26位高分辨地震数据采集技术的研究

The dynamic range of present widely-used 24-bit seismic data acquisition system is 10dB～20dB lower than that of broad-band seismograph, which restricts the performance improvement of broad-band observation system. To conquer this problem, we will research on low-drift and high-resolution seismic data acquisition method. Because there is not ADC chip whose resolution exceeds 24-bit, we couldn’t simply use an existing ADC chip to perform the analog-digital conversion as do in the past. We propose a method of utilizing oversampling delta-sigma modulation theory and chopper stabilization technology, to realize 26-bit high-resolution seismic data acquisition system. Our objective is to better cooperate with seismograph and to improve the effective dynamic range of observation system. This will erase/relieve the amplitude-limited problem of broad-band observation instruments when big earthquake occurs, and will provide high-quality, continuous and credible observation data for applications and research that are based on qualitative analysis of waveform data.

目前使用的24位地震数据采集器的动态范围比优秀的宽频带地震计低10～20dB，成为限制宽频带观测系统性能的瓶颈。为解决该问题，本项目将致力于26位的低漂移、高分辨、大动态的地震数据采集技术的研究。由于市场上没有超24位的单片ADC芯片可用，不能象过去一样直接选取一款ADC芯片来承担模/数转换的任务。我们提出基于现有优质成品芯片、利用多比特过采样增量总和调制原理和斩波稳零技术来实现26位高分辨地震数据采集器。本项目旨在能够更好地配合宽频带地震计，扩大观测系统的有效动态范围，解决/缓解大地震到来时宽频带观测系统易出现的幅度受限问题，从而为以波形资料为基础进行定量分析的各类应用和研究提供高质量、连续、可靠的测震观测数据。

目前使用的24位地震数据采集器的动态范围比优秀的宽频带地震计低10～20dB，成为限制宽频带观测系统性能的瓶颈。为解决该问题，本项目致力于26位的低漂移、高分辨、大动态的地震数据采集技术的研究，其主要研究内容包括：①研制低噪声、低漂移前置放大器。用于匹配宽频带地震计的最大输出信号幅度，并为高分辨ADC电路提供较为理想的电压源驱动信号；②应用市场上可获得的16位ADC芯片和16位DAC芯片，研制低噪声、低漂移的多比特增量总和调制器电路。③应用FPGA芯片研制频率特性稳定的数字信号处理单元，与多比特增量总和调制器电路一起构成完整的高分辨26位模拟/数字转换器。④研发基于Linux操作系统的嵌入式控制单元，实现数据采集管理、数据记录、网络通信、实时数据传输等功能。该研究的难点在于26位高分辨模拟/数字转换电路方面，我们提出基于现有优质成品芯片、利用多比特过采样增量总和调制原理的研究方案来实现高分辨模/数转换。我们研发了低噪声前置放大器、数字抽取滤波等信号处理单元和基于ARM的嵌入式处理单元，形成了接近实用化程度的实验样机并对其进行了测试和实验，结果表明，样机的动态范围达到了150dB，比24位地震数据采集器高出近20dB；样机满量程为±10V，线性度为3.4ppm，准确度为万分之0.4，达到了预定的目标。该结果说明，本项目研制的高分辨地震数据采集器能够更好地配合宽频带地震计，扩大观测系统地有效动态范围，解决/缓解大地震到来时宽频带观测系统易出现地幅度受限问题，从而为以波形资料为基础进行定量分析的各类应用和研究提供高质量、连续、可靠的测震观测数据。