地震物理模擬實驗平臺高速高精度數據采集方案

一、項目背景

   1.項目簡介    

    地震物理模擬實驗平臺：在實驗室內將野外的地質構造和地質體按照一定的模擬相似比制做成物理模型（1：10000），并用超聲波或激光超聲波等方法對野外地震勘探方法進行正演模擬的一種地震模擬方法。分為地質模型建模與制模、高速高精度數據采集系統、軟件支持、三維定位系統等部分。本方案主要就高速高精度數據采集系統和軟件支持部分進行分析。    

    高速高精度數據采集系統：通過計算機進行控制，向地質模型中發射超聲波，并對回波進行采集處理和存儲。

    軟件支持：控制采集系統的激勵信號發生，并對采集到的回波進行分析，向三維定位系統提供特定參數。    

   2.實驗室需求    

    A/D 模數轉換器做為物模數據采集系統的核心設備，完全受電子技術發展的控制。在地震物理模型實驗測試系統較為實用的是開發分辨率16位以上、采樣率40Msa/s以上多通道(4道) 高精度高速A/D轉換器，以適應大型物理模型中的三維數據采集。     

    高精度：大尺度物模實驗采集深層弱信號，要求分辨率達到16-24bit，轉換速率大幅降低。    

    高速：大尺度全三維模擬，要求采集速率達到50Msps以上，精度有所降低(超聲波信號帶寬10MHz)。    

    理想A/D：高精度高速、多個采集卡聯合終達到64通道。

二、實施方案    

   1.采集系統描述    

     采集系統由控制計算機、數模轉換系統、同步脈沖發生器、信號放大器、放大器控制陣列以及位置信息融合模塊組成。其集成工作原理見下圖。

    1)數據采集系統規格      

   l采集系統由8塊德國SPECTRUM公司的M4i.4411x8采集卡組成。    

   lM2i.4964采集卡單卡集成4通道16bit 130Msps同步采樣。      

   l毎通道輸入量程±200mV到±10V可編程設置。      

   l板載大支持2G采樣點緩存。      

   l支持同步脈沖輸出，可同步激勵系統。      

   l支持外部數據融合，可實時接收位置控制輸出的位置信息。      

   l具有Start-hub同步技術，能在一個系統中同步16塊卡組成多通道同步系統或在多個系統中同步271塊卡組成同步采集系統。          

    2)放大器陣列規格      

   l放大器由德國DHPVA-100超低噪聲電壓放大器組成。      

   l每塊放大器支持DC到100MHz輸入帶寬      

   l集成濾波器，10M/100MHz帶寬可設置      

   l增益 10/20/30/40/50/60dB可設置  

   l由坤馳科技有限公司根據放大器接口和采集系統控制接口定制開發。    

   l能同時支持64塊放大器的同步控制。           

   l同采集系統系統無縫連接。            

   l提供相應上位機控制軟件和驅動程序。    

   2.系統性能和功能分析      

    1)采集系統性能：    

   l帶寬：10M~ 60MHz可設置    

   l輸入信號范圍 ±200mV，±500mV，±1V，±2V，±5V，±10V。    

   l輸入阻抗1M歐姆、50歐姆可選    

   l噪聲：±200mV時小于5LSB rms（差情況）    

   l信噪比：大于74.5dB    

   l有效位：大于等于12.1 LSB      

    2)放大器性能：    

   l增益范圍：10、20、30、40、50、60dB，軟件可配置。    

   l帶寬：10M/100M可切換。    

   l輸入等效噪聲 2nV/√Hz。    

   l可以AC/DC藕合切換。    

    3)系統信號輸入性能分析：      

   l從超聲探測器到ADC采集卡信號噪聲由放大器的噪聲和采集模塊的噪聲和16bit ADC的量化噪聲組成。它們是均方根和的關系。      

   l放大器輸出噪聲計算公式為2nV/√10MHz X 增益。      

   l在采集卡輸入量程±1V情況下，探測器信號為100mVpp時，采集佳增益設置為20dB及10倍；該情況下，放大器輸出噪聲為6.3uVrms，此時信噪比為64dB。      

   l采集卡的低噪聲為5LSBrms，1LSB=采集卡量程/2^16,及5*2V/2^16=152uV；      

   l采集卡的信噪比為74.5dB，優于輸入信號的信噪比，幾乎不會劣化輸入信號。      

   lENOB公式為SNR-1.76/6.02，64dB的有效采樣精度為10.3733位。      

   l結論：當超聲探頭輸出電壓在幾十mVpp時，采集系統精度為10.3733位。

上圖為德國Spectrum公司測試數據，輸入4uVpp時采集卡仍然能得到較高的信噪比數據。

    4)多板同步性能：

     l德國Spectrum公司采用專利的start-hub技術，通過共享觸發源和參考時鐘以及動態補償技術，使不同板卡上的不同ADC通道同步誤差減小到ns級水平。

     l同時支持大271塊卡的同步：

     l多板卡系統實物如下圖：

    5)位置數據融合        

   lSpectrum m2i.4964具有豐富的用戶IO資源        

   l這些IO可以通過可編程的模式將外部數據融入到采集數據包中；這時采集數據就會帶有當時的位置信息。        

   l位置輸入信息接口

    6)系統軟件：

      軟件支持

   l應用軟件基于Windows 32位/64位平臺，具有虛擬示波器功能，方便設置硬件，讀取/保存數據以及波形顯示/頻譜分析功能。其功能和界面如下所示：