地震物理模拟实验平台高速高精度数据采集方案

一、项目背景

1.项目简介

地震物理模拟实验平台：在实验室内将野外的地质构造和地质体按照一定的模拟相似比制做成物理模型（1：10000），并用超声波或激光超声波等方法对野外地震勘探方法进行正演模拟的一种地震模拟方法。分为地质模型建模与制模、高速高精度数据采集系统、软件支持、三维定位系统等部分。本方案主要就高速高精度数据采集系统和软件支持部分进行分析。

高速高精度数据采集系统：通过计算机进行控制，向地质模型中发射超声波，并对回波进行采集处理和存储。

软件支持：控制采集系统的激励信号发生，并对采集到的回波进行分析，向三维定位系统提供特定参数。

2.实验室需求

A/D 模数转换器做为物模数据采集系统的核心设备，完全受电子技术发展的控制。在地震物理模型实验测试系统较为实用的是开发分辨率16位以上、采样率40Msa/s以上多通道(4道) 高精度高速A/D转换器，以适应大型物理模型中的三维数据采集。

高精度：大尺度物模实验采集深层弱信号，要求分辨率达到16-24bit，转换速率大幅降低。

高速：大尺度全三维模拟，要求采集速率达到50Msps以上，精度有所降低(超声波信号带宽10MHz)。

理想A/D：高精度高速、多个采集卡联合终达到64通道。

二、实施方案

1.采集系统描述

采集系统由控制计算机、数模转换系统、同步脉冲发生器、信号放大器、放大器控制阵列以及位置信息融合模块组成。其集成工作原理见下图。

1)数据采集系统规格

l采集系统由8块德国SPECTRUM公司的M4i.4411x8采集卡组成。

lM2i.4964采集卡单卡集成4通道16bit 130Msps同步采样。

l毎通道输入量程±200mV到±10V可编程设置。

l板载大支持2G采样点缓存。

l支持同步脉冲输出，可同步激励系统。

l支持外部数据融合，可实时接收位置控制输出的位置信息。

l具有Start-hub同步技术，能在一个系统中同步16块卡组成多通道同步系统或在多个系统中同步271块卡组成同步采集系统。

2)放大器阵列规格

l放大器由德国DHPVA-100超低噪声电压放大器组成。

l每块放大器支持DC到100MHz输入带宽

l集成滤波器，10M/100MHz带宽可设置

l增益 10/20/30/40/50/60dB可设置

l由坤驰科技有限公司根据放大器接口和采集系统控制接口定制开发。

l能同时支持64块放大器的同步控制。

l同采集系统系统无缝连接。

l提供相应上位机控制软件和驱动程序。

2.系统性能和功能分析

1)采集系统性能：

l带宽：10M~ 60MHz可设置

l输入信号范围 ±200mV，±500mV，±1V，±2V，±5V，±10V。

l输入阻抗1M欧姆、50欧姆可选

l噪声：±200mV时小于5LSB rms（差情况）

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增益范围：10、20、30、40、50、60dB，软件可配置。

l带宽：10M/100M可切换。

l输入等效噪声 2nV/√Hz。

l可以AC/DC藕合切换。

3)系统信号输入性能分析：

l从超声探测器到ADC采集卡信号噪声由放大器的噪声和采集模块的噪声和16bit ADC的量化噪声组成。它们是均方根和的关系。

l放大器输出噪声计算公式为2nV/√10MHz X 增益。

l在采集卡输入量程±1V情况下，探测器信号为100mVpp时，采集佳增益设置为20dB及10倍；该情况下，放大器输出噪声为6.3uVrms，此时信噪比为64dB。

l采集卡的低噪声为5LSBrms，1LSB=采集卡量程/2^16,及5*2V/2^16=152uV；

l采集卡的信噪比为74.5dB，优于输入信号的信噪比，几乎不会劣化输入信号。

lENOB公式为SNR-1.76/6.02，64dB的有效采样精度为10.3733位。

l结论：当超声探头输出电压在几十mVpp时，采集系统精度为10.3733位。

上图为德国Spectrum公司测试数据，输入4uVpp时采集卡仍然能得到较高的信噪比数据。

4)多板同步性能：

l德国Spectrum公司采用专利的start-hub技术，通过共享触发源和参考时钟以及动态补偿技术，使不同板卡上的不同ADC通道同步误差减小到ns级水平。

l同时支持大271块卡的同步：

l多板卡系统实物如下图：

5)位置数据融合

lSpectrum m2i.4964具有丰富的用户IO资源

l这些IO可以通过可编程的模式将外部数据融入到采集数据包中；这时采集数据就会带有当时的位置信息。

l位置输入信息接口

6)系统软件：

软件支持

l应用软件基于Windows 32位/64位平台，具有虚拟示波器功能，方便设置硬件，读取/保存数据以及波形显示/频谱分析功能。其功能和界面如下所示：