石英水平摆倾斜仪观测性能提高方法

王 秀 卢海燕 蔡 莉 占伟伟

（中国北京100029中国地震灾害防御中心）

石英水平摆倾斜仪观测性能提高方法

王 秀 卢海燕 蔡 莉 占伟伟

（中国北京100029中国地震灾害防御中心）

为了提高SQ-70D型石英水平摆倾斜仪的观测性能，研究影响倾斜仪性能的主要因素，并从软硬件方面提出倾斜仪升级改造方法，升级后仪器测量精度可达亚像素级、动态范围扩大到14″，应用场合显著扩大；仪器从分钟采样升级为秒级数据采集，满足行业标准要求。本次仪器性能升级易于实现，便于推广。

石英水平摆倾斜仪；CCD测量系统；测量精度；细分算法；信号采集

0 引言

石英水平摆倾斜仪是观测地球固体潮汐和地壳形变运动的主要仪器之一，具有测量精度高、抗扰性好，稳定性强等特点，在地震前兆工作中广泛用于监测水平地倾斜变化等活动。由中国地震灾害防御中心（原581厂）研发的一款高精度地倾斜观测仪器——SQ-70D型石英水平摆倾斜仪，是首个使用电荷耦合器件（CCD）的地震观测仪器，采用CCD测量系统代替传统的模拟记录方式（韩和平等，2005），使水平摆倾斜仪具有测量精度高、响应速度快、故障率低、功耗小等优点，在地震前兆观测活动中发挥着重要作用。

随着地震事业的不断发展，地倾斜观测对观测仪器的性能要求越来越高。首先，由于CCD等器件性能的落后和软件算法的限制，在理想情况下，SQ-70D倾斜仪的测量精度只能达到一个像素、工作周期大于30 s、最大测量范围不超过1″，从而限制了倾斜仪的适用场合和使用范围。其次，由于大多数观测仪器采用的分钟采样率只能记录低频信号，很难完整记录地震事件发生时的高频信息（方燕勋，2012），2012年颁布的行业标准（DB/T 45—2012）《地震地壳形变观测方法≈地倾斜观测》要求：地倾斜观测仪器能够实现秒级数据采集处理。而SQ-70D倾斜仪采用分钟采样率，已无法满足行业要求。

因此，为了提高SQ-70D倾斜仪的测量精度，扩大测量范围、实现秒级采样处理，本文从硬件和软件两方面研究影响倾斜仪测量性能的主要因素，并提出相应改进方法。

1 影响因素

SQ-70D倾斜仪主要由光源照明系统、CCD测量系统、数据通讯系统等组成。其中，CCD测量系统是决定倾斜仪测量精度和动态范围的关键部分，主要由石英摆系统，光电传感器（CCD）、CCD驱动电路、CCD信号采集电路、数据处理电路组成，结构见图1。系统实现测量的过程为：固体潮和地形变通过石英摆系统放大后输出光信号，光线狭缝成像于CCD器件的靶面上，CCD将光信号转换为电信号输出，信号采集电路获取电信号并送入数据处理电路计算出此时的光斑位置，根据不同时刻的光斑位置即可推算固体潮或地倾斜的变化量。可见，影响倾斜仪测量性能的因素主要有石英摆成像系统误差、CCD器件性能、信号处理电路精度、CCD驱动电路噪声干扰以及定位算法优劣等（江育民等，2010）。本着低成本和易操作的原则，倾斜仪机械结构（如石英摆系统、照明系统）不作更改，只从硬件电路和软件算法上，对倾斜仪CCD测量系统进行优化，实现只更换电路板即可完成仪器的性能升级，方便后续推广工作。

图1 SQ-70D倾斜仪CCD测量系统结构Fig.1 Block diagram of the CCD measurement system for SQ-70D tiltmeter

2 硬件改造

2.1 CCD传感器

在倾斜仪中，CCD传感器是完成光信号到电信号转换的关键元件，其像元间距决定了观测精度（王和顺等，2010），像元数量影响着观测范围；CCD包含的像元数目越多，像元间距越小，其构成的测量系统分辨率就越高。SQ-70D倾斜仪采用线阵CCD，即TCD1500C，属于早期产品，性能相对落后，已停产，因此急需升级倾斜仪的CCD传感器件。根据需求分析，选择Toshiba公司的TCD1711DG作为倾斜仪的CCD传感器。工作时电信号分为奇偶两路并行输出，扫描速率是单路输出的TCD1500C的近2倍，二者的特性参数对比见表1。采用新传感器后，倾斜仪的CCD测量精度和工作频率均得到提高。

表1 新旧CCD特性参数Table 1 Characteristic parameters of the old and new CCD

2.2 CCD驱动电路

CCD驱动电路决定了CCD的工作稳定性和采样准确性，间接影响倾斜仪的观测性能。CCD常用驱动方法有4种：IC法、EPPROM法、单片机法和可编程逻辑器件（CPLD）驱动法（张智辉等，2004）。其中，IC法的电路复杂、调试困难，很少使用；单片机法虽然设计简单，但对单片机的速率要求较高且存在资源浪费问题；SQ-70D倾斜仪采用EPPROM法，电路结构较复杂，灵活性较差，不能实现在线编程；CPLD法是近年来应用较广的一种CCD驱动方法，相较于EPPROM法，具有电路集成度高、可靠性好、编程灵活等优势。因此，采用CPLD法重新设计倾斜仪的CCD驱动电路（Zhan Weiwei et al，2015），提高电路集成度且积分时间SH可编程调整，从而增强仪器稳定性和灵活性。改造前后的电路参数对比见表2。

2.3 CCD信号采集电路

CCD信号采集电路是CCD测量系统的重要组成部分，采样速率和分辨率影响着倾斜仪的测量精度。目前，CCD信号采集常见做法是，采用AD转换器，将CCD输出信号进行模数转换，保证信号的完整性，送入处理器进行算法处理。SQ-70D倾斜仪未采用AD转换器，而是通过硬件电路设置阈值，对一帧信号进行二值化处理，其电路结构复杂，集成度较差，易引入硬件延时和噪声干扰，采样信息的不完整也间接增大了定位误差。因此，采用高性能模拟信号处理器AD9826重新设计CCD信号采集电路。AD9826具有三通道结构，最高速率可达15 MSPS，对奇偶并行输出的CCD信号能够实现自动整合（见图2箭头）；内部集成信号预处理和16位AD转换电路，能够简化外围电路设计，减少硬件干扰（华园园等，2011）；功能配置可通过串口完成，无需现场调整，减少开发成本，内部结构见图2。改造后的信号采集电路（图3）结构简单，集成度高，抗扰性增强，工作速率达1 MHz。

图2 AD9826内部结构Fig.2 Internal structure diagram of AD9826

3 软件改造

3.1 定位算法

受当前制造水平的限制， CCD、AD等硬件的精度只能达到某一量级，不能满足更高精度要求，此时软件设计和软件算法是进一步提高倾斜仪测量精度的重要手段。目前，CCD像点定位细分算法是提高CCD测量精度的一种有效方法，经过细分算法处理后，像点定位精度可以达到亚像元级甚至超像元级。线阵CCD常用细分算法主要有最大值法、二值化法、重心法等（杨博雄，2005）。最大值法受噪声影响大，分辨率低，已很少使用。二值化法是SQ-70D倾斜仪采用的定位方法，理想分辨率可达一个像素，但精度依赖于CCD信号波形，当出现波形不对称或震荡情况时，定位结果并不代表实际像点位置，所以精度和适用范围具有一定局限性。重心算法的优势在于数字化处理，无需硬件电路，精度可达亚像元级。采用Matlab软件，对3种算法在不同噪声情况下的光斑定位进行仿真实验，结果见表3。

图3 CCD信号采集电路原理Fig.3 Schematic diagram of the signal acquisition circuit

表3 仿真实验结果（质心位置55）Table 3 Results of simulation experiment (center site is 55 )

由表3可见：最大值法和二值化法受噪声影响较大，像点定位精度较低，通常精度要高于一个像素；而重心法在不同噪声强度下，均能达到亚像素级的定位精度（误差在一个像素范围内）。为提高倾斜仪的测量精度，选择重心算法替代二值化法进行定位计算。由于CCD的1帧数据量较大，为加快计算速度，对传统重心法进行修改，算法公式如下

其中，i为像点位置，xi为像元在i位置的电压值，为背景值，i0为所求像点位置。算法将CCD输出信号的中间值作为阈值，根据阈值和背景值（像元平均亮度），找出信号的“有效边界”，并在此范围内计算重心位置。由于反射至CCD靶面上的光缝宽度约1 mm，占像元数约1 mm/4.7 μm=212个（近似于“有效边界”所含像元数），所以此算法处理的像元信息量不大，软件计算速率高。光缝在本时刻的相对位移值采用前后2次计算结果的差值乘以4.7 μm即可得出。

3.2 秒级数据采样

行业标准《地震地壳形变观测方法≈地倾斜观测》（DB/T 45—2012 ）要求：地倾斜观测仪器需要实现秒级数据采集处理。在此采用高性能低功耗、工作频率达100 MHz的微控制器LPC1768作为CCD测量系统的主控制器（替换原有的C51单片机），通过程序结构的优化和高速电路的设计，实现北南/东西向数据采集每秒各1次的功能，将倾斜仪采样速率从分钟值升级为秒值，满足行业标准要求。图4所示为通过远程监测软件得到的倾斜仪24小时内EW向数据采集结果（观测地点为河北怀来观测台站试验洞室，观测时间为2015年5月19日），数据曲线中的振荡波形由远震和刮风所致。

图4 东西向数据采集结果Fig.4 Result of EW data acquisition

4 结束语

通过硬件升级和软件优化，提高SQ-70D倾斜仪观测性能，具体表现在：①仪器的测量分辨力从像素级提高到亚像素级；②实现行业标准要求的秒级数采；③动态测量范围显著提高（从1″扩大为14″），工作周期降低（从大于30 s降为大于10 s），从而扩大仪器的适用范围，避免人工干预等活动，间接保证仪器观测的连续性。升级后的SQ-70D倾斜仪在地震前兆台站进行长期监测试验，数据采集及仪器运行效果良好。仪器升级只需更换电路板，操作简单，易于开展后续推广工作。

方燕勋.不同采样率数字石英水平摆记录资料对比[J].地震地磁观测与研究，2012，33（3/4）：291-293.

韩和平，任佳，康有明，等.阳原台石英水平摆倾斜仪数字化改造[J].地震地磁观测与研究，2005，26（4）：98-102.

华园园，姚大志，韦伟，等.高速A/D在多口CCD相机中的应用[J].光电子技术，2011，31（3）：202-206.

江育民，黄惟公，杨益.基于提高线阵CCD测量系统测量精度的研究[J].电子测量技术，2010，33（6）：98-101.

王和顺，陈次昌，黄惟公.提高CCD测量精度的方法研究[J].光电子≈激光，2010，21（1）：63-65.

杨博雄.CCD细分技术及其应用研究[D].中国地震局地球物理研究所，2005.

张智辉，田地，杨义先.线阵CCD驱动电路设计的几种方法[J].仪表技术与传感器，2004，（6）：32-34.

Zhan Weiwei, Lu Hanyan, Cai Li, et al.Design of CCD driver for quartz horizontal pendulum tiltmeter based on CPLD[C].Proceedings of the Ninth ISPEMI, USA:SPIE, 2015:944605-944605-6.

Research on the methods of improving observation performance for quartz horizontal pendulum tiltmeter

Wang Xiu，Lu Haiyan，Cai Li and Zhan Weiwei
(China Earthquake Disaster Prevention Center,Beijing100029,China)

In order to improve the observation performance of SQ-70D quartz horizontal pendulum tiltmeter, the main factors affecting the performance of tiltmeter is studied, and the upgrading methods from hardware and software are proposed in this paper.The measurement accuracy of the upgraded tiltmeter can reach sub-pixel level, and the dynamic range can be up to 14″, which signifcantly expands the application of this instrument.Meanwhile, the tiltmeter can achieve the second-level data acquisition to meet the requirements of industry standards.The upgrading of SQ-70D tiltmeter is easy to be realized and popularized.

quartz horizontal pendulum tiltmeter，CCD measuring system，measurement accuracy，subdivision algorithm，signal acquisition

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.022

王秀(1987—)，女，辽宁大连人，助理研究员，主要从事地震观测仪器计量检定技术和方法的研究工作

地震科技星火计划项目（项目编号：15408013406）；中国地震灾害防御中心主任基金项目（项目编号：2220045053）

本文收到日期：2015-09-06