1第四章地震数据采集系统及相关技术第一节地震数据采集系统组成地震勘探技术、电子技术、计算机技术及信息技术共同推动了地震数据采集仪器的不断发展和更新换代,共经历了模拟光点地震仪、模拟磁带地震仪、集中式数字地震仪和分布式遥测地震仪。一、集中式地震数据采集系统:上个世纪70年代中期,数字地震仪的出现,把地震勘探带入了一个崭新的时代,出现了以DFS-V和SN338为代表的集中式数字地震仪。集中式地震数据采集仪器成功用于野外地震勘探约20年。集中式地震勘探数据采集系统的最大特点是:采用IFP与14位逐次逼近型A/D转换器,IFP采用3~4位增益码,A/D转换器采用15位(1位符号位,14位尾数)逐次逼近型,集中式数字地震仪动态范围理论上可达168dB,但实际考虑仪器噪声等因素的影响,仪器的系统动态范围一般不超过120dB。()20logDR记录的最大不失真电平理论(dB)最小有效电平maxmin()20log6DRGGn理论()20logDR记录的最大不失真电平系统(dB)仪器系统等效输入噪声电平其中:minmax~GG为IFP放大器的增益范围,n为模数转换器的位数。检波器检波器记录逻辑数字磁带机多路转换开关瞬时浮点放大器模数转换器仪器输入电路低噪声前置放大器模拟滤波器仪器输入电路低噪声前置放大器模拟滤波器2二、分布式遥测地震数据采集系统把数据采集系统中的放大器、滤波器、A/D转换器、数据传输控制逻辑以及整个控制用CPU做在一个小箱体内,称为“采集站”,将采集站放置在检波点上,每个采集站用小线与1~8道检波器连接,各采集站用数字大线或以无线方式与中央控制主机相连,构成分布式(Distributed)数据采集系统。⒈由于受到采样间隔和大线重量的限制,集中式地震仪生产道数一般不超过120道,适应不了三维地震勘探对道数的要求。而分布式遥测地震仪的道数可达到上千道甚至上万道,完全能够满足三维地震勘探的需要。⒉集中式数字地震仪的检波器通过大线与采集系统连接,由于大线上传输的是模拟信号,传输的距离又比较远,因此,信号易受各种干扰因素的影响。而遥测地震仪的采集站与中央控制主机之间传输的是数字信号,采集站和记录主机可以灵活组合,可以大大降低信号传输过程中各种干扰因素的影响。根据遥测地震仪采集站所采用的电路结构形式,采集站又分为早期IFP型采集站和当代24位Δ-∑A/D型采集站。1、IFP型采集站典型的代表仪器是法国舍塞尔公司的SN368型地震仪。IFP型采集站的内与集中式地震数据采集系统基本相同,只是采集站的道数一般为6~8道,可以使检波器通过较短距离的小线就近接入采集站。采集站中的控制部分一般由CPU3完成,控制功能主要包括对前置放大器增益、滤波器的选择、多路采样开关切换、浮点放大器、A/D转换器、数据存储以及数据传输接口的控制。2、24位Δ-∑A/D型采集站典型的代表仪器是美国I/O公司的SYSTEM2、SYSTEM2000型地震仪、法国舍塞尔公司的SN388、408UL型地震仪。24位Δ-∑A/D型采集站与IFP型采集站相比,它具有如下特点:(1)地震检波器拾取的信号只经过一级前放后,直接和24位Δ-∑A/D转换器连接,模拟信号传输通道大大缩短,有利于降低信号失真度、提高信噪比;(2)省略了电模拟滤波器,所有滤波均由后续高性能数字滤波器实现,这样在简化硬件电路的同时提高了滤波性能;(3)动态范围理论上达到138dB,考虑各种因素的影响,系统动态范围接近120dB,可以满足高分辨率地震勘探对动态范围的要求;(4)由于采集站电路结构简单,所用器件可以采用高度集成化的低功耗通用器件,大大降低了采集站的整体体积和功耗,并可以达到较高的性价比。第二节瞬时浮点放大技术一、瞬时浮点放大器(IFP放大器)的功能⒈提高信号的记录精度因为针对较小的子样电压,IFP放大器将对其采用较大的增益进行放大,之后再进行A/D量化工作,因此可以降低A/D量化的相对误差。⒉扩大了仪器的动态范围输入电路电路前置放大器高通、陷波低通滤波器多路采样开关瞬时浮点放大器A/D转换器检波器输入电路前置放大器高通、陷波低通滤波器检波器采集站控制电路(CPU)数据存储器数据传输接口去前端数据指令4IFP放大器的增益是根据被放大的子样幅值来确定的,因此它具有一定的变化范围(minG~maxG)。与模数转换器联合考虑后,仪器的动态范围为:maxmin20log6DRGGn一般A/D位数14n,0min2G,14max2G,代入上式计算得dBDR168。三、IFP放大器实例(衰减型IFP放大器)⒈衰减型IFP放大器组成及原理这是一种以最大固定增益(142)放大同时配以适当衰减来完成增益调整的IFP放大器,主要代表仪器为DFS-V。1A是输出缓冲级;2A、3A和4A为基本放大级,增益均为23.68。5A、6A和7A为由电阻网络及开关组成的衰减器,改变衰减系数可以达到调整增益的目的。当IFP输出大于窗口电平上限时,比较器发出I=0和D=1,增益调整计数器减1计数一次,控制衰减系数增大22,增益减小22;当IFP输出小于窗口电平下限时,比较器发出I=1和D=0,增益调整计数器加1计数一次,控制衰减系数减小22,增益增加22;当IFP输出电平处于窗口电平之内时,增益比较器发出I=0和D=0,增益调整计数器不计数,衰减系数不变,增益也不变。DFS-Ⅴ地震仪IFP放大器从02开始,共进行八次放大、比较和调整,增5图4-12衰减型IFP逐次增益调整图益变化台阶为22,放大、比较和调整是逐次进行的。表4-6衰减系数与IFP增益⒉增益比较器电路分析A1为放大器,增益为0.5,A2~A5为过零比较器。,E为浮点放大器输出的的子样电压,则输入到A2~A5的电压为2E。A2和A4还输入+15V标准电压,A3和A5输入-15V的标准电压,子样电压和标准电压经权电阻在比较器入口作计数器状态衰减系数IFP增益QCQBQAA5A6A70002624242000124242422010222424240112024242610020222428101202024210110202022212111202020214+_A2+_A3+_A10.75kΩRA′R1DECREASE-E/2E1.5kΩ+_A4+_A5INCREASER2R3R4R5R6R7R84.7MΩ4.7MΩ4.7MΩ4.7MΩABB′C′D′CD+15V-15V6和,形成A、B、C、D点电位,由该四点电位的极性决定比较器输出的逻辑电平(A′、B′、C′、D′)。增益增加(INCREASE)和增益减小(DECREASE)指令可表示为DCINCREASEBADECREASE(1)由节点电位法列出方程组788756653443122121511215112151121511RERRRVRERRRVRERRRVRERRRVDCBA(2)由式(1)可知,使IFP增益减小的逻辑条件为A′=0或B′=1,即VA<0或VB>0,由此可得4321215215RRERRE或(3)将实际电阻值代入上式可得:VEVE11.711.7或对于一个正子样,只要其幅值大于+7.11V,增益就减小;或者对于一个负子样,只要其幅值小于-7.11V,增益就减小。由式(1)可知,使IFP增益增加的逻辑条件为C′=1和D′=0,即VC>0和VD<0,由此可得8765215215RRERRE(4)将电阻值代入上式可得:VEVE46.146.1对于一个正子样,只要其小于+1.46V,增益就增加;对于一个负子样,只要其大于-1.46V,增益就增加。7第三节24位△–∑A/D转换器目前的高分辨率地震勘探,普遍使用24位A/D型遥测地震仪,理论动态范围达到138Db,系统动态范围在110dB~120Db。代表仪器为SN388(法国产)和SYSTEM-2000(美国产),这类地震仪的技术关键都是在野外采集站中设置了24位A/D转换器。一、A/D基本理论1.Δ调制型A/D转换技术Δ调制型A/D转换技术是A/D转换技术的基础,与传统A/D转换技术截然不同,Δ调制型A/D转换器工作的基本动作仅仅是将信号相邻离散点的差值(Δ)转换为1位二进制代码(0或1),也即现时子样电压A/D转换的结果仅由前一子样(已被转换成数字量)末位加1或减1而成。Δ调制型A/D转换原理可以结合图4-16加以说明,x(t)是输入的连续模拟电压信号,y(t)是输出的数字量,y(t)经D/A转换后输出一个模拟电压xp(t),它代表了前一个离散点值,由过采样保证xp(t)与x(t)相差甚小。当x(t)-xp(t)0时,e(t)0,D触发器输出Q=1,累加器加1;当x(t)-xp(t)0时,e(t)0,D触发器输出Q=0,累加器减1。举例:设x(t)=20sin78.5t(mV),信号频率为f=12.5Hz,时间t以ms为单位,过采样频率为Fs=1000Hz( t=1ms),Xp(t)的台阶为 =2mV,将计算结果绘制成图如图4-17。⒉过采样技术由Δ调制型A/D转换技术可知,信号相邻离散点的差值必须足够小,否则对其进行1位量化将带来较大的误差。解决的办法是将采样频率提高到信号频率的成百上千倍,并称此为过采样。在传统A/D转换技术中,采样定理要求在一图4-16Δ调制型A/D原理示意8个信号周期之内,离散点数应多于两个。而在过采样技术中,一个信号周期之内应有成百上千个离散点。从上述分析过程可以看出,xp(t)是一个阶梯电压,其横向阶梯为过采样间隔(Δt=1/Fs),纵向阶梯为一很小的电压量Δ,整个A/D量化过程就是用阶梯电压xp(t)跟踪连续模拟电压x(t)的过程。在数学上,对微小量的累加就是积分,所以图4-16中的累加器就是积分器。而阶梯信号xp(t)可以由模拟积分器对具有一定大小的正负电压积分获得,由此得到Δ调制型A/D组成框图如图4-18。图4-18Δ调制型A/D组成框图⒊数字滤波技术数字滤波器的主要功能是对高速数据流进行数字去假频滤波和数据抽取。由于过采样,使得在一个信号周期内具有成百上千个离散点值,所以需要按正常采样频率fs对数据进行抽取(重采样),不过在重采样之前必须先进行数字去假频滤波,以防止在重采样时引入假频干扰(或称混迭干扰)。图4-17输入信号与阶梯跟踪信号94.A/D组成Δ调制型A/D存在两方面缺点和不足,首先当输入为一变化速率过快的交流信号时,产生斜率过载失真;其次当输入为直流信号时,Δ调制型A/D输出为一交流信号,二者严重不符。解决上述问题的办法是在信号量化之前对其积分然后再对输出进行微分。结合图4-18,将两个积分器合并为一个放在输入加法器之后将两个积分器合并为一个放在输入加法器之后,在输出端积分和微分可抵消,得到A/D组成框图如图4-19所示。图4-19A/D组成A/D的信噪比为:8.02log30BsfFSNR二、高阶△-∑A/D及应用二阶巴特沃斯A/D,它的信噪比可表示为:0.72log50BsfFSNR推广到L阶:LLfFLLSNRBs106)12log(102log)12(10)(在当代24位遥测地震仪中,过采样频率达到几百千赫兹,以法国产SN388遥测地震仪为例(Fs=320KHz),并且分别取L=3、L=4和L=5,得到信噪比为:6.3310160log110)5(5.2410160log90)4(5.1510160log70)3(333BBBfSNRfSNRfSNR10满足勘探精度要求的信噪比应不小于120dB,能够满足这一要求的最高频率分别为17Hz、610Hz、1855Hz、3968Hz和6423Hz。当采样率分别是0.25ms、0.5ms、1.0ms