SEAL系统中野外数字单元的测试原理和方法

代功军

(中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海　200120)

SEAL系统中野外数字单元的测试原理和方法

代功军

(中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海200120)

摘要：：在地震仪器的野外组成部分中FDU(野外数字单元)是其一个重要的组成部分，FDU工作状态的好坏也直接关系到地震数据的采集质量。本文从FDU的结构和工作原理出发，从FDU的噪声、增益和相位、畸变、共模抑制及串音等方面系统的阐述了地震仪器中对FDU的测试原理和测试方法，对野外施工中正确测试、快速判断和排除FDU故障，提高数据采集质量有极大的帮助。

关键词：野外;数字单元；模数转换；测试网络

中图分类号：P631.41

文献标识码：A

文章编号：1009-282X(2015)06-0024-06

收稿日期：2015-03-06

作者简介：代功军(1978-)，男，物探工程师，2003年毕业于河南师范大学计算机科学与技术专业，2004年结业于中国地质大学物探专业，现任中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司仪器操作员，上海市浦东新区东塘路240号，Tel：021-68466173，13903731947，E-mail：dgj529@126.com。

1FDU的结构和工作原理

FDU的元器件分布在一块电路板的上下两个面上，其主要元件分布如下图1所示。FDU由电源、EEPROM存储器和SIGMA DELTA、FDU-IN、FDU-COM三个集成片组成，这五部分的主要功能为：① Power supply:为板上的模拟电路部分产生6.3V电压和为数字电路部分产生2.7V电压。②FDU INT:是再形成信号，包括两个锁相环用于同步FDU。③FDU COM:是管理和LAU之间的通讯，数据处理：执行数据从频率256Hz转到4Hz的十进制格式和管理其他功能。④SIG DEL: 是把检波器的模拟信号转换为256kHz的数字信号，它也包括被LAU所控制的数模转换，常常用在野外和内部检测上。⑤ EEPROM：被FDU COM管理，存储FDU的ID号和校验参数。

FDU在接收到来自电缆的电压后就被唤醒，它会把检波器的模拟信号转换为数字信号发送到LAU。FDU加电后自动初始化四个部分：① DDU-INT的锁相环被8.192MHz的数据时钟同步。②FDU-COM检查数据帧的开始，fdu现在可以解释命令。③FDU可以被任意方向连接，在连接主动和被动的一对鬼对(ghost pairs)上启动一个自动的内部定位。④ 初始化检测，包括野外和内部。检测发生功能是由DAC数模转换成的一个模拟信号来执行的，这个数字信号是以0.25ms采样率(256kHz)存储在LAUM的闪存里。图2a是FDU测试的简化电路：当从HCI工作站发出仪器测试指令时，每一个涉及的FDU进行工作的示意图；图2b是检波器测试的简化电路：当从HCI工作站发出仪器测试指令时，每一个涉及的FDU进行工作的示意图。

图1　FDU主要元件布局

图2

测试顺序由下列不同的阶段组成：

(1)模拟电路的瞬时阶段：开始时间(Tb)和结束时间(Te)如下表1所示。

表1　Tb和Te时间表

(2)测量阶段的时间Tm长短取决于测试和滤波类型，以及使用的采样率。

测试阶段的参数及测试结果的限值在用户手册中均有说明。

2FDU的几个测试项目的测试原理和方法

以当前仪器在施工工作中需要做的几个测试项目来作说明：

2.1　仪器Noise噪声测试

该测试项目用于测量FDU中ADC模数转换器的噪声。噪声是超过3Hz、直到Nyquist频率范围内的信号能量。转换器的输入端连接到内部测试网络，它执行DFT(二维傅里叶转换)并计算低于3Hz的噪声谱能量。由于输出信号的总能量是已知，所以在带宽内的总噪声能被推算出来。其相应的简化电路结构如图2a所示。测试时电路及参数：ADC输入端连接到内部测试网络，前置放大器增益用户选择(1600mV(0dB)或400mV(12dB)),DAC处于OFF(关断)状态，滤波器类型和采样率用户选择。测试序列：

开始时间Tb和结束时间Te参见表1，测量阶段(Tm)的长度见下表2。

表2　FDU噪声测试时间Tm长度

测试原理：从DSP(数字信号处理器)输出的DFT(二维傅里叶转换)，对低于3Hz的噪声信号的能量进行了计算。输出信号的总能量是已知的，系统就在带宽内对仪器噪声的RMS均方根值进行计算。在第N个输出样值上的总能量(TotalPower)：

式中：N的数量取决于采样长度和采样率(SR)，X为24位编码后量化了的样值振幅。

低于3Hz的能量(PowerLT3Hz)：

仪器噪声RMS值：

2.2　仪器Gain and Phase增益和相位测试

该项测试用于检查从DC直流到滤波器截止频率的通带内，FDU内部ADC转换器的增益和相位的漂移。其相应的简化电路结构如下图3所示。

测试时电路及参数表示：ADC输入端连接到内部测试网络；前置放大器增益用户选择(1600mV(0dB)或400mV(12dB))；DAC连接到内部测试网络；滤波器类型和采样率用户选择。使用三种测试序列(T1,T2,T3)：

图3　FDU增益和相位测试简化电路图

开始时间Tb和结束时间Te参见表1, 测量阶段(Tm)的长度见下表3。

表3　FDU增益和相位测试Tm长度表

(1)测试原理

DAC输出一个脉冲(已知其振幅和脉冲宽度)到内部测试网络。ADC输出端连接到内部测试网络，可以检测到内部测试网络两端加入的电压。计算DSP输出信号(为不同测试频率)中的DFT，并与相同频率的模型计算成果进行比较。根据不同的振幅和相位，计算出它们相对于模型的误差。测试将报告振幅和相位中出现的最大误差。

DFT二维傅里叶转换的计算进行不同的DFT计算(对模型和检测信号的计算)所使用的测试频率的数量取决于所选择的采样率(SR),它们之间有下列的关系：

式中：fnyquist为采样频率，fcutoff为截止频率。

输出信号的DFT理论值是TheoreDft，是从FDU校准值中、从DAC输出电流中、从内部电阻网络配置中计算出来的。

(2)增益漂移计算

理论输出信号的RMS均方根值：

TheoreRms=|TheoreDft|*DevFreqRms

DevFreqRms表示的是由采集道电路引起的所有增益校准因数的结果，就像来自FDU和LAU数字滤波器和来自ADC和DAC转换器的增益校准一样。DevFreqRms不进行DFT理论值(TheoreDft)的计算。不同的DevFreqRms值取决于使用何种滤波器类型、采样率和频率。

(3)检测信号的RMS值

在DSP的输出信号上进行了DFT二维傅里叶转换后的RMS：

Vrms=|Dft|

(4)增益相对误差

对所有测试频率都要计算增益误差，并保留计算出的最大误差作为最终测试结果。

(5)相位偏移计算

理论输入信号的相位值(TheoretArg)：

TheoretArg=Argument(TheoretDft)+DevFreqArg

DevFreqArg表示的是由采集道电路引起的所有增益校准因数的结果，就像来自FDU和LAU数字滤波器和来自ADC和DAC转换器的增益校准一样。DevFreqArg不进行DFT理论值(TheoreDft)的计算。不同的DevFreqArg值取决于使用何种滤波器类型、采样率和频率。

(7)检测信号的相位值

在DSP的输出信号上进行了DFT二维傅里叶转换后的Arg相位值：

Arg=Argument (Dft)

式中：Argument为幅角。

(8)相位误差

式中：TestFreq为测试信号频率。

对所有测试的频率都要计算相位误差，并保留计算出的最大误差作为最终测试结果。

2.3　仪器Distortion畸变测试

该项测试用于检查FDU内部的ADC模数转换器的线性响应。将一个已知振幅和频率的正弦波通过内部测试网络送入ADC模数转换器的输入端进行检查。测试将报告：被选滤波器带宽内检测到的所有谐波的频谱功率与输出信号的频谱功率之比，其相应的简化电路结构如上图3所示。测试时电路及参数表示：ADC输入端连接到内部测试网络；前置放大器增益用户选择(1600mV(0dB)或400mV(12dB))；DAC连接到内部测试网络；滤波器类型和采样率用户选择。测试序列：

开始时间Tb和结束时间Te参见表1，测量阶段的时间Tm长短见下表4。

表4　FDU畸变测试时间Tm

(1)测试原理

DAC将一个正弦波信号(f=31.25Hz，振幅=FDU满标的97%)输入到内部测试网络中。ADC输入端连接到内部测试网络，并检测内部测试网络输出端的电压。计算DSP输出信号的DFT(计算不同输入信号频率的DFT)。计算相应的基本频谱功率(TestFreqPower)。计算相同信号的谐波谱功率(HarmonicPower)。然后用相同信号的谐波谱功率除以基本频谱功率(是否是通带内的谐波线，由被选滤波器的截止频率来划定)。测试结果用dB表示。

(2)基本谱功率计算

(3)谐波谱功率计算

式中：N≤9。

(4)仪器畸变计算

2.4　仪器CMRR共模抑制测试

该项测试用于测量FDU内部ADC转换器的共模抑制比。一个已知振幅和频率的正弦波信号经过内部测试网络输入到ADC转换器的两个输入端进行测量。测试将报告：共模电压值与相对于输入端的输出电压RMS值之比。其相应的简化电路结构如上图3所示，测试时电路及参数表示：ADC输入端连接到内部测试网络；前置放大器增益用户选择(1600mV(0dB)或400mV(12dB))；DAC连接到内部测试网络；滤波器类型和采样率用户选择。测试序列：

开始时间Tb和结束时间Te参见表1，测量阶段的时间Tm长短见下表5。

表5　FDU畸变测试的Tm

(1)测试原理

DAC将一个正弦波信号(f=31.25Hz，振幅=DAC满标的77.6%)输入到内部测试网络中。ADC输入端连接到内部测试网络，ADC的两个输入端接收相同的信号。

共模电压的理论RMS输入值CMSignalRms，是从FDU的校准值中(理论电阻校准因子，DAC电流校准因子)计算出来的。

(2)CMRR共模抑制比计算

式中：Cmfactor代表来自FDU校准结果的共模电阻校准值。CMRR的结果与大地有关，与模拟地无关。测试结果以dB表示。

2.5　仪器Crosstalk串音测试

在仪器测试的结构中，该项测试用于测量FDU之间的串音。测试包括两个步骤：在第一个步骤中，每个偶数FDU内部的测试信号发生器将一个正弦波信号(F=31.25Hz和振幅=DAC满标的77.6%)送到测试网络。每个奇数FDU内部的ADC转换器就测量串入自己测试网络的电压。(在奇数FDU内部的测试信号发生器被禁止)相反地，在第二个步骤中，每个奇数FDU将一个正弦波信号送到测试网络。每个偶数FDU就测量串入自己测试网络的电压。对每个参与测试的FDU，系统计算出测试信号理论电压值与测量的实际电压值之比，然后显示仪器串音测试结果(限制在140dB)。

其相应的简化电路结构如下图4a和图4b所示，测试时电路及参数表示：

- ADC输入端：连接到内部测试网络；

图4

- 前置放大器增益：1600mV(0dB)或400mV(12dB)，用户选择；

- DAC：连接到内部测试网络；

- 第一个步骤连接偶数FDU；

- 第二个步骤连接奇数FDU；

- 滤波器类型和采样率：用户选择。

两种测试序列(T1、T2)：

开始时间Tb和结束时间Te参见表1, 测量阶段(Tm)的长度见下表6。

表6　FDU串音测试的时间Tm

测试原理：从第一步骤中每个奇数道采集DSP输出的信号中和从第二步骤中每个偶数道中采集到的输出信号中，计算出相对于输入的RMS均方根(Vrms)值。从每个FDU测试网络中驱动的理论值中，计算出测试信号的理论RMS均方根(TheoretRMS)仪器串音测试的计算公式如下：

串音的限值为140dB。

注意：测试需要最小的测试长度(5秒记录@2ms采样)。

2.6　仪器Pulse脉冲测试

该项测试用于记录仪器道对脉冲(一个样值长的脉冲)的响应 。

其相应的简化电路结构如上图3所示，测试时电路及参数表示：

-ADC输入端：连接到内部测试RC(由电阻电容组成)网络；

- 前置放大器增益：1600mV(0dB)或400mV(12dB)，用户选择；

-DAC：连接到内部测试RC网络；

- 滤波器类型和采样率：用户选择；

- 三种测试的序列(T1，T2，T3)：

开始时间Tb和结束时间Te参见表1, 测量阶段的时间Tm长短见下表7。

表7　FDU脉冲测试Tm长度表

测试原理：DAC将一个前面描述的脉冲信号输入到内部测试RC(由电阻电容组成)网络中。在ADC上输出端的结果信号被输出，并记录到测试SEGD文件。

2.7　测试记录的恢复

SEAL完成的一些仪器测试项目(噪声，增益和相位，畸变，共模抑制比和串音)，可以像SEGD测试文件那样记录在磁带上，可以通过相应的公式从SEGD测试记录中读出测试数据，重新计算其测试结果并显示在HCI工作上站或通过绘图仪打印出来，在此不多做赘述。

3结束语

以上介绍了SEAL系统FDU测试方法与原理, 要正确地测量FDU, 并在仪器各类菜单中正确地填写FDU的相关参数,以便在仪器调用时,能选取数据库中最适合FDU的参数，例如：在测试串音时测试需要最小的测试长度(5s纪录，2ms采样)，这样才能有效地保证FDU测量的精度和准确性。

参考文献：

[1]Sercel.SEALV5.2.User’sManual, 2007.

[2]AmericanPowerDesign,Inc.S5SERIES5WHIGHVOLTAGEDC/DCCONVERTERS[Z].AmericanPowerDesign,Inc.

[3]程守洙, 江之永. 普通物理学(第二册)[M]. 北京：人民教育出版社, 1980.