并行高速采样在地震物理模拟采集中的应用

胡 涛，狄帮让，魏建新

(中国石油大学(北京) 地球物理与信息学院，北京 102200)

并行高速采样在地震物理模拟采集中的应用

胡 涛，狄帮让，魏建新

(中国石油大学(北京) 地球物理与信息学院，北京 102200)

为了解决地震物理模拟采集中采样率和分辨率的瓶颈问题，引用并行高速采样方案，在保证高采样率的同时，提高采样分辨率。利用两块NI PXI5922高速采集卡、一台超声发射仪、一对超声换能器和前置放大器，完成了并行高速采样在地震物理模拟采集的应用设计。

并行采集；高速采集卡；地震物理模拟

0 引言

随着数字信号处理器的飞速发展，ADC的测量精度、采集速度成为现代信号处理的瓶颈[1]。在给定的工艺下，ADC工作的最大采样速度受限于它的分辨率[2]。地震物理模拟是用超声换能器和超声发射仪模拟野外检波器和震源。由于实验室条件下地震物理模拟信号较弱，并且动态范围较大，因此必须是高分辨采集；同时，地震物理模拟采集的信号是频率在0.1 MHz～1.0 MHz的超声信号，为了保证信号不失真，又要求采集卡具有高采样率[3-4]。对该频率范围内的信号进行高分辨率和过采样采集，单通道高速NI PXI5922采集卡无法满足。基于现实需要，在现有采集设备基础上，使用两块PXI5922采集卡对同一信号进行并行采样，这样既保证高采样率，又保证了高分辨率[5]。通过并行采集来解决采样率和分辨率的矛盾关系。

1 系统总体设计

整个系统的核心是两块PXI5922高速AD采集卡对同一地震物理模拟信号并行采集。由于应用环境是地震物理模拟采集，因此涉及激发源与采集卡的工作同步[6]以及数据的存储、处理和显示。

1.1 硬件的基本组成

硬件系统主要由同步触发器、超声激发源、换能器、信号放大器、NI采集设备和PC组成，系统结构框图如图1所示。

图1 并行高速采集系统结构图

从图1可以看出，激发源和PXI5922采集是由同步触发器控制的，同步开启工作；接收换能器接收到地震物理模拟信号，经放大器放大整形后，同时送到两块独立的PXI5922采集卡，实现对同一信号的并行采集；最后通过NI的PCI-E高速数据传输接口卡，将数据快速传输到PC主机，便于后续数据的储存、处理和显示。

1.2 软件设计

图2 并行采集概念框图

软件设计是系统功能实现的关键。通过对NI采集卡的编程设置，实现两块PXI5922采集卡采样时钟有相对1/2采样周期延时，达到交织采集、采样率加倍的效果。如图2所示，采集卡1与采集卡2的采集时钟相位差180°，反映在模拟信号采集上，两块采集卡抽样的位置刚好互相交织[7]。

1.2.1 采集卡并行采集软件设计

对PXI5922采集卡进行应用编程前，必须先了解采集卡的性能。该型号NI采集卡采样率和分辨率是灵活可配置的，设置的采样率越高，对应的分辨率位数相对就越低[8]，详细对应关系如表1所示。

表1 NI 5922采集卡采样率与分辨率对应关系

在普通采集条件下，所有AD采集卡的初始化配置的内容基本是一致的，依次是检查硬件设备获取控制句柄、配置采集通道属性(输入最大幅值、阻抗、最大输入频率等)、配置采集的X、Y轴参数(采样率、采样点数等)、设置触发方式(边沿触发)、开启采集等待、获取数据、关闭采集。

并行采集对采集卡的软件设置比普通设置多了3个步骤，在设置完触发方式后，首先，需要将两块采集卡配置成相同触发条件(Homogeneous Triggers)，这时两块采集卡共用一个外部触发信号，确保触发采集时刻的完全同时；然后，将两块采集卡配置成同步时钟(Sychronize)，该时钟是用来进行AD转换的系统工作时钟；最后，将其中一块采集的采样时钟延时半个采样周期，对应API函数是niScope_AdjustSampleClockRelativeDelay(sessions[1],1/(2×fs))，session对应的是采集卡，fs是采样率。接下来与普通采集一致，开启采集等待、获取数据、关闭采集。

1.2.2 并行采集数据的组合

在地震物理模拟信号采集中，每激发一次，采集卡会连续采集2 048点～4 096点采样深度，对应的是10 MS/s采样率，18 bit分辨率。在两个采集卡并行采集方式下，只需将两块采集卡设置成5 MS/s采样率，每块卡采集1 024点～2 048点，然后将采集的数据组合起来，相当于依然是10 MS/s采样率，同时分辨率提升为20 bit。完成数据组合的程序步骤如下：

(1)通过采集卡的数据获取函数，获得采集卡1的采集输出数组；

(2)通过采集卡的数据获取函数，获取采集卡2 的采集输出数组(采集卡2的数据是进行半个采样周期延时采集的)；

(3)将采集卡1和采集卡2 的采集输出数组合并为一个大数组，数据交替放置(即采集卡2的数据放置在大数组的偶数位，采集卡1的数据放置在奇数位)。

经过合并后的数组是并行采集中一次地震物理模拟信号采集的最终数据格式，后续的数据存储、处理和显示，都是对合并后的数组的数据进行操作。

2 试验结果

经过软硬件的综合调试，实现对同一地震物理模拟信号并行采集。图3是一次激发所采集的地震物理模拟信号的波形图，该图是由连续采集的2 048点组成的，是基于VC++编写的显示控件。图4是将并行采集的2 048点数据在MATLAB中显示，图5是局部放大观察并行交织采集的数据质量和效果。

图3 一次激发采集的地震物理模拟信号波形

图4 并行采集数据组合后MATLAB散点显示

图5 并行采集局部采样点放大显示

3 结论

本文采用两块NI PXI5922采集卡完成了对地震物理模拟信号并行采集的功能。之前单卡采集是10 MS/s的采样率，18 bit分辨率；现在用双卡并行采集，每块卡只需设置为5 MS/s的采样率，20 bit分辨率，将两块采集卡的数据合并之后依然可以达到原先的采样率，同时提高了分辨率。并行交织采集有助于化解地震物理模拟采集对高采样率和高分辨率要求的矛盾，提高原始数据采集的质量。

[1] 崔艳召,何欣,杜以强，等.多路高精度模拟量采集电路的软硬件设计与实现[J].微型机与应用,2014,33(21):82-84.

[2] 李玉生.超高速并行采集模拟/数字转换的研究[D].北京：中国科学技术大学，2007.

[3] 狄帮让，魏建新. VXI 总线产品在地震物理模拟多通道采集系统中的应用研究[J].计算机自动测量与控制，2001，9(2)：7-8.

[4] 马国庆，王辉明，李守才.地震物理模拟数据采集方法[C].中国地球物理2009，2009：503.

[5] 王银玲，李华聪. 基于FPGA 的多通道并行高速采样研究[J].微型机与应用，2015,34(9)：37-39.

[6] 严正国,黎伟,马龙，等.一种分布式无线同步数据采集系统设计[J].电子技术应用,2014,40(10):49-52,56.

[7] 杨辰. 多片ADC并行采集系统关键技术的研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[8] NI.NI PXI-5922 24位可变分辨率数字化仪[EB/OL].[2015-10-29].http://www-ni-com/pdf/manuals/374049f.pdf.

Parallel high-speed sampling in the application of the geophysical modeling acquisition

(Hu Tao, Di Bangrang, Wei Jianxin)

(College of Geophysics and Information Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102200, China)

In order to solve the bottleneck problems in geophysical modeling acquisition—sampling rate and resolution, this paper uses parallel high-speed sampling scheme to ensure high sampling rate and improve the sampling resolution. It uses two pieces high-speed data acquisition card NI PXI5922, an ultrasonic transmitting apparatus, a pair of ultrasonic transducer and a preamplifier to complete the parallel high-speed sampling in the application of geophysical modeling acquisition design.

parallel acquisition； high-speed data acquisition card； geophysical modeling

TP274.2

A

1674-7720(2016)04-0101-03

胡涛，狄帮让，魏建新．并行高速采样在地震物理模拟采集中的应用[J] .微型机与应用，2016，35(4)：101-103.

2015-10-29)

胡涛(1990-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：伺服运动控制和嵌入式应用开发。E-mail:hutaohr@163.com。

狄帮让(1961-)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：地震采集、地球物理仪器。

魏建新(1958-)，男，博士，研究员，博士生导师，主要研究方向：地震物理模拟，岩石物理学。