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摘 要：针对传统超前预报方法存在占用掌子面、探测距离有限等不足，设计一种基于隧道地震超前预报方法的探测系统。该系统通过人工震源和三分量传感器阵列、高准确度24位数模转换器来实现地震反射信号的高准确度采集；通过基于VB的上位机控制程序以实现人机交互和系统控制。现场测试结果表明，该系统的探测结果与实际钻探结果基本一致，验证该系统具有探测距离远、分辨率高、不占用掌子面等突出特点，可在公路和铁路隧道等隐蔽工程建设中应用。
关键词：隧道；超前预报；地震反射信号；数据采集
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）05-0084-05
Abstract： To overcome the shortages of traditional tunnel prediction methods， a new detection system based on tunnel seismic prediction was designed accordingly. The design principle of the system is to realize high-resolution acquisition of seismic reflective signals with artificial seismic sources， three-component seismic sensors and a high-precision 24-bit analog-to-digital converter. Moreover， human-computer interaction and system control were realized through VB-based PC control procedure. The results of filed test show that the detection results are basically consistent with the actual drilling results， a proof for the characteristics of the system such as long detection distance， high-precision and not occupying the working face. So it can be applied in concealed works of highway tunnels， railway tunnels and other infrastructures.
Keywords： tunnel； prediction； seismic reflected signal； data acquisition
0 引 言
随着我国基础工程建设的飞速发展，越来越多的高速公路和铁路建设在地质条件复杂的边远山区开展，使得隧道施工在整个工程建设中所占的比重越来越大[1]。隧道作为隐蔽工程，在施工过程中，由于前方的地质情况不明，经常会遭遇破碎带、溶洞和暗河等不良地质体诱发的突水、塌方等地质灾害，这不仅会滞后施工进度，也可能导致严重的人员伤亡和财产损失。因此，在隧道施工期间，非常有必要对掌子面前方的地质情况进行超前预报。
20世纪70年代，美国提出利用地球物理方法进行隧道地质超前预报，包括电法和地震反射法。对于电法，通常需要占用掌子面，且探测距离一般不会超过50 m。地震反射类方法是目前的主流方法，有美国NSA公司提出的反射地震层析成像方法、中国的曾昭璜提出的隧道反射成像法、瑞士Amberg公司提出的隧道地震预报法等；其中，前面两种方法虽然定位精度较高，但需要占用掌子面，而隧道地震预报则不需要占用掌子面，对大型不良地质体有较好的探测效果，是我国目前应用最广泛的方法[2-4]。
在隧道中进行地质超前预报探测时，考虑到安全问题，人工震源通常采用低能量的爆破微震源，因此传感器接收到的信号非常微弱，通常要求探测系统具备μV级信号采集能力。此外，要实现高分辨探测，通常要求进行多通道的探测。对此，本文设计了一种高精度、多通道的隧道地震超前预报系统，对隧道地质超前预报技术具有一定的推动意义。
1 系统方案
隧道地震预报法是利用地震反射波原理，在隧道隧洞洞壁布置一排人工震源，经爆破激发地震波，在传播过程中遇到波阻抗界面产生反射波，通过三分量传感器接收反射波可以实现掌子面前方地质异常的探测。根据其探测原理，系统方案设计如图1所示，主要由三分量地震波传感器、数据采集站、PC上位机3部分组成。
在探测过程中，一般在掌子面后方的隧道侧壁上钻取一排炮孔，每个炮孔深度1 m，间距1～1.5 m，微震炸药被布置在炮孔的底部。多个三分量地震波传感器则被分别安装在震源后方的侧壁上，传感器与炮孔间的相对几何关系可以通过事前测量获取，并导入到PC机中；三分量地震波传感器接收的地震波数据分别通过信号电缆传入数据采集站进行高准确度数据转换，采集通道之间利用触发器进行同步；PC机实现整个预报系统的控制和数据预处理。
2 硬件设计
2.1 三分量地震波传感器
在传统的地震勘探中，多采用单分量的地震检波器，这种传感器难以对地震波多个分量上的信息进行分析，因此获取的目标信息有限。为此，本文采用了宽频三分量地震传感器，能够同时记录纵波、横波、转换波[5]，对掌子面前方的地震探测灵敏度更高。该类型传感器与传统的动圈式检波器不同，以MEMS加速度计为核心，同时增加了极化滤波器以消除瑞雷面波等干扰波，其探测频率范围可达到0.5～2 000 Hz，横向灵敏度<1%。在實际探测中，传感器一般会放置到插入测量孔的套管中，为了更好地接收地震波信号，在传感器与套管之间会增加树脂耦合剂。 2.2 数据采集站
数据采集站的组成如图2所示，主要分为模拟板和数字板两部分。模拟板用于对三分量传感器输出的微弱信号进行放大、降噪及模数转换；数字板用于模拟板的控制、数字信号处理、数据本地存储。在本设计中，每块模拟板可连接3个三分量地震波传感器，则共有9个采集通道。同时为了考虑系统数据采集通道的可扩展性，在数字板中设计了冗余接口和存储空间，最多可接入3块模拟板，则最多可接入27个采集通道。
2.2.1 模拟板
由于在隧道地震信号采集中，传感器不仅会接收有用的纵波、横波、转换波，还会引入瑞雷波以及其他施工设备所导致的干扰波；此外，隧道内复杂的施工现场有大量的电力与仪器设备，也会带来50Hz市电电磁干扰，因此需要在进行模数转换前利用信号放大电路提取有用信号并压制干扰信号。模数转换电路采用的是高精度24位ADC套片，包含Σ-Δ调制器CS5371/CS5372和数字滤波器CS5376[6-7]。模拟板的结构如图3所示。
由于人工震源采用的是低能量的爆破微震源，造成三分量地震波传感器输出的信号最低仅为μV级，为了提高模拟板的整体信噪比，在第1级采用了ADI公司的低噪声程控仪表放大器AD8253，其输入噪声电压最大为10 nV/■（放大倍数为1 000时）。此外，当炮孔与测量孔之间的相对位置以及爆炸能量不同时，传感器接收的信号也不一样，为了保证数据采集站具有较大的动态范围，AD8253还可根据不同的爆破配置软件来配置放大倍数，可实现1、10、100、1 000共4档增益切换。
隧道地震超前预报系统并不占用掌子面，因此在实际作业中，为保证工程进度，降低停工成本，其他工程装备也会同时开机工作，这也造成隧道施工现场存在着大量的干扰：首先，强电工程设备会带来大量的50 Hz电磁干扰，而且在不同的工程阶段和施工时间，50 Hz干扰的情况也会不一样；其次，大型工程设备也会产生大量振動干扰波；此外，爆破震源也会产生瑞雷波等干扰波。针对现场复杂的电磁干扰和干扰波，在设计中利用开关电容数字滤波器MAX263来进行抑制。该滤波器的内部结构如图4所示，其最大的特点是可以通过管脚M0和M1配置成巴特沃兹、贝塞尔、切比雪夫类型的各种低通、高通、带通、陷波、全通滤波器[8-9]，不同类型的滤波器可以通过后级的模拟开关来进行切换；此外，还可以通过fclk和F0～F4控制滤波器的截止频率，通过控制Q0～Q6来确定滤波器的品质因素。由于该滤波器所有的参数都可以通过软件进行配置，因此操作人员可以根据现场的干扰情况来灵活设置。
差分式抗混叠滤波电路主要起到两方面作用：首先，将前级滤波后的单端信号转换为差分信号，提高系统的共模抑制比；其次，将其配置成低通滤波形式，防止出现高频混叠。设计中选用的是ADI公司的超低噪声差分放大器ADA4922-1，其输入噪声电压仅为12 nV/■。
在本设计中，采用了美国Cirrus Logic公司的地震专用模数转换套片：Σ-Δ调制器CS5371/CS5372和数字滤波器CS5376。CS5371/CS5372分别为单/双通道的4阶Σ-Δ调制器，采用过采样技术，能够以很低的采样分辨率（1位）和极高的采样速率将模拟信号转化为数字信号；由于每个地震波传感器输出了X、Y、Z 3个分量的信号，因此每个传感器配置CS5371和CS5372各一片即可完成3个通道的转换。Σ-Δ调制器虽然将模拟信号转化为了数字信号，但与此同时会产生大量的高频噪声，因此后级需要对数字信号进行抽取式低通滤波以降低该噪声的影响。由于这种数字低通滤波器会降低模数转换器的带宽，使得数据输出率低于原始采样速率。
2.2.2 数字板
数字板主要起到数据采集站的控制和数据预处理的作用，由FPGA和工控机组成，其内部的数据架构如图5所示。
FPGA主要起到接口转换与数字滤波的作用。由于CS5376为SPI串行输出接口，因此在设计中利用FPGA进行SPI接口与32-bit并行接口的转换。虽然在模拟板中有MAX263开关电容滤波器对模拟信号进行直接调理，但是基于硬件电路的滤波器有其固有的性能限制[10]；在模数转换中，CS5376也会进行数字滤波，但该部分主要起到压制高频量化噪声的作用，并不能对有用地震波信号频带附近的干扰信号进行抑制，因此在FPGA中设计了FIR数字滤波器来进一步提高信噪比。FIR滤波器利用Quartus软件中自带的IP核来设计，仅需设置FIR滤波器类型、阶数、输入和输出接口位数即可。
在传统的地球物理勘探仪器中多采用单片机或ARM来实现对仪器的控制，这一类控制芯片的优点是功耗较低，可用于设计小型仪器，但也存在一系列问题：由于要进行多通道地震波信号的快速采集与存储，而单片机工作速度较慢，即使采用并行接口也很难保证采样数据不丢包；开发此类芯片的软件需要编写底层驱动，增加了软件开发的复杂度。对此，本设计采用了基于X86架构的工控机PC104，它与FPGA之间用高速并行的PCI接口进行数据传输，从而提高了系统的整体处理速度，利用该平台不需要针对PCI接口开发专门的底层驱动程序，调用相应的应用程序接口即可。FPGA中的PCI总线接口程序同样可以利用IP核自动生成[11]。
3 上位机软件设计
PC上位机能够为操作者提供人际交互界面，实现对数据采集站的控制，包括前端人机交互界面和后台控制程序，程序采用VB语言进行编写，其基本工作流程如图6所示。1）系统上电后，程序发出各个硬件接口的初始化指令，并对模拟板和供电电源等进行状态自检。2）读取Flash中上一次测量的系统配置参数，对程控放大器、数字滤波器进行初始化。3）爆破微震源布置完毕后，系统首先进行试采样，根据采样情况自动调整放大电路增益和通带范围。4）提示用户系统状态正常、参数配置完毕，可以进行正式的探测。 前端的控制界面主要分为数据采集参数设置、数据采集端状态、数据保存3部分，可以进行系统的设置与控制。
4 测 试
本系统在某高铁隧道施工现场进行了测试，结果如图7所示，图7（a）～图7（c）分别为x分量地震波成像图、P波偏移剖面、P波反射层提取结果。1）在掌子面前方110，160 m处左右均有较强的反射同相轴，综合分析P波、SH波、SV波反射层中的纵横波速度，可得出在该两点均出现了破碎带异常，这一探测结果与现场的实际钻探岩芯结果基本一致，从而验证了分析结果的有效性；与传统隧道超前预报仪器仅50 m的探测距离相比，本系统显著提高了探测距离。2）如图7（c）所示，A处和B处中P波反射层分层线相隔距离均小于1 m，这与传统方法中5 m的分辨率相比，提高了地质体探测分辨率。
5 结束语
本文在地震反射信号探测理论的基础上，设计了一种高分辨率隧道地震超前预报系统。针对三分量传感器输出信号微弱的特点，设计了以高精度24位ADC套片CS5371/CS5372和CS5376为核心的微弱信号调理电路，并通过硬件数字滤波器MAX263、FIR软件数字滤波器进一步提高信号的信噪比；通过基于VB的上位机控制软件实现了系统参数的靈活设置与控制。在某隧道施工现场的探测结果表明探测系统的探测距离达到160 m，地震反射层分辨率小于1 m，在传统隧道预报方法基础上，提高了探测距离和分辨率，且不需要占用掌子面。
此外，为了提高探测分辨率，系统需要在抗干扰设计方面进行优化，以进一步降低施工现场市电形成的强干扰。
参考文献
[1] 方杰，徐会军，孔广亚. 基于地震反射波法的巷道空间地质异常体超前探测[J]. 煤矿开采，2015，20（4）：28-31.
[2] JOHNSTON M J S. Review of electric and magnetic fields accompanying seismic and volcanic activity[J]. Surveys in Geophysics，1997，18（5）：441-476.
[3] KLOSE C D. Fuzzy rule-based expert system for short-range seismic prediction[J]. Computers & Geosciences，2002，28（3）：377-386.
[4] 肖宽怀. 隧道超前预报地球物理方法及应用研究[D]. 成都：成都理工大学，2012.
[5] 朱国维，彭苏萍，王怀秀. 新型智能三分量地震检波器的研制与应用[J]. 煤炭学报，2006（31）：5-10.
[6] 李威，陈祖斌，邱飞. 宽频地震仪数据采集系统的研制[J].微计算机信息，2008，24（22）：80-82.
[7] 徐锡强，游庆瑜，张妍，等. 基于实时数据传输的宽频海底地震仪[J]. 地球物理学进展，2014（3）：1445-1451.
[8] 王俊秋. 可控震源金属矿地震勘探关键技术与试验[D].长春：吉林大学，2013.
[9] 殷苏民，吉彬斌，鲍红力，等. 基于MAX263的带通跟踪滤波设计[J]. 电子技术应用，2012，38（1）：54-56.
[10] 温浩礼，廖致刚，易波. 基于FPGA的单相电力线阻抗测量仪的设计[J]. 自动化仪表，2007，28（9）：50-52.
[11] 余小平，庹先国，刘明哲，等. 滑坡体临滑声发射监测主机的设计[J]. 自动化与仪表，2011，26（8）：21-24.
（编辑：莫婕）
关键词：隧道；超前预报；地震反射信号；数据采集
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）05-0084-05
Abstract： To overcome the shortages of traditional tunnel prediction methods， a new detection system based on tunnel seismic prediction was designed accordingly. The design principle of the system is to realize high-resolution acquisition of seismic reflective signals with artificial seismic sources， three-component seismic sensors and a high-precision 24-bit analog-to-digital converter. Moreover， human-computer interaction and system control were realized through VB-based PC control procedure. The results of filed test show that the detection results are basically consistent with the actual drilling results， a proof for the characteristics of the system such as long detection distance， high-precision and not occupying the working face. So it can be applied in concealed works of highway tunnels， railway tunnels and other infrastructures.
Keywords： tunnel； prediction； seismic reflected signal； data acquisition
0 引 言
随着我国基础工程建设的飞速发展，越来越多的高速公路和铁路建设在地质条件复杂的边远山区开展，使得隧道施工在整个工程建设中所占的比重越来越大[1]。隧道作为隐蔽工程，在施工过程中，由于前方的地质情况不明，经常会遭遇破碎带、溶洞和暗河等不良地质体诱发的突水、塌方等地质灾害，这不仅会滞后施工进度，也可能导致严重的人员伤亡和财产损失。因此，在隧道施工期间，非常有必要对掌子面前方的地质情况进行超前预报。
20世纪70年代，美国提出利用地球物理方法进行隧道地质超前预报，包括电法和地震反射法。对于电法，通常需要占用掌子面，且探测距离一般不会超过50 m。地震反射类方法是目前的主流方法，有美国NSA公司提出的反射地震层析成像方法、中国的曾昭璜提出的隧道反射成像法、瑞士Amberg公司提出的隧道地震预报法等；其中，前面两种方法虽然定位精度较高，但需要占用掌子面，而隧道地震预报则不需要占用掌子面，对大型不良地质体有较好的探测效果，是我国目前应用最广泛的方法[2-4]。
在隧道中进行地质超前预报探测时，考虑到安全问题，人工震源通常采用低能量的爆破微震源，因此传感器接收到的信号非常微弱，通常要求探测系统具备μV级信号采集能力。此外，要实现高分辨探测，通常要求进行多通道的探测。对此，本文设计了一种高精度、多通道的隧道地震超前预报系统，对隧道地质超前预报技术具有一定的推动意义。
1 系统方案
隧道地震预报法是利用地震反射波原理，在隧道隧洞洞壁布置一排人工震源，经爆破激发地震波，在传播过程中遇到波阻抗界面产生反射波，通过三分量传感器接收反射波可以实现掌子面前方地质异常的探测。根据其探测原理，系统方案设计如图1所示，主要由三分量地震波传感器、数据采集站、PC上位机3部分组成。
在探测过程中，一般在掌子面后方的隧道侧壁上钻取一排炮孔，每个炮孔深度1 m，间距1～1.5 m，微震炸药被布置在炮孔的底部。多个三分量地震波传感器则被分别安装在震源后方的侧壁上，传感器与炮孔间的相对几何关系可以通过事前测量获取，并导入到PC机中；三分量地震波传感器接收的地震波数据分别通过信号电缆传入数据采集站进行高准确度数据转换，采集通道之间利用触发器进行同步；PC机实现整个预报系统的控制和数据预处理。
2 硬件设计
2.1 三分量地震波传感器
在传统的地震勘探中，多采用单分量的地震检波器，这种传感器难以对地震波多个分量上的信息进行分析，因此获取的目标信息有限。为此，本文采用了宽频三分量地震传感器，能够同时记录纵波、横波、转换波[5]，对掌子面前方的地震探测灵敏度更高。该类型传感器与传统的动圈式检波器不同，以MEMS加速度计为核心，同时增加了极化滤波器以消除瑞雷面波等干扰波，其探测频率范围可达到0.5～2 000 Hz，横向灵敏度<1%。在實际探测中，传感器一般会放置到插入测量孔的套管中，为了更好地接收地震波信号，在传感器与套管之间会增加树脂耦合剂。 2.2 数据采集站
数据采集站的组成如图2所示，主要分为模拟板和数字板两部分。模拟板用于对三分量传感器输出的微弱信号进行放大、降噪及模数转换；数字板用于模拟板的控制、数字信号处理、数据本地存储。在本设计中，每块模拟板可连接3个三分量地震波传感器，则共有9个采集通道。同时为了考虑系统数据采集通道的可扩展性，在数字板中设计了冗余接口和存储空间，最多可接入3块模拟板，则最多可接入27个采集通道。
2.2.1 模拟板
由于在隧道地震信号采集中，传感器不仅会接收有用的纵波、横波、转换波，还会引入瑞雷波以及其他施工设备所导致的干扰波；此外，隧道内复杂的施工现场有大量的电力与仪器设备，也会带来50Hz市电电磁干扰，因此需要在进行模数转换前利用信号放大电路提取有用信号并压制干扰信号。模数转换电路采用的是高精度24位ADC套片，包含Σ-Δ调制器CS5371/CS5372和数字滤波器CS5376[6-7]。模拟板的结构如图3所示。
由于人工震源采用的是低能量的爆破微震源，造成三分量地震波传感器输出的信号最低仅为μV级，为了提高模拟板的整体信噪比，在第1级采用了ADI公司的低噪声程控仪表放大器AD8253，其输入噪声电压最大为10 nV/■（放大倍数为1 000时）。此外，当炮孔与测量孔之间的相对位置以及爆炸能量不同时，传感器接收的信号也不一样，为了保证数据采集站具有较大的动态范围，AD8253还可根据不同的爆破配置软件来配置放大倍数，可实现1、10、100、1 000共4档增益切换。
隧道地震超前预报系统并不占用掌子面，因此在实际作业中，为保证工程进度，降低停工成本，其他工程装备也会同时开机工作，这也造成隧道施工现场存在着大量的干扰：首先，强电工程设备会带来大量的50 Hz电磁干扰，而且在不同的工程阶段和施工时间，50 Hz干扰的情况也会不一样；其次，大型工程设备也会产生大量振動干扰波；此外，爆破震源也会产生瑞雷波等干扰波。针对现场复杂的电磁干扰和干扰波，在设计中利用开关电容数字滤波器MAX263来进行抑制。该滤波器的内部结构如图4所示，其最大的特点是可以通过管脚M0和M1配置成巴特沃兹、贝塞尔、切比雪夫类型的各种低通、高通、带通、陷波、全通滤波器[8-9]，不同类型的滤波器可以通过后级的模拟开关来进行切换；此外，还可以通过fclk和F0～F4控制滤波器的截止频率，通过控制Q0～Q6来确定滤波器的品质因素。由于该滤波器所有的参数都可以通过软件进行配置，因此操作人员可以根据现场的干扰情况来灵活设置。
差分式抗混叠滤波电路主要起到两方面作用：首先，将前级滤波后的单端信号转换为差分信号，提高系统的共模抑制比；其次，将其配置成低通滤波形式，防止出现高频混叠。设计中选用的是ADI公司的超低噪声差分放大器ADA4922-1，其输入噪声电压仅为12 nV/■。
在本设计中，采用了美国Cirrus Logic公司的地震专用模数转换套片：Σ-Δ调制器CS5371/CS5372和数字滤波器CS5376。CS5371/CS5372分别为单/双通道的4阶Σ-Δ调制器，采用过采样技术，能够以很低的采样分辨率（1位）和极高的采样速率将模拟信号转化为数字信号；由于每个地震波传感器输出了X、Y、Z 3个分量的信号，因此每个传感器配置CS5371和CS5372各一片即可完成3个通道的转换。Σ-Δ调制器虽然将模拟信号转化为了数字信号，但与此同时会产生大量的高频噪声，因此后级需要对数字信号进行抽取式低通滤波以降低该噪声的影响。由于这种数字低通滤波器会降低模数转换器的带宽，使得数据输出率低于原始采样速率。
2.2.2 数字板
数字板主要起到数据采集站的控制和数据预处理的作用，由FPGA和工控机组成，其内部的数据架构如图5所示。
FPGA主要起到接口转换与数字滤波的作用。由于CS5376为SPI串行输出接口，因此在设计中利用FPGA进行SPI接口与32-bit并行接口的转换。虽然在模拟板中有MAX263开关电容滤波器对模拟信号进行直接调理，但是基于硬件电路的滤波器有其固有的性能限制[10]；在模数转换中，CS5376也会进行数字滤波，但该部分主要起到压制高频量化噪声的作用，并不能对有用地震波信号频带附近的干扰信号进行抑制，因此在FPGA中设计了FIR数字滤波器来进一步提高信噪比。FIR滤波器利用Quartus软件中自带的IP核来设计，仅需设置FIR滤波器类型、阶数、输入和输出接口位数即可。
在传统的地球物理勘探仪器中多采用单片机或ARM来实现对仪器的控制，这一类控制芯片的优点是功耗较低，可用于设计小型仪器，但也存在一系列问题：由于要进行多通道地震波信号的快速采集与存储，而单片机工作速度较慢，即使采用并行接口也很难保证采样数据不丢包；开发此类芯片的软件需要编写底层驱动，增加了软件开发的复杂度。对此，本设计采用了基于X86架构的工控机PC104，它与FPGA之间用高速并行的PCI接口进行数据传输，从而提高了系统的整体处理速度，利用该平台不需要针对PCI接口开发专门的底层驱动程序，调用相应的应用程序接口即可。FPGA中的PCI总线接口程序同样可以利用IP核自动生成[11]。
3 上位机软件设计
PC上位机能够为操作者提供人际交互界面，实现对数据采集站的控制，包括前端人机交互界面和后台控制程序，程序采用VB语言进行编写，其基本工作流程如图6所示。1）系统上电后，程序发出各个硬件接口的初始化指令，并对模拟板和供电电源等进行状态自检。2）读取Flash中上一次测量的系统配置参数，对程控放大器、数字滤波器进行初始化。3）爆破微震源布置完毕后，系统首先进行试采样，根据采样情况自动调整放大电路增益和通带范围。4）提示用户系统状态正常、参数配置完毕，可以进行正式的探测。 前端的控制界面主要分为数据采集参数设置、数据采集端状态、数据保存3部分，可以进行系统的设置与控制。
4 测 试
本系统在某高铁隧道施工现场进行了测试，结果如图7所示，图7（a）～图7（c）分别为x分量地震波成像图、P波偏移剖面、P波反射层提取结果。1）在掌子面前方110，160 m处左右均有较强的反射同相轴，综合分析P波、SH波、SV波反射层中的纵横波速度，可得出在该两点均出现了破碎带异常，这一探测结果与现场的实际钻探岩芯结果基本一致，从而验证了分析结果的有效性；与传统隧道超前预报仪器仅50 m的探测距离相比，本系统显著提高了探测距离。2）如图7（c）所示，A处和B处中P波反射层分层线相隔距离均小于1 m，这与传统方法中5 m的分辨率相比，提高了地质体探测分辨率。
5 结束语
本文在地震反射信号探测理论的基础上，设计了一种高分辨率隧道地震超前预报系统。针对三分量传感器输出信号微弱的特点，设计了以高精度24位ADC套片CS5371/CS5372和CS5376为核心的微弱信号调理电路，并通过硬件数字滤波器MAX263、FIR软件数字滤波器进一步提高信号的信噪比；通过基于VB的上位机控制软件实现了系统参数的靈活设置与控制。在某隧道施工现场的探测结果表明探测系统的探测距离达到160 m，地震反射层分辨率小于1 m，在传统隧道预报方法基础上，提高了探测距离和分辨率，且不需要占用掌子面。
此外，为了提高探测分辨率，系统需要在抗干扰设计方面进行优化，以进一步降低施工现场市电形成的强干扰。
参考文献
[1] 方杰，徐会军，孔广亚. 基于地震反射波法的巷道空间地质异常体超前探测[J]. 煤矿开采，2015，20（4）：28-31.
[2] JOHNSTON M J S. Review of electric and magnetic fields accompanying seismic and volcanic activity[J]. Surveys in Geophysics，1997，18（5）：441-476.
[3] KLOSE C D. Fuzzy rule-based expert system for short-range seismic prediction[J]. Computers & Geosciences，2002，28（3）：377-386.
[4] 肖宽怀. 隧道超前预报地球物理方法及应用研究[D]. 成都：成都理工大学，2012.
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[6] 李威，陈祖斌，邱飞. 宽频地震仪数据采集系统的研制[J].微计算机信息，2008，24（22）：80-82.
[7] 徐锡强，游庆瑜，张妍，等. 基于实时数据传输的宽频海底地震仪[J]. 地球物理学进展，2014（3）：1445-1451.
[8] 王俊秋. 可控震源金属矿地震勘探关键技术与试验[D].长春：吉林大学，2013.
[9] 殷苏民，吉彬斌，鲍红力，等. 基于MAX263的带通跟踪滤波设计[J]. 电子技术应用，2012，38（1）：54-56.
[10] 温浩礼，廖致刚，易波. 基于FPGA的单相电力线阻抗测量仪的设计[J]. 自动化仪表，2007，28（9）：50-52.
[11] 余小平，庹先国，刘明哲，等. 滑坡体临滑声发射监测主机的设计[J]. 自动化与仪表，2011，26（8）：21-24.
（编辑：莫婕）