行同步采样并以1.5MHz/s 的速率进行AD 转换, 在32 个时钟周期内串行输出两组数据。转换公式 ，其中: DO 是14位转换值; Gain 为增益;  是输入模拟电压。
2.2 数据存储
采集到的数据暂存在FPGA 内部的Block RAM中, 为了避免因数据发送和接收速率不同而造成的数据丢失、覆盖等问题, 系统中设计了基于双端口BlockRAM的数据宽度为16 位, 深度为1K 的异步FIFO( first in first out) 存储控制器[2, 3], 即先进先出堆栈。
2.3 数据分析
由于振动信号中包含了一些不规则波形, 为了高系统的检测精度, 不完整的正弦波需要进行细分计算, 然后与整波形相加才能完成对振动信号特征的提取还原。在方波脉冲的上升沿进行整周期的莫尔条纹计数, 当振动发生换向时, 会有非整周期的莫尔条纹出现, 本文运用软件细分法计算出非整周期的振动值并累加到基数上, 从而完成振动的测量。
在幅度调制中, 如果信号的振幅恒定, 就可以通过AD 转换器用微处理器确定位移。但实际信号的振幅是随电源波动、光强等因素的影响而变化的。经过分析发现, 莫尔条纹的正弦量和余弦量的比值, 即 (其中A 表示振幅, θ表示相角) ,基本上消除了振幅A 波动的影响, 同时又隐含了确定的位移量。具体细分原理如下: 首先以光栅正弦信号和余弦信号的过零点及它们的绝对值相等的点为界点, 将一个光栅周期分成8 个各占45°相位角的区域, 并通过软件造表和查表的方法将这8 个区域的基数分别定为0、10、20、30、40、50、60、70。在每个小区域内根据计算结果的大小查表得在相位角的区域内0～9 内的细分值。根据规则查找区域基数值0、10、20、30、40、50、60、70, 再将区域基数值与区域内细分值合并, 便实现对一个周期进行80 倍细分。
设 为端点1 处细分值, 则在该相位角对应的细分值为
对于不同的45°区域 为单值函数,在基数为0、20、40、60 的区域内, 比值tanθ为增函数, 而在基数为10、30、50、70 的区域内, 比值cotθ为减函数。设k 为基数值, 则在不同象限的细分值应为[4]
细分流程如图3 所示。
3 测试数据
在FPGA 控制的数据采集系统中, 改变放大器的增益和输入电压值时, 液晶屏上会随着增益和输入电压值的变化显示出不同的AD 转换值, 表1 列出了部分测试数据。
实验数据表明, 该采集系统工作稳定、可靠、转换精度较高, 而后续的信号处理系统在80 倍细分的条件下, 可以使光栅地震检波器的测量精度达到0.125nm。
4 结语
基于FPGA 的光栅地震检波器信号处理系统将光栅传感技术用于检波器, 充分发挥了光栅数字地震检波器精度高、抗干扰能力强、FPGA 控制数据采集和转换速度快、处理功能强的特点。在对采集到的信号进行分析时, 使用了软件细分的方法, 克服了硬件细分电路复杂、易引起噪声的缺陷, 有效地减小了电路板的面积。但是由于运用硬件描述语言Verilog不能直接进行三角函数计算, 所以本系统在细分运算中计算反正切值时采用的是查表方法, 这使得计算精度有所下降。在以后的研究中可以使用CORDIC 算法计算反正切值, 来进一步地提高计算精度。
参考文献:
[1] 李淑清, 南忠良, 等. 光栅微振动测试传感技术的研究[J]. 纳米技术与精密工程, 2004, 2( 2) : 157- 162.
[2] 熊红兵, 陈琦.基于FPGA 的异步FIFO 设计与实现[J].微计算机信息, 2006, 6( 2) : 216- 218.
[3] 亿特科技. CPLD/FPGA 应用系统设计与产品开发[M].北京: 人民邮电出版社, 2005.
[4] 李淑清, 诸葛晶昌, 等.光栅数字地震检波器采集存储与离线分析系统的设计[J].天津科技大学学报, 2006, 21( 3) : 49- 52.
作者：王冠雅，李淑清 |
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