一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量方法及系统

摘要

本发明公开了一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量方法及系统。本发明模拟地层环境，以放置岩石的金属支撑台作为参考基准，分别在岩石和金属支撑台的侧面多点布置传感器；在2Hz～2kHz频率范围内选取多个频率点，分别将对应这些不同频率但相同相位和幅值的交变电压信号，将交变电压信号作为标定和测量模式的激励源，采用实时标定和测量的方式，对测量得到的电压幅值和相位进行自校准，最后依据自校准后的幅值和相位计算岩石弹性参数和非弹性参数。系统主要由信号激励模块、机械模块、标定与测量切换模块和数据采集处理模块构成。本发明能消除环境参数变化带来电子测量系统幅值和相位的漂移，提高系统幅值和相位测量精度。

说明书

技术领域

本发明属于岩石物理特性分析技术领域，具体涉及一种幅值和相位自 校准的低频岩石物理测量系统。

背景技术

岩石物理特性研究的重要性在于它能很好地解释地表地球物理观测结 果，为地质正反演提供科学的数据资料，标度地球物理参数。岩石的物理 性质主要是由组成岩石矿物的性质、岩石所处的热力学环境（温度和压力） 以及岩石微构造（孔隙、裂纹）三类因素所决定的。通过对岩石样品物理 性质的测量，就能获得地下岩层的整体性质，就能获得地层下油气、矿物 和元素分布的信息。

迄今为止，基于岩石中波传播性质的地震方法是目前地球物理勘探中 最主要的方法。岩石中可能产生两类弹性波（频率在2kHz以下），一类是 纵波，也就作P波，其质点运动方向与波传播方向平行；另一类是横波， 也叫S波，它的质点运动方向与波传播方向垂直。岩石受到外力而在与该 力平行和垂直的两个方向上发生的形变就是P波和S波在岩石中传播的宏 观体现。

实验室测量P波和S波以及波速衰减的方法很多，但各种方法能够测 量的频率范围不同，每种方法只适用于一定的频率范围。

描述岩石弹性参数的量有拉梅常数λ，剪切模量μ，体积模量K，杨 氏模量E，泊松比γ，弹性波波速V_P、V_S等。事实上，这些参数中只有两个 量是相互独立的，并且他们均可以由应力σ、纵向应变ε⊥和横向应变ε_||三个 量推导出。因此，岩石弹性参数的测量就转化为应力、纵向应变和横向应 变的测量。

由于岩石并不是理想的弹性体，它还表现出一定的非弹性性质。采用 岩石的品质因子Q（与衰减系数α成反比）来表征岩石的非弹性性，Q值越 小，非弹性特性就越突出，对于完全弹性体，Q=∞。在低频岩石物理测量中， 我们给岩石施加的并非一个恒定的压力，而是一个交变的应力，即 σ=σ₀sinωt。岩石的非弹性特征就通过纵向应变或横向应变与应力σ之 间的相位差θ表现出来。因此，岩石非弹性参数的测量就化为应力与应变 （纵向或横向均可）之间相位差的测量。

现有的岩石应力-应变测量方法没有考虑电子系统在测量一个信号的 幅值和相位时，往往会受诸多因素影响，如温度、时间以及信号频率的改 变都会导致测量值与真实值有很大偏差。休斯顿大学岩石物理研究所关于 低频岩石物理测量的实验结果表明，固定一个信号的幅值和相位，当信号 频率变化时，电路部分实际测量的幅值和相位也随之变化，尤其是相位甚 至发生了反转。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是在于提供了一 种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量系统，该系统能消除环境参数变 化带来电子测量系统幅值和相位的漂移，提高系统幅值和相位测量精度。

一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量方法，具体为：

（1）搭建测量环境步骤：

将圆柱形岩石置于金属支撑台上并处于围压容器内，向围压容器内泵 入传压介质，分别在岩石的侧面纵向和横向多点布置传感器；金属支撑台 的上部分为截面直径与岩石相同的圆柱形，在金属支撑台的圆柱形侧面纵 向多点布置传感器；

（2）标定步骤：

在2Hz～2kHz频率范围内选取多个频率点，分别将对应这些不同频率 但相同相位和幅值的交变电压信号输入各位移传感器，采集各位移传感器 的输出交变电压信号，对输出交变电压信号放大、模数转换得到标定电压 信号；针对每一个位移传感器,计算各频率对应的标定电压信号幅值V₁和相 位θ₁，构建标定步骤频率点与标定电压信号幅值和相位间的映射关系；

（3）测量步骤：

向各位移传感器输入直流电压信号，采用标定步骤所用的多个交变电 压信号作为激振信号产生交变力,将交变力施加到岩石上，岩石产生形变， 各位移传感器采集岩石形变量并转换为测量电压信号，对测量电压信号进 行放大和模数转换；所述交变力的频率、幅值和相位与标定步骤所用的交 变电压信号相同；针对每一个位移传感器，计算各频率对应的测量电压信 号幅值V₂和相位θ₂，构建测量步骤频率点与测量电压信号幅值和相位间的映 射关系；

（4）幅值和相位自校准步骤：

对于每一个传感器，计算其对应的校准后交变电压信号的幅值 V_in＝V_refV₂V₁及相位θ_in＝θ₂-θ₁+θ_ref，其中，V_ref和θ_ref为交变电压信号的幅 值和相位；

（5）岩石属性参数计算步骤：

依据校准后交变电压信号的幅值和相位计算岩石弹性参数和非弹性 参数。

进一步地，所述步骤（5）岩石属性参数计算步骤具体为：

计算幅值和相位均值：计算金属支撑台的多个传感器校准后幅值均值 和相位均值岩石侧面纵向设置的多个传感器校准后幅值均值和 相位均值岩石侧面横向设置的多个传感器校准后幅值均值和相位均 值

计算岩石弹性参数：岩石杨氏模量岩石泊松比 岩石体积模量K_r＝E_r3(1-2λ_r)，岩石拉梅常数 γ_r＝E_rλ_r(1+λ_r)(1-2λ_r)，岩石纵波速度岩石横 波速度式中，E_m为金属支撑台杨氏模量，ρ为岩石密度；

计算岩石非弹性参数：岩石衰减系数

进一步地，所述步骤（1）测量环境步骤中位移传感器设置方式具体为： 在岩石侧壁纵向和横向分别均匀布置四个位移传感器，在金属支撑台的圆 柱形侧壁纵向均匀布置四个位移传感器。

本发明方法的技术效果体现在：

本发明考虑到温度、时间、频率等因素对测量系统电路部分的影响， 对多个不同频率点采用实时标定和测量的方式，对测量结果进行幅值和相 位自校准，能够准确地测量电压信号的幅值和相位。该方法能消除环境参 数变化带来电子测量系统幅值和相位的漂移，提高系统幅值和相位测量精 度。

进一步地，在岩石属性参数计算步骤中，采用自校准后的交变电压信 号的幅值和相位均值作为参数计算依据，提高了测量精度。

进一步地，对位移传感器的布置进行了优化，综合考虑岩石在各个方 位存在不同程度的变形以及计算量，优选分别横向和纵向均匀布置多个（优 选四个）位移传感器。

为实现本发明的另一目的，本发明提供了实现上述方法的低频岩石物 理测量系统，包括

信号激励模块，其输入端连接数据采集处理模块的信号控制输出端， 其输出端连接标定与测量切换模块和数据采集处理模块的输入端，用于接 收来自数据采集处理模块的频率相位幅值控制信号，产生相应的交变电压 信号，并输出给标定与测量切换模块和数据采集处理模块；

机械模块，包括金属支撑台、围压容器、位移传感器和激振器，金属 支撑台用于支撑岩石，围压容器用于为岩石和金属支撑台提供密闭带压空 间，岩石侧壁纵向和横向多点布置有位移传感器，金属支撑台侧壁纵向多 点布置有位移传感器，激振器的激励端连接标定与测量切换模块的输出端； 在标定模式下，位移传感器接收来自信号激励模块的交变电压信号，将其 作为标定电压信号输出给数据采集处理模块；在测量模式下，激振器以来 自信号激励模块的交变电压信号为激励源产生交变应力作用在岩石和金属 支撑台上，传感器采集表征岩石形变量信号并转换为测量电压信号传送给 数据采集处理模块；

标定与测量切换模块，其输入端连接信号激励模块的输出端，其控制 端连接数据采集处理模块的模式选择输出端，用于接收来自采集处理模块 输出的模式选择信号，以使得机械模块在标定模式和测量模式间切换；

数据采集处理模块，其输入端连接机械模块的传感器的输出端，其信 号控制输出端连接信号激励模块的输入端，其模式选择输出端连接标定与 测量切换模块的控制端，用于向信号激励模块传送频率相位幅值控制信号， 向标定与测量切换模块传送模式选择信号，用于接收来自机械模块的标定 电压信号或测量电压信号；在标定模式下，对于每个传感器，构建标定模 式频率点与标定电压信号幅值和相位间的映射关系；在测量模式下，对于 每个传感器，构建测量模式下频率点与测量电压信号对应幅值和相位间的 映射关系，结合标定模式和测量模式下构建的映射关系进行幅值和相位的 自校准，并依据自校准结果计算岩石属性参数。

进一步地，所述标定与测量切换模块包括电池、继电器驱动模块和两 个继电器；电池的输出端连接第一继电器的输入端，第一继电器的输出端 连接位移传感器的输入端；第二继电器为双刀双掷式，其第一输出端连接 位移传感器的输入端，其第二输出端连接激振器的输入端，其输入端连接 取信号激励模块的输出端；两继电器的控制端均连接继电器驱动模块的继 电器控制信号输出端，继电器驱动模块的控制端连接数据采集处理模块的 模式选择输出端。

进一步地，所述数据采集处理模块包括依次连接的前置放大电路、模 数转换电路、FPGA和计算机；前置放大电路的第一输入端连接信号激励模 块的输出端，前置放大电路的第二输入端连接位移传感器的输出端，FPGA 的模式选择输出端连接标定与测量切换模块的控制端，FPGA的信号控制输 出端连接信号激励模块的输入端。

进一步地，所述计算机内加载有计算系统，计算系统包括

标定映射关系构建模块，用于在标定模式下，对于每个传感器,计算各 频率对应的标定电压信号幅值V₁和相位θ₁，构建标定模式频率点与标定电压 信号幅值和相位间的映射关系；

测量映射关系构建模块，用于在测量模式下，对于每个传感器，计算 各频率对应的测量电压信号幅值V₂和相位θ₂，构建测量模式频率点与测量电 压信号幅值和相位间的映射关系；

幅值和相位自校准模块，用于对于每一个传感器，计算其对应的校准 后交变电压信号的幅值V_in＝V_refV₂V₁及相位θ_in＝θ₂-θ₁+θ_ref，其中，V_ref和 θ_ref为交变电压信号的幅值和相位；

岩石属性参数计算模块，包括

幅值和相位均值计算子模块，用于计算金属支撑台的多个传感器校准 后幅值均值和相位均值岩石侧面纵向设置的多个传感器校准后幅值 均值和相位均值岩石侧面横向设置的多个传感器校准后幅值均值和相位均值

岩石弹性参数计算子模块，用于计算岩石杨氏模量岩 石泊松比岩石体积模量K_r＝E_r/3(1-2λ_r)，岩石拉梅常数 γ_r＝E_rλ_r/(1+λ_r)(1-2λ_r)，岩石纵波速度岩石 横波速度式中，E_m为金属支撑台杨氏模量，ρ为岩石密 度；

岩石非弹性参数计算子模块，用于计算岩石衰减系数

本发明测量系统的技术效果体现在：

本发明能够模拟地层条件，即在低频段（2Hz～2kHz）频率范围内对岩 石样品的弹性和非弹性参数进行测量：激振器产生一定频率的纵向交变应 力，使岩石样品和基准块（即金属支撑台）产生微小形变，位于岩石样品 和基准块表面的光纤式位移传感器将微小形变转化为微小电信号，最后经 多通道数据采集系统获取该频率点的测量结果。对多个不同频率点采用实 时标定和测量的方式，对测量结果进行幅值和相位自校准，能够准确地测 量电压信号的幅值和相位。本发明利用标定与测量切换模块方便地在标定 与测量模式进行切换，通过数据采集处理模块对多个不同频率点进行实时 标定和测量，激励信号由数据采集处理模块控制，并经低通滤波和功率放 大，可以实现激励信号的频率可调、相位可调、幅度可调、功率可调等功 能。本发明测量系统能够准确地测量电压信号的幅值和相位，消除环境参 数变化带来电子测量系统幅值和相位的漂移，提高系统幅值和相位测量精 度。

进一步地，所述标定与测量切换模块采用两个继电器配合方式实现标 定与测量模式的切换，结构简单，容易实现，响应快。

进一步地，所述数据采集处理模块以FPGA为核心，主要完成对继电器 的开关控制、DDS电路的频率控制、模数转换电路的时序控制以及和计算机 的通信。FPGA与计算机可采用USB2.0、100M Ethernet和RS230多接口相 连，数据传输速率可达数十兆每秒

附图说明

图1为一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量系统工作流程图。

图2为一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量系统结构框图。

图3为电动式激振器结构图。

图4为光纤式位移传感器结构图。

图5为经DPSD算法处理前后的信号对比图，图5（a）为处理前，5 （b）为处理后。

其中：1、DDS（直接数字频率合成器）；2、低通滤波器；3、功率放 大电路；4、电池；5、取样电路；6、激振器；7、围压容器；8、岩石样品； 9、基准铝块；10、光纤式位移传感器；11、压力泵；12、第一继电器；13、 第二继电器；14、继电器驱动模块；15、前置放大电路；16、模数转换电 路；17、FPGA；18、计算机；19、弹簧；20、壳体；21、顶杆；22、磁钢； 23、磁极；24、线圈；25、铁芯；26、岩石样品；27、基准铝块；28、金 属套管；29、光纤；30、相关电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

参见图1,本发明测量方法包括如下步骤：

（1）搭建测量环境

将圆柱形岩石置于金属支撑台上并处于围压容器内，向围压容器内泵 入传压介质，分别在岩石和金属支撑台上设置位移传感器。具体而言，由 于岩石变形存在各向异性，因此可在其侧面多点布置传感器，推荐在其侧 壁纵向均匀布置四个位移传感器，用于采集岩石表面的纵向形变，在其侧 壁横向均匀布置四个位移传感器，用于采集岩石表面的横向形变。在本发 明中，金属支撑台作为基准，因此将其上部分加工为直径与岩石相同的圆 柱形，按照与岩石相同的方式布置位移传感器。

（2）标定

在2Hz～2kHz频率范围内选取n个频率点f_k，k=1,…,n，分别将对应这 些不同频率但相同相位和幅值的交变电压信号输入位移传感器，采集位移 传感器的输出交变电压信号，对输出交变电压信号放大、模数转换得到标 定电压信号。计算各频率对应的标定电压信号幅值和相位，构建未发生形 变时频率点与标定电压信号对应幅值和相位间的映射关系，以备后续测量 过程中的幅值和相位自校准。

频率点选取越多，测量结果越准确，但增加了计算量，实际应用中可根 据精度和时间要求进行调整，例如按每十倍频程取十个频率点。

（3）测量

向各位移传感器输入直流电压信号，采用标定所用的n个交变电压信 号作为激振信号产生并向岩石施加交变力，岩石产生形变，各位移传感器 采集岩石形变信号，对岩石形变信号放大、模数转换得到测量电压信号。 交变力的频率、幅值和相位与标定所用的交变电压信号相同。针对每一个 传感器，计算各频率对应的标定电压信号幅值和相位，构建岩石形变下频 率点与测量电压信号对应幅值和相位间的映射关系。

（4）幅值和相位自校准

令作为激振源的交变电压信号的幅值为V_ref和相位为θ_ref，标定电压信号 的幅值为V₁和相位为θ₁，测量电压信号的幅值为V₂和相位为θ₂，

计算校准后交变电压信号的幅值V_in＝V_refV₂V₁，相位θ_in＝θ₂-θ₁+θ_ref。

由于V_in和θ_in表达式中的参量都是系统实时测得的，消除了温度、时间 和频率等因素的影响，因而待测信号的幅值和相位实现了自校准。

按照上述自校准方式得到每个传感器对应的校准后交变电压信号的幅 值和相位。

（5）计算岩石弹性参数和非弹性参数

求取金属支撑台的多个传感器校准后幅值均值和相位均值，

岩石侧面纵向设置的多个传感器校准后幅值均值和相位均值岩 石侧面横向设置的多个传感器校准后幅值均值和相位均值

A.弹性参数计算

在测量过程中，岩石和金属支撑台在纵向上受到的应力的幅值一样， 于是岩石和金属支撑台的杨氏模量为：E_r＝σε_v，E_m＝σε_r(E_m为金属支撑 台的杨氏模量，是已知量)。由于位移传感器输出电压幅值与所测形变量成 正比，即那么同样地，有岩石的泊松比 为：岩石其它的弹性参数均可由E_r和λ_r导出：体积模量 K_r＝E_r3(1-2λ_r)，拉梅常数γ_r＝E_rλ_r(1+λ_r)(1-2λ_r)，纵波速度 $v_p=\sqrt{E_r(1-{\lambda }_r)/\rho (1+{\lambda }_r)(1-{2\lambda }_r)},$横波速度$v_s=\sqrt{E_r/2\rho (1+{\lambda }_r)},$ρ为岩石密度。

B.非弹性参数计算

施加的交变应力是周期性的振动波，先通过岩石然后再传送到金属支 撑台会产生一定的延时，因此和能在一定程度上表征该岩石特性，从 而可计算出岩石的衰减系数为：

基于上述方法，本发明提供了一种低频岩石物理测量系统，包括信号 激励模块A、机械模块B、标定与测量切换模块C和数据采集处理模块D。

信号激励模块A用于产生激励交变电压信号，其包括依次电连接的交 变信号发生器1、低通滤波器2、功率放大电路3和取样电路5。DDS1的输 入端连接数据采集处理模块D的信号控制输出端，取样电路5的输出端连 接数据采集处理模块D的输入端和测量切换模块C的输入端。交变信号发 生器1接收来自数据采集处理模块D的频率相位幅值控制信号，产生相应 的交变电压信号，交变电压信号经过低通滤波器2滤波整形、功率放大电 路放大后输出，取样电路5对其取样后输出给数据采集处理模块D。

按照本发明的一种实施方式，交变信号发生器1采用直接数字频率合 成器（DDS），DDS具体选型是ADI公司的AD9850。AD9850是一款高度集成 的器件，采用先进的DDS技术，内置一个高速、高性能数模转换器和比较 器，共同构成完整的数字可编程频率合成器和时钟发生器。DDS输出的正弦 波信号实际上是片内DAC输出的阶梯正弦波，再加上参考时钟频率和器件 本身噪声等等许多因素的影响，高频杂散噪声很大。为了得到一频谱纯度 很高的信号，采用5阶截止频率为42MHz椭圆低通滤波器。功率放大电路 用来将正弦波信号作进一步的功率放大以驱动激振器和光纤式位移传感 器。采用甲类功率放大电路，可以使信号的非线性失真最小。

机械模块B包括激振器6、围压容器7、金属支撑台9、位移传感器10 和压力泵11。金属支撑台9用于放置岩石8，围压容器7连接压力泵11， 用于对金属支撑台9和岩石8形成一个密闭带压的空间，以模拟地层高压 封闭环境。在金属支撑台9和岩石8侧壁设置位移传感器10，位移传感器 10的输出端连接信号处理控制模块，用于将采集的岩石形变信号传送给信 号处理控制模块。激振器6的输入端连接标定与测量切换模块C的输出端， 若激振器6接收到标定与测量切换模块C的启动信号，则表明进入测量模 式，向岩石产生交变力，否则，表明进入标定模式，暂停工作。金属支撑 台9可采用铝、铝合金等金属制备。激振器7可采用电动式的永磁铁激振 器，如图2所示，当线圈24通过经功率放大后的交变电流时，根据磁场中 载流体受力的原理，线圈将受到与电流成正比的点动力作用，此力通过顶 杆传到被测对象，即为激振力。激振力作为纵向的交变应力施加在岩石样 品和基准铝块上。激振器只在测量模式下工作。液压泵和围压容器内用煤 油作为传压液体，最高可以产生1GPa的围压。岩石样品、基准铝块和光纤 式位移传感器的光纤都放置在围压容器内。

按照本发明的一种实施方式，激振器7采用的是电动式永磁铁激振器， 根据图3所示，当线圈通过经功率放大后的交变电流时，根据磁场中载流 体受力的原理，线圈将受到与电流成正比的点动力作用，此力通过顶杆传 到被测对象，即为激振力。激振力作为纵向的交变应力施加在岩石样品和 基准铝块上。激振器只在测量模式下工作。

位移传感器10可采用光纤式位移传感器、金属应变片等，采用光纤式 位移传感器测量岩石样品和基准铝块的形变，可以承受更高的围压。光纤 式位移传感器的机构参见图4，主要由金属套管28和光纤29构成。按照本 发明的一种实施方式，光纤式位移传感器一共有12个，如图3所示，分别 测量岩石在0°、90°、180°、270°四个方向上的纵向应变和横向应变以 及铝块在0°、90°、180°、270°四个方向上的纵向应变。光纤式位移传 感器在测量模式下的激励信号是电池提供的直流信号，而在标定模式下的 激励信号则是信号激励模块提供的交流信号。

标定与测量切换模块C用于标定与测量模式的切换，包括电池4、继电 器驱动模块14和两个继电器12，13。继电器12的输出端连接位移传感器 的输入端；继电器13为双刀双掷式，其第一输出端连接位移传感器的输入 端，第二输出端连接激振器6的输入端，输入端连接取样电路5的输出端； 两继电器12，13的控制端均连接继电器驱动模块14的继电器控制信号输 出端，继电器驱动模块14的控制端连接数据采集处理模块D的模式选择输 出端。电池4的输出端连接继电器12的输入端，用于给继电器12供电。 继电器驱动模块本质上是一个功率放大电路，数据采集处理模块D输出的 继电器控制信号经继电器驱动模块作用在继电器的线圈上，使继电器实现 断开或合上的操作。继电器控制信号表明当前为标定模式，则驱使继电器 12断开，继电器13与位移传感器10之间连通，继电器13与激振器之间断 开，取样电路5采集的交变电压信号为位移传感器10供电；继电器控制信 号表明当前为测量模式，则驱使继电器12闭合，继电器13与位移传感器 10之间断开，继电器13与激振器6之间连通，取样电路5采集的交变电压 信号作为激振器6的激励源，激振器6相应产生交变应力。

数据采集处理模块D作为整个系统的核心枢纽，用于各模块的协调控 制和数据处理。其包括依次连接的前置放大电路15、模数转换电路（ADC） 16、FPGA17和计算机18。前置放大电路15的第一输入端连接取样电路5 的输出端，前置放大电路15的第二输入端连接位移传感器10的输出端， FPGA17的模式选择输出端连接继电器驱动模块14的输入端，FPGA17的信 号控制输出端连接DDS1的输入端，将特定频率相位幅值的控制信号传送给 DDS1。

按照本发明的一种实施方式，前置放大电路共有13路，分别接收来自 取样电路5的参考信号和12路来自光纤式位移传感器的输出信号，并将它 们放大1000倍以便ADC16采集。运放芯片采用ADI公司的仪表放大器 AD8429，AD8429是一款超低噪声（1nV/√Hz）仪表放大器，增益为1000时 仍能保证150kHz的带宽和90dB的共模抑制比。其优异的不失真性能，能 够用在振动分析等要求苛刻的应用中。

按照本发明的一种实施方式，模数转换电路同样有13路，分别将13 路前置放大电路的输出信号转化为数字信号供FPGA17缓存。模数转换芯片 采用TI公司的ADS1252，ADS1252是一款高精度、24位串行Σ-Δ型ADC。每 个通道采用24位串行Σ-Δ型ADC采样，能实时改变采样频率。根据输入不 同的时钟频率可以实现从10Hz到40kHz的数据输出速率，并且其内置数字 滤波器，因此该芯片非常适合本发明低频（2Hz～2kHz）测量系统的数据转 换。

FPGA作为整个测量系统的核心，与模数转换电路、继电器驱动电路、 DDS电路和计算机相连，主要完成对继电器的开关控制、DDS电路的频率控 制、模数转换电路的时序控制以及和计算机的通信。按照本发明的一种实 施方式，FPGA芯片是ACTEL公司的A3PE3000，A3PE3000含有112个4608bit 的RAM块，根据本测量系统的需要，可以将其配置成13个深度1536×宽度 24位的RAM，每个RAM可以缓存来自模数转换电路的3072个数据，然后通 过USB、100M Ethernet或RS230接口上传至计算机，数据上传完后开始下 一次的采集。FPGA与计算机可采用USB2.0、100M Ethernet和RS230多接 口相连，数据传输速率可达数十兆每秒。

计算机主要完成的工作是接收FPGA采集的数据，并对数据进行相关算 法（DPSD）处理，采用DPSD对采集数据进行处理，将微弱信号从较强背景 噪声中提取出来时，其幅值和相位仍能保持较高精度。在信噪比为-40dB时， 经DPSD处理前后的信号如图5（a）和（b）所示，可以明显看出DPSD有很 好地噪声抑制能力。处理完毕后，得到每个通道31个频率点的信号幅值和 相位，计算出本测量系统需求的弹性参数和非弹性参数并绘制出各个参数 2Hz～2kHz的频率特性曲线。

本发明系统的工作过程具体为：

FPGA发出模式选择信号切换继电器，将功率放大电路3通过取样电路 5连接位移传感器10，此时进入标定模式，功率放大电路3输出的交变电 压信号输入位移传感器10，位移传感器10输出的交变电压信号通过放大、 模数转换后得到标定电压信号。计算机18计算各频率对应的标定电压信号 幅值和相位，构建未发生形变时频率点与标定电压信号对应幅值和相位间 的映射关系，以备后续测量过程中的幅值和相位自校准。

再次切换继电器，将功率放大电路3通过取样电路5连接激振器6，此 时进入测量模式，激振器给岩石和基准铝块提供一个纵向的交变应力，使 其发生微小形变，光纤式位移传感器将此微小形变转化为电压信号，经数 据采集系统采集并上传至计算机，待当前频率点采集完毕，这就完成了当 前频率点测量。接着按每十倍频程取十个频率点的方法，对其余频率点（到 f=2kHz为止）进行测量，所有频率点的数据都采集完毕后，计算机对各个 频率点的数据进行DPSD（数字相敏检波）算法处理，计算出各个频率点的 幅值和相位，然后根据同一个频率点的标定值和测量值，求出相应的弹性 参数和非弹性参数并绘制它们的频率特性曲线。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。