自从地震勘探诞生以来，一直采用电缆连接检波器与中央记录系统的有缆采集技术(易碧金等，2010).有缆采集技术在油气资源勘察中发挥了重要作用，但随着探测难度的增加与新技术的应用，有缆采集技术也遇到了一些问题，首先是系统笨重不易搬运，在标准的地震勘探中，地面所有设备包括电缆总重量达到25 t以上，直接影响到运输成本和机动性；其次道数受到限制，随着采集道数的增加会造成系统排列困难，无法达到10万道级别的排列阵；另外成本居高不下，使用三年以后，电缆和其他传输设备即使不受人力或外力的损坏也需要更换，不然会因为线缆老化问题造成数据质量的下降.

鉴于上述原因，近年来国外许多石油公司开始探索采用无缆作业的方法.地震勘探技术的发展与电子技术的进步推动了地震仪器的发展，使数字地震仪采集站具有了无需电缆、内置GPS接收器、自主记录和大容量数据存储等特征(王春田等，2010).无缆采集系统与有缆采集系统相比最大的优势体现在作业灵活，可以无限扩展，能够适应未来宽方位、高密度等物探新技术的发展(张军华等，2007).无缆采集系统可以按照有线组合方式进行布设，单个采集站独立记录，采集站之间不需要线缆连接，后期处理数据时可以根据不同采集点的数据质量来确定组合方式，可以采取大组合或小组合，也可以不组合，使数据处理更加方便灵活，这也丰富了地震数据处理方法(董世泰和高红霞，2005).

目前成熟的无缆地震采集系统有很多，如法国Sercel公司的Unite采集系统，美国 ION公司的 Firefly采集系统和美国Fairfield公司的Z-l and 采集系统(吴铁军，2011).其中Firefly采集系统由中央控制系统，射频中继塔，远程无缆地面电子系统以及高精度手持式导航定位单元构成.其中，地面电子系统是由FSU(野外采集单元)，一个 3分量数字检波器和一个锂电池构成，属于三分量采集站结构(甘志强，2012).FSU中集成了Flash存储器和射频收发单元，可以实现地震信号的采集记录及存储，也可以进行射频通信.数据采集结束后，分段拖车利用射频通信技术进行数据的回收工作.系统中射频通信中继塔等设备过于复杂和庞大，不利于在复杂地形上实施，风险系数大；同时系统中只能使用数字型检波器，相对较高的成本也制约了Firefly的广泛使用.Unite和Z_l and 也同样因为系统结构复杂，使用高精密器件，大容量铅酸电池等原因造成每道数万元的成本，上述因素也制约了无缆采集系统的大范围推广.国内林君团队也研制了无缆遥测地震仪，但其作业最大平均功耗为4.4W(杨泓渊等，2009a)，需要大容量电池供电才能实现野外的长期工作.综上所述，成本和功耗成为制约无缆地震仪发展的重要因素.本文重点关注无缆采集系统的功耗和成本，通过合理的软硬件设计，研发了一种低成本无缆地震仪采集站，克服了现有仪器的缺陷，有利于大规模无缆地震采集的开展.

通常，地震数据采集系统由检波器和地震仪采集站组成，地震仪采集站包括地震信号采集器、电源以及GPS模块(赵连功等，2005).地震信号采集器又包括微控制器，采集通道，数据存储，时间服务以及其他外围电路，本文中地震仪采集站的结构如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 无缆地震仪采集站结构框图Fig. 1 Principle diagram of Non-cable seismic acquisition station

本文中的地震仪采集站具有单通道输入采集、本地存储、无线传输等特征.模拟采集通道负责对检波器输出的模拟信号进行放大并完成模数转换；时间服务负责同步GPS时间和精确走时；数据存储单元负责存储采集器输出的采样数据；无线传输单元负责与上位机交互和数据传输；微控制器负责对采集通道输出数据进行滤波并控制其他外围模块.

本文中采集站采用NXP 公司LPC2103 微控制器，具有多外设低功耗的特点.图 2为微控制器通过外设与外围器件的连接示意图，微控制器通过UART(通用异步接收/发送装置)接口与无线传输模块连接，无线传输模块采用Jennic公司生产的ZigBee模块，利用免费频段可以多点组网；通过SPI(串行外围设备)接口与模拟采集通道中模数转换器连接，获取模数转换后的采样数据；通过SSP接口与存储单元Micro SDHC卡连接，进行数据存储；通过UART与GPS模块连接，获取GPS时间；微控制器由电源管理单元提供的3.3V电源供电.

图 2

Fig. 2

图 2 微控制器与外围器件接口示意图Fig. 2 Interface diagram of Micro-controller and other modules

微控制器可通过无线传输单元或者USB线缆与计算机进行交互和数据传输，无线传输单元在仪器采集初期可实时传输数据便于用户判断数据质量，之后可关闭以节省功耗.由于有效的功耗控制，采集站可以采用小型锂电池供电，更换大容量电池后，采集站也可以应用于地震的长期观测.

在微控制器选定条件下，为了实现地震仪采集站低成本、小体积、低功耗的设计目标，模拟通道和时间服务等单元采用以下设计方案实现.

模拟通道噪声来源主要包括以下几个方面：外部干扰，电源干扰以及通道自身产生的噪声(杜国荣，2003).

外部干扰主要通过改善PCB设计来解决，包括添加屏蔽金属壳和规划电源地线回路.系统电源干扰的解决方法是模拟电路与数字电路电源部分完全隔离，减少数字电路对模拟采集电路的干扰，数字器件单独通过DC-DC(直流-直流)电路供电，对器件输入电源进行LDO(低压差线性稳压)电路稳压过滤.

模拟通道自身噪音主要来自放大电路，不考虑外部电阻时，运放电路总等效输入噪音由三方面决定，分别为运放输入电压噪声，运放输入电流噪声及外部源电阻(检波器内阻)的热噪声.三个不相关的噪声源等效噪声可表示为

采集站目前采用单只高灵敏度动圈检波器，动圈检波器灵敏度与本身内阻成正比，高灵敏度检波器内阻对噪声的贡献不能被忽略，以重庆地质仪器厂生产的CDJ-ZG4.5高灵敏度动圈检波器为例，灵敏度达到100 V·m^-1·s^-1，动圈内阻3.6 kΩm，电阻热噪声为

表 1(Table 1)

表 1 运放的等效输入噪音与功耗对比Table 1 Comparison of total input referred noise and power consumption 器件 en/(nV · Hz- 1/2) in/(pA · Hz- 1/2 ) e/(nV · Hz- 1/2 ) P/mW OP27 3.0 0.4 8.7 90 LT1028 0.85 1.0 8.8 240 MAX4252 8.9 0.0005 11.8 2.5

表 1 运放的等效输入噪音与功耗对比Table 1 Comparison of total input referred noise and power consumption

本文采用MAX4252设计模拟放大电路.通过比较可知，尽管MAX4252电压噪声较高，但搭载动圈检波器后等效输入噪音只略高于OP27和LT1028的，功耗仅为2.5 mW，可以大大降低模拟通道的电能消耗，有利于仪器的低功耗设计. 2.2 高精度模数转换方案设计

模数转换器的选取在很大程度上决定了采集站的功耗和成本.从技术水平上看，当今世界各大地球物理公司生产的主流地震勘探仪器都采用Σ-Δ技术的24位ADC(模数转换器)，实时采集能力可达几千道，各项物理特性和技术指标也是同期高科技精密电子装备中最高和最好的(罗福龙，2005).Σ-Δ型转换器是一种基于过采样技术和噪声整形技术的ADC，采用过采样技术使量化噪声分配到更高的带宽中，与数字滤波结合使用可以降低原始带宽内的量化噪音，防止引起信号失真.目前主流的地震勘探仪器使用的ADC多为ADS1281、CS5371/76A等Σ-Δ模数转换器，其中ADS1281过采样率可以从 256到4096，过采样率为256时，动态范围达到118 dB，过采样率为4096时，动态范围达到了130 dB.

本文采集通道采用了TI公司生产的24位Σ-Δ模数转换器ADS1251，图 3中可以看到几种ADC成本功耗对比，ADS1251在功耗和成本上有很大的优势，并具有高精度、低功耗的特征，在宽动态范围中保证具有24位无损失码，当模数转换输出数据速率达到20 kHz时功耗仅为8 mW，但ADS1251内部只有一个梳状滤波器，过采样率仅为64，数据输出速率大于400 Hz时，有效位降低到19个bit，不能满足仪器高动态范围的需求，图 4为ADS1251内置梳状滤波器幅频响应曲线，可看出其截止带宽窄，高频信号抑制差，需要对模数转换后的数据进一步处理才能实现以低成本模数转换器代替ADS1281等昂贵ADC的目标.

图 3

Fig. 3

图 3 几种主流ADC价格、功耗对比Fig. 3 Comparison among common AD converters

图 4

Fig. 4

图 4 ADS1251滤波器幅频响应Fig. 4 ADS1251 filter amplitude frequency response

为了解决上述问题，本文设计了一个8抽1的FIR滤波器，通过软件滤波实现了对ADS1251输出数据的再抽取，经过模数转换器和软件抽取滤波后数据的实际过采样率为64×8=512，提高了数据信噪比，弥补了ADS1251动态范围不足的缺陷，可以达到与ADS1281、CS5371/76A同样的动态范围指标，级联后的幅频响应曲线如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 级联滤波器幅频响应Fig. 5 Series filter amplitude frequency response

为了节省微控制器的资源与时间消耗，本文通过优化滤波算法来降低软件运算量.具体实现方式为，微控制器内部存储FIR滤波器系数，当每次ADS1251模数转换完成后输出一个脉冲信号，脉冲边沿触发微控制器的外部中断，在中断函数中微控制器控制SPI接口将数据传输到内部RAM中进行滤波运算.若FIR滤波器系数为h(n)，长度为N，抽取率为M，从卷积公式可知，一个N个系数的FIR滤波器对每个输入需要做N+1次乘法，但输出作抽取时运算可以被简化，只需计算有效的乘积部分，忽略掉会被舍弃的选项，根据多相分解理论，FIR 滤波器传递函数公式(3)可转化为公式(4)(谢海霞和孙志雄，2012).

图 6为基于多相分解的FIR系统的抽取器结构，采用多相分解后数字信号不需要在一个输入样点周期内完成所有运算，乘法和加法运算可被分散到M个样点周期内，计算更加高效，降低了对微控制器的性能要求.

图 6

Fig. 6

图 6 FIR滤波器的多相分解图Fig. 6 Polyphase decomposition of FIR filter

微控制器本身集成了RTC(实时时钟)，RTC可以依据内部低频石英晶体振荡器来实现走时，但受工艺水平制约，石英晶体中心频率与标称频率存在一定的误差；且石英晶体对温度敏感，随着温度变化频率会发生偏移，长时间运行后会导致累积偏差持续增大(杨泓渊等，2009b).

采用高精度晶体振荡器可以保证数据的时间精度，但有以下的缺点：成本高，精度达到微秒级的高精度晶振需要上千元；功耗大，达到50 mW以上；体积大，数厘米见方不利于电路PCB的设计.本文中采用GPS加低成本晶振组合的方式来进行时间服务.GPS卫星信号不会随着时间发生偏移，GPS 接收机的秒脉冲同步误差级别为纳秒级(李征航和黄劲松，2005)，可通过GPS信号对低成本晶振进行校正的方式来保证本地时钟的精度.

如图 7，时间服务由GPS模块、外部晶振、ARM芯片内部计时器、UART、PLL(锁相环)和RTC等协同实现.

图 7

Fig. 7

图 7 时间服务设计方案Fig. 7 Scheme of time server

采集站工作后，GPS首先搜索卫星信号，利用GPS秒脉冲PPS对低成本晶振进行首次精确标定.如图 8，当接收到GPS秒脉冲后，微控制器通过计时器对晶振脉冲进行计数，在N秒周期中记的晶振脉冲数为M，则每秒的晶振脉冲数即实际的晶振频率为M/N.微控制器中PLL根据修正后的晶振频率进行分频作为RTC的时钟源，保证初始时刻RTC获得高精度时钟源，以上措施校正了低成本晶振实际频率与标称频率的偏移.晶振频率标定后微控制器通过UART获取GPS模块输出的时间信息，以此来初始化本地RTC.

图 8

Fig. 8

图 8 晶振的GPS时钟标定Fig. 8 Calibrate the frequency of crystal by GPS pps signal

另外，RTC 内部包含节拍计数器，节拍计数器每计满32768后便更新RTC时间并自复位.当RTC通过GPS授时结束后，GPS周期性开启，微控制器在PPS到来后强制复位节拍计数器并更新RTC时间，实现RTC时钟与GPS时钟的再同步，这样就解决了晶振时漂造成的本地RTC偏移.

本文中GPS采用Progin公司的OEM模块和数十元的低成本晶振，将成本控制在百元以内，平均功耗小于20 mW，时钟误差可控制在微秒级别.本文通过GPS授时同步与低成本晶振相结合的时钟机制实现了在保证时钟精度的同时降低了采集站的功耗和成本.

为了满足存储大量采集数据的需求，采集站通常采用硬盘和CF卡来实现.野外恶劣的环境，运输过程中的颠簸震动都会造成硬盘损伤，影响数据质量甚至造成野外工作无法完成，同时硬盘的体积过大也不利于采集站的小型化(陈祖斌等，2006).CF卡速度优势明显，最高可达150 MB/s，但其存在引脚过多，接口电路复杂，工作温度要求高等缺点.近年来随着技术和工艺的发展，越来越多的小型存储介质得到了广泛应用，Micro SDHC卡发展尤为迅速，其具有价格低、速度快、体积小的特点.

本文中数据存储使用速度级别为class4的Micro SDHC卡实现，采用SSP接口电路时传输速率可达到1 MB/s，完全可以满足所研采集站的数据存储要求，另外价格仅数十元，可以作为硬盘和CF卡的替代品.数据采集采取了乒乓式存储模式，内存中分配两个数据缓冲区，其中一个缓冲区实时缓存ADC采样数据，另一个缓冲区向Micro SDHC卡写入数据，利用FatFS(通用文件系统模块)实现 Micro SDHC卡的文件创建读写操作，两个缓冲区 相互配合切换，非常适合进行流水线式处理，实现了数据的无缝缓冲处理，经过测试，上述存储单元设计稳定可靠，满足仪器工作要求. 2.5 低功耗设计

低功耗设计是研发无缆地震仪采集站的重点，决定了采集站的体积、成本与实用性.本文中的采集站除了根据检波器设计模拟通道电路，避免使用高功耗的高精密晶振，采用低功耗的Micro SDHC存储卡和模数转换器之外，同时在硬件设计和软件优化上采取了以下措施.

CMOS 器件具有低功耗的特性，主要功耗为其动态功耗，即P=αCV²f(Kim et al., 2003)，式中α为门电路的跳变频率，C为门电路总的工作频率，V为工作电压，f为系统工作频率.可知降低器件的工作电压和工作频率都可以有效降低器件功耗，因动态功耗和工作电压平方成正比，所以在选择器件时尽量选择低工作电压器件，具体实现方式为采用低工作电压器件，本文中采集站中器件仅使用3.3 V与5 V电源.

本文采用NXP公司LPC2103微控制器作为控制核心，LPC2103内部集成了实时钟、UART、SPI、Watchdog、外部中断控制器和32位分频计数器.充分地利用微控制器丰富的外设可大大降低硬件复杂程度，避免大量外围器件的使用，同时选用具有功耗控制功能的外围器件，根据工作状态选择性开启和关闭外围器件以降低功耗.

合理选择微控制器主频，在采集站与电脑进行数据传输时，提高微控制器主频以满足数据的高速传输.采集站进入采集状态时，调低微控制器主频，以中断方式替代循环查询.为实现长期的数据采集，设计不同的工作模式调节功耗，处理器采用中断触发方式，无中断事件时采集站进入低功耗模式，通过ARM指令实现微控制器进入WFI(等待中断模式)，此时微控制器LPC2103自动进入休眠模式.

通过以上多种方式，大大降低了采集站的功耗，经过测试1000 Hz采样率时整机功耗为100 mW，在休眠模式时功耗小于1 mW，低功耗特征非常有利于采集站小型化，提高便携性.

(1)AD转换动态范围120 dB；

(2)存储容量4 G，本地存储，可扩充到128 G；

(3)WSN(WirelessSensorNetwork)无线网络控制；

(4)最大时钟误差<100 μs；

(5)采样率：50，100，200，400，500，800，1000 Hz；

(6)功耗100 mW(工作)/<1 mW(休眠)，单次工作时间>24 h.

2012年，低成本无缆式地震仪采集站研制成功，在1000 Hz采样率下进行了多次输入端短路测试，测得其噪音时间-幅值曲线结果如图 9，短路时输入噪音峰峰值小于10 μV.同时，采集站搭载目前比较通用的动圈检波器与Sercel公司的428FDU仪器进行了人工震源信号记录对比测试，结果如图 10，两台仪器记录的信息基本一致，验证了采集站的采集效果.无缆式地震仪采集站为了应用于高密度数据采集工作，需保证多台采集站之间采集数据高度一致性，因此在实验室中对研制的20台地震仪采集站进行了一致性对比，以采集站D1为基准进行测试，获得一致性数据见表 2，通过该表可见采集站之间具有高度一致性.

图 9

Fig. 9

图 9 输入短路时记录的采集站噪音Fig. 9 Noise performance of the acquisition station

图 10

Fig. 10

图 10 Sercel 428 FDU与无缆地震仪采集站记录的人工震源信号对比Fig. 10 Signal comparison between Sercel 428FDU and Non-cable seismic acquisition station

表 2(Table 2)

表 2 20台所研制采集站一致性对比Table 2 Consistency comparison of 20 acquisition stations D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 1 0.9816 0.9215 0.9924 0.9557 0.9428 0.9475 0.9935 0.9289 0.9486 D11 D12 D13 D14 D15 D16 D17 D18 D19 D20 0.9688 0.9968 0.9874 0.9562 0.9744 0.9655 0.9687 0.9548 0.9631 0.9369

表 2 20台所研制采集站一致性对比Table 2 Consistency comparison of 20 acquisition stations

目前低成本无缆式地震仪采集站进行了小批量生产，仪器性能得到用户认可，已经与南京某物探公司签订了50套无缆式地震仪采集站的供货合同.

在地震勘探中，地震仪采集站的性能决定着采集数据的质量.无缆式地震仪与有缆式相比，在不降低数据质量的前提下重量轻且易搬运，有利于大范围的布设，是未来地震仪的发展方向.本文通过采用微功耗设计，GPS授时同步与低成本晶振相结合的时钟机制，优化硬件与软件设计，大大地降低了仪器的功耗与成本.研制的无缆地震仪采集站造价为国外同类仪器的十分之一，尺寸仅为12 cm×9 cm×8 cm，便携性能突出.

无缆采集站可以搭配多种检波器，目前与采集站搭配的是重庆仪器地质仪器厂生产的CDJ系列速度平坦型动圈检波器，已应用于微动探测领域并取得了一定的进展.本实验室同时正在开发电化学检波器，电化学检波器低频性能更好，价格和功耗远低于传统的宽带地震计和MEMS检波器，采集站搭配电化学检波器后，除了可以进行深部地震勘探外，还可用于油气勘探和工程地质调查等多个领域.采集站低成本低功耗的优势使其非常适用于高密度、宽方位地震勘测，也可应用于人工源地震深部探测，资源勘探等诸多领域，更换大容量电池后也可以进行天然地震观测，应用领域非常广泛.