摘要
伴随着城市经济飞速发展和人口的大量涌入，城市地下空间探测经验的欠缺和城市管理水平不足的问题凸显，一些城市相继发生了地铁路面塌陷、工程管道线路泄露爆炸、地下空间积水和内涝等事件，给城市的发展和人民群众的安全问题敲响了警钟。为了有效、充分和安全的进行城市地下空间开发，高效准确的探测工作是城市地下空间安全开发的先决条件，浅层地震勘探技术通过分析采集的数据来确定不同地层的分界线和具体厚度、所探测区域地下空间的具体形状、地层的构造类型等信息，有利于帮助本系统安全准确的确定适宜开发城市地下建筑物的具体深度和位置区域等信息。 本文从城市地下空间浅层地震勘探技术方面展开研究，以地震波反射法作为理论基础，针对现有城市地下空间浅层地震采集系统的噪声大、功耗高、实时传输不稳定、动态范围较小和施工繁杂等问题，提出了一种切实有效的设计方案。首先针对噪声过大的问题，通过设计前端调理电路、防浪涌二极管、小波纹电源芯片及高精度和低噪声的模-数采集芯片；为了满足长时间野外工作和避免频繁更换电池，本文通过硬件层面、驱动层面和系统层面进行优化改进不必要的损耗，硬件层面主要是选择低静态电流和高效率的电源芯片、优化原理图电路和电路板布局等，驱动层面是根据实际需要来选择采集芯片AD7768、测试芯片AD9837等器件的具体工作模式，系统层面是在FreeRTOS(Free Real Time Operating System)嵌入式操作系统里应用Tickless低功耗机制；针对现有实时传输速率较慢的问题，本系统通过双网口以太网收发器进行接力式数据传输；针对传统城市地下空间浅层地震勘探动态范围不足的问题，设计了宽频带、大动态范围、高信噪比的硬件系统；针对目前严苛的城市施工环境，本文设计了集小型、轻便、易携带、防尘防水等优点的金属仪器外壳。 考虑到上述要求，本文研究内容主要包括整体硬件电路的设计、下位机系统移植和程序开发、FPGA(Field Programmable Gate Array)的逻辑设计和数据交互程序设计，达到了系统采集功能测试、数据采集、存储和传输等目标。最后，完成了城市地下空间浅层地震数据采集系统样机并对该样机进行性能指标测试和锤击震源实验。测试的结果达到了预期的设计目标，仪器工作正常，并且各个模块之间和上下位机之间的通信稳定可靠。
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