本发明专利技术涉及数字化地震观测领域，特别是涉及一种钻孔应变观测全频带数据采集器。该数据采集器同时设有两个4输入数据采集通道，同时产出秒采样和100采样的高精度大动态范围的观测数据以及10000Hz采样的高采样率的观测数据，并且通过GPS时钟对观测数据进行了精密同步，可以与频带范围10-6Hz-1000Hz的4分量钻孔应变地震仪一起组成观测系统，同时进行固体潮、地震波和高频微震或地声的数字化观测。既保留了钻孔应变仪传统的固体潮观测功能，又开拓了摆式地震仪以外的地震波观测新途径，特别是同时具有了高频微震或地声观测功能，覆盖了地震观测领域的全部频带，在丰富人们对于地震波的认识，加深人们对于高频微震或地声的了解等方面具有良好应用意义。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数字化地震观测领域，特别是涉及一种钻孔应变观测全频带数据采集控制器。能够对4输入信号同时产出秒采样和100Hz采样的高精度大动态范围以及10000Hz采样的高采样率观测数据，并且通过GPS时钟对观测数据进行时钟精密同步，可与频带范围10-6Hz-1000Hz的4分量钻孔应变地震仪一起组成同时观测固体潮、地震波和高频微震或地声的观测系统。
技术介绍
钻孔应变仪是一种地壳应变观测仪器，在中国数字地震台网中是一种主要仪器之一，也是美国“地球透镜”计划采用的仪器。在中国数字地震台网中，利用钻孔应变仪周期120秒以上的低频观测信息，数据采集器的采样率为分钟采样，主要通过观测固体潮及其变化来进行预测预报地震研究；在美国“地球透镜”计划中，观测频带为10-6Hz-5Hz，也是限定在低频范围。一直以来人们用钻孔应变仪来记录低频信号，而用来记录更高频的地震波，在高频响应特性很好的钻孔应变仪出现前并没有引起更多的关注。在短周期地震波频域，主要通过摆式地震仪来观测。目前，摆式地震仪的观测频带为360秒-100Hz，记录的是速度（或加速度、位移）向量。原理上讲，钻孔应变仪观测的应变地震波是二阶张量，不同的物理量将为我们提供更多对地震波的认识。而频率高于100 Hz的地壳运动已经超出摆式地震仪的监测频域，因此在高于100 Hz的频域中，究竟存在何种地壳运动还不为人所知。但有种种迹象表明，在这一频率域中有非常重要的地壳活动信息。岩石受力实验揭示了声发射现象，在应力达到岩石破裂强度的一半时，声发射信号显著增加，当微破裂进一步发展时，声发射频率由高频向低频变化。因而在地震孕育或大地震前地层微破裂过程中，必定会有高频率的声发射信号产生，也在多次地震前为人耳所听到，只不过因缺少可靠仪器记录数据而无法深入认识。地声是一种临震前兆，往往发生在地震前的几秒、几分或几小时、几天内，对临震预报和地震自救有重要研究意义。为此，国家专利技术专利ZL20061007216.7提出并实现了一种频带范围10-6Hz-1000Hz的4分量钻孔应变地震仪，具备同时观测固体潮、地震波和高频微震或地声的能力。随着电子技术的进步，数字化观测技术不断得到发展，数字化观测技术因具有观测数据易于存储、传输和处理的突出优点而日益成为地震观测技术的选择。国家专利技术专利ZL20061007216.7提出和实现的钻孔应变地震仪应变分辨率高达1×10-12，需要高精度、大动态范围的数据采集器与之配套。目前与之配套应用的数据采集器虽在精度上满足要求，但采样率为分钟采样，改进的数据采集器采样率提高到秒采样，均仅考虑低频的固体潮观测。采样率更高的地震数据采集器，针对摆式地震仪设计，着重于地震波观测，一般提供3-6个数据采集通道，对应1-2台地震仪，采样率可达500Hz，有的地震数据采集器还增加了秒采样的辅助通道，用于固体潮观测。当应用于国家专利技术专利ZL20061007216.7提出和实现的4分量钻孔应变地震仪时，存在以下问题：1、由于主要针对三分向地震仪设计，其通道数不适合于该钻孔应变地震仪，即如果把钻孔应变地震仪的4个分量安排在2组数据采集通道当作两台地震仪来看待，将为仪器和数据管理带来极大不便；2、最多只能兼顾地震波和固定潮观测，不具有高频微震或地声的观测功能。其它类型的数据采集器也均不具备同时观测固体潮、地震波和高频微震或地声的能力或功能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种钻孔应变观测全频带数据采集器，能够对4输入信号同时产出秒采样和100Hz采样高精度大动态范围以及10000Hz采样的高采样率观测数据，并且通过GPS时钟对观测数据进行时钟精密同步，可与频带范围10-6Hz-1000Hz的4分量钻孔应变地震仪一起组成同时观测固体潮、地震波和高频微震或地声的观测系统，应用于基于该钻孔应变地震仪的数字化地震观测领域。 本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：高精度大动态范围的秒采样和100Hz采样数据产出通道通过4片32位∑-Δ型AD转换器ADS1281、CPLD和DSP实现，CPLD将ADS1281仅经过SINC滤波器的过采样数据（8000Hz采样率）组织为可以为DSP读取的形式，DSP读取该数据分别经过各自的系列FIR数字抽取滤波器进行滤波处理，分别产出秒采样和100Hz采样数据，通过RS232口传送给数据处理、存储和通信传输模块。数据处理、存储和通信传输模块主要由ARM9处理器、网卡和SD卡组成。此外由1片24位∑-Δ型AD转换器ADS1274和上述CPLD实现高采样率的数据产出通道，1片ADS1274支持4输入信号同步输入，直接输出10000Hz采样数据。CPLD将ADS1274的输出数据转换为上述的ARM9处理器的IIS接口可以读取的格式，ARM9读取该数据后进行处理、存储和通信传输。通过以下3个措施实现采集数据的精密时钟同步：1、嵌入授时型GPS模块，用GPS PPS信号控制VCXO的输出频率锁定于某一设定频率，稳定度为±1Hz，该频率信号再经过CPLD分频后输入到各AD转换器作为工作频率，保证输入AD转换器稳定的工作频率；2、在GPS PPS有效后的某个上升沿时刻发出同步脉冲输入到各AD转换器，将AD转换器的工作状态同步；3、将ADS1281的8000Hz采样率的每个输出数据和ADS1274的10000Hz采样率的数据都加上时钟标志，并在后续处理中加以识别。 本专利技术具有以下创新点和主要优点：1. 集成了高精度大动态范围的数据采集通道和高采样率的数据采集通道，能够同时进行固体潮、地震波和高频微震或地声的数字化观测，可与频带范围10-6Hz-1000Hz的4分量钻孔应变地震仪一起组成观测系统。既保留了钻孔应变仪传统的固体潮观测功能，又开拓了摆式地震仪以外的地震波观测新途径，特别是同时具有了高频微震或地声观测功能，覆盖了地震观测领域的全部频带，在丰富人们对于地震波的认识，加深人们对于高频微震或地声的了解等方面具有良好应用意义。2. 包含时钟同步模块，特别是对AD转换器的转换数据加上时钟标志，并在软件中加以识别处理，能够有效地克服时钟的漂移影响。附图说明图1为数据采集器结构框图。图中：1——低通滤波电路2——ADS12813——CPLD，复杂可编程逻辑器件4——高通滤波及放大电路5——ADS12746——ARM9处理器7——IIS，集成音频接口8——时钟同步模块9——DSP，数字信号处理器10——RS232接口11——RS232接口12——网卡13——SD卡。图2为时钟同步模块结构框图。图中：14——GPS模块，全球定位系统模块15——PPS，秒脉冲信号16——天线17——单片机18——DAC，数字模拟转换器件19——VCXO，压控振荡器。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术提供的一种钻孔应变观测全频带数据采集器，其结构框图如图1所示：4分量钻孔应变地震仪的4个分量信号输入数据采集器后被分为两路，一路输入低通滤波电路（1）后输入ADS1281(2), 低通滤波电路（1）的截止频率设为40Hz。ADS1281（2）是一种32位的高精度大动态范围∑-Δ型AD转换器，它内部包含4阶∑-Δ调制器和SI本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种钻孔应变观测全频带数据采集器，设有由低通滤波电路和ADS1281组成的4输入数据采集通道，低通滤波电路和ADS1281通过信号线相连，还设有由高通滤波及放大电路和ADS1274组成的4输入数据采集通道，高通滤波及放大电路与ADS1274通过信号线相连，还设有CPLD、时钟同步模块、DSP、ARM9处理器、网卡和SD卡，所述的CPLD分别与ADS1281、ADS1274、时钟同步模块、DSP和ARM9处理器的IIS接口通过数据线相连，DSP和ARM9处理器通过数据线相连，ARM9处理器和网卡、SD卡通过数据线相连。
【技术特征摘要】
1.一种钻孔应变观测全频带数据采集器，设有由低通滤波电路和ADS1281组成的4输入数据采集通道，低通滤波电路和ADS1281通过信号线相连，还设有由高通滤波及放大电路和ADS1274组成的4输入数据采集通道，高通滤波及放大电路与ADS1274通过信号线相连，还设有CPLD、时钟同步模块、DSP、ARM9处理器、网卡和SD卡，所述的CPLD分别与ADS1281、ADS1274、时钟同步模块、DSP和ARM9处理器的IIS接口通过数据线相连，DSP和ARM9处理器通过数据线相连，ARM9处理器和网卡、SD卡通过数据线相连。2.根据权利要求1所述的一种钻孔应变观测全频带数据采集器，其特征是同时具有两个4输入数据采集通道，一个数据采集通道的AD转换器是ADS1281,用来产出秒采样和...
【专利技术属性】
技术研发人员：廖成旺，邓涛，丁炜，王浩，
申请(专利权)人：中国地震局地震研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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