浅层地震勘探作为寻找隐伏断层、地质构造勘查及隧道超前预报的主要技术手段，在工程地质调查与评价领域发挥了极为重要的作用^[1-4].目前应用较为广泛的主流浅层地震仪包括Strata Visor NZXP（美国）、SUMMIT Ⅱ PLUS（德国）和DZQ48（中国）、WZQ96A（中国），均是基于工控机平台的有线集中式或分布式结构^[5-6].随着工程地震勘探水平的不断提升和整体工程量的不断增加，地震勘探环境的越来越恶劣，此类地震仪在某种程度上已经很难满足勘探需求.如在环境较为恶劣的山地、丘陵和湖泊等区域施工，经常会遇到无法布线的情况，加上集中式地震仪自身体积和重量较大，在复杂环境下施工极为不便.总体来说，现有浅层地震仪在不同应用领域主要存在以下几个方面的问题：1）复杂环境下的布线施工困难，2）仪器整体体积和重量大，3）需布设大量的传输线，大大降低了施工效率，4）有线抗干扰能力差、操作繁琐、效率低下^[7-9].本文综合各类无线通信的指标和性能，最终采用了高速无线射频通信和无线以太网技术两种方案构建无线自组网，实现地震数据采集的无线遥测功能，大大缩减地震仪的附加配件，同时利用FPGA的并行处理能力实现单板集成12路并行采集功能的信号采集站，采用集成多种通用外设的ARM处理器实现低功耗小型化的控制主机.整个系统的集成化设计大大提高了地震仪的便携性，从根本上提升了地震仪的环境适应能力和施工效率.

整个系统包括无线网络、信号采集站、控制主机及同步系统四个部分，仪器整体结构如图 1所示.其中同步系统负责向控制主机和信号采集站发送同步启动指令.控制主机以可选方式先向各信号采集站发送配置指令和配置参数，在接收到同步启动指令后再次向信号采集站发送读取数据指令，等待接收回传的地震数据，并执行实时的波形显示、相关的预处理操作.信号采集站接收同步启动指令后立即启动采集功能，并在接收到数据读取指令后向控制主机发送本站地震数据.控制主机、信号采集站和同步系统均采用内部集成电源供电.

图 1

Fig. 1

图 1 地震仪整体结构框图 Fig. 1 Diagram of overall seismograph structure

信号采集站主要包括12道相互独立的固定增益前置放大器、可编程放大电路、抗混叠滤波电路、单端差分转换电路、A/D转换电路，以及扩展存储器、以太网驱动电路或SPI总线驱动、主控单元、集成电源管理电路，具体如图 2.

图 2

Fig. 2

图 2 信号采集站内部框图 Fig. 2 Diagram of interior signal acquisition station

由于程控放大器的输入偏置电压通常较大（如本系统所采用的PGA205为50 μV，也是当前最低的），为进一步降低调理系统的最小信号响应水平，调理前端先接入TL2652以10倍固定增益放大，再级联至两级PGA205，由此系统可响应最小信号为5 μV；抗混叠滤波电路采用低失真度放大器AD8551设计为二阶有源低通滤波器，以滤除假频干扰；设计中采用了24位可调采样率的A/D转换器ADS1252，可以通过改变其输入时钟来调整采样率，这也便于FPGA进行控制，其差分输入端电平要求必须为高电平，而地震信号为单端信号，因此电路中采用了AD8138构成单端转差分电路，其参考电压和ADC为同一参考电压源，以便将差分输出的信号两端抬至高电平以上.更为重要的是，信号采集站的FPGA需要驱动控制上述的各个模块，这就需要FPGA在底层嵌入各个模块驱动的软核，尤其是需要并行操作的缓存和多路ADC，同时其作为控制中心，也需要嵌入一个CPU核，以便于后期集成基于以太网或nRF24L01的通信协议，整个FPGA需要嵌入的软核构成如图 3.电源管理电路采用内部集成的锂电池，通过DC-DC开关电源或线性稳压转换成系统需要的各组工作电源，包括低纹波的滤波电路，同时利用比较器分压及相应的状态指示灯实时监控锂电池电量.

图 3

Fig. 3

图 3 NIOS定制IP核 Fig. 3 Customized IP-core based on NIOS

控制主机采用目前主频较高且集成多种通用外设的ARM处理器S3C6410来搭建，主要是利用其通用外设接口扩展系统需要的触摸屏、USB接口、SD卡、网络等多种外设，这在很大程度上增强了主机的集成化，大大缩小了主机的体积，而且S3C6410高达667 MHz的主频也保证了主机的性能.其内部结构如图 4.

图 4

Fig. 4

图 4 系统控制主机框图 Fig. 4 Block diagram of system control master

主机硬件平台需要扩展大容量SRAM及Flash存储器，以便快速存储接收到的地震数据；为满足控制主机的智能化操作需求，控制主机加载了Windows CE操作系统，以集成系统需求的上位机控制软件，该部分集成了利用TCP/IP协议实现的、与信号采集站和同步系统相互通信的传输控制协议，其主要功能是将由无线网络读取的地震数据转换为通用的SEG-2和SEG-Y标准地震数据格式进行文件存储，并动态地根据接收的数据显示地震波形，当然为实现现场采集地震资料的质量控制，软件中集成了数字低通、高通滤波器、剔道换道及频谱分析等功能，其中也包括了检测网络的连接状态及通信状态的网络测试功能，检查测线中布设的检波器连接状态的检波器测试功能.

由于加载了Windows CE系统，所以S3C6410的外部中断功能会有较大延时.因此如果主机直接通过SPI总线控制nRF24L01，就要求各个信号采集站的nRF24L01需要延时发送数据，以保证主机的及时响应，这会大大降低无线传输的速度.设计中充分利用了S3C6410的USB端口，即通过STM32控制的nRF24L01与各个信号采集站相互通信，并暂存数据，读取完成通过USB一次性传送至主机，这种方式下能够大大提高基于nRF24L01无线自组网络的传输速度.

同步系统部分采用高性能的STM32F103ZET ARM处理器，配合以太网芯片DM9000A以及无线网络电台实现，系统内部结构如图 5.其在接收到外部锤击开关或遥爆装置的脉冲信号后，经衰减和施密特与非门进行门限判别，避免干扰的误启动，有效脉冲会直接触发单片机外部中断，并立即通过无线网络向控制主机和信号采集站发送一条同步指令，以便同步启动各个信号采集站的数据采集功能及控制主机读取地震数据功能.

图 5

Fig. 5

图 5 同步系统框图 Fig. 5 Diagram of synchronization system

实际工程地质调查与评价中，地震勘探以48道反射波勘探为主，其检波器通常为12道一串，单次采集24道，偏移2道，实现6次覆盖叠加，这种方式可以进一步提高地震资料的信噪比.现场应用参数设置是4 ksps采样率、5 m道间距、50 m炮点偏移距、2048采样点^[1-3].以24位的A/D分辨率计算，其单次采集的数据量为144 k（2k×24×3）字节，加上需要传输的报文报头信息，要求无线网络单次传输的数据量近200 k字节，而在不考虑障碍物的情况下，为提高勘探效率，无线网络的传输速率应不低于100 kbps.无线传输距离要求大于170 m（5× 12×2+50）.实际现场应用中，更要求无线网络具有绕障碍物的能力，以保证其在复杂环境下的正常通信.总体来说，需要无线网络具备更好的可扩展性，以及高速、大数据量、抗干扰能力强等特点.

现有的标准无线协议中，目前比较成熟的无线通信技术主要包括IrDA（Infrared Data Association）、Bluetooth、Zigbee、WIFI以及新兴的UWB技术等，它们在各自的应用场合中发挥了不同的技术优势，此类无线通信的速度、距离及频带如表 1.

表 1(Table 1)

表 1 主流标准及非标准无线通信技术 Table 1 Main standard and non-standard wireless communication technologies

表 1 主流标准及非标准无线通信技术 Table 1 Main standard and non-standard wireless communication technologies

从表 1可以看出，目前主流的无线通信技术，尤其是在非授权的2.4 GHz频段内的Bluetooth、Zigbee、WiFi等速率上基本都能满足本系统的设计要求，但限于通信距离以及自身的穿透能力而无法应用于本系统^[10-18].而近年来发展较快的非标准无线射频协议及以太网电台则较为适合于本系统.

nRF24L01是内置ANT协议工作于2.4 GHz频段的无线收发芯片，其最高速度达2 Mbps，在实际的应用中加入PA（Power Amplifier）和LNA（Low Noise Amplifier）后发射功率达20 dBm，其有效通信距离可达750 m以上，当然在有障碍物的环境下距离会减小，但仍能满足本系统要求.另外，该芯片包括125个可选频道，同时支持6个接收通道，其地址占5个字节，数据包为32字节，这为我们组建星型网络提供了便利.考虑到系统的大数据量，组网中将4道采集道共用1个无线节点，即在包括12道采集道的信号采集站内部集成3个无线节点，48道共需12个无线节点，因此整个无线网络部分需要完成1对12的星型组网结构，结合nRF24L01的特点，实际应用中采用多地址多通道切换的模式来完成控制主机和各个采集站之间的数据传输，即所有单元工作于同一频段，只有对应地址相匹配的节点才能相互通信.

组网通道、地址和报文方案：组网过程中将控制主机部分开通P0、P1、P2三个通道，其中P0通道用于接收自动应答信号，P1通道接收采集站数据，P2通道接收同步指令；信号采集站部分开通P0和P1通道，P0同样用于接收自动应答，P1接收主机数据；同步系统仅有P0用于接收自动应答.主机、采集站、同步系统的发送地址和P0地址相同.主机的P0和P1地址在对应地址列表中循环切换，P0地址列表对应于各个信号采集站P1通道地址，P1地址列表与各个信号采集站的发送地址相同；信号采集站的P0和P1通道地址必须是独一无二的，并且P1通道地址在本节点地址和公用地址之间切换；同步系统的发送地址为公用地址.nRF24L01单次传输的数据包为32个字节，这里在传输指令和数据时需要规定相应的报文格式，由此可以根据报文标示来定位丢失的数据包，具体格式如表 2和表 3.

表 2(Table 2)

表 2 配置及同步命令报文格式 Table 2 Configuration and synchronization command message format

表 2 配置及同步命令报文格式 Table 2 Configuration and synchronization command message format

表 3(Table 3)

表 3 地震数据传输报文格式 Table 3 Transmission format of seismic data

表 3 地震数据传输报文格式 Table 3 Transmission format of seismic data

无线数据传输主要分为以下三个过程：

（1）主机配置信号采集站.主机发送地址及P0地址切换至对应第一个节点地址，按设定报文格式发送数据，信号采集站完成后返回确认标志.主机收到标志后切换至对应下一节点地址，如此循环执行直至配置全部采集站完成.

（2）同步信号传输.首先需要切换所有采集站P1通道地址为公用地址，同步系统按设定报文格式发送一组数据作为同步数据，各单元收到数据后开始执行相应操作，完成后采集站P1通道地址重新切换回本节点地址.

（3）地震数据传输.实际通信中主机采用主动查询的方式获取数据，即主机首先连续向首节点发送读取数据指令，信号采集站只有在完成采集工作后才会响应这一指令，在发送数据之前，采集站需要将数据按设定格式封装，由于数据量较大，为保证通信速度，采集站采取连续向主机传输数据的模式，而无需等待确认信息，之后通过设定的报文来查询丢包的信息.本节点完成后P1地址重新切换至公用地址，等待下一同步指令.主机读取完首节点数据后，开始向下一节点连续发送读取数据指令，以此循环来完成整个系统的地震数据传输.

由于nRF24L01工作于2.4 GHz频段，尽管在加入PA和LNA后提升了其通信距离和穿透能力，但在障碍物较多的环境下丢包仍比较严重.因此设计中采用了无线网络电台（AirMesh900）来进一步提升无线网络的环境适应能力.AirMesh900工作频带为910 MHz，最大发射功率达28 dBm，从而保证了电台的远距离和穿透能力.AirMesh900直接支持TCP/IP协议，因此可以采用通用以太网星型组网方式.由于采集站部分的控制单元是FPGA，为减小控制器负荷，系统中采用了适合嵌入式应用的精简TCP/IP协议uIP协议，其报文中的数据部分最大支持1.5 k字节，加上其20 Mbps的速度，组网中采用了12道（单个采集站）共用一个网络电台.同时主机和各个采集站均分配在同一网段内的固定IP地址，无需进行地址切换，同步系统采用广播地址模式发送同步指令.另外，网络的其他操作和数据传输方式和nRF24L01类似.

有线集中式地震仪中，同步TB信号基本可以实现无延时的传输，这一点在无线通信中是无法实现的，尤其是在高分辨率的地震勘探中，对TB的同步精度要求更高.但是仍可以采用其他技术手段来缩短TB时间，以满足同步要求.针对无线传输方式，TB应小于0.625T_s（T_s为采样周期）^[19]，以浅层勘探常用的最高250 μs采样周期，TB应小于151 μs.本文针对系统采用的两种无线方式分别提出了两种解决方法：

（1）基于nRF24L01的无线网络.同步系统在锤击开关触发中断后，立即由nRF24L01向各个信号采集站发送一包数据，各个采集站解析数据包以标示同步功能，整个过程即为TB的时间.为缩短这一时间，网络中充分利用了nRF24L01在成功接收到数据后，会将芯片的IRQ引脚由高置低的功能，即利用这一跳变脉冲来触发主控制器的外部中断功能，这一中断响应的时间在FPGA嵌入的NIOS核中可以保证10 μs以内，而nRF24L01在以1 Mbps速度下，发送一包数据的时间为4 μs，加上其他指令执行时间，采集站端的处理时间在20 μs以内.同步系统端采用的是STM32微控制器，其在72 MHz主频工作时，响应中断的时间在1 μs以内，指令执行的周期为纳秒级，因此这种网络通信模式下的TB时间能保证在30 μs以内，充分满足了同步要求.

（2）基于网络电台的无线网络.以太网的同步功能主要利用了uIP协议的广播模式，即同步系统以广播模式向各个信号采集站发送数据包，然而以太网的CSMA/CD通信机制造成了其数据包传输延时的不确定性，这种传输延时约几个毫秒，而且相互通信的两个终端在建立连接和解析地址也需要开销时间^[20-21]，这种延时根本无法满足同步要求.本文采用循环预采集定时抽取的方式来改进这种同步精度，即由同步系统主动连续多次向各信号采集站发送本机时间信息，信号采集站收到后解包并对比本站时间以确定时间差，取多次时间差的平均值作为固定延时（TD）.设置每个信号采集站的开机便启动采集功能，并且开辟大于和等于实际采样长度的两个缓存（Buffer 1和Buffer 2），Buffer 1存储连续采样记录长度大于实际长度的数据，并且循环覆盖，实际勘探过程中，信号采集站在收到TB同步命令后，以此为基准向前推移TD采样长度为起点，从Buffer 1读取实际采样长度的数据作为有效地震数据存入Buffer 2.这种方式的同步误差依赖固定延时TD，即本地时钟的精度，当前本地的高精度时钟误差做到微秒级是很正常的，具体过程如图 6.

图 6

Fig. 6

图 6 循环预采集操作 Fig. 6 Cycling pre-sampling operation

噪声测试采用直接短接系统输入端以4 ksps采样率进行空采集操作，采集结果如图 7.可以看出，其噪声水平在40 μV左右，导致这种情况的原因应是开关电源的纹波引起的.另外由连续采集2048采样点波形稳定性，可以看出ADC实际有效位在18位以上.

图 7

Fig. 7

图 7 噪声及有效位测试 Fig. 7 Noise and ENOB test

为了验证两种无线传输方式的可行性以及仪器的性能，开发了基于两种平台的原型样机，并现场与重庆地质仪器厂生产的DZQ48在相同布线方式和施工条件下进行野外对比测试.其中样机增益设置为20倍，DZQ48为32倍，滤波器截止频率均为4 kHz，采样率均为4 ksps，512 ms的采样长度，采用人工激发震源的方式，道间距50 m，炮点偏移距为50 m，连续采样叠加30次，测试的波形对比效果如图 8，不难看出两套系统所采用的地震波形走势基本相同.而且从图 9的本系统单道频谱图来看，其主频能量集中在40 Hz的有效反射波范围内，从而显示了仪器具有较好的勘探效果.实际操作中显示：基于nRF24L01的样机单炮点从锤击激发至主机存储完成总时间在15 s左右，即1 min可完成3次采集，而基于AirMesh900的样机则可达6次，与有线方式相同.

图 8

Fig. 8

图 8 现场对比测试波形（（a）为本系统；（b）为DZQ48） Fig. 8 Comparison of waveforms at test site ((a) this system; (b) DZQ48)

图 9

Fig. 9

图 9 现场测试地震波频谱 Fig. 9 Spectra of seismic waves at test site

1）采集道：48道（1、2、3、4、6、12、36、48可选，且通道可扩展）；

2）采样率：62.5 μs、125 μs、250 μs、500 μs、1 ms、2 ms、4 ms、8 ms、16~400 ms可选；

3）记录长度：512、1024、2048、4096、8192、16384点等，最大32768点；

4）程控增益：可选64\32\16\8\4\2\1倍；

5）AD分辨率：24位（有效位18位以上）；

6）滤波器：截频点-42 dB；

7）动态范围：120 dB；

8）输入阻抗：≥1 MΩ；

9）频率范围：0.1 Hz~4 kHz；

10）传输距离：无线射频大于500 m/2 Mbps，无线电台大于1 km/20 Mbps；

11）数据格式：SEG2、SEGY可选；

12）仪器重量：主机2.1 kg，采集站3.2 kg.

本系统基于FPGA和ARM平台设计集成化的信号采集站和控制主机，从而提高整套仪器的便携性，同时将无线通信技术应用于地震数据采集系统中，进一步提高地震勘探设备在复杂环境下施工的灵活性.从仪器的现场测试效果来看，其性能指标高于国外同类设备，且成本更低，应用的领域和场合更为广泛.然而，限于无线传输的距离限制，无线遥测式地震仪只能限于地质调查的浅层勘探领域.但由于已经掌握了多路并行地震信号采集技术、多种模块的IP核和高速以太网传输技术，可以以此为基础将整个系统升级扩展，配合有线系统用于大规模的油气勘探领域及微震监测领域，甚至将来可能发展的无线检波器网络（WGN）.更可以利用该平台发展数字检波器及其他系列地震勘探设备.

奚大顺教授和任家富教授在仪器开发阶段提出了很多改进方案.感谢中国地质大学（北京）邓明教授在论文修改和完善方面给予的指导.川庆物探公司的秦自耕老师在仪器野外试验阶段提出了诸多建议.