李從慶 滕云田 王曉美 范曉勇 張 策 湯一翔

1 中國地震局地球物理研究所,北京市民族大學南路5號,100081 2 中國地震局地球物理勘探中心,鄭州市文化路75號,450002 3 中國地震局地殼應(yīng)力研究所,北京市安寧莊路1號,100085

人工源地震方法探測地殼上地幔結(jié)構(gòu)是了解地球內(nèi)部礦藏資源、認識地球內(nèi)部孕震構(gòu)造和地球動力演化過程的重要途徑。人工源地震測深利用人工爆破激發(fā)彈性波，通過地表布設(shè)的地震儀接收來自地下深部界面的地震波，根據(jù)地震波的運動學和動力學特征對觀測的地震記錄進行分析計算，從而獲取特定區(qū)域的地殼上地幔結(jié)構(gòu)[1-2]。自20世紀50年代末以來，中國地震局地球物理勘探中心累計完成深地震測深剖面近4萬km，為地震活動區(qū)深部構(gòu)造及其細結(jié)構(gòu)、大震孕育環(huán)境、發(fā)展構(gòu)造的深部特征研究，地殼和上地慢結(jié)構(gòu)與地球動力學過程研究，火山深部結(jié)構(gòu)探測研究，油氣生成的深部構(gòu)造環(huán)境研究取得了高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)[3]。PDS型地震儀由中國地震局地球物理勘探中心自主研制，是面向人工地震測深野外數(shù)據(jù)觀測的儀器裝備，已累計生產(chǎn)1 300 臺套，在歷年來的野外探測項目中采集了大量高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，為防震減災(zāi)事業(yè)作出重要貢獻[4]。近年來，隨著地球深部探測研究和地震波理論方法的不斷發(fā)展，也急需將PDS型地震儀應(yīng)用于諸如超密集臺陣噪聲成像研究、氣槍源人工地震密集臺陣觀測等項目的野外數(shù)據(jù)采集工作[5-6]。由于在上述項目的野外數(shù)據(jù)采集中需要采用連續(xù)記錄采集模式，且記錄一般長達1～2 個月，但PDS型地震儀不具備內(nèi)置GNSS實時校鐘同步功能，如果在連續(xù)采集模式下工作1～2月的話，其內(nèi)部晶振時鐘的時間累積誤差將達到不可接受的程度。本文研制開發(fā)一種與PDS型地震儀協(xié)同工作的即插即用式自動監(jiān)控與校鐘同步裝置，可解決在諸如超密集臺陣噪聲成像和氣槍源人工地震臺陣觀測野外數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中PDS型地震儀在連續(xù)記錄模式下內(nèi)部時鐘漂移的問題，從而保證PDS 型地震儀采集的數(shù)據(jù)資料滿足超密集臺陣噪聲成像和氣槍源人工地震資料處理對野外數(shù)據(jù)采集時間精度的要求。

1 硬件設(shè)計

PDS型地震儀是一種便攜式一體化數(shù)字地震儀，可通過端蓋上的航空連接器與PC機連接，進行數(shù)據(jù)讀取、參數(shù)設(shè)置以及狀態(tài)查看的操作。本文研制的自動校鐘同步裝置僅需插入PDS 型地震儀端蓋上航空連接器插座即可自動運行。自動校鐘同步裝置的硬件設(shè)計框圖及與PDS型地震儀的電氣連接示意圖如圖1所示。自動校鐘同步裝置硬件設(shè)計由Apollo2超低功耗微處理器[7]、GNSS OEM模塊、GNSS全向螺旋天線、RS-232串口轉(zhuǎn)換芯片、藍牙通信模塊以及磁控邏輯電路等構(gòu)成。

圖1 自動校鐘同步裝置硬件框圖及與PDS型地震儀的電氣連接示意圖Fig.1 Block diagram of time synchronization and automatic control device

1.1 Apollo2微處理器

PDS型地震儀自動校鐘同步裝置采用Ambiq Micro公司超低功耗、高性能Apollo2微控制器，內(nèi)置ARM-Cortex-M4核處理器、硬件浮點處理單元和存儲訪問保護邏輯單元，支持32路休眠喚醒中斷，1MB片上Flash代碼和數(shù)據(jù)存儲器，超低功耗高速14 bit ADC，電壓比較器和溫度傳感器，6路I2C/SPI主控制器具備128 B Bi-FIFO，2路全雙工UART通信接口。在Active Mode運行方式下，Apollo2內(nèi)核工作主頻高達48 mHz，其sleep mode和deep sleep mod低功耗運行模式可更進一步降低系統(tǒng)動態(tài)功耗，工作電源1.755～3.630 V。本設(shè)計中Apollo2微控制器采用3.3 V電源系統(tǒng)，為確保微處理器內(nèi)核與片上邏輯電路單元可靠上電復位，nRST 管腳需要4.7 kΩ電阻上拉至系統(tǒng)電源，同時使用1 nF 膽電容下拉至GND。自動校鐘同步裝置以Apollo2 微處理器為核心，控制和處理與PDS 型地震儀的UART 通信命令交互、GNSS 報文解碼與校鐘同步邏輯、磁控邏輯、藍牙通信以及LED 狀態(tài)指示等。自動校鐘同步裝置Apollo2微控制器硬件電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 Apollo2微控制器硬件電路Fig.2 Schematic diagram of Apollo2 microcontroller

1.2 GNSSS OEM模塊及全向螺旋天線

自動校鐘同步裝置通過接收GNSS 模塊輸出的報文信息對PDS 型地震儀進行時間同步與校準。PDS型地震儀內(nèi)置一個高精度溫補晶振(TCXO)驅(qū)動計數(shù)器為地震數(shù)據(jù)采集提供時間基準,但PDS型地震儀在野外長期連續(xù)觀測模式下，溫補晶振由于溫度漂移導致的時間誤差將累積達數(shù)百ms量級，嚴重影響后續(xù)資料處理解釋的精度。該自動校鐘同步裝置在插入PDS型地震儀端蓋航空連接器后可與地震儀一同埋置于觀測點位，實現(xiàn)連續(xù)實時不間斷校鐘同步，從而保證數(shù)據(jù)采集精度。自動校鐘同步裝置設(shè)計采用uBlox Max-M8 OEM模塊，靈敏度達-167dBm，支持接收GPS、Galileo、GLONASS 和BDS四種GNSS系統(tǒng)的導航報文信息，特別是在野外偏遠和信號微弱地區(qū)能確保報文信息的有效輸出[8]。Max-M8報文輸出支持DDC和UART接口。本設(shè)計使用UART通信接口，GP22_RxD用于接收微處理器的初始化配置信息，GP23_TxD用于向微處理器發(fā)送GNSS報文數(shù)據(jù)幀。在TIMEPULSE信號上升沿以觸發(fā)Apollo2微控制器中斷的方式完成對PDS型地震儀內(nèi)部溫補晶振(TCXO)軟件時鐘的校準同步。

自動校鐘裝置需要與PDS 型地震儀一同埋置于觀測點位，由于GNSS 電磁信號在穿越覆蓋土層時衰減嚴重，本設(shè)計采用超高靈敏度GNSS全向螺旋天線[9]，利用LNA濾波器有效消除GSM 和ISM 頻段干擾，平衡式設(shè)計排除地平面的共模噪聲，可靠保障GNSS信號的有效接收，從而保障自動校鐘裝置對PDS型地震儀的時間同步校準服務(wù)。GNSS全向螺旋天線的輻射方向如圖3所示。

圖3 全向天線輻射方向圖(dBic)Fig.3 Radiation pattern(dBic)

1.3 藍牙無線通信

PDS型地震儀在諸如地震背景噪聲超密集臺陣、氣槍源密集臺陣野外數(shù)據(jù)采集工作中需要采用連續(xù)觀測記錄的模式采集數(shù)據(jù)1～2月之久，為了方便野外人員對地震儀工作狀態(tài)開展巡檢巡查，自動校鐘裝置設(shè)計了藍牙無線通信功能，野外工作人員可通過手機應(yīng)用軟件便捷地獲取地震儀的工作狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置、實時查看波形顯示，一旦發(fā)現(xiàn)有故障可以盡快處置，防止地震數(shù)據(jù)損失。如果需要，也可以對地震儀修改工作參數(shù)設(shè)置，保證儀器處于最佳數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。本設(shè)計采用日本Taiyo Yuden公司的EYSHSNZW超小尺寸、超低功耗Bluetooth 5.0模塊，支持2 Mbps通信模式[10]。Apollo2 微控制器通過SPI接口與藍牙通信模塊進行數(shù)據(jù)交互，而手機應(yīng)用程序發(fā)出的操作命令通過藍牙模塊發(fā)給Apollo2微控制器，微處理器將請求的狀態(tài)參數(shù)準備好之后再返回手機應(yīng)用程序，從而實現(xiàn)野外操作人員對PDS型地震儀的操控功能。圖4所示為藍牙通信模塊電路。

圖4 藍牙通信模塊電路Fig.4 BLE module cricuit

2 固件程序設(shè)計

自動校鐘同步裝置固件程序分為Apollo2 微處理器固件程序和nRF52382 藍牙通信固件程序兩個部分，Apollo2 微處理器面向PDS型地震儀主要完成GNSS報文信息解碼、同步信息提取、同步邏輯控制、同步反饋狀態(tài)處理等，而nRF52382藍牙通信固件程序主要通過BLE 5.0 通信協(xié)議棧完成PDS型地震儀與手機Android APP 的無線鏈接通信功能。

2.1 Apollo2微處理器固件程序

Apollo2微處理器固件程序上電運行后，首先通過UART接口完成對GNSS模塊Max-M8工作參數(shù)的初始化，然后開始處理GNSS模塊以NEMA-0381幀格式輸出的星歷報文數(shù)據(jù)并提取GNSS時間服務(wù)信息和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)[11]。在TIMEPULSE脈沖信號上升沿，Apollo2微控制器向PDS 型地震儀發(fā)出校鐘同步控制命令序列以及更新經(jīng)緯度坐標信息。GNSS報文以ASCⅡ碼形式輸出，報文起始標識為美元符號“$”,隨后依次為“<報文標識>”域、“{,<報文信息數(shù)據(jù)>}”域、“*<校驗和>”域以及結(jié)尾標識“”。其中，校驗和的校驗范圍只包括“<報文標識>”域和“{,<報文信息數(shù)據(jù)>}”域。

自動校鐘同步裝置插入PDS型地震儀即可上電自動運行，在硬件上電復位后，Apollo2微控制器的固件程序首先要完成2路UART接口和SPI Master 接口的硬件初始化，以及GNSS接收機模塊的一些軟件初始化工作。隨后，固件程序以中斷方式接收報文信息并利用GPRMC語句判斷當前GNSS定位信息是否有效。如果定位有效，則分別解析GPGGA語句和GPRMC語句，提取經(jīng)緯度、高程、日期和時間信息，經(jīng)時區(qū)校正后在TIMEPULSE信號上升沿時刻完成對PDS型地震儀的時間校準同步。如果磁控邏輯觸發(fā)電平有效，Apollo2微控制器還將運行面向藍牙無線通信模塊微控制器nRF52382的固件代碼，并通過SPI接口實現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的交互，否則直接進入休眠，最大限度降低自動校鐘同步裝置的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。待定時中斷觸發(fā)后，Apollo2微控制器重新喚醒開始新一輪的循環(huán)工作。Apollo2 微處理器固件程序的主體流程如圖5所示。

圖5 Apollo2固件程序流程Fig.5 Flow chart of Apollo2 MCU firmware

2.2 nRF52382藍牙通信固件程序

自動校鐘同步裝置內(nèi)置BLE 5.0藍牙通信功能可實現(xiàn)手機Android應(yīng)用無線操控PDS型地震儀。為方便實現(xiàn)BLE 5.0藍牙通信功能，本設(shè)計中EYSHSNZWZ藍牙模塊nRF52382固件程序在Nordic公司S132 Softdevice[12]藍牙通信協(xié)議基礎(chǔ)上將藍牙模塊實現(xiàn)為一個SPI Slave設(shè)備。Apollo2微控制器作為SPI Maser設(shè)備與SPI Slave設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)手機Android APP 對PDS型地震儀進行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查詢、實時波形回顯以及手動校鐘控制等功能。藍牙模塊nRF52382微控制器固件程序通過調(diào)用Softdevice提供的nRF API函數(shù)面向Anriond APP實現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)通信服務(wù)，以及面向Apollo2微控制器的SPI Master控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

3 樣機測試與初步野外實驗

自動校鐘同步裝置樣機研制完成后，首先在室內(nèi)對其運行情況展開測試，通過兩臺一組連續(xù)一周的運行比對觀測，自動校鐘同步裝置運行工作穩(wěn)定正常。通過查看，PDS型地震儀鐘差數(shù)據(jù)記錄均小于1 ms，滿足地震噪聲成像超密集臺陣野外觀測的要求。為了進一步驗證自動校鐘同步裝置的性能，2019-05-29～06-12在新密市青屏山超低頻振動實驗場開展了PDS型地震儀與國內(nèi)外幾型地震儀(包括美國Fairfield公司的Z-land地震儀、GTI公司的Nur-1C地震儀以及國內(nèi)IES、ESP等地震儀)的比對實驗。項目組在實驗現(xiàn)場挖掘一個深約30 cm、面積約1 m2的淺坑，將參與比對實驗的幾型儀器規(guī)整排列布放于底部基巖上，儀器調(diào)平并設(shè)置統(tǒng)一的工作參數(shù)啟動采集，然后沙土回填將儀器掩埋(覆蓋層厚度約5 cm)。為了防止儀器出現(xiàn)故障，特意將每一型地震儀都放置兩臺同時參與比對觀測。在實驗結(jié)束后，對各型地震儀讀取的數(shù)據(jù)分析顯示，均工作正常。將Z-land地震儀與插有自動校鐘同步裝置的PDS型地震儀數(shù)據(jù)比對分析發(fā)現(xiàn)，Z-land地震儀與PDS型地震儀截取相同時間段的波形記錄完全吻合，證明自動校鐘同步裝置運行穩(wěn)定可靠且有效(圖6)。

圖6 Z-land地震儀與PDS型地震儀波形對比Fig.6 Seismic waves comparation between Z-land and PDS seismographs

4 結(jié) 語

本文研制的自動校鐘同步裝置是一種與PDS型地震儀協(xié)同工作的即插即用式自動監(jiān)控與校鐘同步裝置，實現(xiàn)了對PDS型地震儀在野外數(shù)據(jù)采集中的實時時鐘同步校準，可消除PDS型地震儀工作在連續(xù)記錄模式下的時鐘漂移，使得PDS型地震儀可以很好地應(yīng)用于超密集臺陣噪聲成像和氣槍源人工地震臺陣觀測野外數(shù)據(jù)采集。目前，通過室內(nèi)測試和野外比對實驗獲得了初步結(jié)果，下一步將研究優(yōu)化動態(tài)電源管理，增加地震儀的工作電壓監(jiān)測報警、儀器狀態(tài)監(jiān)控和校鐘信息日志文件等功能，使得通過藍牙無線通信與手機Android App 實現(xiàn)交互操作能力，也將極大方便野外儀器巡檢巡查。