地震物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺高速高精度數(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：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,，并對回波進(jìn)行采集處理和存儲,。

軟件支持：控制采集系統(tǒng)的激勵(lì)信號發(fā)生，并對采集到的回波進(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,，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)信號輸入性能分析：

l從超聲探測器到ADC采集卡信號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，探測器信號為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)于輸入信號的信噪比，幾乎不會劣化輸入信號,。

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,，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：

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