跟着地震勘察技能向着精密丈量方向开展,有必要对频带宽、灵敏度高、失真度小的地震检波技能进行深化的研讨。一起,在勘察现场要按必定办法放置一组检波器，将这一组检波器的数据进行归纳剖析，然后得出相应的勘察成果。
本文依据地震勘察原理，提出一种构建地震勘察传感器网络的计划：将各节点信息传输到监控PC机，选用虚拟仪器技能，运用Labview编写运行在PC机上的测控软件，进行相应的数据剖析和处理；依据全光纤迈克尔逊干与体系，选用沟通相位盯梢零差检测技能(PTAC)，完成对待测信号的准确检测和差错信号的补偿，减小信号漂移对体系的影响；选用C8051f020单片机对解调后的信号进行采样，并将相关数据经过UDP／IP协议进行网络传输。计划完成了集信号处理和网络通讯于一体的智能地震勘察传感器网络节点。
1 体系概述和作业原理
本文规划的地震勘察传感器网络由散布在测验现场的各传感节点和监控主节点组成，依据以太网结构构建局域网，完成依据UDP／IP协议的数据通讯。传感器网络的体系结构如图1所示。在进行地震勘察时，各传感节点对干与体系输出的含有地震加速度信息的调制信号进行解调，并对解调后的信号进行采样和A／D转化、存储，然后依据主节点的指令将解调信息传输给主节点进行剖析，然后完成散布式的监测与信息处理。
传感节点首要由检波器、智能操控单元和网络接口三部分组成。检波器依据PTAC原理对从光勘探器(PIN)输出的调制信号进行解调，并向干与体系中的相位调制器输出载波信号和补偿信号，该部分选用模仿电路的办法进行规划，以确保解调的实时性。智能操控单元首要由单片机和存储器构成，完成对解调信号的数据收集和存储，并经过网络接口完成与监控主机的通讯。
2 PTAC解调原理
依据全光纤迈克尔逊干与体系的PTAC解调体系的原理框图如图2所示。激光器宣布的光，经端面耦合被3dB光纤分束器分红两束，别离在参阅臂和信号臂中传达，被高反膜反射后，沿原路回来，在耦合区发生干与，输出光强为：
式中，I(t)为干与仪的输出光强，Io为干与仪的输入光强，α为混频功率(与偏振态和耦合器的分束比有关)，△φs(t)为外界信号所引起的相位差，Acos(ωct)为载波所引起的相位差，A为引起相位差的振幅，ωc为载波角频率，△φn(t)为因为干与仪的两干与臂不肯定持平、温度改变、反应信号别离引起的相位差△φq、△φr(t)和△φb(t)的归纳。可表示为：
运用PIN勘探光强信号，得到电流信号，经前置扩大电路扩大后，输出电压可表示为：
式中，kv为PIN和前置扩大器所决议的系数。
对(3)式展开成傅里叶一贝赛尔级数即为：
经过剖析可知，将被测信号作为边带信号加载到整数倍载波频率的频带上，运用中心频率为ωc的带通滤波器对该信号进行滤波，得到：
式中，k1为份额系数。
将(5)式本地振动cos(ωct)相乘后，得到：
式中，k2为份额系数。
从(6)式能够看出有用信号会集在低频部分，运用低通滤波器进行滤波，得到：
式中，k3为份额系数。
假定△φs(t)=φssinωst，其间φs为引起相位改变的起伏，ωs为被测信号的角频率。依据对(6)式低频部分的傅里叶一贝赛尔展开式的剖析，运用另一低通滤波器从乘法器的输出中提取J0(φs)J1(φc)sinφn(t)一项作为积分器的输入，积分器的输出作为补偿信号反应给参阅臂的相位调制器，这样就削弱了温度漂移对解调的影响，使其安稳在西φn(t)=0的邻近。
因为△φs(t)的起伏很小，且φn(t)≈0，则有：
以υ3(t)作为解调的输出成果。依据光纤的应变效应和光弹效应，引起光纤长度改变的加速度信号与△φs(t)成正比，然后经过剖析解调输出υ3(t)，能够获取外界加速度信息。
3 传感器网络节点的硬件规划
传感器网络节点的硬件规划首要包括两部分：依据PTAC算法的解调电路规划；以单片机为中心的智能操控单元和网络接口规划。
3.1 解调电路规划
依据图2，解调电路的规划首要分为以下几部分：
(1) 前置扩大电路：选用OPA637集成运放(它具有开环增益高、输入偏置电流小、失调电压低、输入阻抗大等长处)连接成直流并联负反应电流扩大电路的方法，把PIN输出的微安数量级的电流转化为伏级的电压。反应电阻取值为1MΩ
。
(2) 乘法电路：要求乘法电路具有无直流漂移、低差错、低噪声的特色。选用AD534作为根本器材，运用AD534的X1作为信号的输入，Y1作为本地振动信号的输入。X2、Y2、Z2别离作为信号、振动信号、输出的直流偏移调整，Z1用作反应信号以起到安稳输出的功用。
(3) 带通滤波器和低通滤波器1的规划：运用MAX274及其外围电路完成带通滤波器和用于解调的低通滤波器1的规划。因为巴特沃思迫临具有最大的平整起伏，考虑到在通带内不发生附加失真，故选用巴特沃思迫临法规划滤波器。因为载波频率设定为10kHz，所以带通滤波器的通带规模设置为7.5k～12.5kHz，中心频率为10kHz。因为地震勘察信号频带一般在1kHz之内，为确保通频带内频谱特性曲线平整，低通滤波器1的截止频率设定为1.5kHz。
(4) 低通滤波器2的规划：该滤波器的效果是把乘法器输出信号中的一部分低频重量滤出作为补偿信号。因为这部分低频重量由两个干与臂不等长和温度改变所引起，是一缓变量，一般该重量的频率不大于0.1Hz，因而也选用二阶巴特沃思迫临法规划该低通滤波器，其原理图如图3所示。
(5) 本地振动器的规划：PTAC解调算法要求供给一个正弦信号用于解调，并作为载波信号输出给参阅臂上的相位调制器，选用%&&&&&%L8038发生该正弦信号，经过对外围电阻的调理使其输出频率为10kHz。
3.2 智能操控单元和网络接口规划
该部分首要分为数据收集模块和网络传输模块的规划。运用C8051F020单片机作为该部分规划的中心。
运用C8051F020单片机的片内A／D转化器将模仿信号转化为数字信号。该转化器的精度为12bit，转化速度可达100KSps，能够满意对解调信号的采样要求。运用内部集成的A／D转化器，不只降低了规划的杂乱性，并且减小了噪声的搅扰。
网络传输模块选用10Mbps的RTL8019AS芯片作为网络接口。为削减RTL8019AS和C8051F020之间的连线，选用地址／数据线复用办法，运用74LS373进行地址锁存。RTL8019AS与C805／F020的接口电路如图4所示。
图中，ALE为74LS373的锁存答应操控信号，C8051-F020的／RD、／WR引脚直接与RTL8019AS的IORB和IOWB相连，操控RTL8019AS读写外部数据。将RTL8019AS的相关寄存器地址映射为C805／F020的存储地址，经过读、写外部存储地址指令对RTL8019AS的寄存器进行设置。RTL8019AS作业在查询办法下，其复位由C8051F020的P5.2引脚直接操控，然后提高了复位的可靠性。经过操控RTL8019AS的相关寄存器，完成网络数据的传输。
4 软件规划与网络协议栈的移植
本规划完成了UDP、IP、ARP等协议在C8051F020单片机上的移植。依据嵌入式体系规划的思维，对UDP／IP协议进行裁剪。依据所规划的监控网络体系结构不是很杂乱，并且网络流量不是很大的特色，去除网络层有关路由等协议，自定制出合适本规划的精简UDP／IP协议栈。依据客户端／服务器方法，以监控PC机为服务器，各传感节点为客户端，选用UDP协议进行通讯。依据UDP／IP协议的原理，规划了ETH层、网络层、传输层和应用层四个子模块。当需求测验时，监控PC机以播送方法向各传感节点宣布采样指令。传感节点接纳指令后，发动采样，将采样数据存入缓冲区，当缓冲区满时，将节点标志信息和采样数据封装成UDP报文，经过RTL8019进行发送。运用定时器中止办法对解调信号进行采样，避免了因为次序履行办法对网络通讯程序的影响。采样模块与通讯模块之间同享数据缓冲区，经过信号量进行通讯，提高了程序的履行功率。监控PC机接纳到报文后，依据节点标志信息对不同传感节点的数据进行剖析、处理。当监测结束时，再次以播送方法向各传感节点宣布中止指令，使各节点中止采样。体系的主程序流程如图5所示。
5 试验成果
试验分为解调电路测验和网络通讯测验两部分。在对解调电路进行测验的试验中，采 用虚拟仪器的测验技能，使得测验进程愈加简略。运用NI公司的Labview软件和6221数 据收集模块模仿PIN的输出，作为解调电路的输入信号，且运用Labview软件收集解调信 号并调查解调成果。为了测验便利，选用正弦信号作为被测信号，并引进0.1Hz的温度漂移 信号，载波信号频率为10kHz，所引起的相位改变为π。对被测信号引起的相位改变在0.1～πrad、频率在10～1000Hz规模内的多组解调状况进行了测验。图6为被测信号频率为100Hz，所引起相位改变为0.1rad时的解调成果。从图6能够看出，解调信号与被测信号的相位一致性较好，且失真度小。
图7为该试验条件下，温度漂移信号与补偿信号的比照图。从图中能够看到，补偿信号与温度漂移信号相位相反，然后验证了补偿反应对温度漂移的遏止效果。
经过试验，该解调电路能够对引起的相位改变在0.1～πrad、频率在10～1000Hz规模内的被测信号进行解调。
为进行网络通讯试验，规划了简略的Labview软件，用于接纳来自传感节点的数据，并对该数据进行频谱剖析。图8为Labview软件对试验传感节点所解调波形的FFT剖析，然后验证了传感节点的网络通讯功用和该散布式处理的可行性。
经过试验测验，本文所规划的地震检波传感节点能够完成对10～1000Hz加速度信号的解调，具有失真度小和抗电磁搅扰能力强的特色。能够便利地进行组网，完成依据传感器网络的散布式信息处理。
