彭朝勇 楊建思 薛 兵 陳 陽朱小毅 張 妍 李 江

1）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

2）中國北京100036中國地震局地震預(yù)測研究所

3）中國北京102628北京港震機電技術(shù)有限公司

引言

流動數(shù)字地震臺網(wǎng)作為“‘十五’中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)”項目建成的新一代中國數(shù)字地震觀測系統(tǒng)的一部分，在我國地震觀測事業(yè)中發(fā)揮著重要作用（劉瑞豐等，2008；鄭秀芬等，2009）.流動數(shù)字地震觀測設(shè)備必須滿足流動性要求（郭建，劉光鼎，2009；陸其鵠等，2009），因此組成流動數(shù)字地震觀測系統(tǒng)的各個設(shè)備必須具有體積小、重量輕、功耗低等特點（游慶瑜等，2003；李江等，2010）.另外，流動觀測現(xiàn)場一般都不具備交流電源，而是采用蓄電池或太陽能電池供電.在這種情況下，觀測設(shè)備的功耗越低，則耗電越少，采用容量不太大的蓄電池或太陽能電池即可工作，從而有助于降低觀測成本.當前，我國流動地震觀測中使用的觀測儀器，有進口的，也有國內(nèi)自制的，基本都是將獨自存在的地震計與地震數(shù)據(jù)采集器通過電纜連接而成（陳祖斌等，2006；王超等，2007）.在這種情況下，進行流動觀測時，需要同時運輸?shù)卣鹩嫼偷卣饠?shù)據(jù)采集器，增加了觀測成本和安裝成本.

目前，國際上一體化低功耗寬頻帶數(shù)字地震儀的種類并不多，成為正常銷售產(chǎn)品的只有英國Guralp公司生產(chǎn)的CMG-40TDE.在本項設(shè)備完成研制之前，我國還沒有自行研制的用于野外流動地震觀測的一體化數(shù)字地震儀.為此，在中國地震局統(tǒng)一組織下，中國地震局地震預(yù)測研究所開發(fā)出了新型的集地震信號提取、數(shù)據(jù)采集、記錄和服務(wù)為一體的低功耗寬頻帶數(shù)字地震儀，并于2010年5月將該儀器投入到青海玉樹MS7.1地震活動現(xiàn)場進行流動觀測.

1 整機系統(tǒng)總體設(shè)計與結(jié)構(gòu)

圖1 寬頻帶數(shù)字地震儀總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Global structure of the broadband digital seismograph

一體化低功耗寬頻帶數(shù)字地震儀研制項目組在經(jīng)過充分的預(yù)研、調(diào)查和研制準備后，確定了總體技術(shù)方案.圖1是該地震儀的外觀和內(nèi)部實體圖.從圖1可以看出，整機系統(tǒng)外觀結(jié)構(gòu)由以下部分組成：底座、三分向?qū)掝l帶數(shù)字機械擺、4層電路板和機殼.底座上安裝航空插座，向外提供各種輸入／輸出接口.為了減少接口數(shù)量，我們將網(wǎng)絡(luò)通信接口和串口通信接口合二為一，只向外提供電源、通信和授時模塊3個接口.另外，底座上還添加了3個底腳螺絲和一個水平氣泡用于系統(tǒng)安裝時調(diào)平.寬頻帶數(shù)字地震儀的機械擺通過扁平電纜與上層電路板之間進行連接.從底座伸出3根立柱，用于支撐4塊電路板：前級放大電路板（AMP板）、反饋及采集電路板（ADC板）、電源及控制電路板（PWR板）和CPU板.AMP板生成驅(qū)動地震計電容極板的振蕩信號，并完成地震計輸出小信號的放大和解調(diào)；ADC板負責(zé)將地震計輸出的模擬電平轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并完成地震計反饋控制；PWR板提供儀器所有的數(shù)字電路供電（＋3.3V）、模擬電路供電（±12V，±3.5V）以及部分控制電路供電；CPU板上運行Linux操作系統(tǒng)，提供數(shù)據(jù)采集管理、數(shù)據(jù)存貯、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能.4層電路板之間分別用一定高度的有機玻璃套環(huán)進行定位，下方通過立柱上的小臺階進行定位，上方通過金屬套環(huán)和頂絲固定在立柱上.為了便于攜帶安裝，機殼上設(shè)計有拎手，同時在拎手上增加“N”方向指示.機殼上還設(shè)計了一個CF卡蓋，方便用戶在野外觀測時隨時更換CF卡.下面從硬件模塊、低功耗處理和儀器校正等3個方面進行詳細說明.

1.1 硬件功能設(shè)計

該地震儀對應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由4大部分組成：寬頻帶地震計、數(shù)據(jù)采集、FPGA控制和微控制單元.

圖2 寬頻帶數(shù)字地震儀硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of the broad-band digital seismograph

1.1.1 寬頻帶地震計

寬頻帶地震計是由一個垂直分向和兩個水平分向組成的三位一體式結(jié)構(gòu)的地震計.每個分向均為一體式獨立結(jié)構(gòu)，可以單獨拆卸下來，其工作原理如圖3所示.當?shù)孛孢\動時，由電容換能器產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)放大后進入反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生反饋電流，流經(jīng)反饋線圈產(chǎn)生反饋力.

1.1.2 高精度數(shù)據(jù)采集

一體化地震儀數(shù)據(jù)采集部分由前置放大、24位A／D轉(zhuǎn)換、輔助采集通道、高穩(wěn)定度晶體振蕩電路等單元組成.為了將地震計輸出的微小地震信號調(diào)整成24位A／D轉(zhuǎn)換器所需要的信號大小，采集器三通道前置放大由3級基本電路組成.第一級小信號輸入的放大電路采用場效應(yīng)管組成的單端輸入、雙端輸出的差分放大電路.使用場效應(yīng)管可以提高輸入阻抗，達到與電容換能器極板匹配的目的.第二級解調(diào)電路部分通過控制信號對高速模擬開關(guān)MAX353進行通道切換，從而達到調(diào)制目的.第三級放大電路由運算放大器LT6011和電容、電阻構(gòu)成，形成差分平衡輸出.實際使用中，該電路僅僅保留了直流增益.

24位A／D轉(zhuǎn)換器采用TI公司生產(chǎn)的ADS1281，其內(nèi)部集成了可配置的數(shù)字濾波器.在電路連接上，采用引腳設(shè)置方式.在4.096MHz的工作時鐘下，第一級SINC濾波器的抽取比為16；第二級為最小相位FIR數(shù)字濾波，抽取比為32.ADS1281的輸出采樣率為2kHz.

輔助通道采樣率固定為10Hz，用于電源電壓量監(jiān)測和寬頻帶地震計三分向零位監(jiān)測.所采用的ADS7822是一種12位串行高速、采集速率可達75kHz的微功耗ADC芯片.ADS7822的輸入端為“多選一”模擬開關(guān)，輸入端采用高阻值電阻分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)±10V的采集量程.由于ADS7822為單電源供電設(shè)計，模擬輸入端電壓范圍不能超過供電電壓范圍，因此需要通過運算放大器對采集到的模擬量進行電平轉(zhuǎn)化及平移.采集到的數(shù)字信號通過SPI接口送到CPU板.

晶體振蕩器主要提供數(shù)據(jù)采集ADS1281的采樣時鐘和可編程門陣列FPGA的時鐘計數(shù)脈沖.選擇穩(wěn)定度優(yōu)于10－6的TCXO模塊，并帶有壓控輸入端，在對鐘的狀態(tài)下，對晶振進行頻率調(diào)節(jié).TCXO晶振采用T11A（8.192MHz），其工作電壓為3.3VDC±5%，頻率穩(wěn)定度≤±1.0×10－6，控制電壓變化范圍為0.5—2.5V（中心電壓1.5VDC），頻率牽引范圍≥±10×10－6，斜率為正.由12位DAC7513提供TCXO的控制電壓，通過CPU的SPI接口進行控制.

1.1.3 FPGA控制邏輯

一體化地震儀對數(shù)據(jù)采集通道、GPS碼和SSC數(shù)據(jù)收發(fā)進行邏輯控制的所有功能僅由1枚FPGA芯片完成（Yu et al，2010）.該芯片采用Altera公司出產(chǎn)的具有20 060個邏輯門的EP1C3T144C8芯片.FPGA控制邏輯采用模塊化的設(shè)計方法，其中包括：① 數(shù)據(jù)采集模塊.每個ADS1281對應(yīng)一個采集模塊，當檢測到DRDY有效時，F(xiàn)PGA向ADS1281連續(xù)發(fā)送32個SCLK信號，同時讀取輸出的32位數(shù)據(jù)到32位移位寄存器，等32位數(shù)據(jù)讀取完成時，移動該數(shù)據(jù)到鎖存寄存器，并設(shè)置數(shù)據(jù)標識為“有效”，以便SSC數(shù)據(jù)上行模塊獲取該數(shù)據(jù)；②IRIG-B碼接收模塊.根據(jù)IRIG-B碼格式對GPS輸入信號進行解析并生成6個16位數(shù)據(jù)緩存到6個寄存器中；③ 秒沿處理模塊.當PPS秒沿到時，獲取4.096MHz晶振計數(shù)值并緩存；④SSC數(shù)據(jù)上行模塊.定時檢測每個鎖存的寄存器是否有新的數(shù)據(jù)，如果有，則根據(jù)類型對數(shù)據(jù)增加數(shù)據(jù)類型標識，生成32位數(shù)據(jù)并通過SSC將數(shù)據(jù)發(fā)送到CPU；⑤SSC數(shù)據(jù)下行模塊.當進行地震計標定處理時，將標定數(shù)據(jù)從CPU通過SSC傳輸?shù)? 024字節(jié)的FIFO緩沖區(qū)，并按照每1ms 1個數(shù)據(jù)的方式發(fā)送到DA控制器進行標定控制.

1.1.4 微控制單元

微控制單元選用Atmel公司的AT91SAM9263CPU.該CPU采用ARM926EJ-S核心，最高時鐘為240MHz.CPU與FPGA之間采用同步串行控制器SSC進行數(shù)據(jù)接收與命令發(fā)送操作.由于SSC接口配置了專用外設(shè)DMA控制器PDC，顯著降低了外設(shè)與存儲器之間數(shù)據(jù)傳輸所需的時鐘周期數(shù)，因此提高了微控制器的性能，數(shù)據(jù)傳輸效率高，CPU負荷小，不會出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象.

微控制單元內(nèi)置嵌入式Linux操作系統(tǒng)，同時在操作系統(tǒng)核心內(nèi)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集管理、FIR數(shù)字濾波運算（同時進行1，10，20，50，100，200和500Hz線性相位和最小相位濾波計算）、地震計控制等功能，并通過網(wǎng)絡(luò)接口提供實時數(shù)據(jù)服務(wù)和參數(shù)設(shè)置.軟件系統(tǒng)的主要功能包括：參數(shù)設(shè)置與管理、實時數(shù)據(jù)記錄（存儲于8GB CF卡上）、地震事件檢測與記錄、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)（提供低延時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能，用于“預(yù)警”處理）、主動發(fā)送服務(wù)、串口數(shù)據(jù)服務(wù)、標定處控制（提供脈沖、正弦、偽隨機二進制碼等3種標定信號）、GPS時間服務(wù)、地震計調(diào)零、存儲空間監(jiān)測與管理和系統(tǒng)運行監(jiān)控等（王洪體等，2006）.

1.2 低功耗處理

為了降低整機系統(tǒng)功耗，使其能夠適合流動觀測的要求，在儀器設(shè)計時作了以下4種處理：①通過修改U-Boot和Linux內(nèi)核程序，將ARM CPU主頻頻率由原來的200MHz降低到143MHz；② 增加了網(wǎng)絡(luò)電源開斷控制按鈕，使得在不進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，用戶可以關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)電源；③ 授時服務(wù)由原來的連續(xù)GPS授時模式，修改為間隔式GPS授時，即當一次GPS授時完成后，自動關(guān)閉GPS電源，并在下一次授時時，重新打開GPS電源進行服務(wù)；④LED顯示15分鐘后，自動關(guān)閉其背光電源.

1.3 儀器校正

傳統(tǒng)的地震計與地震數(shù)據(jù)采集器分開設(shè)計的方式極少考慮對儀器的輸出數(shù)據(jù)進行各種校正處理，主要是因為地震計與地震數(shù)據(jù)采集器不進行成套銷售，或者由于某些公司只生產(chǎn)地震計或者地震數(shù)據(jù)采集器，所以用戶方進行數(shù)據(jù)校正難度很大.采用一體化的設(shè)計，可以大大降低該項工作的難度，直接在儀器生產(chǎn)時就可以進行數(shù)據(jù)校正.

1.3.1 靈敏度校正

由于各臺儀器的靈敏度往往都會有一些偏差，為了將3個通道的靈敏度都調(diào)節(jié)到500 counts／μm／s，需要對靈敏度因子進行修正.具體方法為：首先通過對比法（專業(yè)設(shè)備性能指標測試檢測方法標準研究課題組，2011）得到地震儀的三分向靈敏度S，然后分別計算三分向靈敏度調(diào)節(jié)因子：

將上式得到的調(diào)節(jié)因子K存入儀器的存儲器中，最后在獲取數(shù)據(jù)時自動乘以該因子就可以得到靈敏度校正后的輸出結(jié)果.

1.3.2 標準方位和正交性校正

由于地震計內(nèi)部裝配誤差等因素，地震計實際傳感方向與標示方向并不一致.實際傳感方向用xyz來表示，它們與ENU不重合，而是有一個小角度的誤差，可采用如下公式進行消除：

式中，vx，vy和vz是地震計原始記錄的EW，NS和UD 3個地動速度分量；vEW，vNS和vUD是通過校正后輸出的數(shù)據(jù)；αNS，αEW為地震計NS分向和EW分向的方位角；αUD為地震計垂直分向在水平面投影的方位角；βNS和βEW分別為地震計NS分向和EW分向相對于水平面的仰角，βUD為地震計垂直分向偏離鉛錘線的角度.6個角度量可通過對比法或者振動臺法測得的結(jié)果經(jīng)過擬合后得出（專業(yè)設(shè)備性能指標測試檢測方法標準研究課題組，2011）.

2 系統(tǒng)測試

2.1 簡介

樣機完成后，我們分別于2010年3月和9月在中國地震局地震預(yù)測研究所測震實驗室和河北沽源九連城地震計測試基地依據(jù)相關(guān)測試標準（Charles et al，2010；專業(yè)設(shè)備性能指標測試檢測方法標準研究課題組，2011）對其進行了各項參數(shù)指標測試.在測試中使用的具體測試設(shè)備有：

1）超低失真度信號發(fā)生器（DS360）：失真度為－110dB.

2）溫濕度試驗箱（SETH-020L）：溫度范圍為－50—100℃，溫控精度為0.1℃.

3）標準時鐘：GPS授時，具有時、分、秒脈沖輸出，準確度為1μs.

4）甚低頻振動測試系統(tǒng)：頻率范圍為0.000 2—250Hz（有中國計量科學(xué)院出具的檢定證書和校準證書）.

2.2 主要參數(shù)指標測試及其結(jié)果

1）靈敏度測試.測試時，將樣機平穩(wěn)地放在振動臺臺面中心，調(diào)整靈敏軸使其與振動方向平行，記錄振動臺輸出信號的速度值.從計算機記錄文件讀取地震儀的輸出數(shù)字值，獲取到的測試結(jié)果如表1所示.

2）線性度測試.由于地震計的頻率特性為帶通濾波器，不能使用靜態(tài)直流信號輸入進行測試，只能使用正弦信號進行交流測試.具體測試時，測試頻率選擇5Hz，然后通過調(diào)整標準信號源輸出幅度x，同時記錄樣機的輸出幅值y，最后進行線性擬合并求出線性度誤差，測試結(jié)果見表2.

表1 靈敏度測試結(jié)果Table 1 Test result of sensitivity

表2 線性度測試結(jié)果Table 2 Test result of linearity

3）幅頻特性測試.測試頻點選擇16個，分別為0.008 3，0.01，0.016 7，0.025，0.05，0.1，1，5，9，19，33，39，44，49，52和58Hz.系統(tǒng)實際測得的經(jīng)過歸一化后的幅頻特性曲線如圖4所示.

4）動態(tài)范圍測試.使用正弦波測量地震計有效觀測頻帶內(nèi)限幅電平與頻率的關(guān)系.限幅電平描述了地震計觀測大信號的能力，具體測試結(jié)果見圖5.根據(jù)測試結(jié)果可得系統(tǒng)的動態(tài)范圍大于140dB.

表3 4種處理方式可節(jié)省的功耗Table 3 Saved power consumption for four processing modes

5）系統(tǒng)功耗測試.按照1.2節(jié)中描述的方式對4種處理方法分別進行了功耗測試，具體測試結(jié)果見表3.從表3可以看出，4種處理方式均可明顯降低整機系統(tǒng)功耗.在省電模式下可節(jié)省1W左右，而整機系統(tǒng)功耗也從原來的1.6W降低到了0.6W.

6）多采樣率同時輸出和低延時輸出測試.整機系統(tǒng)在上電啟動后，通過在臺式機上同時運行多個客戶端軟件，并在每個軟件界面上針對每個分向數(shù)據(jù)設(shè)置不同的采樣率，驗證了多采樣率同時輸出功能；通過客戶端軟件設(shè)置不同的輸出間隔（分別為100，200，500ms和1s），驗證了低延時輸出功能.

2.3 與同類型儀器的比較

通過與Guralp公司生產(chǎn)的一體化寬頻帶地震儀CMG-40TDE對比，可以得出，該地震儀在頻帶范圍、動態(tài)范圍、系統(tǒng)功耗、靈敏度等方面與CMG-40TDE非常接近.從噪聲水平方面來講，CMG-40TDE是一款中等自噪聲（Ringler，Hutt，2010）的地震儀，而該地震儀的噪聲相對來說要低一些.另外，該地震儀在軟件功能方面還具有CMG-40TDE和其它地震數(shù)據(jù)采集器不具備的一些特點：多采樣率同時輸出和低延時數(shù)據(jù)輸出.多采樣率同時輸出可以大大提高地震儀產(chǎn)出數(shù)據(jù)的利用率，使得地震儀在同一時刻既可以輸出50／100／200Hz數(shù)據(jù)用于常規(guī)的臺站觀測或者流動觀測，又能輸出1Hz數(shù)據(jù)用于全球地震學(xué)研究；而低延時數(shù)據(jù)輸出方式則可以將該地震儀用于地震預(yù)警數(shù)據(jù)傳輸.

3 試驗研究

2010年4月14日7時49分，在青海省玉樹縣（33.23°N，96.61°E）發(fā)生 MS7.1地震，震源深度18km.玉樹地震是繼汶川地震后的又一次震災(zāi)嚴重的地震.

玉樹地震后，中國地震局科學(xué)技術(shù)司立即組織了“玉樹地震綜合科學(xué)考查”.其中，野外流動地震觀測由中國地震局地球物理研究所與青海省地震局共同組成的流動地震觀測科考隊負責(zé).根據(jù)中國地震局的統(tǒng)一部署和要求，整個科考隊于2010年5月2日出發(fā)，共建立了兩個觀測項目：一個是在震源區(qū)架設(shè)由14個流動地震臺站組成的密集臺陣，分布在玉樹地震斷層兩側(cè)并覆蓋震源區(qū)；另一個是北起青?；ㄊ瘝{，南至西藏內(nèi)烏齊架設(shè)的由16個（其中4個與密集臺陣共用）流動地震臺站組成的600 km地震大剖面（圖6）.一體化寬頻帶地震儀共計12臺，全部應(yīng)用于第二個觀測項目上，包括QSX（清水鄉(xiāng)）、MAD（瑪多臺）、HHX（黑河鄉(xiāng)）、YNG （野牛溝）、ZMT（扎馬臺）、ZDT （扎朵鎮(zhèn)）、ZQT （珍秦臺）、NQT （囊謙）、BZT （白扎鄉(xiāng)）、JQT（吉曲臺）、JSK（甲桑卡）和JDX（吉多鄉(xiāng)）.

流動地震觀測持續(xù)了半年，記錄了大量的區(qū)域地震事件和遠震事件.其中3級以上地震有30余次，4級以上地震有10余次，5級以上地震有2次.記錄到的最大地震為MS5.9，發(fā)生于2010年5月29日10點29分，位于（33.3°N，96.3°E），震源深度為10km（波形見圖7）.根據(jù)這些記錄到的余震資料，可以對地震序列的空間分布進行精確定位，反演地震的震源過程，并根據(jù)地震學(xué)方法得到震源區(qū)的深部結(jié)構(gòu)圖像，獲得該震源區(qū)的構(gòu)造異常分布和區(qū)域深部構(gòu)造環(huán)境.

圖7 JDX臺站記錄到的2010年5月29日青海省玉樹MS5.9地震Fig.7 The 29May 2010 MS5.9earthquake in Yushu，Qinghai of China，recorded by the station JDX

4 結(jié)論

針對流動觀測中傳統(tǒng)的由于地震計與地震數(shù)據(jù)采集器單獨存在而出現(xiàn)的運輸不方便、功耗大的問題，本文詳細介紹了一款將地震信號提取、數(shù)據(jù)采集、記錄和服務(wù)集為一體的低功耗寬頻帶數(shù)字地震儀.該地震儀具有頻帶寬（60s—80Hz）、動態(tài)范圍高（＞140dB）、功耗低（0.6W左右）、攜帶方便（整機系統(tǒng)在15kg左右，包括供電系統(tǒng)、GPS天線和包裝箱）等特點.另外，該儀器還具有多種采樣率同時輸出和低延時數(shù)據(jù)輸出等其它同類儀器不具備的特點，進一步擴大了本儀器的應(yīng)用范圍.該儀器在研制過程中進行了大量的實驗室和臺站測試.儀器研制完成后，投入到了青海玉樹MS7.1地震震后實際流動觀測試驗中，并取得了詳盡的第一手觀測資料.通過在青海玉樹地震震后流動觀測試驗中的具體應(yīng)用，不管從儀器的運輸和攜帶上，還是從儀器的穩(wěn)定運行上都可以得出，該儀器是一款非常適合流動觀測的設(shè)備.與國外同類儀器相比，該儀器還具有很好的性價比.下一步將從更低的功耗、更輕的整機系統(tǒng)重量和更穩(wěn)定的系統(tǒng)運行等3個方面著手，進一步提高該系統(tǒng)的各項性能指標.

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