基于FPGA可配置的地震数据采集滤波系统设计

论文摘要

随着近代电子技术的发展,地球物理勘探技术在不断进步,作为最重要的地球物理勘探方法—地震勘探也在飞速的发展,无论是数据采集技术、仪器的升级改造方面,都得到了很大程度的提升。野外地震数据采集是地震勘探最重要的过程,它包括对地震信号的采集、地震信号的放大和滤波处理、信号的预存储,能否在数据采集过程中消除干扰,高精度地采集到所需要的有效信号,是后期数据的正确处理和解译的关键。如何高效地将当今先进的电子技术和地震勘探技术结合,滤除干扰信号,获得高分辨率的有效信号,其意义重大,也是地震勘探研究的重点之一。本文研究并分析了地震勘探系统的发展现状和趋势,针对地震数据的高精度采集和实时滤波处理过程,提出了以下面三个方向为具体研究内容的地震数据采集滤波系统的设计方案。（1）基于FPGA可配置参数的滤波系统研究。结合不同条件下地震波数据实际采集情况的不同,研究基于FPGA可配置参数的滤波系统,包括:低通滤波器、高通滤波器和陷波器,根据采集频谱的控制,设置不同截止频率以滤除对应的噪声,保证在传输过程中数据的高速有效,同时提高了信号的信噪比,增加了信号的抗干扰性。基于FPGA的系统研究,其单芯片可容纳晶体管的规模越来越大,减少地震勘探系统的硬件设计成本;其可反复编程、擦写的特点,能够适应现在电子技术的更新速度;其应用功能的越来越强大,能够较大幅度地提高整个地震勘探系统的性能;（2）基于地震数据的前端预处理电路的设计。基于PGA205的两级可编程放大电路,能够满足对微弱地震信号的高精度放大;基于AD8138的单端转差分电路,差分信号传输以提高信号传输的抗干扰性和驱动能力;基于LM4562的耦合及隔离电路,增强整个电路总线运作的稳定性;基于ADS1255的Δ-Σ过采样技术24位高精度A/D转换电路,满足地震信号动态范围高的测量要求;基于ISL84052的多路复用电路,减少多道数据采集的硬件成本;基于STM32F103ZET6的主控电路,满足系统低功耗、多资源的要求;（3）实现滤波器的程序设计。基于FPGA的滤波器程序设计,采用自底向上的设计思路,利用硬件描述语言（VHDL语言）设计滤波器相关功能模块。本文所取得的创新与成果有:（1）设计地震数据预处理系统电路,实现了地震数据的放大、隔离和抗干扰,各功能电路的转换精度较高,同时减少了多级电路对高精度地震数据采集的干扰:差分转换驱动电路进行差分转换的误差在1%以内,PGA205在放大微弱信号（100mV）的最大相对误差仅为1.11%,搭建的基于Δ-Σ过采样技术24位高精度A/D转换模块,实际分辨率能够达到19位上下;（2）运用VHDL语言设计了滤波器相关功能模块,采用自底向上的设计思路,通过控制模块分时调用功能模块（输入模块、分频模块、查找表模块、累加模块）实现滤波器算法;（3）实现滤波系统的多参数可配置,通过外部接口控制,配置出不同参数的滤波器以滤除对应的噪声;（4）完成滤波器的软件级仿真,实现了滤波效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 本课题研究背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究思路（内容）
• 1.4 研究成果
• 1.5 论文结构
• 第2章 地震勘探概述
• 2.1 地震波的类型
• 2.2 地震勘探中影响因素
• 2.3 小结
• 第3章 采集系统总体方案设计
• 3.1 系统设计目标
• 3.2 前端预处理功能模块
• 3.2.1 可编程放大电路
• 3.2.2 耦合及抗混叠滤波模块（隔离）
• 3.2.3 差分转换驱动模块
• 3.2.4 多路复用模块
• 3.2.5 A/D 转换模块
• 3.3 滤波系统模块设计方案
• 3.4 主控电路
• 3.5 小结
• 第4章 数字滤波系统设计实现
• 4.1 FPGA 设计基础
• 4.1.1 可编程逻辑器件发展历程
• 4.1.2 FPGA 的基本结构
• 4.1.3 FPGA 设计流程
• 4.1.4 硬件描述语言
• 4.1.5 开发工具QUARTUS II
• 4.2 FIR 数字滤波系统
• 4.2.1 FIR 滤波器的结构
• 4.2.2 FIR 滤波系统设计
• 4.3 滤波系统实现
• 4.3.1 基于MATLAB 的滤波器系数
• 4.3.2 分布式算法
• 4.3.3 对称系数法
• 4.3.4 应用实例
• 4.4 小结
• 第5章 地震数据采集及滤波系统性能测试
• 5.1 采集系统测试
• 5.1.1 PGA205 性能测试
• 5.1.2 AD8138 性能测试
• 5.1.3 ADS1255 分辨率测试
• 5.2 滤波系统
• 5.2.1 可配置滤波系统
• 5.2.2 低通滤波器测试
• 5.3 小结
• 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果
• 附录