DSP细分技术在光栅检波器中的应用
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摘要
地震检波器是一种将机械振动转换为电信号的机电转换装置，是应用于地球物理勘探及工程测量领域的专用传感器，是为了接收和记录地震波而专门设计的一种精密的机械、电子组合装置，它性能的好坏直接影响地震记录质量和地震资料的解释工作，它是地震勘探数据采集中最重要的一个环节。
本文主要介绍了一种莫尔条纹信号电子学细分方法及其装置在高精度高分辨率光栅地震检波器中的应用。该装置根据细分原理，采用数字信号处理器DSP，并与滤波电路、辨向电路、鉴零电路，A／D转换器等外部电路相结合，实现了莫尔条纹信号200倍频的快速细分。该装置具有以下优点：
1、通过差动放大器和滤波电路改善了莫尔条纹原始信号的质量，降低了高次谐波的干扰，采用高速比较器改善了方波质量。
2、采用高速12位A／D转换器提高了模拟数字量的转换精度，该A／D转换器内含八路同步采样／保持电路，减少了系统元器件的数量并提高了系统的稳定性和可靠性，它所能辨别的输入模拟电压的最小变化量为2.441mV。
3、采用数字信号处理器DSP完成软件细分，数据处理时间小于12μS，仅为PIC单片机同样的细分程序处理时间的1／10，有效地缩短了数据处理时间，提高了系统的响应频率。
4、软件细分采用幅值相位法，可以消除振幅波动对细分精度的影响，软件实现了200细分，提高了光栅地震检波器的分辨力，使100线的光栅分辨力可达50nm。
5、系统可以灵活扩展细分数，在满足系统响应频率前提下，细分数可以进一步提升，12位A／D转换器理论细分值最高可达2048倍。
6、该系统采用软件查值和硬件辨向相结合的方式查找光栅运动副换向关键点的A／D值，与传统的细分辨向电路有很大不同，是本论文的一个创新之处。
通过软、硬件技术的有机结合，将细分技术应用于光栅地震检波器中，将会带来广泛的发展前景。
Geophone is the special sensor that could convert signal of mechanical vibration into signal of electricity and could be used in seism prospecting or measure of project-field. It is also a special precision machining combined with electric instrument. Its capability directly affects recording quality of seismic wave and explaining of seismic data. It is the most important part during collecting seismic wave data.
This paper mainly introduces a kind of means about subdivision of grating moire fringe and its device used on grating geophone system. Based on principle of subdivision, this device could realize 200 part-subdivision depended on common effects of differential amplifier, filer, comparator, trigger, analog-to-digital converter and DSP. This device has six main advantages described as follows:
1. Differential amplifier circuit and filer circuit improve the quality of original moire fringe and ultra-fast comparators improve the quality of pulse.
2. The set adapts the high speed 12 bits A/D. It has eight - channel track/hold circuits. So the parts of the apparatus are reduced and the system stability is improved. The least variety which analog-to-digital converter could distinguish is 2.441mV.
3. The DSP completes software-subdivision of grating moire fringe, the data process time is less 12 y S and responding-frequency of the system is improved.
4. The resolution of grating geophone reach to 50nm and its performance is enhanced highly. 200 part-subdivision is carried out by software. The capability of grating geophone is improved.
5. The number of subdivision could be changed flexibly. The maximal number of subdivision could reach to 2048.
6. The system acquires A/D value of shift- point by means of combined effect of software and hardware, which is innovational compared with traditional discriminating-direction circuitry.
Combined hardware and software, the application of subdivision to grating geophone, will be developed toward the nice prospect.
本文主要介绍了一种莫尔条纹信号电子学细分方法及其装置在高精度高分辨率光栅地震检波器中的应用。该装置根据细分原理，采用数字信号处理器DSP，并与滤波电路、辨向电路、鉴零电路，A／D转换器等外部电路相结合，实现了莫尔条纹信号200倍频的快速细分。该装置具有以下优点：
1、通过差动放大器和滤波电路改善了莫尔条纹原始信号的质量，降低了高次谐波的干扰，采用高速比较器改善了方波质量。
2、采用高速12位A／D转换器提高了模拟数字量的转换精度，该A／D转换器内含八路同步采样／保持电路，减少了系统元器件的数量并提高了系统的稳定性和可靠性，它所能辨别的输入模拟电压的最小变化量为2.441mV。
3、采用数字信号处理器DSP完成软件细分，数据处理时间小于12μS，仅为PIC单片机同样的细分程序处理时间的1／10，有效地缩短了数据处理时间，提高了系统的响应频率。
4、软件细分采用幅值相位法，可以消除振幅波动对细分精度的影响，软件实现了200细分，提高了光栅地震检波器的分辨力，使100线的光栅分辨力可达50nm。
5、系统可以灵活扩展细分数，在满足系统响应频率前提下，细分数可以进一步提升，12位A／D转换器理论细分值最高可达2048倍。
6、该系统采用软件查值和硬件辨向相结合的方式查找光栅运动副换向关键点的A／D值，与传统的细分辨向电路有很大不同，是本论文的一个创新之处。
通过软、硬件技术的有机结合，将细分技术应用于光栅地震检波器中，将会带来广泛的发展前景。
Geophone is the special sensor that could convert signal of mechanical vibration into signal of electricity and could be used in seism prospecting or measure of project-field. It is also a special precision machining combined with electric instrument. Its capability directly affects recording quality of seismic wave and explaining of seismic data. It is the most important part during collecting seismic wave data.
This paper mainly introduces a kind of means about subdivision of grating moire fringe and its device used on grating geophone system. Based on principle of subdivision, this device could realize 200 part-subdivision depended on common effects of differential amplifier, filer, comparator, trigger, analog-to-digital converter and DSP. This device has six main advantages described as follows:
1. Differential amplifier circuit and filer circuit improve the quality of original moire fringe and ultra-fast comparators improve the quality of pulse.
2. The set adapts the high speed 12 bits A/D. It has eight - channel track/hold circuits. So the parts of the apparatus are reduced and the system stability is improved. The least variety which analog-to-digital converter could distinguish is 2.441mV.
3. The DSP completes software-subdivision of grating moire fringe, the data process time is less 12 y S and responding-frequency of the system is improved.
4. The resolution of grating geophone reach to 50nm and its performance is enhanced highly. 200 part-subdivision is carried out by software. The capability of grating geophone is improved.
5. The number of subdivision could be changed flexibly. The maximal number of subdivision could reach to 2048.
6. The system acquires A/D value of shift- point by means of combined effect of software and hardware, which is innovational compared with traditional discriminating-direction circuitry.
Combined hardware and software, the application of subdivision to grating geophone, will be developed toward the nice prospect.
引文
[1] 李学峰．数据采集单元在地震勘探仪器中的应用研究．天津大学硕士学位论文，2000．12：1-30
[2] 付清镇，周明．地震检波器的进展．石油仪器，2000，14(2)：25-27
[3] 雷勇．检波器参数辨识方法与测试系统设计．西北工业大学硕士学位论文，2000．3：1-30
[4] 孙传友，番正良．地震勘探仪器原理．山东：石油大学出版社，1996．12
[5] 刘振富．顺变柱体型全光纤加速度地震检波器的研究．天津大学硕士学位论文，2002．1
[6] 梁磊，周雪芳．新型光纤Bragg光栅地震检波器的研究．承德高等专科学校学报，2003，1(5)：4-7
[7] 卢国纲．现代光栅测量技术．WMEM，2002．10(5)：10-14
[8] 王凤丽．莫尔条纹高插补系数快速细分方法的研究，中国科学院研究生院硕士学位研究生学位论文，2002(3)
[9] 苏绍琨．大量程纳米级光栅位移测量理论及关键技术研究，国防科学技术大学工学博士学位论文，2001(10)
[10] 马品仲．几何量与光栅技术进展．上海计量测试，1994，22(2)：22-23
[11] 曹广华，高分辨率地震勘探数据采集系统采集站技术研究，大庆石油学院硕士学位论文，2001(6)
[12] 李淑清，南忠良，门长峰，李建良，付连昆，陶知非．光栅莫尔条纹技术在地震波检测中应用的理论分析，电子测量与仪器学报2002年增刊
[13] 高华，李淑清，南忠良，陶知非，蒋诚志．光栅地震检波器的研究，航空精密制造技术，2003，(2)：40-42
[14] 李谋等主编．位置检测与数显技术，机械工业出版社，1993年
[15] 张善钟等主编．计量光栅技术，机械工业出版社，1992年
[16] 鲍国华．光栅传感器检测电路的设计．仪表技术，1997，(4)：43-44
[17] 纪刚，叶军．光栅传感器的设计要点分析，仪表技术与传感器，1995，(4)：11-14
[18] 纪刚光栅传感器信号特性分析，计量技术，1992，(7)：1-3
[19] 吴新民．光干涉测试中的抗振技术研究，南京理工大学电子工程与光电技术学院博士学位论文，2001年12月
[20] 陈白宁，王生力．光栅传感器测量系统前通道配置与接口设计，沈阳工业学院学报，1997，(3)：23-28
[21] 鲍国华．光栅传感器检测电路的设计．仪表技术，1997，(4)：43-44
[22] MAXIM．MAXIM产品资料全集光盘．北京：美信集成产品公司北京办事
处．2002
[23] 程丽君．主动抗振干涉控求中瞬态相位检测的研究，南京理工大学硕士学位论文 2001，12：23-28
[24] 李怀琼．一种新的计量光栅辩向技术，西北光电，1999，(3)：14-17
[25] 王祖文．单片机高倍数光栅细分．光学工程，1989，(5)：51-59
[26] 沈兰苏．高速数据采集系统原理及其应用．北京：人民邮电出版社，1995：76-79
[27] 王跃琼，高速莫尔条纹信号单片机细分的一种方法，光学精密工程，1997，(2)：112．118
[28] 孙贤颐，安维蓉，王志晓，任红忠．提高光栅测距精度的四倍频判向电路，北方交通大学学报，1996，(12)：751．754
[29] 陈毛安．基干虚拟仪器的智能高度测试系统，南京理工大学硕士学位论文，2002，(3)
[30] 高振东，邱丹，王珏．通用单片微机光栅测控电路，测控技术，1999，(11)：50-52
[31] 唐卫红，李汉军．利用MAX155实现高速数据采集，仪表技术，2000，(5)：36-37
[32] 戴明桢，周建江．TMS320c54xDSP原理及应用．北京：北京航空航天出版社 2002年
[33] 郑红，吴冠．TMS320c54xDSP应用系统设计．北京：北京航空航天出版社 2002年 TMS320C54x DSP optimizing C Complier User's Guide, Texas Instruments,1999
[34] TMS320C54x DSP CPU and Peripherals Reference Set, Texas Instruments,2000
[35] TMS320C54x DSP Mnenmonic Instruction Set Reference Set, Texas Instruments, 2000
[36] TMS320C54x DSP Algebraic Instruction Set Reference Set, Texas Instrumems, 2000
[37] TMS320C54x DSP Application Guide Set Reference Set, Texas Instruments, 2000
[38] TMS320C54x DSP Enhanced Peripherals Set Reference Set, Texas Instruments, 2000
[39] 王跃琼，高速莫尔条纹信号单片机细分的一种方法，光学精密工程，1997，(2)：112-118
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1991，14：21 44—48
[42] 吕海宝，曹聚亮，苏绍景莫尔条纹软件计数法，光学技术，2000，(11)：543-545
[43] 朱彦芳，实现计量光栅高细分的比率幅值法，航空精密制造技术，1995，(4)：29-32
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[45] 刘义菊，沈维聪．一种多路信号幅值测量系统，电子产品世界，2001，(11)：44-46
[46] 付小宁．地震检波器参数测试的现状及动向，计量，2000，(3)：30-31
[47] 彭北华，永秀．工业控制领域瞬态过程数据采集系统的研究，铁路计算机应用，1997，(3)：14-16
[48] 李玉玲，杨凌霄．一种多通道大容量同步采集与处理系统，郑州纺织工学院学报，1998，(6)：61-63
[49] 刘和平，周小军．AD7874—四通道十二位同步数据采集器，电子产品世界，1999，(10)：35-49
[50] 李俭川，王小伟，许君．单片机在多通道同步数据采集系统中的应用，微型机与应用，2000，(1)：19-21
[51] 宋华军．DSP在高精度数据采集仪中的应用，长春理工大学硕士学位论文，2002年2月
[52] 王文．精密相干检测的瞬时数据采集系统研究，中南大学硕土学位论文，
[53] 伍良生．振动信号的测试与分析及其软件系统的开发，北京工业大学硕士学位论文，2002年6月
[54] 刘庆华，周德新．两路无相差信号的获取TMS320C32DSP与两片TLC32044CNA／D、D／A转换器接口的设计，集成电路应用，2001，(10)：63-66
[55] 潘焕成，赵卫东．电力运行参数监控系统中的新型模拟前端技术，仪表技术，2001，(6)：24-26
[56] 唐卫红，李汉军．利用MAX155实现高速数据采集，仪表技术，2000，(5)：36-37
[57] Pepe Davis and Jeff Bush, Non-contact fiber optic vibrometer, Part of the SPIE Conference on Fiber Optic Technology and Applications, Boston, Massachusetts,Sep, 1999, SPIE Vol. 3860, 390～399.
[58] Jinsong Leng, A. K. Asundi, et al. Vibration measurement of smart composite structures by using the new intensity modulated optical fiber sensor, SPIE Vol3541, 110～115.
[59] Nobuaki Takahashi, Kazuto Yoshimura, et al. Vibration sensing with fiber Bragg grating, SPIE Vol. 4513, 1～6.
[60] ZHANG Yi, DENG Zhibeng, et al. Experimental Study of Vibration
Measurement Based on Laser Frequency Splitting Principle, SPIE Vol. 3558,118～124.
[61] MIAO Hong, WU Xiaoping, Active Trigonometry and its Application to Thickness Measurement on Reflective Surface, SPIE Vol. 3558, 155～160.
[62] R. Daniel Costley, Vincent Valeau, and Ning Xiang, Continuous scanning laser Doppler vibrometer for mine detection, SPIE Vol. 4038, 711～718.
[63] Qian Liu, Ryoji Ohba. A simple real-time method for checking parallelism between the two gratings in Talbot interferometry, Optics Communications 1752000 19-26
[64] Angelika Taubner, Hans-Jurgen yon Martens. Measurement of angular accelerations, angular velocities and rotation angles by grating interferometry Measurement 24(1998) 21-32
[65] Chandra Shakher, Shashi Prakash. Monitoring/measurement of out-of-plane vibrations using shearing interferometry and interferometric grating, Optics and Lasers in Engineering, 38(2002) 269-277
[66] Roberto Torroba~a, A. A. Tagliaferri~b. Precision small angle measurements with a digital moire technique, Optics Communications 149 1998 213-216
[67] 郁道银，谈恒英主编．工程光学，机械工业出版社，2000年
[68] 程丽君．主动抗振干涉控求中瞬态相位检测的研究，南京理工大学硕士学位论文 2001，12：23-28
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[67] 郁道银，谈恒英主编．工程光学，机械工业出版社，2000年
[68] 程丽君．主动抗振干涉控求中瞬态相位检测的研究，南京理工大学硕士学位论文 2001，12：23-28