用于地震波检测应用的低噪声、低功耗解决方案

LHA9954用于地震波检测应用的低噪声、低功耗解决方案

1.引言
地震波不仅指地震产生的运动，而是施加在地面上的任何力，即便是人在地面上走路那么小的力，都可能产生的扰动。地震波检测相关应用属于典型的工业级精密数据采集系统，并且需要兼顾低功耗和超低噪声。
从地震波数据中可以提取大量信息，通过大量部署节点设备并将其互连，从各节点设备提取出来的大量数据经过科学分析或建模有着广泛的应用，例如地球物理研究，能源勘探，建筑或工程结构的健康监测等领域。下面介绍几种常见应用：
1.1.地震预警系统
地震是由构造板块的运动和碰撞引发的事件。碰撞产生的能量以地震波的形式在地球内部表面周围传播。这些波有多个方向，分为体波和面波。
体波有两种类型：纵波（P波）和横波（S波）。P波以一系列压缩波和稀疏波的形式沿传播方向行进。由于其传播的性质， P波呈球面发散。虽然其波能衰减在所有类型的波中是最大的，但其速度最快，介于 5 km/s 至 8 km/s 之间。快速能量衰减也使其成为破坏性最小的一类波。 P波不仅可以通过表面传播，还可以通过水或流体传播。S波也称为剪切波，紧随P波之后到达。其沿地球表面传播的速度约为P波的60%至70%。此类波垂直于传播方向和地球表面行进。 S波的能量衰减较少，比P波更具破坏性。 P波和S波统称为体波。
面波比体波慢10%，但破坏力最大。值得注意的是，地震波的传播速度与其经过的土壤类型有很大关系。面波由瑞利波和勒夫波组成。瑞利波是一种以纹波形式在地表附近传播的面波，它会引起顺行（沿传播方向）或逆行（与传播方向相反）旋转。由于其运动性质，它也被称为地滚波。勒夫波的行进方向与传播方向正交，但与地球表面平行。
S波和面波是更具破坏性的地震波，但其传播速度比破坏性最小的P波要慢。利用这种特征可以实现一种检测地震早期迹象的地震预警系统。这样，所有类型的系统都有一个很短的时间来作出响应，防止地震造成重大破坏。在剧烈地面震动发生前的一刻，住宅和商业建筑将能够关闭电力系统和天然气管道。使用保护区域周围多个位置部署的地震传感器网络，将有助于增加允许的反应时间。另外，非地震源引起的误报也会降到最低。
1.2.远程地震网络
火山学和地震学研究将地震传感器部署在险峻（有时甚至危险）的地形中。监测火山内部过程需要在多点进行地震动监测。在火山活动的某些阶段之后，这些位置可能会变得危险，并使地震传感器无法取回。低成本、低功耗地震传感器将会降低研究成本，同时保持很长的使用寿命。另一个类似情况是板块运动的特征，这也需要沿着断层线部署大量地震传感器。
1.3.结构健康监测
结构健康监测应用于工程灾害预防和楼宇安全，比如工程地质环境的变化、支护结构体的受力状况变化，可能在内部产生不同程度的损伤或破裂，甚至诱发灾变。利用微震监测技术对一些重大的隧道工程、桥梁等在使用期间进行实时监测，掌握结构内的微破裂前兆、损伤程度等，及时采取应对措施，确保使用期间的营运安全。在损坏的情况下，广泛分布的地震传感器网络可以定位结构损坏区域，从而降低目视检查的风险和成本。
1.4.能源勘探
地震勘探是地球物理研究和能源勘探的常用方法，其原理是利用人工方法激发的地震波在弹性不同的地层内传播规律来勘探地下的地质情况。通过节点设备记录和分析数据特点，能较准确地测定这些界面的深度和形态，判断地层的岩性，是勘探含油气构造甚至直接找油的主要物探方法。
在2022年初刚刚结束的两会上，李克强总理作政府工作报告，将“能源安全”上升至与“粮食安全”同等重要的战略高度。持续的高质量的勘探出新的油气资源，是保障中国能源安全，实现现代化的关键。

2.方案介绍
2.1.传感器
业界常用的传感器是地震检波器。它是一种地震动速度传感器，其重量轻，坚固耐用，不需要任何电源即可工作。现代地震检波器的外壳上固定有一块磁铁，并被一个线圈包围。线圈被弹簧悬挂起来，可以在磁体上移动。此运动相对于磁铁的速度会感生一个输出电压信号。检波器沿着阵列被植入地面，测量地震波从非连续面（如层面）反射回来的时间，如图1所示。

图1. 地震源和检波器阵列

2.2.数据采集
要精确测量和分析从地下深层反射回来的微弱地震波信号，对整个数据采集系统的要求极其苛刻。检波器通常输出的信号幅度最小只有几十μV，因此要求信号链总均方根噪声应小于1.0 μV rms。而在施加外界激励的情况下，信号幅度能达到几十mV，甚至1~2V，因此要求信号链动态范围达到140dB。另外，由于地震波信号频率较为丰富，要求信号链有限的平坦低通带宽范围为300 Hz至400 Hz左右，同时为避免其谐波分量和有效信号发生混叠，需要信号产生的谐波分量尽可能的小，做到超低失真，因此THD需要优于-120dB。因为地震监测仪器都埋在地表由电池供电且需要长时间工作，因此功耗要控制在20mW以内。

2.3.信号链方案
领慧立芯公司（Legendsemi）最新推出的32位超高分辨率ADC LHA9954，针对地震波检测信号链面临的挑战提供了完美的解决方案。该产品拥有卓越的性能：
● 集成可编程增益放大器：1, 2, 4, 8, 16, 32, 64
● 集成宽带数字滤波器：Sinc + 有限脉冲响应 (FIR) + 无限脉冲响应(IIR)（可选）
● 超低噪声：135.4dB SNR（250 SPS，PGA = 1）
● 超低总谐波失真度（THD）：–120dB
● 极低功耗： 12mW （高分辨率模式），7mW （低功耗模式）
● 极高共模抑制比（CMRR）：127dB
● 双通道多路复用器：第二通道用于自测

3.测试结果及分析
3.1.典型电路
一种基于LHA9954的典型检波器前端应用电路如图2所示，其中LHA9954在双极性±2.5V模拟电源下工作，它还可以在单极性5V模拟电源下工作。

图2. 检波器信号链典型电路

检波器输入信号由差模滤波器（元件C4和R1至R4）和共模滤波器（元件C2、C3和R1、R2）滤波。差模滤波器从输入信号中去除高频差模分量，共模滤波器去除两条输入引线的共模高频分量。电阻器R5和R6将信号输入偏置到中间电源点（地）。对于单电源操作，将偏置设置为低阻抗中间电源点 (AVDD/2=2.5V)。
可选的二极管钳位保护LHA9954 输入免受高电平电压瞬变和过载的影响。如果可能的高电平输入瞬变和浪涌超过ADC内部ESD二极管的额定值，二极管会提供额外的保护。
LHR3050 5V基准为ADC提供基准。可选的滤波器网络（R7和C5）可降低带内参考噪声，从而提高动态性能。然而，RC滤波器网络会增加滤波器的稳定时间（从几秒到几分钟），具体取决于电容C5的介电吸收特性。电容C7是强制性的，提供参考输入的高频旁路；将C7尽可能靠近LHA9954引脚。电阻器R7（1kΩ）会导致1%的系统增益误差。多个ADC可以共享一个参考，但如果共享，则为每个ADC使用独立的参考滤波器。

3.2.评估板方案
本文信号链方案的主要性能，使用如图3所示的评估板进行测试。

图3. 检波器信号链评估板

ADC配置及数据显示和采集使用配套上位机软件实现，如图4。

图4. 上位机数据采集

3.3.结果分析
1）噪声性能

表格1. 高分辨率模式 SNR (dB) 和输入参考噪声 (µVRMS) 

表格2. 低功耗模式 SNR (dB) 和输入参考噪声 (µVRMS) 

2）总谐波失真度

PGA = 1, Vin = 2.36V@31.25Hz Sine Wave, Temperature = 25℃, First 5 Harmonics

PGA = 2, Vin = 1.18V@31.25Hz Sine Wave, Temperature = 25℃, First 5 Harmonics

PGA = 4, Vin = 590mV@31.25Hz Sine Wave, Temperature = 25℃, First 5 Harmonics
注:低频1/f噪声来自信号源

3）功耗
HR模式功耗对比

LP模式功耗对比

Standby和Power Down模式对比

4.总结
本文方案中使用的32位高精度ADC LHA9954主要针对精密测量仪器如能源勘探，地震监测，自动化测试设备等领域。该产品拥有100%自主知识产权，核心指标均达到国际先进水平，同时兼具超低功耗，针对我国能源勘探所面临的挑战提供了完美的解决方案，打破了国外芯片厂商几十年的独家垄断，为中国能源安全保驾护航。