代功軍

(中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上?！?00120)

SEAL系統(tǒng)中野外數(shù)字單元的測(cè)試原理和方法

代功軍

(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：：在地震儀器的野外組成部分中FDU(野外數(shù)字單元)是其一個(gè)重要的組成部分，F(xiàn)DU工作狀態(tài)的好壞也直接關(guān)系到地震數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。本文從FDU的結(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā)，從FDU的噪聲、增益和相位、畸變、共模抑制及串音等方面系統(tǒng)的闡述了地震儀器中對(duì)FDU的測(cè)試原理和測(cè)試方法，對(duì)野外施工中正確測(cè)試、快速判斷和排除FDU故障，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量有極大的幫助。

關(guān)鍵詞：野外;數(shù)字單元；模數(shù)轉(zhuǎn)換；測(cè)試網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：P631.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-282X(2015)06-0024-06

收稿日期：2015-03-06

作者簡(jiǎn)介：代功軍(1978-)，男，物探工程師，2003年畢業(yè)于河南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，2004年結(jié)業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)物探專業(yè)，現(xiàn)任中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司儀器操作員，上海市浦東新區(qū)東塘路240號(hào)，Tel：021-68466173，13903731947，E-mail：dgj529@126.com。

1FDU的結(jié)構(gòu)和工作原理

FDU的元器件分布在一塊電路板的上下兩個(gè)面上，其主要元件分布如下圖1所示。FDU由電源、EEPROM存儲(chǔ)器和SIGMA DELTA、FDU-IN、FDU-COM三個(gè)集成片組成，這五部分的主要功能為：① Power supply:為板上的模擬電路部分產(chǎn)生6.3V電壓和為數(shù)字電路部分產(chǎn)生2.7V電壓。②FDU INT:是再形成信號(hào)，包括兩個(gè)鎖相環(huán)用于同步FDU。③FDU COM:是管理和LAU之間的通訊，數(shù)據(jù)處理：執(zhí)行數(shù)據(jù)從頻率256Hz轉(zhuǎn)到4Hz的十進(jìn)制格式和管理其他功能。④SIG DEL: 是把檢波器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為256kHz的數(shù)字信號(hào)，它也包括被LAU所控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換，常常用在野外和內(nèi)部檢測(cè)上。⑤ EEPROM：被FDU COM管理，存儲(chǔ)FDU的ID號(hào)和校驗(yàn)參數(shù)。

FDU在接收到來(lái)自電纜的電壓后就被喚醒，它會(huì)把檢波器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送到LAU。FDU加電后自動(dòng)初始化四個(gè)部分：① DDU-INT的鎖相環(huán)被8.192MHz的數(shù)據(jù)時(shí)鐘同步。②FDU-COM檢查數(shù)據(jù)幀的開始，fdu現(xiàn)在可以解釋命令。③FDU可以被任意方向連接，在連接主動(dòng)和被動(dòng)的一對(duì)鬼對(duì)(ghost pairs)上啟動(dòng)一個(gè)自動(dòng)的內(nèi)部定位。④ 初始化檢測(cè)，包括野外和內(nèi)部。檢測(cè)發(fā)生功能是由DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換成的一個(gè)模擬信號(hào)來(lái)執(zhí)行的，這個(gè)數(shù)字信號(hào)是以0.25ms采樣率(256kHz)存儲(chǔ)在LAUM的閃存里。圖2a是FDU測(cè)試的簡(jiǎn)化電路：當(dāng)從HCI工作站發(fā)出儀器測(cè)試指令時(shí)，每一個(gè)涉及的FDU進(jìn)行工作的示意圖；圖2b是檢波器測(cè)試的簡(jiǎn)化電路：當(dāng)從HCI工作站發(fā)出儀器測(cè)試指令時(shí)，每一個(gè)涉及的FDU進(jìn)行工作的示意圖。

圖1　FDU主要元件布局

圖2

測(cè)試順序由下列不同的階段組成：

(1)模擬電路的瞬時(shí)階段：開始時(shí)間(Tb)和結(jié)束時(shí)間(Te)如下表1所示。

表1　Tb和Te時(shí)間表

(2)測(cè)量階段的時(shí)間Tm長(zhǎng)短取決于測(cè)試和濾波類型，以及使用的采樣率。

測(cè)試階段的參數(shù)及測(cè)試結(jié)果的限值在用戶手冊(cè)中均有說(shuō)明。

2FDU的幾個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試原理和方法

以當(dāng)前儀器在施工工作中需要做的幾個(gè)測(cè)試項(xiàng)目來(lái)作說(shuō)明：

2.1　儀器Noise噪聲測(cè)試

該測(cè)試項(xiàng)目用于測(cè)量FDU中ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲。噪聲是超過(guò)3Hz、直到Nyquist頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能量。轉(zhuǎn)換器的輸入端連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，它執(zhí)行DFT(二維傅里葉轉(zhuǎn)換)并計(jì)算低于3Hz的噪聲譜能量。由于輸出信號(hào)的總能量是已知，所以在帶寬內(nèi)的總噪聲能被推算出來(lái)。其相應(yīng)的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)如圖2a所示。測(cè)試時(shí)電路及參數(shù)：ADC輸入端連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，前置放大器增益用戶選擇(1600mV(0dB)或400mV(12dB)),DAC處于OFF(關(guān)斷)狀態(tài)，濾波器類型和采樣率用戶選擇。測(cè)試序列：

開始時(shí)間Tb和結(jié)束時(shí)間Te參見(jiàn)表1，測(cè)量階段(Tm)的長(zhǎng)度見(jiàn)下表2。

表2　FDU噪聲測(cè)試時(shí)間Tm長(zhǎng)度

測(cè)試原理：從DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)輸出的DFT(二維傅里葉轉(zhuǎn)換)，對(duì)低于3Hz的噪聲信號(hào)的能量進(jìn)行了計(jì)算。輸出信號(hào)的總能量是已知的，系統(tǒng)就在帶寬內(nèi)對(duì)儀器噪聲的RMS均方根值進(jìn)行計(jì)算。在第N個(gè)輸出樣值上的總能量(TotalPower)：

式中：N的數(shù)量取決于采樣長(zhǎng)度和采樣率(SR)，X為24位編碼后量化了的樣值振幅。

低于3Hz的能量(PowerLT3Hz)：

儀器噪聲RMS值：

2.2　儀器Gain and Phase增益和相位測(cè)試

該項(xiàng)測(cè)試用于檢查從DC直流到濾波器截止頻率的通帶內(nèi)，F(xiàn)DU內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換器的增益和相位的漂移。其相應(yīng)的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)如下圖3所示。

測(cè)試時(shí)電路及參數(shù)表示：ADC輸入端連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)；前置放大器增益用戶選擇(1600mV(0dB)或400mV(12dB))；DAC連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)；濾波器類型和采樣率用戶選擇。使用三種測(cè)試序列(T1,T2,T3)：

圖3　FDU增益和相位測(cè)試簡(jiǎn)化電路圖

開始時(shí)間Tb和結(jié)束時(shí)間Te參見(jiàn)表1, 測(cè)量階段(Tm)的長(zhǎng)度見(jiàn)下表3。

表3　FDU增益和相位測(cè)試Tm長(zhǎng)度表

(1)測(cè)試原理

DAC輸出一個(gè)脈沖(已知其振幅和脈沖寬度)到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。ADC輸出端連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，可以檢測(cè)到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)兩端加入的電壓。計(jì)算DSP輸出信號(hào)(為不同測(cè)試頻率)中的DFT，并與相同頻率的模型計(jì)算成果進(jìn)行比較。根據(jù)不同的振幅和相位，計(jì)算出它們相對(duì)于模型的誤差。測(cè)試將報(bào)告振幅和相位中出現(xiàn)的最大誤差。

DFT二維傅里葉轉(zhuǎn)換的計(jì)算進(jìn)行不同的DFT計(jì)算(對(duì)模型和檢測(cè)信號(hào)的計(jì)算)所使用的測(cè)試頻率的數(shù)量取決于所選擇的采樣率(SR),它們之間有下列的關(guān)系：

式中：fnyquist為采樣頻率，fcutoff為截止頻率。

輸出信號(hào)的DFT理論值是TheoreDft，是從FDU校準(zhǔn)值中、從DAC輸出電流中、從內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)配置中計(jì)算出來(lái)的。

(2)增益漂移計(jì)算

理論輸出信號(hào)的RMS均方根值：

TheoreRms=|TheoreDft|*DevFreqRms

DevFreqRms表示的是由采集道電路引起的所有增益校準(zhǔn)因數(shù)的結(jié)果，就像來(lái)自FDU和LAU數(shù)字濾波器和來(lái)自ADC和DAC轉(zhuǎn)換器的增益校準(zhǔn)一樣。DevFreqRms不進(jìn)行DFT理論值(TheoreDft)的計(jì)算。不同的DevFreqRms值取決于使用何種濾波器類型、采樣率和頻率。

(3)檢測(cè)信號(hào)的RMS值

在DSP的輸出信號(hào)上進(jìn)行了DFT二維傅里葉轉(zhuǎn)換后的RMS：

Vrms=|Dft|

(4)增益相對(duì)誤差

對(duì)所有測(cè)試頻率都要計(jì)算增益誤差，并保留計(jì)算出的最大誤差作為最終測(cè)試結(jié)果。

(5)相位偏移計(jì)算

理論輸入信號(hào)的相位值(TheoretArg)：

TheoretArg=Argument(TheoretDft)+DevFreqArg

DevFreqArg表示的是由采集道電路引起的所有增益校準(zhǔn)因數(shù)的結(jié)果，就像來(lái)自FDU和LAU數(shù)字濾波器和來(lái)自ADC和DAC轉(zhuǎn)換器的增益校準(zhǔn)一樣。DevFreqArg不進(jìn)行DFT理論值(TheoreDft)的計(jì)算。不同的DevFreqArg值取決于使用何種濾波器類型、采樣率和頻率。

(7)檢測(cè)信號(hào)的相位值

在DSP的輸出信號(hào)上進(jìn)行了DFT二維傅里葉轉(zhuǎn)換后的Arg相位值：

Arg=Argument (Dft)

式中：Argument為幅角。

(8)相位誤差

式中：TestFreq為測(cè)試信號(hào)頻率。

對(duì)所有測(cè)試的頻率都要計(jì)算相位誤差，并保留計(jì)算出的最大誤差作為最終測(cè)試結(jié)果。

2.3　儀器Distortion畸變測(cè)試

該項(xiàng)測(cè)試用于檢查FDU內(nèi)部的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的線性響應(yīng)。將一個(gè)已知振幅和頻率的正弦波通過(guò)內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)送入ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端進(jìn)行檢查。測(cè)試將報(bào)告：被選濾波器帶寬內(nèi)檢測(cè)到的所有諧波的頻譜功率與輸出信號(hào)的頻譜功率之比，其相應(yīng)的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)如上圖3所示。測(cè)試時(shí)電路及參數(shù)表示：ADC輸入端連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)；前置放大器增益用戶選擇(1600mV(0dB)或400mV(12dB))；DAC連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)；濾波器類型和采樣率用戶選擇。測(cè)試序列：

開始時(shí)間Tb和結(jié)束時(shí)間Te參見(jiàn)表1，測(cè)量階段的時(shí)間Tm長(zhǎng)短見(jiàn)下表4。

表4　FDU畸變測(cè)試時(shí)間Tm

(1)測(cè)試原理

DAC將一個(gè)正弦波信號(hào)(f=31.25Hz，振幅=FDU滿標(biāo)的97%)輸入到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中。ADC輸入端連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，并檢測(cè)內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)輸出端的電壓。計(jì)算DSP輸出信號(hào)的DFT(計(jì)算不同輸入信號(hào)頻率的DFT)。計(jì)算相應(yīng)的基本頻譜功率(TestFreqPower)。計(jì)算相同信號(hào)的諧波譜功率(HarmonicPower)。然后用相同信號(hào)的諧波譜功率除以基本頻譜功率(是否是通帶內(nèi)的諧波線，由被選濾波器的截止頻率來(lái)劃定)。測(cè)試結(jié)果用dB表示。

(2)基本譜功率計(jì)算

(3)諧波譜功率計(jì)算

式中：N≤9。

(4)儀器畸變計(jì)算

2.4　儀器CMRR共模抑制測(cè)試

該項(xiàng)測(cè)試用于測(cè)量FDU內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換器的共模抑制比。一個(gè)已知振幅和頻率的正弦波信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)輸入到ADC轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸入端進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試將報(bào)告：共模電壓值與相對(duì)于輸入端的輸出電壓RMS值之比。其相應(yīng)的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)如上圖3所示，測(cè)試時(shí)電路及參數(shù)表示：ADC輸入端連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)；前置放大器增益用戶選擇(1600mV(0dB)或400mV(12dB))；DAC連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)；濾波器類型和采樣率用戶選擇。測(cè)試序列：

開始時(shí)間Tb和結(jié)束時(shí)間Te參見(jiàn)表1，測(cè)量階段的時(shí)間Tm長(zhǎng)短見(jiàn)下表5。

表5　FDU畸變測(cè)試的Tm

(1)測(cè)試原理

DAC將一個(gè)正弦波信號(hào)(f=31.25Hz，振幅=DAC滿標(biāo)的77.6%)輸入到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中。ADC輸入端連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，ADC的兩個(gè)輸入端接收相同的信號(hào)。

共模電壓的理論RMS輸入值CMSignalRms，是從FDU的校準(zhǔn)值中(理論電阻校準(zhǔn)因子，DAC電流校準(zhǔn)因子)計(jì)算出來(lái)的。

(2)CMRR共模抑制比計(jì)算

式中：Cmfactor代表來(lái)自FDU校準(zhǔn)結(jié)果的共模電阻校準(zhǔn)值。CMRR的結(jié)果與大地有關(guān)，與模擬地?zé)o關(guān)。測(cè)試結(jié)果以dB表示。

2.5　儀器Crosstalk串音測(cè)試

在儀器測(cè)試的結(jié)構(gòu)中，該項(xiàng)測(cè)試用于測(cè)量FDU之間的串音。測(cè)試包括兩個(gè)步驟：在第一個(gè)步驟中，每個(gè)偶數(shù)FDU內(nèi)部的測(cè)試信號(hào)發(fā)生器將一個(gè)正弦波信號(hào)(F=31.25Hz和振幅=DAC滿標(biāo)的77.6%)送到測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)奇數(shù)FDU內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換器就測(cè)量串入自己測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的電壓。(在奇數(shù)FDU內(nèi)部的測(cè)試信號(hào)發(fā)生器被禁止)相反地，在第二個(gè)步驟中，每個(gè)奇數(shù)FDU將一個(gè)正弦波信號(hào)送到測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)偶數(shù)FDU就測(cè)量串入自己測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的電壓。對(duì)每個(gè)參與測(cè)試的FDU，系統(tǒng)計(jì)算出測(cè)試信號(hào)理論電壓值與測(cè)量的實(shí)際電壓值之比，然后顯示儀器串音測(cè)試結(jié)果(限制在140dB)。

其相應(yīng)的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)如下圖4a和圖4b所示，測(cè)試時(shí)電路及參數(shù)表示：

- ADC輸入端：連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)；

圖4

- 前置放大器增益：1600mV(0dB)或400mV(12dB)，用戶選擇；

- DAC：連接到內(nèi)部測(cè)試網(wǎng)絡(luò)；

- 第一個(gè)步驟連接偶數(shù)FDU；

- 第二個(gè)步驟連接奇數(shù)FDU；

- 濾波器類型和采樣率：用戶選擇。

兩種測(cè)試序列(T1、T2)：

開始時(shí)間Tb和結(jié)束時(shí)間Te參見(jiàn)表1, 測(cè)量階段(Tm)的長(zhǎng)度見(jiàn)下表6。

表6　FDU串音測(cè)試的時(shí)間Tm

測(cè)試原理：從第一步驟中每個(gè)奇數(shù)道采集DSP輸出的信號(hào)中和從第二步驟中每個(gè)偶數(shù)道中采集到的輸出信號(hào)中，計(jì)算出相對(duì)于輸入的RMS均方根(Vrms)值。從每個(gè)FDU測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中驅(qū)動(dòng)的理論值中，計(jì)算出測(cè)試信號(hào)的理論RMS均方根(TheoretRMS)儀器串音測(cè)試的計(jì)算公式如下：

串音的限值為140dB。

注意：測(cè)試需要最小的測(cè)試長(zhǎng)度(5秒記錄@2ms采樣)。

2.6　儀器Pulse脈沖測(cè)試

該項(xiàng)測(cè)試用于記錄儀器道對(duì)脈沖(一個(gè)樣值長(zhǎng)的脈沖)的響應(yīng) 。

其相應(yīng)的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)如上圖3所示，測(cè)試時(shí)電路及參數(shù)表示：

-ADC輸入端：連接到內(nèi)部測(cè)試RC(由電阻電容組成)網(wǎng)絡(luò)；

- 前置放大器增益：1600mV(0dB)或400mV(12dB)，用戶選擇；

-DAC：連接到內(nèi)部測(cè)試RC網(wǎng)絡(luò)；

- 濾波器類型和采樣率：用戶選擇；

- 三種測(cè)試的序列(T1，T2，T3)：

開始時(shí)間Tb和結(jié)束時(shí)間Te參見(jiàn)表1, 測(cè)量階段的時(shí)間Tm長(zhǎng)短見(jiàn)下表7。

表7　FDU脈沖測(cè)試Tm長(zhǎng)度表

測(cè)試原理：DAC將一個(gè)前面描述的脈沖信號(hào)輸入到內(nèi)部測(cè)試RC(由電阻電容組成)網(wǎng)絡(luò)中。在ADC上輸出端的結(jié)果信號(hào)被輸出，并記錄到測(cè)試SEGD文件。

2.7　測(cè)試記錄的恢復(fù)

SEAL完成的一些儀器測(cè)試項(xiàng)目(噪聲，增益和相位，畸變，共模抑制比和串音)，可以像SEGD測(cè)試文件那樣記錄在磁帶上，可以通過(guò)相應(yīng)的公式從SEGD測(cè)試記錄中讀出測(cè)試數(shù)據(jù)，重新計(jì)算其測(cè)試結(jié)果并顯示在HCI工作上站或通過(guò)繪圖儀打印出來(lái)，在此不多做贅述。

3結(jié)束語(yǔ)

以上介紹了SEAL系統(tǒng)FDU測(cè)試方法與原理, 要正確地測(cè)量FDU, 并在儀器各類菜單中正確地填寫FDU的相關(guān)參數(shù),以便在儀器調(diào)用時(shí),能選取數(shù)據(jù)庫(kù)中最適合FDU的參數(shù)，例如：在測(cè)試串音時(shí)測(cè)試需要最小的測(cè)試長(zhǎng)度(5s紀(jì)錄，2ms采樣)，這樣才能有效地保證FDU測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

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