宽频地震仪数据采集系统的研制

　　前 言

　　地球深部构造的地震研究在地球科学的发展中占有重要地位。在我国,青藏高原深部构造的研究是国内外瞩目的领域,也是国家科技部、国家自然科学基金委和中国科学院发展战略中规划的地球科学基础研究重点领域。当前,从事该领域研究的地球物理学家们大多采用进口仪器, 为了能在青藏高原地球动力学研究这一前沿领域参与国际竞争, 中国科学院地质与地球物理研究所青藏高原研究室与吉林大学共同开发了新型的宽频带数字地震记录仪系统。

　　宽频带、大动态范围数字观测系统在近震源距离得到的地震近场记录携带了有关震源和介质的丰富的信息, 为深入了解地震震源过程和地球内部结构提供了有力的手段。以此仪器为基础,构建一个可靠的、提供高质量观测数据的数字地震流动台网, 为实施青藏高原多波多分量多参数地震层析成像研究提供必要的深部信息观测系统。宽频地震仪是一个宽频带、高精度的三分量、大动态、智能化的地震观测系统。作为实现人工震源与天然地震混合记录的地震仪, 由于长期的野外应用的特殊性, 在设计中应充分考虑到以下几个方面的问题: (1) 低功耗, 具有电源管理的功能; (2) 具有可靠、大容量的数据存储体系; (3) 系统动态范围大; (4) 系统具有自我诊断测试能力并具备一定的容错能力; (5) 工作温度范围宽: -20 摄氏度~60 摄氏度; (6)体积小, 重量轻, 方便携带;本文借鉴国内外宽频地震仪的设计技术, 在前期工作的基础上, 提出了一种宽频地震仪的设计方案, 着重阐述了数据采集模块的设计, 并且完成了样机的设计, 给出了初步的测试结果。

　　1 宽频地震仪的总体设计

　　综合考虑宽频地震仪野外应用的特殊性、市场元器件情况、技术发展趋势以及成本费用问题, 在前期研究工作的基础上, 提出了如下设计方案: 为支持时间窗口记录和连续长期记录两种工作模式,记录仪采用双CPU 设计, 主控制器负责记录仪的数据采集、存储、系统测试等主要功能; 单片机实现最多32 个工作时间窗口的管理、记录仪工作状态显示等功能。作为辅助设备的状态测试系统由笔记本电脑及管理软件通过并行口与记录仪主控制器相连,实现记录仪测试结果显示、记录仪工作参数设置等功能。

图 1 系统功能模块结构示意图

　　数据采集是地震记录仪的基础, 也是本文研究的主要内容, 数据采集模块的结构介绍如下: 地震记录仪数据采集系统由前置低通检波、前置放大、24 位((A/D 转换、逻辑控制等单元构成。为了将地震计输出的微小地震信号调整成24 位A/D 转换器所需要的信号大小, 记录器3 通道前置放大由两级基本电路组成, 采用直接耦合方式, 为 24 位 A/D 转换器提供双端差分信号, 进一步消除输入级电路共模信号输出。图2 所示是数据采集模块的结构图。