引用本文
李世念, 齐文博, 刘力强. 超动态变形场长时间观测系统[J]. 地震地质, 2019,41(6): 1529-1538.
LI Shi-nian, QI Wen-bo, LIU Li-qiang. A SUPER-DYNAMIC DEFORMATION MEASUREMENT SYSTEM WITH LONG-TIME PARALLEL CONTINUOUS ACQUISITION[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(6): 1529-1538.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.06.014
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超动态变形场长时间观测系统
李世念1,2), 齐文博1), 刘力强1),*
1)中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
2)中国煤炭地质总局勘查研究总院, 北京 100039
*通讯作者: 刘力强, 男, 1956年生, 研究员, 博士生导师, 主要从事构造物理及变形场研究, E-mail: liulq48@hotmail.com。

〔作者简介〕 李世念, 男, 1988年生, 2017年于中国地震局地质研究所获固体地球物理学专业博士学位, 主要从事地震失稳过程瞬态变形场实验研究和光纤传感监测技术研究, 电话: 18600823586, E-mail: lishinian2007@126.com。

收稿日期: 2019-01-03
基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFC1503301)、 国家自然科学基金(41572181)和中国煤炭地质总局科技创新项目(ZMKJ-2018-4)共同资助
摘要

地震模拟实验通过稳态加载获得失稳滑动或破裂事件来模拟地震过程。 实验中, 稳态变形与失稳滑动交替出现。 由于无法事先确定失稳发生的时刻与持续时间, 且一次实验中有可能产生多次失稳事件, 为了保证在极其短暂的失稳瞬间获得足够的数据以分析震源力学过程, 数据采集系统需要从实验开始直至结束一直保持高速连续工作。 一般的实验进程可能会持续十几h, 因此需要巨大的存储空间。 尽管还没有确切地了解失稳信号的频率上限, 但以往的实验已经证明信号的频率会达到几百甚至几千Hz, 所以采样频率应当达到MHz量级以上。 在这种连续长时间获取高频数据的情况下, 还要保持较高的信噪比。 此外, 以往的实验已经证明, 震源力学场具有复杂的空间结构, 难以用少数几个测点来描述, 需要对几十个以上的测点进行同步观测。 长时间连续记录、 高分辨率高频采样与多点同步观测4项技术手段的联合使用对观测系统的技术指标提出了巨大的挑战。 为此, 文中研发了一套高信噪比的64通道、 16位分辨率、 4MHz并行采集频率、 可以连续记录几十h的超动态变形场观测系统。 利用这套系统可以实现应变、 声发射及位移等多种信号的同步采集, 便于分析各种物理量之间的转换关系。

关键词: 超动态; 断层失稳; 变形场; 应变和声发射; 连续同步测量; 分布式并行采集
中图分类号:P315.61 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)06-1529-10
A SUPER-DYNAMIC DEFORMATION MEASUREMENT SYSTEM WITH LONG-TIME PARALLEL CONTINUOUS ACQUISITION
LI Shi-nian1,2), QI Wen-bo1), LIU Li-qiang1)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing 100039, China
Abstract

In the simulation experiments of earthquakes in laboratory, the instability slip or rupture events are obtained through steady state loading to simulate earthquake processes. In the experiments, steady-state deformation and unstable sliding occur alternately. It is hard to determine the origin time and duration of the instability event of fault, and there may be many instability events in one experiment. Therefore, in order to ensure that sufficient data is obtained at the extremely short instability moment to analyze the mechanical process of the earthquake source, the data acquisition system is required to continuously collect data at high-speed from the beginning of the experiment until the end, and the lasting time can be more than ten hours, so it requires huge storage space. Although the upper frequency limit of the instability signal is unknown exactly, but the previous experiments have shown that the frequency of the signal will reach hundred to several kilohertz, so the sampling frequency of the data acquisition should be above megahertz. In this case of long-time continuous high-frequency data acquisition, it is still necessary to maintain a high signal-to-noise ratio. Furthermore, previous studies have proved that the source mechanics field has a complex spatial structure, which is difficult to describe with a few measuring points, and it is necessary to perform simultaneous measurements of the source mechanics field for dozens or more measuring points. The combination of long-term continuous recording, high-resolution high-frequency sampling and multi-point simultaneous measurement poses a huge challenge to the technical indicators of the observing system. With the method for composing distributed synchronous acquisition machine group by using multiple high-resolution high-frequency sampling computers, a super dynamic deformation measurement system of high signal-to-noise ratio, which features 64-channel, 16-bit resolution, 4MHz sampling frequency, and parallel continuous acquisition with tens of hours was developed. This system can realize the synchronous acquisition of various signals, such as strain, acoustic emission, electromagnetic waves and displacement, so it is convenient for analyzing the conversion relationship between various physical quantities.

Keyword: super-dynamic; fault instability; deformation field; acoustic emission; continuous synchronous measurement; distributed parallel acquisition
0 引言

地震震源的力学过程是对地震效应进行解释的出发点, 地震学家利用地震波或其它变形数据, 通过反演的方法建立了多种震源模型(Reid, 1912; Brace et al., 1966; Dieterich, 1972, 1978; Byerlee, 1978; Ruina, 1983; Scholz, 1998; Lockner et al., 2002)。 然而, 由于无法直接观测深部震源, 强震难以预知, 关于震源模型的物理假设几乎得不到直接验证。 因此, 在实验室模拟实验中观测震源力学过程成为重要的研究方法。 通过实验观测, 许多研究者利用高速瞬态观测系统记录了地震失稳过程的应变、 应力、 位移和声发射等参数, 得到了关于震源力学行为的一些信息(Lei et al., 2000)。 例如, 断层滑动的速度可能达到Rayleigh波波速, 甚至发生超剪切破裂(Andrews, 1976; Rosakis et al., 1999; Bouchon et al., 2001; Dunham et al., 2003; Mello et al., 2010); 失稳过程中, 断层带各部分的位移速度不同, 断层带应变场具有一定的结构, 其结构图像会不断演变(Lockner et al., 2002; 马瑾等, 2012, 2014; McLaskey et al., 2015; 卓燕群, 2015; 马瑾, 2016); 一次失稳过程可能伴随多次振荡, 应变波会在震源区多次传播(郭玲莉, 2013; 李普春, 2013; 郭玲莉等, 2014)等。 然而, 受技术水平的限制, 这些实验所使用的观测系统往往存在以下明显缺陷, 使得观测结果存在较多不足:

(1)一些研究者为了对高速变化的变形信号进行观测, 采用了数据采集频率为kHz乃至MHz量级的瞬态记录仪。 这类仪器采用自备的静态存储器(SRAM)进行存储, 速度很快, 但存储空间不大, 只能短时工作。 为了保证记录到有效的信号, 只能人为设定触发判据, 触发后只能记录几ms到几百ms的信号, 无法获得变形失稳全过程的详细信息。

(2)另有一些研究者为了记录较长时间的“ 完整” 过程, 不得不降低采样频率, 丢失了失稳瞬间高速变化的变形信息。

(3)由于采样通道不多, 大部分实验中的同步观测信号往往不超过十几个, 因而不能足够清晰地描述变形场的空间形态, 或者仅仅得到了一些并不真实的变形场“ 平均效应图像” 。

(4)几乎所有的实验系统只能记录1种与失稳相关的物理量, 如位移、 应变或声发射中的某一个, 因此无助于解释地震失稳过程中各种物理量之间的控制关系, 例如如何在慢速滑移过程中激发出高频地震波, 就是一个一直没有得到观测的理论问题。

特别是在一些为地震预报研究而设计的实验中, 例如亚失稳、 成核作用、 亚临界滑动实验等, 实验模型的变形如何从稳态演进到失稳是研究者最关心的问题。 这个进程中包含的变形信号的频谱分布在直流到几百、 几千Hz的范围, 变化幅度从几个微应变到几千个微应变不等。 样品上各个部位呈现出不同的行为, 能量的流动构成了复杂的变形图像。 由于进入亚失稳或亚临界的准确判据未知, 只能把失稳之前的全部信息都记录下来。 失稳过程可能以某一个微小的扰动为起点, 故观测分辨率必须达到几个微应变。 以上等因素, 都对变形观测系统提出了很高的技术要求。

1 超动态变形场观测系统的建立

一般而言, 信号观测系统由3个主要部分组成: 信号的获取与调理、 数据采集和数据存储。 广义的地震模拟实验中的变形观测包括应变、 位移与振动测量等。 从观测技术系统上看, 这3类信号仅仅在信号获取与调理方式上有所不同。 信号获取取决于传感器的类型, 信号调理包括放大、 偏置与滤波等环节。 在这方面, 位移和振动测量信号的技术相对简单, 本文不再赘述。 应变信号的获取方法则比较复杂, 相关的技术方案也很多, 主要可分为光测与电测2类。 光测应变信号的方法很多, 曾经有云纹法(Theocaris, 1969)、 全息干涉法(Rosakis et al., 1999; Xia et al., 2004, 2005; Ben-David et al., 2010a, b)等, 近年来多使用数字散斑法(马少鹏, 2003; Zhuo et al., 2013; Ji et al., 2015)。 电测方法比较传统, 常用的有半导体应变片法与电阻应变片法。 光测方法的空间分辨率较高, 可以获得全场的变形图像, 但缺点是难以提高采样频率, 要在上千Hz的采样频率上达到几十个微应变的分辨率非常困难。 使用半导体应变片进行测量所存在的问题是温度稳定性差、 灵敏度一致性低、 大应变测量非线性误差大等, 这为高精度的变形场分析带来相当大的困难。 本系统使用了一种经过改进的电阻应变片变形测量技术, 一方面保持了电阻应变片高分辨率、 低温漂的优点, 另一方面降低了其高频段的噪声。 系统采用高速机群采集方案, 使得超动态应变观测点达到64个, 因此可以对样品上多个构造部位进行观测, 获得具有更细致空间结构的高频变形图像。 机群采集方案不仅在理论上可以无限扩充数据采集通道, 而且还解决了长时间高速采集带来的大数据流的带宽问题, 即随着采集通道的增加, 数据传输带宽同步增加, 不会出现一般的单机系统中所有采集通道共享一个数据流通道, 增加采集通道会导致数据流通不畅, 使采样速度被迫下降的问题。 本系统采取多种方案解决了机群方案中存在的各单元之间的高精度同步问题, 使得各个通道之间的数字信号可以在0.25ms以上的精度对齐。 多通道高速连续长时间的数据采集带来的另外一个难题是将产生TBytes量级的数据, 本系统也为这个问题提供了初步的解决方案。

1.1 对称恒流激励的瞬态应变调理技术

惠斯通电桥法是传统应变仪常用的变形测量方法, 在静态和一般动态应变测量时(几kHz以下), 具有电路噪音较小、 稳定性较好、 精度高、 价格低廉等优点, 常被用作应变仪的应变调理电路。 但惠斯通电桥存在对导线长度与环境温度敏感、 差动放大不平衡及输出非线性等问题。 在对几十kHz以上的高频、 大应变信号进行测量时, 惠斯通电桥法的精度、 信噪比及带宽等都难以满足要求(Brantut et al., 2016; Wang et al., 2016; Yue et al., 2017)。 采用单个恒流源来激励应变片虽然可以克服惠斯通电桥存在的变形量小、 易受引线电阻影响与非线性的问题, 但是这种方式提供的是单端输出的电压信号, 因此无法利用差动放大器的高共模抑制比性能来克服环境电磁的干扰。

对称恒流源调理技术使用一对匹配很好的恒流源来激励电阻应变片(图 1), 可平衡电路布局、 克服线路电阻变化与温度漂移、 抑制电磁噪声水平。 与同等测量条件下的惠斯通电桥相比, 对称恒流源调理具有明显优势(图 2): 恒流激励方式能够将应变片的阻值变化直接线性转化为输出电压的变化; 激励电流恒定, 导线电阻变化只会带来输出电压的偏置, 并不降低测量的灵敏度和精度; 对称恒流测压的测量方法使得应变片所需的功耗更低; 对称恒流源使电路布局平衡, 由应变片和连接导线耦合进入系统的静电和电磁噪声会被电路中差分放大器的共模抑制比消除, 能够将测量电路的信噪比提高100倍, 实际上提高了调理电路的有效分辨率, 拓宽了应变调理信号的频带范围(李世念等, 2018)。

图 1 对称恒流激励应变测量电路示意图Fig. 1 Circuit schematic diagram of balanced constant current excitation for strain measurement.

图 2 3种测量方式的噪声与信号频率的关系曲线
本图改编自文献①(http://www.pfinc.com/paper_briefs/Dynamic_Strain_revA.pdf。)。 与惠斯通电桥相比, 单端恒流测压方法在降低电阻热效应的同时, 能够使噪声水平得到6dB的改善, 但单端恒流测压方法依然不能消除电路的不对称性带来的噪声; 对称恒流测压技术能够抑制电路中的静电和电磁噪声, 与惠斯通电桥相比, 噪声水平降低了40dB(100倍), 提高了调理电路的信噪比和有效分辨率, 从而拓宽了应变测量信号的频带Fig. 2 Noise and signal frequency curves of the three measurement methods.

超动态变形场观测系统的应变信号调理电路(28454A, Precision Filter Inc)采用对称恒流源激励应变调理技术, 该电路还另外配有64通道、 宽频带(DC-700kHz)、 高性能多种程控滤波(最高截止频率为200kHz)方式, 通过滤波前、 后的2级放大获得了高信噪比、 宽频带的应变信号。

1.2 分布式高速数据连续采集技术

以本系统为例, 用分辨率为16bit(2Bytes)、 采样频率为4MHz的采集器对64个信号进行数据采集, 每s所产生的数据量是2Byte× 4M× 64=512Mbyte, 而计算机硬盘在理想情况下的连续写入速度一般不会超过70~80MBytes/s, 显然, 数据产生的速度已经超过了一般计算机可达到的连续存储速度。 同时, 在数据采集期间, 计算机需同时兼顾管理数据采集器、 从数据采集器向内存转移数据、 将原始数据变换为可处理格式与数据存盘等多项任务, 留给数据存储的时间更少, 因此, 需要在更短的时间内完成1个数据段(块)内的数据转存。 经验证明, 以上过程要求系统的转存速度比采集速度高1倍以上, 远远超过了一般计算机的连续存储速度。 另外, 本系统的连续采集会产生大量数据, 每h约产生1.8TBytes数据, 假如实验进行十几h, 数据量可能达到20~30TBytes, 超出了目前硬盘的最大容量。

基于上述现状, 系统使用分布式并行数据采集方式来解决单台采集器无法快速存储大量数据的问题。 系统配置的单块高速数据采集卡有4个高速同步采集通道, 16位数据采集分辨率, 将最高采集频率设定为4MHz。 每块采集卡配装1套可编程采集控制器, 控制器配有4TByte以上的数据存储磁盘空间。 16块采集卡与控制器组成了1套具有16个数据采集单元的高速数据采集系统。 在进行实验时, 根据实际的通道需求, 可使用部分或者全部采集设备并行采集。 这种分布式并行的数据采集存储方式把数据采集存储压力分散到16台单独的数据采集设备中, 大大拓宽了数据存储带宽。 以4MHz采样频率计算, 存储全部数据所需要的512MByte/s流量被分散到16个采集器, 每台采集器只要达到32MByte/s就能满足需求, 常规硬盘完全能够达到这个指标。

采用分布式系统实现的多通道高速数据采集技术, 关键是要保证系统内各个单元之间的精确同步。 通过各采集单元同步接收节拍信号的方式, 可高效直接地解决系统内的精确同步问题。 节拍信号由自主开发的多通道同步信号发生器(脉冲周期由信号发生器控制且可调, 脉冲上升沿时长为ns级, 远高于系统采集频率)和GPS授时脉冲2种方式获得。 系统每个单元中的1个采集通道接收周期同步脉冲, 在所采集的数据中获得统一的时标信号。 信号同步用以下3种方式实现(图 3):

图 3 具备3级同步控制的分布式并行数据采集系统Fig. 3 Distributed parallel data acquisition system with three levels of synchronous control.

(1)前端脉冲同步

在每个数据采集单元中选择1个应变信号记录通道, 通过加法器把来自中心信号发生器的同步脉冲与应变信号合成后输入至模数转换器, 用这种方式在每个单元中的1条记录上留下1个时间脉冲阶跃记录。 在处理数据时, 只要把各个单元的同一个同步脉冲的起跳点对齐, 即可将系统各个单元的记录统一到同一个时间轴上。 在概念上, 这类似于在传统地震记录中所使用的秒脉冲对时方法。 考虑到对起跳点的判读偏差, 前端脉冲同步的最高等效时间精度约1μ s。

(2)采集节拍同步

利用各个数据采集单元配置的外同步接口, 接入来自同一个信号发生器的高频同步节拍, 使各采样单元在外来节拍的触发下实现模数转换进程“ 齐步走” , 这在理论上可以达到高达几十ns的时间服务精度。 实际上, 由于种种原因可能发生丢拍的情况。 假如多次发生在同一个单元, 还将累加错位, 导致时间错误。 因此, 结合使用前端脉冲同步方法与采集节拍同步方法才能保证得到更可靠的精度。

(3)GPS授时脉冲同步

在分布式数据采集系统中, 各采集单元独立运行, 各自的采集进程启动时间偏差可能较大, 一般可能达到几个到十几ms; 另外, 计算机时钟节拍的准确度也无法满足高精度测量的要求, 单个采集单元自身每h的误差约100ms(以精度为± 25ppm的时钟为例), 受到环境温度、 匀载电容等不稳定因素的影响, 该误差还会进一步扩大; 同时, 在系统运行时, 个别单元还有可能偶尔发生迟滞阻塞的问题, 也可能发生ms级的时间错位。 为了保证在后期数据处理中依然能够尽快对准数据, 通过GPS室内转发系统, 用GPS授时脉冲(PPS)对每个采样单元的时钟进行校正, 校正精度不低于10μ s, 校正间隔为5s, 校正后的时钟数据与采样数据同步存储。 同时, GPS授时脉冲信号的上升沿精度一般在几十ns到1μ s之间, 通过统一各个采集单元记录到的脉冲上升沿起跳点, 同样可实现各个单元之间的精确同步。

1.3 高频多通道连续采集应变大数据的管理与检索技术

高频多通道数据连续采集所带来的另一个难题就是将产生大量的数据。 本系统中1个单元以4MHz的采样频率工作, 4个通道连续采集1h将产生115.2GBytes的数据。 16个单元全部启动, 64个通道连续记录1h将产生1 843.2GBytes的数据。 一次实验往往持续4h以上, 可产生约10TByte的海量数据。 这些数据以文件的方式分布在多个采集单元的磁盘上, 需要进行准确快捷的归档、 浏览和剪裁。 以往常用的方法是将数据绘制成图, 再利用图形特征选取研究的数据片段。 然而, 庞大的数据量使得作图过程变得异常缓慢, 即使是1h的数据图形就可能有超过9× 1011 个数据点要绘制。

为此, 系统使用了多级压缩索引方式, 实现了超动态应变场数据图形化的人机交互快速处理(图 4)。 实现的流程是: 首先将连续采集的数据按照时间顺序分成固定长度的段块, 每个段块包含有同样个数的数据, 如40 000条记录。 通过搜索筛分出本段数据的最大值与最小值, 计算数据的平均值与均方差, 记录数据的采集时间与文件指针, 形成本段数据的索引数组。 然后, 用每段数据的索引数组形成1个新的索引压缩数据文件。 必要时, 可以把一级索引压缩文件再次用同样的手法压缩, 即分段、 筛选最大最小值、 计算均值与方差。 如此往复索引压缩, 很快就能将非常大的原始数据采集文件索引压缩为原始文件的亿万分之一, 以便调用。 例如, 假定1个单元记录10h, 产生1 152GBytes的原始记录文件, 一级索引后形成的索引压缩文件约2GBytes, 二级索引后的文件可控制到约几十MBytes, 这对于一般计算机调用都已足够轻便。

图 4 多级数据索引压缩示意图Fig. 4 Multi-level data index compression diagram.

控制压缩比例的关键是设定合适的分段长度, 而合适的分段长度实际上是根据当前显示器的横向分辨率来确定的。 一般显示器的横向分辨率约2 000像素, 最高不超过8 000像素。 实验结果一般会在显示屏上按照采样时间顺序横向绘制, 即显示屏上的每排像素纵列都对应了1个时间段, 这个时间段内的所有数据都只会在这一列像素内反复绘制, 其结果是只能看到最大与最小值。 因此, 分段的最高比例是总采样点与屏幕横向分辨率的比值。 假定以4MHz连续采集10h, 屏幕分辨率为2 000像素, 那么1个像素列里面需要绘制7 2000 000个数据。 一般不会在第一级压缩里面直接采用如此大的分段压缩, 可能会分2~3级。 实际上, 用户在看到整体图像后, 还会逐步分段放大和移动挑选, 选择最合适的实验分析段落。 不同级别的压缩文件适用于不同的观察时间尺度, 以保证最好的不失真的视觉效果。

以上压缩计算与不同级别压缩文件的管理调用均可自动完成, 在后台工作, 无需用户干涉。

2 结语

(1)本系统的研发主要涉及长时间连续记录、 高分辨率高频采样与多点同步观测3项技术手段。 尽管以上3项技术的单项技术指标并不高, 但如果将其联合并同时应用在一个系统上, 将带来巨大挑战。 分布式同步采集是本系统解决该难题的关键技术, 其主要利用N台计算机组成的机群, 将单台计算机的数据传输带宽任意扩大到N倍。 随着计算机技术的快速进步, 本系统所实现的连续数据采集带宽可能能够在一台更高速度的计算机上得以实现。 但是, 按照本系统的技术方案配置这台速度更高的计算机, 则可获得更大的带宽, 建立更高性能的数据采集系统。 本文的技术方案可使现有的单机数据采集效率大大提高, 故可长久地保有其独到的价值。

(2)由于本系统的模数转换频率已经达到了4MHz, 在大大拓宽应变观测频带范围的同时, 也可满足实验室声发射及电磁波等高频信号数据的采集速度需求, 因此具备了同步记录声发射、 电磁波与高频应变波信号的条件, 这对于研究失稳过程中震源过程的力学变化具有重要价值。

致谢 刘培洵、 郭彦双、 汲云涛对本系统的设计和研发提出了宝贵的建议和帮助; 郭玲莉和李普春在高频变形场研究方面做了前期工作; 马瑾院士在亚失稳研究及地震模拟实验技术发展方向给予了重要指导。在此一并表示感谢!

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