水库诱发地震在水利工程建设中是一种无法避免的地质灾害，当因震级和强度较小时，对工程不会造成任何危害;但当震级和强度较大时，则可能威胁到整个枢纽的运行安全，引起社会恐慌，值得全社会关注。为此在进行重大水利工程建设时，相关主管部门对水库诱发地震问题非常重视，花费较大的财力及人力资源进行研究和防治。目前，处理这种地质灾害的方法是前期做好抗震设防工作，后期加强监测预防和研究工作，及时监测水库诱发地震的活动状态及规律。水库诱发地震监测与研究，目前采用的主要手段是以测震为主，辅以地下水、形变等部分前兆观测手段。
在测震过程中，地震数据采集器是重要的设备，其性能的优劣直接影响地震监测资料的精确性、可靠性及连续性，而且对判断地震性质及成因起着至关重要的作用。由于水库诱发地震自身具有震级小、震源浅、主频较高及破坏度较大等特点，为此需要数据采集器各项性能能适应这些特点，应具备高分辨率、高精度、高可靠性等特性，具体来讲要求地震数据采集器具有宽频、高保真、高信噪比、高动态、高分辨率，只有这样才能完整地记录地震信息。为此，笔者研发了一套基于AＲM9平台的地震数据采集系统，该系统应用嵌入式AＲM内核处理器作为系统核心控制，充分利用AＲM内核芯片的电气特性和A/D转换芯片(CS5373)的高分辨率特点，从而大大地增强了仪器的实时可操作性、降低了仪器本身体积及功耗、提高了数据采集速率及数据精度，并且能通过模拟开关进行灵活的通道选择，能实时采集地震监测数据。经现场测试该系统性能比较稳定，各项技术指标达到了预期目标，适用水库诱发地震专业监测与研究的需要。
1设计指标
根据水库诱发地震特点，需要研发的地震采集器具有以下技术性能:(1)最高数据采样率应达到500Hz;(2)同时采集数据通道不低于3个;(3)数据输出间隔时间低于0．96s;(4)采集分辨率达到24bit;(5)系统授时不大于1ms;(6)本机噪声小于1uv(ＲMS)。
2设计思路
针对水库诱发地震的特点及使用环境，要求地震监测系统具有较高的灵敏度、更好的抗干扰性能，更大动态范围、更高线性度、更强的兼容性，且功耗低、可靠性高。围绕着这些性能要求，该系统采用了多项先进技术，如在选择元器件上，全部采用工业级器件，尽量使用低功耗，耐高、低温，且适用于环境温湿度较大的产品。在系统集成设计上，采用AＲM9系列S3C2440微处理器作为核心控制芯片，负责向各个子系统发送控制指令，用FPGA技术控制数据时序和流程，在数模(A/D)转换上，利用24位?～△芯片，采用过采样技术进行设计。在进行系统率定时，设计了正弦标定和阶跃脉冲标定两种方式。在开发环境方式上选用嵌入式开发模式。在进行数据处理时采用DSP处理技术，数字滤波方面有最小相位和线性相位2种模式供选择。模块的读、写、片选、复位等控制信号由S3C2440的通用I/O引脚控制，并选择高速USB总线传输技术的方式与上位机进行通信。
3实现方法
3．1主控制器
目前，在地震行业进行数据采集器设计开发时，选用的主控制器多是根据各自技术要求而定，有的采用SST系列芯片，有的采用S3系列芯片，也有的采用At-mel系列芯片，各芯片的性能和特点各不相同。本文采集器所要达到的性能要求是:高速过采样(500Hz)和高保真，数据输出间隔时间低于0．96s。经过性能比较，主控制单元采用三星公司生产的AＲM9系列S3C2440微处理器作为核心控制芯片。S3C2440除能满足上述要求外，还能进行嵌入式开发应用，为系统升级和降低成本创造了条件。
3．2前置放大
在将地震模拟信息数字化之前，必须将高于奈奎特(Nyquist)频率的成份抑制到最低电平以下，才可避免在采样过程中将高于奈氏频率的模似信息成份折叠至感兴趣的频带之内，形成噪声或假频，便于用低通滤波器滤除高于奈氏频率成份。由于地震模拟信息经过滤波后，其信息强度非常微弱，需要进行前置放大后才能送到A/D转换单元，为此选用一款信噪比较高的芯片十分重要。经过技术性能比较，选用CS3301A芯片作为前置放大器。CS3301A芯片是一款差分输入低噪声输出的放大器，在0．1Hz～2kHz带宽下，其放大器的噪声性能很佳，噪声密度只有8．5nv/Hz，非常适合于低频和野外环境使用，其增益也可编程控制(可进行1～64放大倍率设置)。图2是前置放大器原理图，电路主要由两级组成，两级采用直接耦合的方式连接，第一级把双端输入地震信号放大，然后单级输出，再通过第二级差分线性放大器转变信号输出方式。采用这种工作方式，一方面为A/D转换提供双端输入差分信号，另一方面是为了进一步消除输入电路的共模信号。
3．3模/数转换(A/D)
模/数转换(A/D)是指将地震模拟信息进行数字化处理，便于后续进行数据系列运算。由于水库诱发地震与天然构造地震相比具有震级小、震源浅，大部分强度相对较弱的特点，因此要求数据采集器具有较高的分辨率、保真度及灵敏度，要实现这些技术性能要求，关键取决AD芯片的性能和设计方案选择，经性能比较和筛选认为，CS5373A芯片结合过采样技术可具有这方面性能。CS5373A芯片具有四阶Δ－Σ24位ADC，其功能是将CS3301A放大后的信号进行数字化，形成512kb/s的比特流信号，然后将转换后的数字信号送入CS5378进行数字滤波，完成模数据转换过程。CS5373A与CS5378之间是通过4个信号线连接来完成ADC转换过程并传输转换结果(图3)。
3．4数字滤波
由于24bit地震数据采集器使用了大比率的过采样和噪声整形技术，因此在采样前仅使用1个一阶模拟滤波器即可完成数据采样前的去假频滤波，大量的滤波运算移至数字化后进行。为了将高速率的过采样数字信息变换至最终输出所需要的低采样率(如常用的100sps或500sps)必须经过多次滤波抽取才能完成。这时的滤波是用数字方式实现的，每次抽取必须配以相应的滤波才能避免重新抽样过程引入的折叠噪声。在该系统中均预置了两种类型滤波器供使用时选择，一种是线性相位滤波器，该滤波器的特点是:其相位频率特性是线性的，其群时延特性亦是完全平直的，用线性相位滤波器来处理地震波形数据，可以保证地震波中各频率成份在滤波前后具有完全相同的相位关系，用其来处理地震信息，其波形失真最小;另一种是最小相位滤波器，是一种使输出信号的相位延迟达到最小的线性滤波器，它属于纯相位滤波器的一种，这种滤波器不改变信号的振幅谱，而只改变信号的相位谱，滤波器的相位延迟数值为滤波器的相位谱除以2πf。就幅频特性而言两者均可以很好完成数据重抽所需的要求。二者若使用不当会造成采集的地震波形数据可用度降低，甚至误导分析人员，使其对震相错误识别。该系统的数字滤波器采用CS5378芯片配合CS5373完成数字滤波工作，经测试验证，效果较好。
3．5系统授时
随着科学技术的发展与进步，很多高精度的时钟源可供地震监测选用，如GPS、北斗卫星等，GPS技术凭借其全天候、高精度和自动测量的优势得到了广泛应用，该系统采用GPS时钟进行授时，可使时间精度达到1ms以内。在实现GPS授时的过程中，采用GPS模块与AＲM9进行调配，很好地完成了授时任务。
4软件开发
数据采集器软件分为AＲM数据处理、FPGA指令控制和上位机应用3个部分。其中AＲM部分用Linux平台来设计编写，FPGA部分用VHDL来设计，上位机应用部分用C++builder6．0环境来开发。基于AＲM中S3C2440芯片的底层程序主要任务是数据采集器的驱动、数据存贮写入、操作系统移植及上位机应用程序设计等。上位机程序主要完成数据采集器与PC机之间的通信、采集参数的设置(含采样率、通信参数、触发参数、通道选择、数字滤波器选择、授时方式等)和地震信息的实时采集及存贮等。
5性能测试
系统完成后进行了现场测试，测试工作分两步进行，第一步是系统率定，检测系统的幅频特性和传递函数;第二步是测试系统性能及功能，主要包括本底噪声、测量范围、前放增益、采样率、带道能力、分辨率、通信状态、数据存贮、触发能力及动态范围等。系统的各项技术性能达到预期的设计目标，可进入市场应用和推广。
6结语
本文所介绍的水库诱发地震数据采集器引用了嵌入式系统设计技术和FPGA逻辑控制技术及过采样数字滤波技术，可以在保证信号有效率的同时，提高信号的量化精度，设计过程中提供两种相位特征的数字滤波器(分别为线性相位FIＲ滤波器和最小相位JlＲ滤波器)，很好地完成了项目中的各项技术指标。该系统虽然是针对水库诱发地震的一些特点进行设计和研发，但同样适用于天然构造地震和强震监测。该采集器具有更强的拓展性与兼容性，可与不同类型的地震计进行接口，完成各项监测任务。
作者：刘文清 宋伟 徐新喜 单位：长江水利委员会 水文局
相关专题：关于金融风险化解方案 男生女生银版投稿
