基于FGA地震勘探信号滤波系统设计与实现
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【摘要】信号的滤波处理在野外地震数据采集中起着重要的作用，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，本文将先进的电子技术和地震勘探技术结合，设计了一套高速的滤波系统，并对其进行测试验证，取得了较好的滤波效果。
【关键词】地震数据采集；滤波系统；测试验证
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，通常采用一定性能的滤波器对噪声信号进行处理，本设计结合当前地震勘探数据采集处理的要求和电子技术发展的现状，设计了基于FPGA的信号滤波系统。
1.滤波系统的设计与实现
地震数据采集的关键是地震波信号，它是地震勘探时利用人工激发产生的，在弹性不同的地层内传播规律来勘探地下地质情况的信号。
由图1可以看出，野外数据采集过程中能否消除干扰，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，地震数据解译的正确与否又关系到后续工作的开展。数字滤波器主要有无限冲激响应数字数字滤波器（IIR数字滤波器）和有限冲激响应数字滤波器（FIR数字滤波器）。与IIR数字滤波器相比，FIR数字滤波器最显著的优点就是可以在设计任意幅频特性的同时，保证了严格的线性相位。线性相位对于一些性能较高的系统是非常重要的，所以FIR滤波器较IIR滤波器在现代信号处理中获得了广泛的应用。
1.1 FIR滤波器实现原理
FIR滤波器是指系统的单位冲击响应仅在有限的范围内有非零值的滤波器。FIR系统只有零点，因此这类系统不像IIR系统那样易取得比较好的通带和阻带衰减特性。但FIR系统有自己突出的优点为易实现精确地线性相位，FDAtool为MATLAB自带工具软件，适合的滤波器结构为直接型结构，如图2所示。
对应FDAtool工具箱对应FIR滤波器为卷积型结构，关键求出系统单位冲击响应。系统函数为：
式中：N为滤波器阶数；为输出信号；为滤波器系数；为滤波后信号；
基于微处理器平台编写程序用迭代法简单方便，把公式（2）展开，初始输出前N个点数据有一定误差，当输入数据点数大于滤波器阶数N时，输出滤波指标达到系统要求。
1.2 FIR滤波器硬件实现
作为地震仪的核心，整个采集滤波系统主要包括两部分：前端的预处理模块和滤波器模块。该系统的主要任务是根据实际野外勘探要求，对检波器采集到的地震数据进行噪声滤波处理，以获取有效的地质构造概括等相关信息。实际中理想采样是不存在的。在实际采样系统中，信号经过采样后，其频率分量随着频率的的增加而不断的衰减，且在等于采样频率一半处衰减为零。所以在不做均衡的情况下，必须保证采样频率足够高。本文设计的FIR数字滤波器为低通滤波器，采样率为4M，截止频率为500kHz。因此采样保持电路的驱动时钟频率为4MHz这里信号恢复低通滤波器截止频率选取为1.3M低通滤波器，这是结合理论和实验得到的。硬件原理图如图3所示。
2.滤波系统的测试与分析
2.1 测试方法
输入不同频率的正弦波，观测输出正弦波的幅度，同时比较输入、输出波形，得出输入、输出波形的相位差。
由于输出波形肯定滞后于输入波形，所以相位差必然为负数。为了更精确的得到相位关系，测试时不直接在示波器上测试，而是将数字示波器各组波形存储在计算机上，在计算机上采用示波器软件Ultrascope，用时间轴测出两个对应的峰值的时间差，根据输入正弦频率的，计算出相位差。如图4所示，输入正弦频率60KHz，输出应该滞后与输入波形，用两个时间轴分别对准输入输出信号对应的波峰，读出时间差为12.47us，那么这两个波形的相位差为-269.352。本文中测量相位差时均先记录相位差的范围为0°到-360°，这是由于小于-360°可以等效在0°到-360°范围内的相位差。理论设计的数字滤波器相频特性表明，该滤波器在阻带截止频率内有线性相位，因此只测试输入信号频率小于600kHz的样本的相位差。
2.2 测试结果及数据分析
如图4所示，滤波器的输入和输出波形均为正弦波，无明显失真。说明滤波器在处理单频信号时，引入其他谐波干扰在合理范围内。在测试FIR滤波器时，输入正弦信号幅度为1.0V，输入信号的步进为20kHz。但是由于示波器的测量数据可能与信号源显示数据不同，再加上示波器的线可能衰减高频信号，所以输入信号的幅度必须测量，根据测试得到的数据可以画出实际滤波幅频特性。
从图5可以看出，幅频曲线为一个低通滤波器。分析数据得到实测数据相对于理论数据通带无纹波，这应是测试误差造成的，但总体符合理论设计。在过渡带频率的信号衰减大于理论衰减，这应是由抗混叠滤波器和信号恢复滤波器的衰减引起，但偏大的衰减出现在过渡带，不影响滤波器性能这表明，抗混叠滤波器和信号恢复滤波器会影响系统特性，设计时应注意选择这两个滤波器的指标。同时可以观察到，输入信号频率继续增大时，实际衰减没有理论衰减大。在测试中发现，如图6所示，在测试阻带中的样本时发现正弦波上叠加了噪声，这造成了测试时读出的峰峰值增大。由于通带和过渡带信号样本幅度较大，噪声对衰减的计算影响较小。而由于阻带内滤波器输出信号较小，干扰的幅度对衰减计算影响较大。测试表明，当电源空载时电源和地之间存在20mV左右纹波，这个干扰应是由电源引入的。因此在实际应用中，应使用纹波小的电源，以减小电源引入的干扰。
3.结论
数字信号处理在生物医学、图像视频、雷达、通信、航空航天以及地球物理探测等领域都有广泛应用。数字信号处理技术已经逐步取代了模拟信号处理技术的主导地位，使地震勘探发生了质的飞越。在采集模块前端运用高精度ADC将模拟信号转换为数字信号，整个地震数据信号处理过程就以数字化的形式进行，实时根据数据处理要求编程实现各种功能，有利于大规模的地震数据的快速批量处理，大大简化信息分类、查找等过程，为了提高信噪比，获得精确、可靠的反演和解释结果，本文设计了高速的滤波系统，提高了信号的采集准确性，测试结果表明设计效果较好。
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