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复杂山地自定位无缆地震仪的研究与实现

作　者: 杨泓渊
导　师: 韩立国；陈祖斌
学　校: 吉林大学
专　业: 地球探测与信息技术
关键词: 复杂山地金属矿自定位无缆地震仪嵌入式系统同步数据采集 GPS静态相对定位
分类号: P228.4
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 295次
引　用: 8次
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内容摘要

本文在分析了数字地震勘探仪器的发展概况和复杂山地地震采集实践的基础上,提出了复杂山地无缆地震仪的设计思想。采用数字存储式独立地震仪结构构建无缆地震勘探仪器野外采集站,通过采集站内置海量Flash存储器和GPS定位高精度同步授时技术,实现野外地震数据的同步采集和长时间存储,从而摆脱传统地震仪中沉重的电缆线,实现无缆化设计。同时,通过GPS静态相对定位技术实现了所有野外采集站的空间三维位置测量,取代了繁琐的地质测量工作。本文以32位RISC型ARM处理器为核心构建了嵌入式Linux硬件平台,结合24位A/D、FPGA以及CF卡海量存储技术完成了单站4通道采集能力的无缆地震采集站的设计。在此基础上,深入研究了地震采集站的低噪声设计方法,获得了1.5μV的噪声水平;采用GPS同步授时技术与高精度实时时钟相结合的技术实现了无缆地震采集站的同步数据采集,达到了±3.2μs的同步精度;深入探讨了GPS静态相对定位原理,完成了无缆地震采集站GPS卫星观测数据的记录和处理,获得了厘米级精度的采集站空间三维位置测量信息,实现了地震勘探中地质测量工作的自动化。最后,组装了24道无缆地震仪样机并进行了实验,取得了令人满意的结果。

全文目录

提要  4-10
第1章绪论  10-26
  1.1 研究背景  10-12
  1.2 数字地震勘探仪器发展概况与复杂山地地震采集实践  12-16
    1.2.1 数字地震勘探仪器发展概况  12-14
    1.2.2 复杂山地地震采集实践  14-16
  1.3 复杂山地自定位无缆地震勘探仪器的提出  16-19
    1.3.1 复杂山地地区野外采集对地震勘探仪器的要求  16
    1.3.2 当前分布式地震仪在复杂山地地区的局限  16
    1.3.3 数字存储式独立地震仪的发展与现状  16-18
    1.3.4 复杂山地自定位无缆地震仪设计思想  18-19
  1.4 无缆化分布式地震仪的设计方案  19-24
    1.4.1 技术指标  19
    1.4.2 总体方案  19-22
    1.4.3 本文的主要研究内容  22-24
  1.5 本文的组织结构  24-26
第2章基于嵌入式 Linux 的硬件平台构建  26-56
  2.1 主控系统硬件结构和低功耗设计  26-27
    2.1.1 硬件低功耗设计原则  26
    2.1.2 主控系统硬件结构设计  26-27
  2.2 Linux 向 ARM 平台的移植  27-44
    2.2.1 嵌入式 Linux 操作系统概述  27-31
    2.2.2 Linux 内核移植  31-34
    2.2.3 嵌入式 Linux 系统驱动程序设计  34-41
      2.2.3.1 Linux 驱动程序设计原理  34-37
      2.2.3.2 基于 AT91RM9200 的 Linux 驱动程序设计  37-41
    2.2.4 文件系统构建  41-44
  2.3 U-boot 及其在控制板上的移植  44-50
    2.3.1 U-Boot 及其特点  45
    2.3.2 U-Boot 源代码目录结构  45-46
    2.3.3 U-Boot 移植过程  46-47
    2.3.4 U-Boot 在系统控制板上的移植  47-50
  2.4 系统供电方案和软件低功耗优化设计  50-55
    2.4.1 供电方案设计  50-51
    2.4.2 系统功耗管理和软件优化设计  51-54
    2.4.3 功耗测试  54-55
  2.5 小结  55-56
第3章复杂山地无缆地震仪的低噪声采集技术研究  56-86
  3.1 金属矿勘探地震信号特征  56-57
  3.2 金属矿地震数据采集系统研究  57-82
    3.2.1 数据采集系统的低噪声设计  57-69
      3.2.1.1 外界环境干扰的抑制  57-59
      3.2.1.2 低噪声高灵敏度模拟通道的设计  59-66
      3.2.1.3 模拟通道噪声分析  66-69
    3.2.2 四通道24 位地震数据采集板及其驱动设计  69-82
      3.2.2.1 硬件框图  69-70
      3.2.2.2 FPGA 接口电路设计  70-76
      3.2.2.3 FPGA 驱动程序设计  76-82
  3.3 地震数据采集海量存储技术研究  82-85
    3.3.1 硬件存储电路设计  82-83
    3.3.2 IDE 模式CF 卡驱动程序设计  83-85
  3.4 小结  85-86
第4章基于 GPS 定位技术的全网同步采样技术研究  86-110
  4.1 GPS 定位技术测时原理  86-101
    4.1.1 GPS 系统介绍  86-88
    4.1.2 GPS 坐标系统和时间标准  88-94
    4.1.3 GPS 卫星信号  94-97
    4.1.4 测时原理  97-99
    4.1.5 误差及提高定位精度的技术  99-101
  4.2 无缆遥测地震仪采集站全网同步技术研究  101-109
    4.2.1 地震采集站站内同步原理  102-103
    4.2.2 基于 GPS 定位技术的全网同步采样机制  103-104
    4.2.3 高精度RTC 同步时标  104-105
    4.2.4 同步误差分析及测试  105-109
  4.3 小结  109-110
第5章基于 GPS 技术的采集站高精度自定位技术研究  110-142
  5.1 引言  110-111
  5.2 GPS 静态相对定位原理  111-124
    5.2.1 载波相位测量原理  111-114
    5.2.2 载波相位观测方程的差分原理  114-120
    5.2.3 GPS 基线向量网平差  120-124
  5.3 地震采集站GPS 观测数据的接收和记录  124-128
    5.3.1 接收机功能和数据 I/O 协议  124-126
    5.3.2 GPS 观测数据的记录  126-128
  5.4 GPS 测量数据处理  128-141
    5.4.1 基线处理  128-135
    5.4.2 GPS 基线向量网网平差处理  135-136
    5.4.3 基于 Caravel Net 的地震采集站 D 级 GPS 观测网测量  136-140
    5.4.4 无缆采集站对地震观测系统的支持  140-141
  5.5 小结  141-142
第6章仪器系统组装测试及试验  142-154
  6.1 仪器系统组装与室内测试  142-147
    6.1.1 仪器外壳及地震数字电缆设计  142-143
    6.1.2 室内测试  143-147
  6.2 实地实验  147-153
    6.2.1 锤击震源实验结果  148-149
    6.2.2 GPS 静态定位测量结果  149-153
  6.3 小结  153-154
第7章结论与展望  154-160
  7.1 本文的主要工作和创新点  154-158
  7.2 进一步工作方向  158-160
参考文献  160-170
附录  170-178
  A 控制板主要电路单元原理图  170-172
  B 采集版主要电路原理图  172-176
  C GPS 二进制消息数据格式  176-178
攻博期间发表的学术论文及其它成果  178-179
致谢  179-180
摘要  180-184
ABSTRACT  184-187

复杂山地自定位无缆地震仪的研究与实现

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