石英水平擺傾斜儀觀測性能提高方法

王 秀 盧海燕 蔡 莉 占偉偉

（中國北京100029中國地震災害防御中心）

石英水平擺傾斜儀觀測性能提高方法

王 秀 盧海燕 蔡 莉 占偉偉

（中國北京100029中國地震災害防御中心）

為了提高SQ-70D型石英水平擺傾斜儀的觀測性能，研究影響傾斜儀性能的主要因素，并從軟硬件方面提出傾斜儀升級改造方法，升級后儀器測量精度可達亞像素級、動態范圍擴大到14″，應用場合顯著擴大；儀器從分鐘采樣升級為秒級數據采集，滿足行業標準要求。本次儀器性能升級易于實現，便于推廣。

石英水平擺傾斜儀；CCD測量系統；測量精度；細分算法；信號采集

0 引言

石英水平擺傾斜儀是觀測地球固體潮汐和地殼形變運動的主要儀器之一，具有測量精度高、抗擾性好，穩定性強等特點，在地震前兆工作中廣泛用于監測水平地傾斜變化等活動。由中國地震災害防御中心（原581廠）研發的一款高精度地傾斜觀測儀器——SQ-70D型石英水平擺傾斜儀，是首個使用電荷耦合器件（CCD）的地震觀測儀器，采用CCD測量系統代替傳統的模擬記錄方式（韓和平等，2005），使水平擺傾斜儀具有測量精度高、響應速度快、故障率低、功耗小等優點，在地震前兆觀測活動中發揮著重要作用。

隨著地震事業的不斷發展，地傾斜觀測對觀測儀器的性能要求越來越高。首先，由于CCD等器件性能的落后和軟件算法的限制，在理想情況下，SQ-70D傾斜儀的測量精度只能達到一個像素、工作周期大于30 s、最大測量范圍不超過1″，從而限制了傾斜儀的適用場合和使用范圍。其次，由于大多數觀測儀器采用的分鐘采樣率只能記錄低頻信號，很難完整記錄地震事件發生時的高頻信息（方燕勛，2012），2012年頒布的行業標準（DB/T 45—2012）《地震地殼形變觀測方法≈地傾斜觀測》要求：地傾斜觀測儀器能夠實現秒級數據采集處理。而SQ-70D傾斜儀采用分鐘采樣率，已無法滿足行業要求。

因此，為了提高SQ-70D傾斜儀的測量精度，擴大測量范圍、實現秒級采樣處理，本文從硬件和軟件兩方面研究影響傾斜儀測量性能的主要因素，并提出相應改進方法。

1 影響因素

SQ-70D傾斜儀主要由光源照明系統、CCD測量系統、數據通訊系統等組成。其中，CCD測量系統是決定傾斜儀測量精度和動態范圍的關鍵部分，主要由石英擺系統，光電傳感器（CCD）、CCD驅動電路、CCD信號采集電路、數據處理電路組成，結構見圖1。系統實現測量的過程為：固體潮和地形變通過石英擺系統放大后輸出光信號，光線狹縫成像于CCD器件的靶面上，CCD將光信號轉換為電信號輸出，信號采集電路獲取電信號并送入數據處理電路計算出此時的光斑位置，根據不同時刻的光斑位置即可推算固體潮或地傾斜的變化量。可見，影響傾斜儀測量性能的因素主要有石英擺成像系統誤差、CCD器件性能、信號處理電路精度、CCD驅動電路噪聲干擾以及定位算法優劣等（江育民等，2010）。本著低成本和易操作的原則，傾斜儀機械結構（如石英擺系統、照明系統）不作更改，只從硬件電路和軟件算法上，對傾斜儀CCD測量系統進行優化，實現只更換電路板即可完成儀器的性能升級，方便后續推廣工作。

圖1 SQ-70D傾斜儀CCD測量系統結構Fig.1 Block diagram of the CCD measurement system for SQ-70D tiltmeter

2 硬件改造

2.1 CCD傳感器

在傾斜儀中，CCD傳感器是完成光信號到電信號轉換的關鍵元件，其像元間距決定了觀測精度（王和順等，2010），像元數量影響著觀測范圍；CCD包含的像元數目越多，像元間距越小，其構成的測量系統分辨率就越高。SQ-70D傾斜儀采用線陣CCD，即TCD1500C，屬于早期產品，性能相對落后，已停產，因此急需升級傾斜儀的CCD傳感器件。根據需求分析，選擇Toshiba公司的TCD1711DG作為傾斜儀的CCD傳感器。工作時電信號分為奇偶兩路并行輸出，掃描速率是單路輸出的TCD1500C的近2倍，二者的特性參數對比見表1。采用新傳感器后，傾斜儀的CCD測量精度和工作頻率均得到提高。

表1 新舊CCD特性參數Table 1 Characteristic parameters of the old and new CCD

2.2 CCD驅動電路

CCD驅動電路決定了CCD的工作穩定性和采樣準確性，間接影響傾斜儀的觀測性能。CCD常用驅動方法有4種：IC法、EPPROM法、單片機法和可編程邏輯器件（CPLD）驅動法（張智輝等，2004）。其中，IC法的電路復雜、調試困難，很少使用；單片機法雖然設計簡單，但對單片機的速率要求較高且存在資源浪費問題；SQ-70D傾斜儀采用EPPROM法，電路結構較復雜，靈活性較差，不能實現在線編程；CPLD法是近年來應用較廣的一種CCD驅動方法，相較于EPPROM法，具有電路集成度高、可靠性好、編程靈活等優勢。因此，采用CPLD法重新設計傾斜儀的CCD驅動電路（Zhan Weiwei et al，2015），提高電路集成度且積分時間SH可編程調整，從而增強儀器穩定性和靈活性。改造前后的電路參數對比見表2。

2.3 CCD信號采集電路

CCD信號采集電路是CCD測量系統的重要組成部分，采樣速率和分辨率影響著傾斜儀的測量精度。目前，CCD信號采集常見做法是，采用AD轉換器，將CCD輸出信號進行模數轉換，保證信號的完整性，送入處理器進行算法處理。SQ-70D傾斜儀未采用AD轉換器，而是通過硬件電路設置閾值，對一幀信號進行二值化處理，其電路結構復雜，集成度較差，易引入硬件延時和噪聲干擾，采樣信息的不完整也間接增大了定位誤差。因此，采用高性能模擬信號處理器AD9826重新設計CCD信號采集電路。AD9826具有三通道結構，最高速率可達15 MSPS，對奇偶并行輸出的CCD信號能夠實現自動整合（見圖2箭頭）；內部集成信號預處理和16位AD轉換電路，能夠簡化外圍電路設計，減少硬件干擾（華園園等，2011）；功能配置可通過串口完成，無需現場調整，減少開發成本，內部結構見圖2。改造后的信號采集電路（圖3）結構簡單，集成度高，抗擾性增強，工作速率達1 MHz。

圖2 AD9826內部結構Fig.2 Internal structure diagram of AD9826

3 軟件改造

3.1 定位算法

受當前制造水平的限制， CCD、AD等硬件的精度只能達到某一量級，不能滿足更高精度要求，此時軟件設計和軟件算法是進一步提高傾斜儀測量精度的重要手段。目前，CCD像點定位細分算法是提高CCD測量精度的一種有效方法，經過細分算法處理后，像點定位精度可以達到亞像元級甚至超像元級。線陣CCD常用細分算法主要有最大值法、二值化法、重心法等（楊博雄，2005）。最大值法受噪聲影響大，分辨率低，已很少使用。二值化法是SQ-70D傾斜儀采用的定位方法，理想分辨率可達一個像素，但精度依賴于CCD信號波形，當出現波形不對稱或震蕩情況時，定位結果并不代表實際像點位置，所以精度和適用范圍具有一定局限性。重心算法的優勢在于數字化處理，無需硬件電路，精度可達亞像元級。采用Matlab軟件，對3種算法在不同噪聲情況下的光斑定位進行仿真實驗，結果見表3。

圖3 CCD信號采集電路原理Fig.3 Schematic diagram of the signal acquisition circuit

表3 仿真實驗結果（質心位置55）Table 3 Results of simulation experiment (center site is 55 )

由表3可見：最大值法和二值化法受噪聲影響較大，像點定位精度較低，通常精度要高于一個像素；而重心法在不同噪聲強度下，均能達到亞像素級的定位精度（誤差在一個像素范圍內）。為提高傾斜儀的測量精度，選擇重心算法替代二值化法進行定位計算。由于CCD的1幀數據量較大，為加快計算速度，對傳統重心法進行修改，算法公式如下

其中，i為像點位置，xi為像元在i位置的電壓值，為背景值，i0為所求像點位置。算法將CCD輸出信號的中間值作為閾值，根據閾值和背景值（像元平均亮度），找出信號的“有效邊界”，并在此范圍內計算重心位置。由于反射至CCD靶面上的光縫寬度約1 mm，占像元數約1 mm/4.7 μm=212個（近似于“有效邊界”所含像元數），所以此算法處理的像元信息量不大，軟件計算速率高。光縫在本時刻的相對位移值采用前后2次計算結果的差值乘以4.7 μm即可得出。

3.2 秒級數據采樣

行業標準《地震地殼形變觀測方法≈地傾斜觀測》（DB/T 45—2012 ）要求：地傾斜觀測儀器需要實現秒級數據采集處理。在此采用高性能低功耗、工作頻率達100 MHz的微控制器LPC1768作為CCD測量系統的主控制器（替換原有的C51單片機），通過程序結構的優化和高速電路的設計，實現北南/東西向數據采集每秒各1次的功能，將傾斜儀采樣速率從分鐘值升級為秒值，滿足行業標準要求。圖4所示為通過遠程監測軟件得到的傾斜儀24小時內EW向數據采集結果（觀測地點為河北懷來觀測臺站試驗洞室，觀測時間為2015年5月19日），數據曲線中的振蕩波形由遠震和刮風所致。

圖4 東西向數據采集結果Fig.4 Result of EW data acquisition

4 結束語

通過硬件升級和軟件優化，提高SQ-70D傾斜儀觀測性能，具體表現在：①儀器的測量分辨力從像素級提高到亞像素級；②實現行業標準要求的秒級數采；③動態測量范圍顯著提高（從1″擴大為14″），工作周期降低（從大于30 s降為大于10 s），從而擴大儀器的適用范圍，避免人工干預等活動，間接保證儀器觀測的連續性。升級后的SQ-70D傾斜儀在地震前兆臺站進行長期監測試驗，數據采集及儀器運行效果良好。儀器升級只需更換電路板，操作簡單，易于開展后續推廣工作。

方燕勛.不同采樣率數字石英水平擺記錄資料對比[J].地震地磁觀測與研究，2012，33（3/4）：291-293.

韓和平，任佳，康有明，等.陽原臺石英水平擺傾斜儀數字化改造[J].地震地磁觀測與研究，2005，26（4）：98-102.

華園園，姚大志，韋偉，等.高速A/D在多口CCD相機中的應用[J].光電子技術，2011，31（3）：202-206.

江育民，黃惟公，楊益.基于提高線陣CCD測量系統測量精度的研究[J].電子測量技術，2010，33（6）：98-101.

王和順，陳次昌，黃惟公.提高CCD測量精度的方法研究[J].光電子≈激光，2010，21（1）：63-65.

楊博雄.CCD細分技術及其應用研究[D].中國地震局地球物理研究所，2005.

張智輝，田地，楊義先.線陣CCD驅動電路設計的幾種方法[J].儀表技術與傳感器，2004，（6）：32-34.

Zhan Weiwei, Lu Hanyan, Cai Li, et al.Design of CCD driver for quartz horizontal pendulum tiltmeter based on CPLD[C].Proceedings of the Ninth ISPEMI, USA:SPIE, 2015:944605-944605-6.

Research on the methods of improving observation performance for quartz horizontal pendulum tiltmeter

Wang Xiu，Lu Haiyan，Cai Li and Zhan Weiwei
(China Earthquake Disaster Prevention Center,Beijing100029,China)

In order to improve the observation performance of SQ-70D quartz horizontal pendulum tiltmeter, the main factors affecting the performance of tiltmeter is studied, and the upgrading methods from hardware and software are proposed in this paper.The measurement accuracy of the upgraded tiltmeter can reach sub-pixel level, and the dynamic range can be up to 14″, which signifcantly expands the application of this instrument.Meanwhile, the tiltmeter can achieve the second-level data acquisition to meet the requirements of industry standards.The upgrading of SQ-70D tiltmeter is easy to be realized and popularized.

quartz horizontal pendulum tiltmeter，CCD measuring system，measurement accuracy，subdivision algorithm，signal acquisition

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.022

王秀(1987—)，女，遼寧大連人，助理研究員，主要從事地震觀測儀器計量檢定技術和方法的研究工作

地震科技星火計劃項目（項目編號：15408013406）；中國地震災害防御中心主任基金項目（項目編號：2220045053）

本文收到日期：2015-09-06