宽动态地震数据采集方法和技术研究

Seismic data acquisition system is an indispensable step for seismic signal digitizing. Its performance is directly related to the final seismic signal, and ultimately affect the results of the data processing. The amplitude of seismic signal is great span, the dynamic range even reached more than 160dB, and the output signal of broadband seismometer is greater than 150dB too. Yet the dynamic range of currently used 24-bits DAS based on Σ-ΔA/D converter is only about 130dB, this result to that small seismic signal can't be recorded as well as the amplitude of a huge seismic event wave would be limited. So this program make the study on give a method of acquisition wide dynamic range seismic signal, and develop a data acquisition system prototype that dynamic range greater than 150dB.

地震数据采集系统是地震信号数字化必不可少的环节，其性能优劣直接关系到最终获得地震信号的质量，并最终影响数据处理结果。地震信号的幅度跨度很大，要观测的信号动态范围甚至达到了160dB以上，宽频带地震计的输出也达到了150dB以上。而目前普遍使用的基于ΣΔAD转换的24位采集器动态范围仅为130dB左右，导致数据采集器在记录地震时对微小信号分辨率不够，而在大地震时又容易使数据采集器出现限幅现象。本项目根据在实际应用中要提高小信号的信噪比需要采集器有更高的分辨率、而对大信号要求采集器能够容许大幅度的信号输入而不出现限幅的使用要求，提出一种按输入信号幅度实行分级采集以提高采集器动态范围的方法：小信号用较高级分辨率采集，大信号用较低级分辨率采集。并研制样机，使其动态范围达到150dB以上。

地震信号的幅度跨度很大，要观测的信号动态范围甚至达到了160dB以上，宽频带地震计输出信号的动态范围也在155dB以上。而目前普遍使用的基于ΣΔAD转换的24位采集器动态范围仅为130dB左右，导致数据采集器在记录地震时对微小信号分辨率不够不能有效提取所需地震信息，而在大地震时又容易使数据采集器出现限幅现象。本项目提出了一种采用多片AD模数转换器对输入信号进行分幅采集来扩展地震数据采集器动态范围的新方法，设计和研制了基于分幅法的宽动态地震数据采集器的原理样机。通过硬件电路和嵌入式采集软件的设计，在实现了动态范围的有效扩展的同时，还实现了GPS高精度授时和校时功能，设计了配套的实时监控软件。样机测试表明，在50SPS采样率下，输入短路噪声有效值RMS为0.18μV，满幅输入电压大于±40V，有效动态范围达到了157dB，输入阻抗大于100kΩ，线性优于0.5%。实现了采集器动态范围的有效扩展，超过了预期研究效果。本项目研究成果能够广泛应用在地震监测领域，一方面提高了对地震信号的监测能力（即既能提高对微弱地震信号的分辨力，又能够不致使采集器饱和限幅失真从而能够完整地记录强震信号），另一方面也节省了对台站设备的投入，对于地震监测和地震科学研究具有重要意义。