电力载波通信和频带拓展的分布式地震勘察系统设计

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地震勘探技术能够有助于获得地下岩层的基本特征与具体形态,在矿井、石油和天然气勘察等实际工程领域中有着极其广泛的应用。目前国内外的分布式地震勘察系统在数据传输体系方面常用的是有线传输或混合传输,这两种传输方式都需要数据传输电缆。但是数据传输电缆不能输送电能,因此只能额外铺设电能传输线或每个采集节点安装锂电池,导致出现线缆过重、成本增加且锂电池需经常充电等问题。针对这些问题,本文创新地提出了基于电力载波通信和频带拓展的分布式地震勘察系统设计方案。电力线载波通信技术可以把信号耦合到电力线上进行传输,电力线在源源不断地输送电力时也在传递信号,由此不必进行额外布线;同时,所有采集节点可通过相应的电源电路从电力线上直接获得系统所需供电电压,从而实现采集节点的无电池式供电。论文围绕基于电力载波通信和频带拓展的分布式地震勘察系统的实现开展研究工作,涵盖数字检波器、电力载波单元、电源电路和人机交互软件的设计与实现。其中关键的技术难点和解决方案如下:(1)针对数字检波器中电磁感应式模拟检波器对低频段地震信号响应较弱的问题,提出了基于模拟零极点补偿法的频带拓展设计思路,并采用TINA构建仿真模型进行测试分析和验证;(2)针对数字检波器中基于STM32控制的模数转换电路及以太网传输的软件设计,通过加入多任务Free RTOS实时操作系统和采用高效的UDP协议,实现数据信息存储和上传的并行执行及高速传输;(3)针对电力线上数据传输的可靠性问题,通过在电力载波单元中加入通信可靠性保障机制,确保基于32位高性能载波芯片能够实现地震数据在复杂电力线信道中的可靠传输;(4)为全面实现系统的无电池式工作并满足不同供电电压需求,采用输出电压可调、输出电流大且转换效量高的电源芯片,完成电源电路的硬件设计与实现。(5)设计了智能人机交互式界面,实现采集节点连接状态的检测和AD参数的快捷设置、地震数据的智能采集和快速存储等。最后,对设计并实现的分布式地震勘察系统进行了基本功能和系统整体测试,相关测试结果显示:频带拓展电路能将模拟检波器的自然频率从60Hz延伸至10Hz;系统可完成对地震数据的实时同步采集,并且能够实现电力线在高速可靠传输地震数据的同时也为系统输送电能。
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