基于FPGA的地震波六分量同步采集系统

付桂林，庹先国,2,，陆 景,2，刘 勇，沈 统，邢启阳

(1.核废物与环境安全国防重点学科实验室，西南科技大学，四川绵阳 621010；2.四川理工学院，四川自贡 643002；3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都理工大学，四川成都 610059)

0 引言

目前三分量地震勘探已进入工业化应用阶段，在油气藏开发、地质勘探领域做出了突出贡献[1]，而三分量地震勘探，只采集地震波的位移矢量信息，而旋转矢量信息缺失。

当地震波通过介质传播时，介质颗粒产生平移运动的同时，也由不对称应力和应变造成介质颗粒角度位移的旋转运动产生旋转地震波[2]。在旋转地震波领域，国外学者已就取得一定成果。Droste和Teisseyre在1976年采用不同方位角排列的观测方法获得了矿山岩爆产生的地震旋转运动图[3]。2012年Muyzert团队利用旋转传感器进行地震数据采集[4]，同年捷克的Brokešová博士公布了其研制的具有旋转矢量检波功能的地震检波器系统，利用该系统只需要同一个检波点的六分量测量数据便可以计算出所求波速[5]，2014年斯坦福Barak利用六分量数据进行极化分析，成功分离出高、低速的地滚波[6]。

为获取完整地震波场矢量信息，本文设计了一种基于FPGA的地震波六分量同步采集系统，实现三通道位移矢量和三通道旋转矢量的并行采集。其数据缓存利用乒乓操作的思想，将2片异步FIFO和1块SDRAM相结合，解决了模块间数据流位宽不一致以及模块跨时钟域的数据传输问题。

1 旋转矢量的理论基础

当地震波在介质中传播时，旋转地震波由不对称应力和应变引起介质颗粒的角度位移的旋转运动产生。相对于平移运动，旋转运动同样存在3个分量[7]，根据弹性波理论可知，旋转矢量Ω为

(1)

通过矢量分析

(2)

平面简谐波的位移矢量μ的表达式为

μ=Anexp[i(wt-k·x)]

(3)

将式(3)代入式(2)中可得

(4)

(5)

2 采集系统设计

该采集系统的整体设计方案如图1所示。系统使用ADS1256模数转换芯片，该芯片采样精度可达24 bit，采样率最高可达30 ksps。选用cyclone系列的FPGA主控板，系统功能模块主要有：信号调理电路、ADC采集电路、FPGA主控电路以及相关辅助电路。

图1 系统总体设计

传感器将质点运动信息以电信号输出，前端信号调理电路主要是完成对微弱地震信号进行放大、滤波等功能。DC在采样时钟SCLK的控制下完成模数转换，FPGA将数字化的多路ADC信号经过并串模块转换成一路高速信号寄存于数据暂存模块，通过2个异步FIFO和SDRAM完成数据的写入和读出，最后通信站通过接口电路将数据上传。在整个系统中FPGA起主控作用，FPGA控制着整个系统的时钟以及各个模块的正常工作。

该系统设计的关键主要包括两部分：一是前端信号调理电路设计，其设计重点和难点在于动态增益配置、时延调节和抗干扰能力；二是FPGA主控电路的Verilog设计与实现，其设计重点和难点在于FPGA的功能模块化设计的精简、状态逻辑的精准和时钟的控制等。

2.1 信号调理电路设计

由于地震波信号经过地层中多次反射、折射到达地震检波器，信号强度十分微弱，为实现系统更好的采集效果，提高ADC的动态范围，利用两级PGA205(可编程增益放大器)芯片级联对传感器输出的信号进行1～64倍放大，通过配置2块PGA的A1、A0引脚来进行增益调节[8]。在电源输入端并联同规格的1 μF和47 μF的电容，滤除电源带来的高频杂波与开关杂波。电路如图2所示。

图2 PGA205放大器电路图

有用地震信号为低频信号，且频带在几百Hz之间，为滤除假频干扰，选用巴特沃斯滤波器电路对其进行滤波处理[9]。如图3所示，选用LM4562搭建4阶巴特沃斯低通滤波器实现滤波电路设计。同时，根据地震数据的特点，设置上限截止频率为500 Hz，增益为0 dB。通过滤波器设计软件Filterpro计算出相应的电容电阻值。

图3 低通滤波电路图

该系统中采用24位高精度ADC转换器ADS1256，为进一步增强信号的抗干扰能力,提高共模抑制比，采用ADA4940将滤波后的的单端地震信号转换为差分信号送入ADC芯片。

2.2 ADC采样控制模块

整个前端采集的核心部分是ADC采样控制模块，其操作流程如下：

(1)在AD_set状态配置ADC芯片采样率、放大倍数等参数，控制SPI总线写入状态配置寄存器和采样数据，将采样率设置为4 000、放大倍数设置为8倍；

(2)AD_start状态启动数据转换，查询DRDY信号的高低，判断是否完成数据转换；

(3)转换完成后，由AD_wait状态依次进入AD_read、Read_next状态，顺序读出数据，完成一次ADC转换操作；

(4)在AD_next状态中判断是否继续进行数据转换。若继续，则进入AD_wait状态，等待数据转换脉冲信号触发；否则，进入AD_end状态，表示采样完成并保持当前状态，等待下一次AD_start任务启动。

ADC状态转换图如图4所示。当START为高电平时，状态机启动。

图4 ADC状态机转移图

2.3 并串转换模块

ADC采样后将6通道数据同步写入写FIFO，故需要该模块将ADC采样完成后的24 bit数据扩充为32 bit，其中高8位中设置采样通道号，然后按照采样通道顺序排列打包成192 bit数据串行写入FIFO中，控制信号由ADC模块提供。

2.4 数据暂存控制模块

在地震数据采集中，由于采集的数据量较大，该系统采用了2个异步FIFO和1块SDRAM相结合的暂存方案[9]。如图5所示为数据暂存方案的设计。

图5 数据暂存方案设计图

SDRAM的数据位宽16 bit与ADC的数据位宽24 bit不同，同时SDRAM的数据写速率也与ADC采集模块数据的读速率不同。因此设计写SDRAM异步FIFO，在写数据选通期间，将ADC采样的24 bit数据转换成16 bit输入写SDRAM异步FIFO中，当写SDRAM异步FIFO中的数据能够写满SDRAM的一页后向SDRAM发送写请求信号，待SDRAM状态机响应该请求信号后，将写SDRAM异步FIFO中的数据写入SDRAM。同理，由于SDRAM数据位宽与RS485数据位宽以及读写速率不一致，所以在SRDAM与RS485通信模块之间插入读SDRAM异步FIFO用于数据位宽转换及缓存。

3 系统应用测试与分析

噪声测试作为采集系统的重要评价指标。主要测试方法是将测试仪器输入端短接，进行噪声采集，得到采集噪声波形如图6所示，其中，纵轴显示波形的幅值范围为-5×10-5～+5×10-5V，仪器噪声水平为μV级。

(a)位移矢量噪声

(b)旋转矢量噪声图6 噪声波形图

采用人工震源激发的方式测试系统实际工作状态，图7为敲击后获取的位移矢量与旋转矢量的数据波形图。由于激发震源点位于仪器的Y轴方位上，导致Y轴信号能量大于其他轴信号。

4 结论

针对地震波旋转矢量信息在传统多波三分量地震勘探仪器中缺失的问题，为实现三分量的位移矢量与旋转矢量的同步采集，设计了一种基于FPGA的地震波六分量同步采集系统。采用人工震源激发的方式完成该系统应用测试，测试结果表明：该系统可根据地震波信号能量的强弱进行增益调节；仪器的噪声水平为μV级，实现了高精度、高分辨率采样；能够同步采集到位移矢量和旋转矢量信息。

(a)位移矢量波形图

(b)旋转矢量波形图图7 人工震源激发方式的系统测试结果图