检波器数据处理电路及基于小波变换的地震数据处理方法与流程

1.本发明涉及一种地震检波器技术领域，具体而言，涉及一种检波器数据处理电路及基于小波变换的地震数据处理方法。


背景技术：

2.无论地震勘探技术如何发展，作为地震勘探系统组成中最前端的采集部件，检波器总是被首先需要和关注的。现有技术中，检波器主要由外壳系统、磁系统和弹性质量系统组成。封闭在外壳系统中的磁系统，为弹性质量系统中的线圈提供一个相对均匀而封闭的磁场，当检波器接收到振动信号时，外壳系统部分将会随之振动，由于线圈的惯性作用与外壳系统发生相对位移，根据电磁感应原理，线圈在磁场中切割磁力线，机芯外壳上的两个接线端子就会输出随位移变化的电压信号，作为一道地震信号数据将会被仪器所记录下来。地震勘探项目中就会根据成千上万道的地震信号数据进行处理和分析，进而得到有用的地震资料数据，为后期的钻探或开采分析提供依据。
3.参考专利号为2016211861371的实用新型专利，现有技术中，检波器机芯都有两个信号输出端子，两个信号输出端子一般都在顶盖上且被设计成左右对称布置。
4.现有技术的地震数据存储方案是地震检波器检测到的地震波数据由ads1281芯片转换为24位或32位整型数字信号后，以spi总线传给单片机，打包成miniseed格式后写入tf卡，具体的中断逻辑如图1所示。然而，受到存储介质传输速率限制(数据的存储速度低)，一般不加任何处理直接将地震数据以24位或者32位整型进行本地存储，上位机解析出数据后仍需要经过复杂的过程才能进行数据分析。


技术实现要素：

5.本发明就是要解决现有检波器检测到的地震波数据存储速度低，上位机对数据分析过程复杂的技术问题，提供一种检波器数据处理电路及基于小波变换的地震数据处理方法。
6.本发明提供一种基于小波变换的地震数据处理方法，包括检波器数据处理电路，检波器数据处理电路包括预处理电路、ads1281芯片、stm32f407单片机、ts3a27518epwr芯片、sdinbdg4芯片、gl823k读卡器，预处理电路与ads1281芯片的输入端连接，ads1281芯片的输出端通过spi总线与stm32f407单片机的spi接口连接；
7.stm32f407单片机的clk引脚与ts3a27518epwr芯片的第17引脚连接，stm32f407单片机的cmd引脚与ts3a27518epwr芯片的第15引脚连接，stm32f407单片机的d0、d1、d2、d3引脚分别与ts3a27518epwr芯片的第18、16、11、13引脚连接，ts3a27518epwr芯片的com5、com6、com1、com2分别与sdinbdg4芯片的dat0、dat1、dat2、dat3引脚连接，ts3a27518epwr芯片的com4引脚与sdinbdg4芯片的clk引脚连接，ts3a27518epwr芯片的com3引脚与sdinbdg4芯片的cld引脚连接；
8.gl823k读卡器的d0、d1、d2、d3引脚分别与sdinbdg4芯片的dat0、dat1、dat2、dat3
引脚连接，gl823k读卡器的clk引脚与sdinbdg4芯片的clk引脚连接，gl823k读卡器的cmd引脚与sdinbdg4芯片的cmd引脚连接，gl823k读卡器的dm、dp引脚通过usb线与上位机连接；
9.gl823k读卡器的5v引脚通过串联的第一电阻、第二电阻接地，三极管的发射极接地，第一电阻和第二电阻之间的节点与三极管的基极连接，三极管的集电极上拉第七电阻接电源，ts3a27518epwr芯片的in1、in2引脚均与三极管的集电极连接，stm32f407单片机的sd con引脚通过第六电阻与ts3a27518epwr芯片的in1引脚连接
10.基于小波变换的地震数据处理方法包括以下步骤：
11.步骤1，地震检波器感知的地震波通过ads1281芯片转换为数字信号通过spi总线传入stm32f407单片机的乒乓缓存区；
12.步骤2，乒乓缓存区满后对该缓存区内的地震数据时间序列进行离散小波变换；
13.步骤3，将步骤2输出的数据以miniseed标准地震数据交换格式的自定义格式写入sdinbdg4芯片；
14.步骤4，通过gl823k读卡器读出sdinbdg4芯片中的数据并传给上位机；
15.步骤5，上位机解析出小波变换系数后对小波变换系数进行逆变换即可恢复原始地震数据。
16.优选地，miniseed格式规范中用于传输地震数据的子块是seed数据子块，seed数据子块中字段3定义了编码格式，字段5定义了数据记录长度；将字段3设置为保留值41，故字段5数据记录长度设置为2132。
17.本发明还提供一种检波器数据处理电路，包括预处理电路、ads1281芯片、stm32f407单片机、ts3a27518epwr芯片、sdinbdg4芯片、gl823k读卡器，预处理电路与ads1281芯片的输入端连接，ads1281芯片的输出端通过spi总线与stm32f407单片机的spi接口连接；
18.stm32f407单片机的clk引脚与ts3a27518epwr芯片的第17引脚连接，stm32f407单片机的cmd引脚与ts3a27518epwr芯片的第15引脚连接，stm32f407单片机的d0、d1、d2、d3引脚分别与ts3a27518epwr芯片的第18、16、11、13引脚连接，ts3a27518epwr芯片的com5、com6、com1、com2分别与sdinbdg4芯片的dat0、dat1、dat2、dat3引脚连接，ts3a27518epwr芯片的com4引脚与sdinbdg4芯片的clk引脚连接，ts3a27518epwr芯片的com3引脚与sdinbdg4芯片的cld引脚连接；
19.gl823k读卡器的d0、d1、d2、d3引脚分别与sdinbdg4芯片的dat0、dat1、dat2、dat3引脚连接，gl823k读卡器的clk引脚与sdinbdg4芯片的clk引脚连接，gl823k读卡器的cmd引脚与sdinbdg4芯片的cmd引脚连接，gl823k读卡器的dm、dp引脚通过usb线与上位机连接；
20.gl823k读卡器的5v引脚通过串联的第一电阻、第二电阻接地，三极管的发射极接地，第一电阻和第二电阻之间的节点与三极管的基极连接，三极管的集电极上拉第七电阻接电源，ts3a27518epwr芯片的in1、in2引脚均与三极管的集电极连接，stm32f407单片机的sd con引脚通过第六电阻与ts3a27518epwr芯片的in1引脚连接。
21.本发明的有益效果是，用emmc存储数据相较现有技术tf卡存储，大幅提升了地震数据的存储速度，并且使下位机存储的地震数据更易于后续的处理分析。采用高速的嵌入式多媒体卡(emmc芯片)作为存储介质，将地震数据转换为32位浮点型，每采集一定的地震数据后以时间序列的形式进行离散小波变换再存储，有利于上位机快速的对地震数据进行
滤波、去噪和压缩等处理。
附图说明
22.图1是现有技术中常规数据存储方案；
23.图2是本发明数据存储方案的硬件原理框图；
24.图3是预处理电路部分的电路图；
25.图4是本发明数据存储方案中的emmc驱动关键电路图；
26.图5是地震数据的小波正逆变换总流程图；
27.图6是多层离散小波变换原理流程图；
28.图7是1000子块结构图；
29.图8是本发明数据处理的中断逻辑图；
30.图9是各小波基不同小波分解层数下重构信号的峰值信噪比。
31.图中符号说明：
32.1.检波器，2.预处理电路，3.ads1281芯片，4.stm32f407单片机，5.多路复用器，6.sdinbdg4芯片，7.gl823k读卡器，8.上位机。
具体实施方式
33.以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
34.如图2所示，本发明地震数据的小波变换快速存储方案的硬件是，检波器1的两个信号输出端子通过预处理电路2与ads1281芯片3的输入端连接，ads1281芯片3的输出端通过spi总线与stm32f407单片机4的spi接口连接，stm32f407单片机4的io口与多路复用器5的数据输入口连接，多路复用器5的数据输出口与sdinbdg4芯片6的数据输入口连接。gl823k读卡器7的数据输入接口与sdinbdg4芯片6的数据输入接口连接。
35.gl823k读卡器7的数据输出接口通过usb线与上位机连接。
36.如图3所示，预处理电路2的一种具体实现电路，预处理电路2是本领域的常规电路，不再赘述。
37.如图4所示，多路复用器5选用德州仪器的ts3a27518epwr芯片，sdinbdg4芯片u3作为emmc(embedded multi media card)，芯片u2是gl823k读卡器7。stm32f407单片机4的clk引脚与ts3a27518epwr芯片u1的第17引脚连接，stm32f407单片机4的cmd引脚与ts3a27518epwr芯片u1的第15引脚连接，stm32f407单片机4的d0、d1、d2、d3引脚分别与ts3a27518epwr芯片u1的第18、16、11、13引脚连接，ts3a27518epwr芯片u1的com5、com6、com1、com2分别与sdinbdg4芯片u3的dat0、dat1、dat2、dat3引脚连接，ts3a27518epwr芯片u1的com4引脚与sdinbdg4芯片u3的clk引脚连接，ts3a27518epwr芯片u1的com3引脚与sdinbdg4芯片u3的cld引脚连接。
38.gl823k读卡器7的d0、d1、d2、d3引脚分别与sdinbdg4芯片u3的dat0、dat1、dat2、dat3引脚连接，gl823k读卡器7的clk引脚与sdinbdg4芯片u3的clk引脚连接，gl823k读卡器7的cmd引脚与sdinbdg4芯片u3的cmd引脚连接。gl823k读卡器7的dm、dp引脚通过usb线与上位机连接。
39.gl823k读卡器7的5v引脚通过串联的第一电阻r9、第二电阻r8接地，三极管q1的发
射极接地，第一电阻r9和第二电阻r8之间的节点与三极管q1的基极连接，三极管q1的集电极上拉第七电阻r7接电源vdd3，ts3a27518epwr芯片u1的in1、in2引脚均与三极管q1的集电极连接，stm32f407单片机4的sd con引脚通过第六电阻r6与ts3a27518epwr芯片u1的in1引脚连接。ts3a27518epwr芯片u1的片选由vusb信号控制，连接上位机时，vusb为高电平，q1导通，ts3a27518epwr芯片u1的in1、in2均为0，选通nc1-6，使ts3a27518epwr芯片u1与stm32f407单片机4断开。stm32f407单片机4的sd con引脚将多路复用器的选通状态输入给stm32f407单片机4。
40.如图5所示，地震数据的小波变换快速存储方法的主要过程是：
41.步骤1，地震检波器感知的地震波通过ads1281芯片转换为数字信号通过spi总线传入stm32f407单片机4的乒乓缓存区。
42.步骤2，乒乓缓存区满后对该缓存区内的地震数据时间序列进行离散小波变换。离散小波变换算法是现有技术中成熟算法，离散小波变换算法的输出参数包括：lv为小波分解层数、sig[len]为长度为len的32位浮点型地震数据序列、hi[wl]和lo[wl]分别是长度为wl的小波基高低频系数。离散小波变换算法的输出数据是：cw为小波变换系数。其中lv＝5、len＝512、wl＝6。
[0043]
步骤3，将步骤2输出的数据以miniseed标准地震数据交换格式的自定义格式写入sdinbdg4芯片u3(即写入emmc)。
[0044]
miniseed格式规范中用于传输地震数据的子块是seed数据子块,seed数据子块又称为1000子块，子块构成如图7所示，其中字段3定义了编码格式，字段5定义了数据记录长度。具体如表1所示。
[0045]
表1：1000子块字段3编码格式
[0046][0047]
为使小波变换系数格式与其他miniseed标准中的编码格式兼容，将字段3设置为保留值41。小波变换存储方案中每512个采样点的小波变换系数个数为533，故字段5数据记录长度(字节)设置为2132。
[0048]
步骤4，通过gl823k读卡器读出sdinbdg4芯片u3中的数据并传给上位机。
[0049]
步骤5，上位机解析出小波变换系数后可以依据实际需求进行小波分析、小波去噪等，然后对小波变换系数进行逆变换即可恢复原始地震数据。
[0050]
由前述可知，本发明将spi传给单片机的地震数据转换为32位浮点型，并进行离散小波变换后将小波系数以miniseed格式存入emmc存储芯片中，该方案提升了地震数据的存储速度，并且使下位机存储的地震数据更易于后续的处理分析，具体的中断逻辑如图8所示。
[0051]
对前述方法进行实验，以不同小波(harr小波，coiflets系列
‘
coif3’、symlets系列
‘
sym2’、daubechies系列
‘
coif3’和biorthogonal系列
‘
bior4.4’)对采集的地震数据进行不同分解层数的小波变换得到的小波变换系数，再分别利用同一有损压缩算法进行压缩重构，整个流程的峰值信噪比对比如图9所示。
[0052]
spi中断每收到固定个数的由ads1281传回的地震数据时，对缓存区内的地震数据序列采用daubechies系列的“db3”小波进行5层离散小波分解，能够使后续地震数据压缩时具有最大的保真度。
[0053]
通过实验与现有技术的存储速度进行对比，在其余硬件条件相同的情况下，分别测试采用tf卡存储的地震仪与采用emmc芯片存储的地震仪的在exfat文件系统下的读写速度。写入存储卡的总数据量m＝48mb，单次f_write()写入多个块，通过stm32f407的定时器tim3每0.1ms计时一次，每次写入过程的总计数值为wrtime，写入速度speed的计算公式如式(1)。实验结果如表2所示。
[0054][0055]
表2tf与emmc写入速度
[0056][0057]
从表2可以看出，利用emmc作为存储介质存储地震数据，其写入速度高于tf卡。
[0058]
以上所述仅对发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。

技术特征：
1.一种基于小波变换的地震数据处理方法，其特征在于，包括检波器数据处理电路，所述检波器数据处理电路包括预处理电路、ads1281芯片、stm32f407单片机、ts3a27518epwr芯片、sdinbdg4芯片、gl823k读卡器，所述预处理电路与ads1281芯片的输入端连接，所述ads1281芯片的输出端通过spi总线与stm32f407单片机的spi接口连接；所述stm32f407单片机的clk引脚与ts3a27518epwr芯片的第17引脚连接，stm32f407单片机的cmd引脚与ts3a27518epwr芯片的第15引脚连接，stm32f407单片机的d0、d1、d2、d3引脚分别与ts3a27518epwr芯片的第18、16、11、13引脚连接，所述ts3a27518epwr芯片的com5、com6、com1、com2分别与sdinbdg4芯片的dat0、dat1、dat2、dat3引脚连接，所述ts3a27518epwr芯片的com4引脚与sdinbdg4芯片的clk引脚连接，所述ts3a27518epwr芯片的com3引脚与sdinbdg4芯片的cld引脚连接；所述gl823k读卡器的d0、d1、d2、d3引脚分别与sdinbdg4芯片的dat0、dat1、dat2、dat3引脚连接，gl823k读卡器的clk引脚与sdinbdg4芯片的clk引脚连接，gl823k读卡器的cmd引脚与sdinbdg4芯片的cmd引脚连接，gl823k读卡器的dm、dp引脚通过usb线与上位机连接；所述gl823k读卡器的5v引脚通过串联的第一电阻、第二电阻接地，三极管的发射极接地，所述第一电阻和第二电阻之间的节点与三极管的基极连接，三极管的集电极上拉第七电阻接电源，所述ts3a27518epwr芯片的in1、in2引脚均与三极管的集电极连接，所述stm32f407单片机的sd con引脚通过第六电阻与ts3a27518epwr芯片的in1引脚连接所述基于小波变换的地震数据处理方法包括以下步骤：步骤1，地震检波器感知的地震波通过ads1281芯片转换为数字信号通过spi总线传入stm32f407单片机的乒乓缓存区；步骤2，乒乓缓存区满后对该缓存区内的地震数据时间序列进行离散小波变换；步骤3，将步骤2输出的数据以miniseed标准地震数据交换格式的自定义格式写入sdinbdg4芯片；步骤4，通过gl823k读卡器读出sdinbdg4芯片中的数据并传给上位机；步骤5，上位机解析出小波变换系数后对小波变换系数进行逆变换即可恢复原始地震数据。2.根据权利要求1所述的基于小波变换的地震数据处理方法，其特征在于，所述miniseed格式规范中用于传输地震数据的子块是seed数据子块，seed数据子块中字段3定义了编码格式，字段5定义了数据记录长度；将字段3设置为保留值41，故字段5数据记录长度设置为2132。3.一种检波器数据处理电路，其特征在于，包括预处理电路、ads1281芯片、stm32f407单片机、ts3a27518epwr芯片、sdinbdg4芯片、gl823k读卡器，所述预处理电路与ads1281芯片的输入端连接，所述ads1281芯片的输出端通过spi总线与stm32f407单片机的spi接口连接；所述stm32f407单片机的clk引脚与ts3a27518epwr芯片的第17引脚连接，stm32f407单片机的cmd引脚与ts3a27518epwr芯片的第15引脚连接，stm32f407单片机的d0、d1、d2、d3引脚分别与ts3a27518epwr芯片的第18、16、11、13引脚连接，所述ts3a27518epwr芯片的com5、com6、com1、com2分别与sdinbdg4芯片的dat0、dat1、dat2、dat3引脚连接，所述ts3a27518epwr芯片的com4引脚与sdinbdg4芯片的clk引脚连接，所述ts3a27518epwr芯片
的com3引脚与sdinbdg4芯片的cld引脚连接；所述gl823k读卡器的d0、d1、d2、d3引脚分别与sdinbdg4芯片的dat0、dat1、dat2、dat3引脚连接，gl823k读卡器的clk引脚与sdinbdg4芯片的clk引脚连接，gl823k读卡器的cmd引脚与sdinbdg4芯片的cmd引脚连接，gl823k读卡器的dm、dp引脚通过usb线与上位机连接；所述gl823k读卡器的5v引脚通过串联的第一电阻、第二电阻接地，三极管的发射极接地，所述第一电阻和第二电阻之间的节点与三极管的基极连接，三极管的集电极上拉第七电阻接电源，所述ts3a27518epwr芯片的in1、in2引脚均与三极管的集电极连接，所述stm32f407单片机的sd con引脚通过第六电阻与ts3a27518epwr芯片的in1引脚连接。

技术总结
本发明涉及一种检波器数据处理电路及基于小波变换的地震数据处理方法，其解决了现有检波器检测到的地震波数据存储速度低，上位机对数据分析过程复杂的技术问题，其包括以下步骤：(1)地震检波器感知的地震波通过ADS1281芯片转换为数字信号通过SPI总线传入STM32F407单片机的乒乓缓存区；(2)乒乓缓存区满后对该缓存区内的地震数据时间序列进行离散小波变换；(3)将步骤2输出的数据以MiniSEED标准地震数据交换格式的自定义格式写入SDINBDG4芯片；(4)通过GL823K读卡器读出SDINBDG4芯片中的数据并传给上位机；(5)上位机解析出小波变换系数后对小波变换系数进行逆变换即可恢复原始地震数据。地震数据。地震数据。


技术研发人员：任强 常建树 黄新宇 刘宇聪 杨祖赫
受保护的技术使用者：威海双丰物探设备股份有限公司
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/20