具有WiFi无线监控功能的宽频带地震记录器样机研制

【摘要】：改革开放三十年来，我国综合国力和人民生活水平得到了举世瞩目的全面提升。但同时也面临日益突出的资源、能源、环境和大规模地质灾害等地学难题。解决这些难题的最有效途径是从了解地壳深部的地学信息入手，从国家经济发展长远战略角度，发展深部探测技术及相关仪器装备，为深部矿产和油气资源的勘探开发、防灾减灾以及摸清大自然活动规律，提供必要的科技支撑。在众多的地球物理探测方法中，天然地震探测地球深部构造的方法具有探测深度大，操作简便、成本低等优点，并迅速发展成为地球深部研究和探测的重要手段。另一方面，破坏性强震时有发生，目前科学界还无法准确预测地震，但是天然地震预警是减少地震灾害的重要措施。天然地震预警系统是一个庞大的复杂系统，其核心部分是宽频带高精度的天然地震数据采集系统。为了满足我国地壳深部探测工程的仪器需求，摆脱长期依赖从国外进口地震仪器的被动局面，打破国外的技术垄断和封锁。本文结合国内外的天然地震探测仪器，提出了具有WiFi无线监控功能的宽频带地震记录器样机的总体方案，完成了样机的研制并进行了室内测试和初步试验，验证了原理样机的有效性和可靠性。 依据天然地震勘探方法和背景噪声成像理论，调研天然地震观测与石油矿产勘探的不同及天然地震观测对地震仪器的要求，了解宽频带地震计的原理和使用方法，搜集国内外宽频带地震仪器的指标和研究进展，提出满足实际需求的宽频带地震记录器样机研制的总体方案。 根据功能将仪器系统划分为接口板、辅助板、采集板、控制板四个板卡，四个板卡之间通过欧式连接器进行物理和电气连接，构成宽频带地震数据采集系统的硬件平台，接口板正面装有航空插头与外部进行连接，反面电路可以实现静电和闪电防护、GPS定位和授时、状态指示等功能；辅助板根据功能划分为WiFi射频单元和电源单元，实现无线通信、电源电压转换、电池充电管理、电源电压监测等功能；采集板以24位A/D套片为核心，实现6通道的高精度数据采集；控制板负责系统的运行管理和数据运算。 详细介绍和研究了仪器设计中需要的低噪声采集技术研究、海量数据存储技术研究、多种数据回收技术研究、智能电源管理技术研究和弱信号采集抗干扰技术。介绍了针对1/f噪声的斩波调制技术原理和24位A/D套片解决方案的应用；采用双CF卡结构实现大容量的地震数据存储，在不影响观测作业的情况下，实现CF卡的插拔更换；通过有线以太网+无线WiFi+存储卡回收三种方式相结合实现灵活的数据回收，对于功耗较高的GPS射频单元、WiFi无线通讯单元、采集通道，系统都设计了智能电源关断电路，分时关断不需工作的部分，尽力降低仪器系统的耗电水平；通过模块化布局，采集板添加二级稳压供电源，模拟和数字部分单独供电，射频电路和弱信号采集电路加接地金属屏蔽罩，使用平衡差动电路抑制共模干扰，使用无源LC滤波电路抑制差模干扰等措施增强弱信号采集电路的抗干扰能力。 通过对记录器样机进行室内采集性能测试和指标测试，验证了自制宽频带地震记录器样机设计的正确性，达到国外仪器的性能指标，与国内同类仪器相比，具有较大的优势和较高的性价比。