地震物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)高速高精度數(shù)據(jù)采集方案

一、項(xiàng)目背景

   1.項(xiàng)目簡介    

    地震物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將野外的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)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(duì)野外地震勘探方法進(jìn)行正演模擬的一種地震模擬方法。分為地質(zhì)模型建模與制模、高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、軟件支持、三維定位系統(tǒng)等部分。本方案主要就高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和軟件支持部分進(jìn)行分析。    

    高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，向地質(zhì)模型中發(fā)射超聲波，并對(duì)回波進(jìn)行采集處理和存儲(chǔ)。

    軟件支持：控制采集系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)發(fā)生，并對(duì)采集到的回波進(jìn)行分析，向三維定位系統(tǒng)提供特定參數(shù)。    

   2.實(shí)驗(yàn)室需求    

    A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器做為物模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心設(shè)備，完全受電子技術(shù)發(fā)展的控制。在地震物理模型實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)較為實(shí)用的是開發(fā)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(zhuǎn)換器，以適應(yīng)大型物理模型中的三維數(shù)據(jù)采集。     

    高精度：大尺度物模實(shí)驗(yàn)采集深層弱信號(hào)，要求分辨率達(dá)到16-24bit，轉(zhuǎn)換速率大幅降低。    

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

    理想A/D：高精度高速、多個(gè)采集卡聯(lián)合終達(dá)到64通道。

二、實(shí)施方案    

   1.采集系統(tǒng)描述    

     采集系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、同步脈沖發(fā)生器、信號(hào)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)規(guī)格      

   l采集系統(tǒng)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(shè)置。      

   l板載大支持2G采樣點(diǎn)緩存。      

   l支持同步脈沖輸出，可同步激勵(lì)系統(tǒng)。      

   l支持外部數(shù)據(jù)融合，可實(shí)時(shí)接收位置控制輸出的位置信息。      

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

    2)放大器陣列規(guī)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(shè)置      

   l增益 10/20/30/40/50/60dB可設(shè)置  

   l由坤馳科技有限公司根據(jù)放大器接口和采集系統(tǒng)控制接口定制開發(fā)。    

   l能同時(shí)支持64塊放大器的同步控制。           

   l同采集系統(tǒng)系統(tǒng)無縫連接。            

   l提供相應(yīng)上位機(jī)控制軟件和驅(qū)動(dòng)程序。    

   2.系統(tǒng)性能和功能分析      

    1)采集系統(tǒng)性能：    

   l帶寬：10M~ 60MHz可設(shè)置    

   l輸入信號(hào)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(shí)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(tǒng)信號(hào)輸入性能分析：      

   l從超聲探測(cè)器到ADC采集卡信號(hào)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(guān)系。      

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

   l在采集卡輸入量程±1V情況下，探測(cè)器信號(hào)為100mVpp時(shí)，采集佳增益設(shè)置為20dB及10倍；該情況下，放大器輸出噪聲為6.3uVrms，此時(shí)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(yōu)于輸入信號(hào)的信噪比，幾乎不會(huì)劣化輸入信號(hào)。      

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

   l結(jié)論：當(dāng)超聲探頭輸出電壓在幾十mVpp時(shí)，采集系統(tǒng)精度為10.3733位。

上圖為德國Spectrum公司測(cè)試數(shù)據(jù)，輸入4uVpp時(shí)采集卡仍然能得到較高的信噪比數(shù)據(jù)。

    4)多板同步性能：

     l德國Spectrum公司采用專利的start-hub技術(shù)，通過共享觸發(fā)源和參考時(shí)鐘以及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)，使不同板卡上的不同ADC通道同步誤差減小到ns級(jí)水平。

     l同時(shí)支持大271塊卡的同步：

     l多板卡系統(tǒng)實(shí)物如下圖：

    5)位置數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)融入到采集數(shù)據(jù)包中；這時(shí)采集數(shù)據(jù)就會(huì)帶有當(dāng)時(shí)的位置信息。        

   l位置輸入信息接口

    6)系統(tǒng)軟件：

      軟件支持

   l應(yīng)用軟件基于Windows 32位/64位平臺(tái)，具有虛擬示波器功能，方便設(shè)置硬件，讀取/保存數(shù)據(jù)以及波形顯示/頻譜分析功能。其功能和界面如下所示：