胡 濤，狄?guī)妥?，魏建?/p>

(中國石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息學(xué)院，北京 102200)

并行高速采樣在地震物理模擬采集中的應(yīng)用

胡 濤，狄?guī)妥?，魏建?/p>

(中國石油大學(xué)(北京) 地球物理與信息學(xué)院，北京 102200)

為了解決地震物理模擬采集中采樣率和分辨率的瓶頸問題，引用并行高速采樣方案，在保證高采樣率的同時，提高采樣分辨率。利用兩塊NI PXI5922高速采集卡、一臺超聲發(fā)射儀、一對超聲換能器和前置放大器，完成了并行高速采樣在地震物理模擬采集的應(yīng)用設(shè)計。

并行采集；高速采集卡；地震物理模擬

0 引言

隨著數(shù)字信號處理器的飛速發(fā)展，ADC的測量精度、采集速度成為現(xiàn)代信號處理的瓶頸[1]。在給定的工藝下，ADC工作的最大采樣速度受限于它的分辨率[2]。地震物理模擬是用超聲換能器和超聲發(fā)射儀模擬野外檢波器和震源。由于實驗室條件下地震物理模擬信號較弱，并且動態(tài)范圍較大，因此必須是高分辨采集；同時，地震物理模擬采集的信號是頻率在0.1 MHz～1.0 MHz的超聲信號，為了保證信號不失真，又要求采集卡具有高采樣率[3-4]。對該頻率范圍內(nèi)的信號進(jìn)行高分辨率和過采樣采集，單通道高速NI PXI5922采集卡無法滿足?；诂F(xiàn)實需要，在現(xiàn)有采集設(shè)備基礎(chǔ)上，使用兩塊PXI5922采集卡對同一信號進(jìn)行并行采樣，這樣既保證高采樣率，又保證了高分辨率[5]。通過并行采集來解決采樣率和分辨率的矛盾關(guān)系。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)的核心是兩塊PXI5922高速AD采集卡對同一地震物理模擬信號并行采集。由于應(yīng)用環(huán)境是地震物理模擬采集，因此涉及激發(fā)源與采集卡的工作同步[6]以及數(shù)據(jù)的存儲、處理和顯示。

1.1 硬件的基本組成

硬件系統(tǒng)主要由同步觸發(fā)器、超聲激發(fā)源、換能器、信號放大器、NI采集設(shè)備和PC組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 并行高速采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，激發(fā)源和PXI5922采集是由同步觸發(fā)器控制的，同步開啟工作；接收換能器接收到地震物理模擬信號，經(jīng)放大器放大整形后，同時送到兩塊獨立的PXI5922采集卡，實現(xiàn)對同一信號的并行采集；最后通過NI的PCI-E高速數(shù)據(jù)傳輸接口卡，將數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)絇C主機，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的儲存、處理和顯示。

1.2 軟件設(shè)計

圖2 并行采集概念框圖

軟件設(shè)計是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。通過對NI采集卡的編程設(shè)置，實現(xiàn)兩塊PXI5922采集卡采樣時鐘有相對1/2采樣周期延時，達(dá)到交織采集、采樣率加倍的效果。如圖2所示，采集卡1與采集卡2的采集時鐘相位差180°，反映在模擬信號采集上，兩塊采集卡抽樣的位置剛好互相交織[7]。

1.2.1 采集卡并行采集軟件設(shè)計

對PXI5922采集卡進(jìn)行應(yīng)用編程前，必須先了解采集卡的性能。該型號NI采集卡采樣率和分辨率是靈活可配置的，設(shè)置的采樣率越高，對應(yīng)的分辨率位數(shù)相對就越低[8]，詳細(xì)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 NI 5922采集卡采樣率與分辨率對應(yīng)關(guān)系

在普通采集條件下，所有AD采集卡的初始化配置的內(nèi)容基本是一致的，依次是檢查硬件設(shè)備獲取控制句柄、配置采集通道屬性(輸入最大幅值、阻抗、最大輸入頻率等)、配置采集的X、Y軸參數(shù)(采樣率、采樣點數(shù)等)、設(shè)置觸發(fā)方式(邊沿觸發(fā))、開啟采集等待、獲取數(shù)據(jù)、關(guān)閉采集。

并行采集對采集卡的軟件設(shè)置比普通設(shè)置多了3個步驟，在設(shè)置完觸發(fā)方式后，首先，需要將兩塊采集卡配置成相同觸發(fā)條件(Homogeneous Triggers)，這時兩塊采集卡共用一個外部觸發(fā)信號，確保觸發(fā)采集時刻的完全同時；然后，將兩塊采集卡配置成同步時鐘(Sychronize)，該時鐘是用來進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)工作時鐘；最后，將其中一塊采集的采樣時鐘延時半個采樣周期，對應(yīng)API函數(shù)是niScope_AdjustSampleClockRelativeDelay(sessions[1],1/(2×fs))，session對應(yīng)的是采集卡，fs是采樣率。接下來與普通采集一致，開啟采集等待、獲取數(shù)據(jù)、關(guān)閉采集。

1.2.2 并行采集數(shù)據(jù)的組合

在地震物理模擬信號采集中，每激發(fā)一次，采集卡會連續(xù)采集2 048點～4 096點采樣深度，對應(yīng)的是10 MS/s采樣率，18 bit分辨率。在兩個采集卡并行采集方式下，只需將兩塊采集卡設(shè)置成5 MS/s采樣率，每塊卡采集1 024點～2 048點，然后將采集的數(shù)據(jù)組合起來，相當(dāng)于依然是10 MS/s采樣率，同時分辨率提升為20 bit。完成數(shù)據(jù)組合的程序步驟如下：

(1)通過采集卡的數(shù)據(jù)獲取函數(shù)，獲得采集卡1的采集輸出數(shù)組；

(2)通過采集卡的數(shù)據(jù)獲取函數(shù)，獲取采集卡2 的采集輸出數(shù)組(采集卡2的數(shù)據(jù)是進(jìn)行半個采樣周期延時采集的)；

(3)將采集卡1和采集卡2 的采集輸出數(shù)組合并為一個大數(shù)組，數(shù)據(jù)交替放置(即采集卡2的數(shù)據(jù)放置在大數(shù)組的偶數(shù)位，采集卡1的數(shù)據(jù)放置在奇數(shù)位)。

經(jīng)過合并后的數(shù)組是并行采集中一次地震物理模擬信號采集的最終數(shù)據(jù)格式，后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲、處理和顯示，都是對合并后的數(shù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

2 試驗結(jié)果

經(jīng)過軟硬件的綜合調(diào)試，實現(xiàn)對同一地震物理模擬信號并行采集。圖3是一次激發(fā)所采集的地震物理模擬信號的波形圖，該圖是由連續(xù)采集的2 048點組成的，是基于VC++編寫的顯示控件。圖4是將并行采集的2 048點數(shù)據(jù)在MATLAB中顯示，圖5是局部放大觀察并行交織采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量和效果。

圖3 一次激發(fā)采集的地震物理模擬信號波形

圖4 并行采集數(shù)據(jù)組合后MATLAB散點顯示

圖5 并行采集局部采樣點放大顯示

3 結(jié)論

本文采用兩塊NI PXI5922采集卡完成了對地震物理模擬信號并行采集的功能。之前單卡采集是10 MS/s的采樣率，18 bit分辨率；現(xiàn)在用雙卡并行采集，每塊卡只需設(shè)置為5 MS/s的采樣率，20 bit分辨率，將兩塊采集卡的數(shù)據(jù)合并之后依然可以達(dá)到原先的采樣率，同時提高了分辨率。并行交織采集有助于化解地震物理模擬采集對高采樣率和高分辨率要求的矛盾，提高原始數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。

[1] 崔艷召,何欣,杜以強，等.多路高精度模擬量采集電路的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用,2014,33(21):82-84.

[2] 李玉生.超高速并行采集模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的研究[D].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

[3] 狄?guī)妥?，魏建? VXI 總線產(chǎn)品在地震物理模擬多通道采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].計算機自動測量與控制，2001，9(2)：7-8.

[4] 馬國慶，王輝明，李守才.地震物理模擬數(shù)據(jù)采集方法[C].中國地球物理2009，2009：503.

[5] 王銀玲，李華聰. 基于FPGA 的多通道并行高速采樣研究[J].微型機與應(yīng)用，2015,34(9)：37-39.

[6] 嚴(yán)正國,黎偉,馬龍，等.一種分布式無線同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(10):49-52,56.

[7] 楊辰. 多片ADC并行采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[8] NI.NI PXI-5922 24位可變分辨率數(shù)字化儀[EB/OL].[2015-10-29].http://www-ni-com/pdf/manuals/374049f.pdf.

Parallel high-speed sampling in the application of the geophysical modeling acquisition

(Hu Tao, Di Bangrang, Wei Jianxin)

(College of Geophysics and Information Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102200, China)

In order to solve the bottleneck problems in geophysical modeling acquisition—sampling rate and resolution, this paper uses parallel high-speed sampling scheme to ensure high sampling rate and improve the sampling resolution. It uses two pieces high-speed data acquisition card NI PXI5922, an ultrasonic transmitting apparatus, a pair of ultrasonic transducer and a preamplifier to complete the parallel high-speed sampling in the application of geophysical modeling acquisition design.

parallel acquisition； high-speed data acquisition card； geophysical modeling

TP274.2

A

1674-7720(2016)04-0101-03

胡濤，狄?guī)妥?，魏建新．并行高速采樣在地震物理模擬采集中的應(yīng)用[J] .微型機與應(yīng)用，2016，35(4)：101-103.

2015-10-29)

胡濤(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：伺服運動控制和嵌入式應(yīng)用開發(fā)。E-mail:hutaohr@163.com。

狄?guī)妥?1961-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：地震采集、地球物理儀器。

魏建新(1958-)，男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：地震物理模擬，巖石物理學(xué)。