賀 斌，李 劍，馬翊翔，龐潤嘉，展勇忠，鄒 宇，劉 寧

(1.中北大學(xué) 信息探測與處理山西省重點(diǎn)實驗室，太原 030051；2.湖南云箭集團(tuán)有限公司，長沙 410100；3.內(nèi)蒙航天動力機(jī)械測試所，呼和浩特 010076)

0 引言

地下淺層震源定位技術(shù)是一種利用地震波傳播的原理，通過測量地震波到達(dá)震動探測節(jié)點(diǎn)的時間、方向和振幅等信息，推斷出震源位置的測量技術(shù)。這種技術(shù)不僅在能源勘探[1]、管道安全監(jiān)測[2]、地質(zhì)勘探[3]、地震監(jiān)測[4]等領(lǐng)域中具有較大的民用價值，同時也在彈藥地下炸點(diǎn)定位、爆炸毀傷評估、人工爆炸和微差爆破[5]等領(lǐng)域具有重要的軍事應(yīng)用價值。

在地下淺層震源定位過程中，主要借鑒地震震源定位方法，利用震動波到達(dá)各震動探測節(jié)點(diǎn)的時間差，構(gòu)建到時時差定位方程實現(xiàn)定位[6-10]，其中，時間差的計算精度直接決定了震源定位的準(zhǔn)確性和精度[11]。在面對信號強(qiáng)度大、上升速度快的定位情況時，通過應(yīng)用相關(guān)算法對節(jié)點(diǎn)間獲取的第一個脈沖信號進(jìn)行處理，可以獲得精度較高的時差信息，從而實現(xiàn)較高的定位精度[12]；然而在地下淺層震源定位過程中，由于震動波信號幅度較小、上升速度較慢以及波形混疊較為嚴(yán)重，因此最初的脈沖峰值點(diǎn)并不一定是全波最強(qiáng)的峰值點(diǎn)[13]。如果將其誤認(rèn)為是震動波到達(dá)的第一個脈沖，那么所得到的時差信息將存在較大的誤差，進(jìn)而對定位精度產(chǎn)生較大的影響。為了提升地下淺層震源的定位精度，文獻(xiàn)[14]通過提取地震波中優(yōu)勢頻率的相位，并配合節(jié)點(diǎn)間的初至波到達(dá)時間，成功地提高了到時時差的提取精度，從而有效提升了震源的定位精度。然而，由于生產(chǎn)工藝的限制，震動傳感器的頻率響應(yīng)特性存在差異，導(dǎo)致不同頻率的信號經(jīng)過傳感器后產(chǎn)生不同的延遲，即震動傳感器存在固有相位誤差[15]。這種相位誤差是由其生產(chǎn)工藝造成的，因此只能減小而無法徹底消除。在提取地震波優(yōu)勢頻率的相位差過程中，震動傳感器的固有相位誤差會導(dǎo)致所提取的相位差是傳感器相位誤差和優(yōu)勢頻率相位差的疊加；如果不對震動傳感器固有相位誤差進(jìn)行消除，將會影響時差提取和定位的精度。因此，在高精度到時時差提取前需要對震動傳感器固有相位誤差進(jìn)行消除。

目前減小傳感器系統(tǒng)相位誤差的方法主要有以下兩種：1)通過改善震動傳感器的結(jié)構(gòu)和材料，使其動態(tài)特性更加優(yōu)秀[16]。這種方法主要是通過優(yōu)化傳感器的設(shè)計和制造過程，使其能夠更準(zhǔn)確地捕捉和響應(yīng)震動信號。這種方法雖然有效，但是對成本和工藝有很大要求，受制造業(yè)和材料水平的限制，這種傳感器校準(zhǔn)方法短期內(nèi)難以實現(xiàn)。2)在傳感器后串接一個補(bǔ)償器以提高傳感器動態(tài)特性[17]。這種方法主要是通過在傳感器信號處理電路中增加一個補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以對傳感器的輸出信號進(jìn)行校正和補(bǔ)償。這種方法無需依賴傳感器的動態(tài)模型，直接對傳感器輸出信號進(jìn)行處理。針對補(bǔ)償環(huán)節(jié)的構(gòu)建，國內(nèi)外學(xué)者提出了基于群體智能算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等方法的傳感器動態(tài)補(bǔ)償方法，其中，文獻(xiàn)[18]提出了一種將粒子群優(yōu)化算法與小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合的方法，用于構(gòu)建傳感器模型，該方法能夠有效地避免傳統(tǒng)反向傳播(BP，back-propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型易陷入局部最優(yōu)解的問題，同時提高訓(xùn)練精度；此外，文獻(xiàn)[19]還提出了一種對函數(shù)級聯(lián)型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)的方法，使其具有更快的收斂速度和更好的魯棒性，并成功應(yīng)用于傳感器的動態(tài)補(bǔ)償；文獻(xiàn)[20]則利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的逼近能力來構(gòu)建傳感器的動態(tài)補(bǔ)償模型；另外，文獻(xiàn)[21]還提出了一種無需知道傳感器模型直接構(gòu)建實時補(bǔ)償系統(tǒng)的方法，該方法通過設(shè)置目標(biāo)函數(shù)，以傳感器理想階躍響應(yīng)和實際響應(yīng)曲線之間的誤差面積作為依據(jù)來估計補(bǔ)償值。這些方法在電腦端均可以取得良好的效果，然而，它們的運(yùn)行需要強(qiáng)大的計算能力作為支持，因此很難以硬件電路的形式對傳感器進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。這就使得它們無法部署在傳感器端，從而無法實現(xiàn)實時相位校準(zhǔn)。

針對地下淺層震源定位過程中，由震動傳感器固有相位誤差導(dǎo)致的地震波到時時差提取精度不高、實時性低等問題，本文提出了一種基于量子粒子群優(yōu)化(QPSO，quantum particle swarm optimization)算法[22]的震動傳感器片上相位補(bǔ)償方法。首先對震動傳感器進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定，獲得傳感器之間的相位差；其次將全通濾波器[23]作為傳感器的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使用QPSO智能優(yōu)化算法對震動傳感器之間的相位差進(jìn)行修正，使其無限趨近于0；然后在MATLAB平臺仿真驗證后，將相位補(bǔ)償器封裝成FPGA軟核[24]部署于FPGA上；最后將相位補(bǔ)償濾波器部署于自研的多通道震動采集系統(tǒng)上，使用振動臺對片上相位補(bǔ)償器進(jìn)行系統(tǒng)驗證，確保可以達(dá)成震動傳感器陣列的系統(tǒng)相位一致性校準(zhǔn)。

1 震動傳感器相位補(bǔ)償方法

震動傳感器的系統(tǒng)相位非一致性主要來源于震動傳感器制造工藝有限以及采集系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。這種系統(tǒng)誤差導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)的相頻特性不夠理想，使得被測信號的不同頻率分量經(jīng)過傳感器節(jié)點(diǎn)后會存在不同程度的延遲。這種系統(tǒng)相位差只能減小而無法徹底消除，因此本文提出了一種基于QPSO的震動傳感器片上相位補(bǔ)償器設(shè)計方法，以實現(xiàn)震動傳感器陣列的相位一致性實時校準(zhǔn)。震動傳感器相位補(bǔ)償原理如圖1所示，采用逆濾波的方式，將相位補(bǔ)償濾波器串聯(lián)在待校準(zhǔn)傳感器的輸出信號后，直接對傳感器輸出信號進(jìn)行處理，達(dá)到傳感器陣列相位一致性實時校準(zhǔn)的目的。

圖1 震動傳感器相位補(bǔ)償原理

如圖1所示，以震動傳感器陣列中的一個陣元作為參考傳感器，將參考傳感器與待校準(zhǔn)傳感器當(dāng)作單輸入單輸出非線性系統(tǒng)；將傳感器的動態(tài)響應(yīng)作為相位補(bǔ)償濾波器的輸入，傳感器的輸入作為相位補(bǔ)償濾波器的響應(yīng)；運(yùn)用智能優(yōu)化算法獲取傳感器逆模型作為傳感器相位補(bǔ)償濾波器。整個過程無需建立傳感器動態(tài)模型，直接將總輸出信號最優(yōu)化以滿足測試需求。

1.1 相位補(bǔ)償濾波器設(shè)計

根據(jù)數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，一般將數(shù)字濾波器分為有限沖激響應(yīng)(FIR，finite impulse response)濾波器和無限沖激響應(yīng)(IIR，infinite impulse response)濾波器。FIR的一般設(shè)計方法包括窗函數(shù)法、頻率采樣法等，常見IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法包括雙線性變換法和脈沖響應(yīng)不變法等。其中FIR濾波器屬于非遞歸型的數(shù)字濾波器，可實現(xiàn)線性相位濾波，但它在頻帶范圍內(nèi)群延遲誤差過大，所以在實時音頻處理，雷達(dá)通信等領(lǐng)域不宜使用。相比于FIR濾波器，IIR數(shù)字濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)由于IIR引入了反饋的機(jī)制，IIR濾波器可以使用較低的階數(shù)，較少的運(yùn)算單元來實現(xiàn)相同的濾波器設(shè)計指標(biāo)。(2)IIR數(shù)字濾波器具有更高的選頻特性和相對較小的群延遲誤差，更加經(jīng)濟(jì)和高效。因此，IIR數(shù)字濾波器被廣泛應(yīng)用于低延遲，高選頻的工程領(lǐng)域。本文所涉及的相位補(bǔ)償數(shù)字濾波器不針對信號的幅值修正，僅對信號相位進(jìn)行校準(zhǔn)，為保證修正相位的同時不改變信號幅值，選用全通濾波器作為傳感器逆模型，即將全通濾波器作為相位補(bǔ)償濾波器的表現(xiàn)形式。全通濾波器又稱為相位均衡器，其分子分母多項式系數(shù)互為倒轉(zhuǎn)關(guān)系，是一種特殊的IIR數(shù)字濾波器，其幅頻特性恒定為常數(shù)，相頻特性基本呈線性狀態(tài)，通常作為群延遲器使用。設(shè)計合適的全通濾波器并將其串接在待校準(zhǔn)震動傳感器后即可實現(xiàn)傳感器相位校準(zhǔn)。全通濾波器的N維系統(tǒng)函數(shù)為：

(1)

式(1)中a0～aN表示濾波器的N階系數(shù)，其取值決定了所設(shè)計的相位補(bǔ)償濾波器能否實現(xiàn)震動傳感器的相位一致性校準(zhǔn)，為獲得最佳的相位補(bǔ)償效果，本文采用QPSO智能優(yōu)化算法求解最優(yōu)的濾波器系數(shù)。

1.2 濾波器系數(shù)優(yōu)化

1.2.1 QPSO算法原理

QPSO智能優(yōu)化算法是在粒子群優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合量子力學(xué)粒子運(yùn)動的基本原理，提出的一種更易收斂于全局最優(yōu)解的優(yōu)化算法。QPSO算法考慮每個粒子的當(dāng)前位置信息的局部最優(yōu)和全局最優(yōu)位置信息，更新粒子的位置。在量子粒子群優(yōu)化算法中，粒子的狀態(tài)是由波函數(shù)來確定的。粒子在空間中的位置通過薛定諤方程得出粒子出現(xiàn)的概率密度，在粒子運(yùn)動過程中，第t次迭代時第j個粒子的d維位置函數(shù)為：

(2)

其中：pj，d是第j個粒子在第d維的局部吸引子，Lj，d為勢阱的特征長度，代表了粒子更新的搜索范圍大小，u(t)為(0，1)內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。局部吸引子pj，d和特征長度Lj，d的表達(dá)式分別如式(3)、式(4)所示：

(3)

Lj，d(t)=2·β(t)·|mbest-Xj，d(t)|

(4)

其中：φ1和φ2是介于0和1之間的隨機(jī)數(shù)，Pbestj，d表示粒子群的局部最優(yōu)位置；Gbest，d表示粒子群的全局最優(yōu)值；β為收縮擴(kuò)張系數(shù)，用于在全局搜索和局部收斂的慣性權(quán)重中取得平衡，并采用動態(tài)線性遞減策略，隨種群迭代次數(shù)的增加而逐步減??；mbest表示所有粒子全局極值的平均值，用來提高粒子之間的協(xié)調(diào)能力和全局搜索能力。收縮擴(kuò)張系數(shù)β和全局極值平均值mbest的表達(dá)式分別如式(5)、式(6)所示：

(5)

(6)

其中：T表示QPSO算法的迭代次數(shù)，β0和β1為收縮擴(kuò)張系數(shù)的初值和終值，一般設(shè)置為β0=1，β1=0.5；M是粒子群的個數(shù)。將式(3)～(6)代入式(2)中，得出QPSO算法中粒子的進(jìn)化公式為：

(7)

粒子按照式(7)進(jìn)行位置更新，并且先前的粒子移動不再影響粒子的下一次位置更新，具有更好的隨機(jī)性，群體的智能度更高。QPSO智能優(yōu)化算法理論上可以在搜索空間找到最優(yōu)解，能夠很好地完成相位補(bǔ)償數(shù)字濾波器最優(yōu)系數(shù)的求解。

1.2.2 系數(shù)優(yōu)化步驟

根據(jù)QPSO智能優(yōu)化算法的特性，其通過適應(yīng)度函數(shù)來評估粒子當(dāng)前位置的優(yōu)劣。適應(yīng)度函數(shù)的構(gòu)建在求解相位補(bǔ)償數(shù)字濾波器系數(shù)的過程中起著至關(guān)重要的作用。在本文中，我們選擇震動傳感器相位差的均方誤差作為適應(yīng)度函數(shù)，適應(yīng)度函數(shù)具體表達(dá)式如式(8)所示：

(8)

式(8)中，Ω為傳感器最大響應(yīng)頻率，ω為信號頻率，z(ω)表示補(bǔ)償后的信號相位，r(ω)表示參考信號相位；采用震動傳感器相位差的均方誤差作為評估指標(biāo)，用于衡量相位補(bǔ)償濾波器的性能，通過優(yōu)化該適應(yīng)度函數(shù)，可以得到最優(yōu)的濾波器系數(shù)，從而實現(xiàn)對震動傳感器相位的準(zhǔn)確校準(zhǔn)。算法結(jié)束后，整個運(yùn)行期間適應(yīng)度值最小時粒子所在的位置就是算法得到的最優(yōu)解，也就是最終得到的相位補(bǔ)償濾波器系數(shù)。

采用QPSO智能優(yōu)化算法對相位補(bǔ)償濾波器系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，具體算法步驟如下。

1)初始化粒子群參數(shù)，包括種群大小M，粒子的維數(shù)N，最大迭代次數(shù)T。

2)初始化粒子位置。

3)根據(jù)目標(biāo)函數(shù)式(8)計算各初始粒子的適應(yīng)度值，選擇適應(yīng)度值最小的粒子作為當(dāng)代粒子群中的最優(yōu)位置。

4)通過式(7)更新每個粒子的位置；判斷當(dāng)前粒子群全局最優(yōu)Gbest的適應(yīng)度值，將適應(yīng)度最小的位置作為當(dāng)前全局最優(yōu)Gbest。

5)當(dāng)未達(dá)到迭代次數(shù)時，按照公式(7)繼續(xù)更新粒子位置。

6)隨著適應(yīng)度值穩(wěn)定收斂，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到最大值，輸出代表最佳優(yōu)化結(jié)果Gbest即為相位補(bǔ)償濾波器系數(shù)。

優(yōu)化步驟流程圖如圖2所示。

圖2 相位補(bǔ)償濾波器系數(shù)優(yōu)化步驟

2 濾波器硬件實現(xiàn)方法

FPGA主要由邏輯單元、存儲器和硬件乘法器等基本元件構(gòu)成，其設(shè)計采用硬件描述語言(HDL)進(jìn)行編程。FPGA具有并行執(zhí)行、處理速度快、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，憑借其并行處理能力和硬件加速特性，在信號處理領(lǐng)域，F(xiàn)PGA能夠充分發(fā)揮硬件并行性的優(yōu)勢，實現(xiàn)高性能、低延遲和低功耗的信號處理。同時，由于其可編程性，開發(fā)者可以根據(jù)特定算法的需求進(jìn)行定制和優(yōu)化，完成在硬件端的信號處理任務(wù)，并真正實現(xiàn)實時信號處理。

震動傳感器相位補(bǔ)償濾波器硬件實現(xiàn)原理如圖3所示，本文采用零極點(diǎn)結(jié)構(gòu)分離的方式，通過求取零、極點(diǎn)運(yùn)算結(jié)果的差，最后利用移位操作實現(xiàn)除法運(yùn)算即可完成一次循環(huán)運(yùn)算。該過程首先利用D觸發(fā)器對傳感器輸出信號Xn[x(n)，x(n-1)，…，x(n-N)]進(jìn)行移位寄存，并采用乘法器分別將傳感器信號與濾波器系數(shù)a0～aN相乘，其次將其相乘結(jié)果使用加法器相加即構(gòu)成零點(diǎn)部分；然后將濾波器輸出信號移位寄存后與濾波器系數(shù)相乘，并將乘法結(jié)果相加，該部分實現(xiàn)了系統(tǒng)的極點(diǎn)；最后在頂層模塊求零極點(diǎn)運(yùn)算結(jié)果的減法和除法運(yùn)算即可得到震動傳感器信號的相位補(bǔ)償結(jié)果Yn[y(n)，y(n-1)，…，y(n-N)]，其中，在進(jìn)行除法運(yùn)算過程中，將系數(shù)a0量化為2的整次冪，通過右移運(yùn)算完成除法運(yùn)算。最終實現(xiàn)相位補(bǔ)償濾波器的FPGA硬件部署。

圖3 傳感器相位補(bǔ)償器片上實現(xiàn)原理圖

本文所采用的硬件平臺為AMD XILINX ZYNQ系列FPGA，該芯片包含一個由雙核ARM Cortex-A9為核心構(gòu)成的處理系統(tǒng)(PS，processing system)和一個等價于一片F(xiàn)PGA的可編程邏輯(PL，programmable logic)部分，相位補(bǔ)償濾波器部署于ZYNQ的PL部分。

3 系統(tǒng)仿真與驗證

為驗證本方法的有效性，本文以8個相同型號震動傳感器為例進(jìn)行傳感器相位一致性校準(zhǔn)。首先對震動傳感器進(jìn)行相位標(biāo)定，獲得傳感器頻響范圍內(nèi)的相位差；然后在MATLAB仿真平臺上采用QPSO算法對相位補(bǔ)償濾波器系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；最后將相位補(bǔ)償器部署于FPGA上并對其進(jìn)行結(jié)果驗證。本文仿真實驗采用的計算機(jī)為XiaoXin CHAO5000，系統(tǒng)為Windows 10 64位操作系統(tǒng)，處理器為Intel(R) Core(TM) i5-7200U CPU @ 2.50 GHz 2.71 GHz，內(nèi)存為12.0 GB，仿真軟件為MATLAB R2018b。

3.1 震動傳感器相位標(biāo)定

本文所使用的振動臺是由蘇州蘇實試驗儀器有限公司生產(chǎn)的，具體型號為DC-1000-15；震動傳感器為亞德諾半導(dǎo)體(ADI)公司生產(chǎn)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，micro-electro-mechanical system)三軸加速度傳感器ADXL354B，其靈敏度為200 mV/g，量程為±4 g，頻響范圍為1.9 kHz，本次實驗僅對傳感器z軸進(jìn)行相位校準(zhǔn)；震動信號采集平臺采用自研的多通道震動信號采集系統(tǒng)，采用ZYNQ7020作為主控芯片，模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC，analog to digital converter)芯片采用ADI公司的AD7768，在可編程邏輯PL部分設(shè)計震動信號采集模塊，實現(xiàn)對多通道震動信號的采集，在處理系統(tǒng)PS部分定制Linux系統(tǒng)實現(xiàn)對震動數(shù)據(jù)的讀取和傳輸，該系統(tǒng)可實現(xiàn)輸入信號范圍±4 V、量化位數(shù)24 bit、采樣率256 ksps的8通道信號同步采樣。震動傳感器ADXL354B的輸出信號電壓范圍為-0.8～0.8 V，因此增加增益為5的放大電路以匹配ADC輸入電壓范圍。

設(shè)定振動臺的激勵信號為5～2 000 Hz的掃頻正弦信號，驅(qū)動加速度為9.807 m/s2，分別對8個震動傳感器作相位標(biāo)定。在激勵為200 Hz和2 000 Hz下，震動傳感器輸出信號分別為圖4、圖5；將傳感器1作為參考傳感器，其他傳感器的相位分別與參考傳感器的相位作差，相位差結(jié)果如圖6所示。

圖4 200 Hz原始傳感器輸出信號

圖5 2 000 Hz原始傳感器輸出信號

圖6 原始傳感器相位差

如圖4和圖5所示，對于同一激勵，各個震動傳感器的輸出信號的相位存在一定的差異；如圖6所示，隨著信號頻率的升高，傳感器之間的系統(tǒng)相位差會變大，在傳感器的頻響范圍內(nèi)，相位差最大為2.5°。

3.2 相位補(bǔ)償器系數(shù)優(yōu)化

在保證相位補(bǔ)償精度的基礎(chǔ)上，減少Q(mào)PSO算法的迭代時間以及節(jié)約部署至FPGA上所消耗的資源，因此將QPSO算法迭代次數(shù)設(shè)為300次，粒子個數(shù)設(shè)為50個，相位補(bǔ)償濾波器的階數(shù)設(shè)為4，即粒子維數(shù)為4。在MATLAB平臺上運(yùn)行基于QPSO算法的優(yōu)化模型，迭代完成后，傳感器2的適應(yīng)度曲線如圖7所示。

圖7 傳感器2的粒子適應(yīng)度曲線

如圖7所示，適應(yīng)度值在50次內(nèi)急速下降，達(dá)到100次時基本收斂，基本滿足設(shè)計要求。粒子在空間搜索的軌跡如圖8所示。

圖8 粒子搜索軌跡圖

此時得出的最優(yōu)的相位補(bǔ)償濾波器系數(shù)如表1所示。

表1 相位補(bǔ)償濾波器系數(shù)

將相位補(bǔ)償器系數(shù)代入公式(1)中，將傳感器動態(tài)標(biāo)定的數(shù)據(jù)作為相位補(bǔ)償濾波器的輸入，補(bǔ)償后的傳感器相位差如圖9所示。

圖9 補(bǔ)償后傳感器相位差

結(jié)合補(bǔ)償前后傳感器的相位差曲線圖，在傳感器的通頻帶內(nèi)，經(jīng)相位補(bǔ)償濾波器校準(zhǔn)后，傳感器陣列的最大系統(tǒng)相位差不超過0.006°，補(bǔ)償效果明顯，能夠滿足設(shè)計要求。

3.3 硬件部署與結(jié)果驗證

本文將相位補(bǔ)償濾波器部署于自研的多通道震動采集系統(tǒng)上，首先將相位補(bǔ)償濾波器封裝成AXI Stream型軟核，然后在PL部分將其串接在震動信號采集模塊后，最終上傳到PC端的數(shù)據(jù)即為相位校準(zhǔn)后的震動數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

如圖10所示，采用加速度傳感器獲取震動信號，經(jīng)過調(diào)理電路后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，在ZYNQ芯片的PL部分設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動和相位補(bǔ)償濾波器，完成對震動信號的采集和相位補(bǔ)償；同時在PS部分搭載Linux操作系統(tǒng)，利用AXI片內(nèi)總線將PL部分相位校準(zhǔn)后的震動信號傳輸至PS，并通過千兆以太網(wǎng)傳輸至PC端。

搭建實物平臺對相位補(bǔ)償器進(jìn)行系統(tǒng)驗證，如圖11所示，將震動傳感器安裝在振動臺的中央，傳感器信號輸出端分別連接相位補(bǔ)償器片上系統(tǒng)和示波器，示波器用來觀察傳感器輸出信號是否于與振動臺參數(shù)設(shè)定保持一致，依次對八個震動傳感器進(jìn)行測試；最后將相位補(bǔ)償器片上系統(tǒng)內(nèi)的震動數(shù)據(jù)上傳至PC端使用MATLAB仿真平臺對信號進(jìn)行分析。

圖11 實物仿真平臺

分別設(shè)定振動臺的激勵信號為200 Hz和2 000 Hz的正弦信號，驅(qū)動加速度為9.807 m/s2，圖12和圖13分別為傳感器在200 Hz和2 000 Hz激勵下經(jīng)過片上相位補(bǔ)償器回傳后的信號。

圖12 200 Hz補(bǔ)償后傳感器輸出信號

圖13 2 000 Hz補(bǔ)償后傳感器輸出信號

此時得到的傳感器間相位差如表2所示。

表2 相位差補(bǔ)償結(jié)果

從圖12和圖13中可以看出，在相同激勵下，經(jīng)片上相位補(bǔ)償器校準(zhǔn)后各個傳感器輸出的信號基本重合，表2顯示，補(bǔ)償后的傳感器陣列的相位差不超過0.004 4°。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的片上相位補(bǔ)償器可以將傳感器陣列的固有系統(tǒng)相位差修正至0.004 4°以下，補(bǔ)償效果明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)震動傳感器陣列的系統(tǒng)相位一致性校準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

本文針對地下淺層震源定位過程中，由于震動傳感器系統(tǒng)相位非一致性導(dǎo)致的定位精度不高的問題，提出了基于QPSO的震動傳感器片上相位補(bǔ)償器設(shè)計方法。經(jīng)過實驗驗證，該方法能夠?qū)?.5°內(nèi)的傳感器相位差實時修正至0.004 4°以下，基本消除了傳感器節(jié)點(diǎn)之間的固有系統(tǒng)相位差，相位修正效果明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器陣列的相位一致性實時矯正。該成果能夠為地下淺層震源高精度定位提供可靠的硬件基礎(chǔ)。