地震勘察仪器原理与结构.docx

1、地震勘察仪器原理与结构地震勘探仪器原理与结构 5.1地震勘探对仪器的基本要求5.1.1地震波运动学特征对仪器的要求 为了利用地震波的运动学特征来推测地下反射界面的位置和形态，就要求记录多道地震信号，以便进行波的对比，识别同相轴；记录震源激发信号作为计算反射时间的起点；记录计时信号作为计算反射时间的标尺；在采用炸药震源时还要记录井口信号，以测定地震波从炮井井底的炸药爆炸点传到炮井井口的时间值，进而依据已知的炮井深度h来推算表层的速度vh/，为今后地震资料处理时进行静校正提供依据。除地震信号以外的这些需要记录的信号统称为辅助信号。通常所说的地震仪记录道数指的是地震道的道数，辅助道不包括在内。 地震

2、仪对地震信号的数据采集过程从震源激发时刻开始，一直持续到最深目的层反射信号完全到达时为止。采集过程的持续时间称为记录长度，采用炸药等冲激震源时，记录长度T为:T=2h/v式中 h-勘探目的层最大深度； v地震波的平均速度。 在地震勘探中，有意义的最大反射界面的深度很少超过10km，而达到这样深度的平均地震波速度，至少是3500ms。因此，通常要求的记录长度为6s。深钻、地质解释和地震信号穿透力等项技术改进后，需要的记录时间还可能增加。反射时间的标记是根据磁带上记录的计时信号进行的，如果计时信号本身不精确的话，依据它测出的反射时间也就不精确，由此推测出的反射界面的位置也就不准确，因此，一般要求计

3、时信号的可重复性和绝对准确度都应保持在0 .05的容许范围内。5.1.2地震波动力学特征对仪器的要求 为了能利用地震波的动力学持征来推测地下岩性，甚至直接找油找气，就要求地震仪高保真、高信噪比、高分辨宰地把地震波记录下来。具体来说，应满足以下几项基本要求： （1）地震仪允许输入的幅度范围(简称仪器的动态范围)必须大于需要记录的地震信号的动态范围。需要记录的地震信号的最大幅度是从震源到最近的检波点的直达波幅度，它与偏移距的大小有关；需要记录的地震信号的最小幅度是最深目的层反射波传到地表时的幅度，由勘探深度要求决定。目的层越深，反射信号则越弱，当反射信号幅度比外界环境噪声的幅度还小时，就会被外界环

4、境噪声淹没。因此，一般认为需要记录的地震信号最小有意义幅度是外界环境噪声的幅度。目前通过地震资料的数字处理，有可能从环境噪声背景中提取幅度仅有环境噪声幅度110的弱信号。考虑上述三方面因素，人们普遍认为地震勘探仪器的动态范围应达到或接近120dB。地震仪应该设置滤波器，在记录之前对接收进来的妨碍有效波记录的干扰波进行压制。这些滤波器给地震仪限定的记录频率范围应该尽可能大于需要记录的地震信号的频率范围。由于地层的选频吸收效应，使得越是深层的反射信号，其主频越低。因此，需要记录的地震信号最低频率由勘探深度要求决定，可能需要延伸到10Hz或10H2以下。需要记录的地震信号最高频率由勘探分辨率要求决定

5、。一般来说，在进行地震普查时取125Hz就可以了，进行地震详查时应取250Hz，高分辨率勘探可能需要取到500Hz，甚至更高。在所能记录的幅度范围和频率范围内，地震仪应该是一个线性系统。所谓线性系统就是当输入为单一频率的正弦波时，输出也是同频率的单一正弦波。如果给一个系统输入一个频率的正弦波，其输出中出现很多频率为n(n为正整数)的新的频率分量，那么我们就认为这个系统是非线性系统或者说存在非线性失真。实际上，完全线性的系统是不存在的。5.1.3 多道记录对地震仪器的要求最早的地震仪是单道的，为了便于进行波的对比和提高野外生产效率，后来发展成为多道地震信号同时记录。随着多次覆盖技术的推广和覆盖次

6、数的提高，要求进一步增加道数。高分辨率地震勘探要求缩短道距至25m、10m甚至5m，而为了保持一定的排列长度，自然也要求道数多一些。三维地震勘探方法的普遍应用更是要求地震仪的道数多达几千道。 在多道记录的情况下，为了确保地震记录的质量，还必须要求地震仪内部各地震道电路的振幅特性和相位特性保持良好的一致性，道与道之间的相互干扰(即道间串音)应很小(一般要求小于-80dB)。5.1.4野外工作条件对地震仪器的要求 地震仪长年在野外工作，工作环境与室内仪器大不相同。由于野外环境条件差，造成仪器发生故障的外部原因很多。而地震仪一旦发生故障，轻则影响地震记录的质量，重则使整个地震勘探队的工作陷于停顿，所

7、以特别要求地震仪有很高的稳定性和可靠性，并且具有一定的自检能力和野外监视功能。除此之外，体积小、质量小、耗电省、操作简便、易于维修也是应尽可能满足的基本要求。5.2常用地震检波器的工作原理 地震检波器是把传输到地面或水中的地距波转换成电信号的机电转换装置，它是地震仪野外数据采集的关键部件。陆上地震勘探普遍使用电动式检波器，海上地震勘探普遍采用压电式检波器。涡流检波器是20世纪80年代发展起来的一种新型检波器。5.2.1电动式地震检波器 电动式地震检波器的结构和外形如图31所示。它由永久磁铁、线圈和弹簧片组成，磁铁具有很强的磁性，它是地震检波器的关键部件；线圈由铜漆包线绕在框架上而成，有两个输出

8、端，它也是地震检波器的关键部件；弹簧片由特制的磷青铜做成一定的形状，具有线性弹性系数，它使线圈与塑料盖连在一起，使线圈与磁铁形成一相对运动体(惯性体)。 当地面存在机械振动时，线圈对磁铁作相对运动切割磁力线，根据电磁感应原理，线圈中产生感生电动势，且感生电动势的大小与线圈和磁铁的相对运动速度成正比，线圈输出的模拟电信号与地面机械振动的速度变化规律是一致的。 一、运动方程的建立检波器内部各组成部分的运动关系如图32。地震检波器运动方程的建立，以及其基本思路要从地震检波器的功能入手。地震检波器的功能是将地面的机械振动转换为相应的电模拟振动信号。因此，研究地震检波器就应该首先找出地震检波器输出电压和

9、地面运动的关系，而地震检波器输出的电压是由于线圈相对磁铁运动切割磁力线产生的，所以关键是要找出地面运动与线圈运动的关系。 地震波传到地面后，假设地面相对其原来位置产生一个向上位移Z。如忽略检波器与地面的藉合问题，即认为检波器外壳与地面一起运动，则地面的位移就是检波器外壳的位移，而磁铁又是同外壳固定在一起的，所以此时磁铁也相对其原位置产生一个向上位移Z。显然，惯性体也会相对其原来的位置产生一个向上的位移y，由于惯性的原因，惯性体的位移将小于地面的位移，于是弹簧被拉长x，即线圈相对磁铁有一个向下的位移x。 检波器内各部分的运动关系为Y=z+x (3-1) 此时，线圈及框架组成的惯性体受到如下外力的

10、作用。 1弹簧克服惯性体重力后的拉力FK FKkx 式中 k一一弹簧的弹性系数，负号表示FK与x方向相反。 2线圈受到的电磁阻尼力根据法拉第定律，线圈相对磁铁运动时，线圈产生的感应电动势为线圈磁通量；n线圈匝数；S-机电转换系数对低频地震信导而言，线圈的感抗很小可以忽略，因此线圈中的感应电流为 R c线圈内阻； Ro线圈负载电阻。由楞次定律可知：当线圈中有电流流过时，线圈将受到阻止其运动的电磁力 3铝制线圈架受到的电磁阻尼力圆筒形铝制线圈架可看作是一个单匝闭合线圈。当线圈架随同线圈一起在磁场中运动时，线圈架内将产生涡流磁场。涡流磁场对此涡流的作用力也将阻止线圈架运动，由（3-7）式可知，这种电

11、磁阻尼力与线圈相对磁铁的运动速度dxdt成正比，方向相反: 式中比例系数。 空气阻力比FT小得多，可忽略不计 5.2.2压电式地震检波器5.2.3数字式检波器 近几十年传统地震检波器的发展一直没有大的突破，地震检波器的技术性能和指标相对十地震仪器本身存在一定的差距，获得高精度地震数据资料的必要条件是:大动态范围的地震检波器和大动态范围的数据记录系统。但是，目前使用的动圈式检波器的动态范围一般都在00分贝左右，很大程度上制约了勘探技术的进步。新型的数字检波器灵敏度较高、动态范围大、失真小，配合数字采集系统可完成高分辨率地震数据采集。 20世纪80年代以来，微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场

12、微小型化革命，MEMS (micro-electric-mechanical-system)技术是指采用微机械加工技术可以批量制作的集微型传感器、微型结构、微型执行器以及信号处理和抓制电路、接口、通信等十一体的微型数据采集系统。一、 MEMS数字检波器的原理 MEMS本质上是由两对固定电极和一块可移动的质量块电极构成的。实际上，可移动的质量块电极和固定电极之间形成了一个电容器。当可移动的质量块电极传输重力加速度时，质量块电极就会沿轴的方向上下运动，那么两个电极之间的间隙就会发生变化，因而就产生了一个不同的电容量，这个电容量变化的信息反馈到ASIC电路中，从而使ASIC电路产生一个配平力来阻止质

13、量块电极的运动，以便使质量块电极返回到零位置，因为惯性的作用，质量块电极就会产生震动。这个配平力在ASIC电路中被转换成一个电压来阻止质量块电极的运动，同时这个电压在ASIC电路中被编码成4 格式，并产生4 -24位的数字输出如图1所示。 这种MEMS数字检波器只响应重力的变化，是势能到动能的转换装置。其简化的结构包括惯性体、弹簧、控制电路等，而且惯性体是整个装置的核心。基本工作方式是以质量体为传媒介质，以介质电容变化为反馈，再以控制介质恒定位置的电压变化为输出。当外部振动迫使质量体位移时，通过反馈电容变化而调整的控制电压就迫使质量体保持原位不动。由于电容变化量线性取决于外力变化量，而控制电压

14、量线性取决于电容变化量，因此控制电压的变化曲线就实时跟踪外力的变化曲线，这便是检测地震加速度信号的基本原理。由于控制电压变化直接来自 A/D 转换器输出，也即检波器的响应输出直接就是数字信号，所以地震道电路一开始就是数字信号电路。应用 MEMS 技术的数字检波器不再有任何连接到地震道的模拟电缆，所以也就不再受任何环境电磁干扰的影响。因此对全数字式仪器，外部的任何电磁干扰都不影响地震勘探资料的品质。更优秀的是，与传统检波器相比，新一代数字检波器具有更好的地震信号响应特性（如表 1-3），失真小、噪声低、灵敏度高、频带宽、幅频特性好等是数字检波器的主要优势。由此可见全数字化地震勘探采集系统的核心就

15、在于用数字检波器实现整个采集过程的完全数字化。二、三分量数字检波器的主要性能：（1） 数字检波器内部经过 MEMS 传感器和 ADC 电路，直接输出 24 位数字信号；（2） 动态范围可达到 120dB，比传统检波器的动态范围至少高出 50dB-60dB；（3）谐波畸变指标小于 0.003%，比传统检波器的谐波畸变至少低一个数量级；（4） 数字检波器输出的幅频特性十分平坦，在 1Hz-800 Hz 范围内，始终保持平直，而输出相位为零相位；（5）超低噪音特性、极高的向量保真度、不受外界电磁信号干扰的影响，如天电、工业高压线或地下电缆等干扰。数字检波器将地震道模拟电路部分和转换器等从主机中分离出

16、来，与 MEMS传感器集成并微型化在一起，构成了新型数字地震检波器。消除了由于模拟信号长距离传输过程中所引起的干扰，有效提高了采集信号的信噪比，增强了抗干扰能力，是传感器技术的发展方向。MEMS数字检波器采用加速度传感器，工作在谐振频率之下，而常规动圈式检波器采用速度传感器，工作在谐振频率之上，这个差别使得MEMS数字检波器与常规检波器有着完全不同的结构和性能：a、数字检波器内部具有微化的24位ADC电路，直接输出24位数字信号，即采用全数字传输信号；b、动态范围可达到120dB，比传统检波器的动态范围至少高出50dB60dB；c、谐波畸变指标小于0.003%，比传统检波器的谐波畸变至少低一个

17、数量级；d、数字检波器输出的幅频特性十分平坦，在1Hz - 800 Hz范围内，始终保持平直，而输出相位为零相位；e、超低噪音特性；f、极高的向量保真度；g、不受外界电磁信号干扰的影响，如人电、工业高压线或地下电缆等干扰；h、系统加电后能自动进行倾斜度和重力测试；i、MEMS加速度传感器特别适用于记录低频反射信号，如来自主要岩石地层边界的反射；j、 MEMS数字检波器的振幅校准能力及不随时间温度变化的稳定性优于常规检波器。K、MEMS加速度传感器的瞬时动态范围可高达90dB，优于常规检波器(不高于60 dB)，因此，MEMS数字检波器适宜记录强噪音背景下的弱信号(近炮检距道)，而常规检波器适宜

18、记录有弱噪音背景的深层弱反射信号(远炮检距道)。图是模拟检波器和数字检波器记录能量随反射时间变化的曲线图，可见模拟检波器能量的动态范围小于数字检波器。图10图12分别为某工区的数字检波器和模拟检波器的单道记录、频谱分析和纵波剖面。由图可见，数字检波器采集的数据高频成分能量强，频带宽，单个数字检波器比组合的模拟检波器在浅层有较高的分辨率，深层低频信号频率有所提高，但信噪比相对较低。5.2.4多路转换开关(MUX) 一、多路转换开关的基本功能 能够按照控制指令对模拟电压或电源进行通断控制的器件称为模拟开关。具有公共输出端的多个模拟开关的集合称为多路开关(MUX)。最简单的一种MUX，其开关组态如图

19、431(a)所示。它在接收多道地震信号的采集系统中常被用作采样开关，它的多个输入端分别与对应道的前放滤波器输出端相连，公共输出端与浮点放大器输入端相连。在对某一道信号采样时，该道所连接的开关便导通，其它道的开关全都断开，在一个采样周期Ts内，依次对滤波器输出的各道信号均采样一次。因此多路开关的输出是一连串周期性按道序排列的采样脉冲，如图431(b)所示。这些采样脉冲我们称为子样。图中aij代表第i道的第j次采样(i；1，2，3，m)或者第j个采样周期对第i道采样所得的子样(j1，2，3n)这里m为采样系统的道数，n为采样用期数或每一道的采样次数。 由图431可见，多路开关的功能是：将多路并行输

20、入的连续信号转换成一路串行输出的离散子样。因此多路开关又称为多路转换开关。 二、道间一致性与道间串音问题 由图41和图431可综合得到图432所示的地震道组成框图。由图可见，在多路开关之前，各地震通信号所通过的电路(称为地震道)是彼此分离的，而在多路开关之后的电路则是各道公用的。由于大多数采集系统的道数都不只一道而是多道，这样就有必要考虑道间一致性和道问串音这两个多道系统特有的问题。 1道间一致性 所谓道间一致性是指，各地震道不仅组成结构完全相同，而且传输特性(振幅特性、相位特性)也没有任何差异。只有在这个前提下，才可以认为磁带上记录的各道地震信号间的差异完全是因为到达各检波点地震信号的差异而

21、造成的。所以，道间一致性是地震勘探对多道地震数据采集系统的一项基本要求。由图432可见，要保证各地震道的道间一致性，就要保证各地震道的检波器型号及其组合参数、检波器连线电阻、前放滤波器的电路结构及元件参数、多路开关的通断性能等等，都一一对应相同。 集中控制式数字地震仪因为所有要记录的地震道的信号都通过大线电缆送到仪器车上集中由一个采集系统进行采集，所以近道远道连线的电阻差异较大，道数越多，道间一致性越难保证。分布式遥测地震仪由于每个采集站的道数少，各道检波器连线电阻差异不大，因此道间一致性比常规地震仪好得多。通常所说的地震仪道间一致性主要是指多路开关及前放滤波电路的一致性。一般要求：在给采集系

22、统各道前放同时输入相同的测试脉冲时，各道测试记录的振幅差应小于士0. 2，时间误差应小于士0. 5ms。 2道间串音 由图432可见，各地震道电路本来是彼此分离的，但是因为某些原因还是会出现某一道的地震信号串漏到别的地震道中去的现象。就像我们打电话时听到别的通话线路上也在说话一样，这种现象称为道间串音。集中控制式数字地震仪的大线电缆芯线又多又长，而且还靠近在一起，各道检波器连线间相互感应容易造成串音。此外，由图432可见，采集系统中各道采样开关的输出端并联在一起，是最可能造成串音的部位，因此对多路转换开关最基本的要求就是要尽可能减少道间串音* 三、减少道间串音的措施 1减少每个采集系统的道数

23、减少道数m可减少因开关断开电阻Rd不为无穷大而造成的串音，若m1，即单站单道，则可从根本上消除串音。减少道数m还可减少寄生电容，加速子样脉冲尾部的衰减，同时增大采样间隔，由图433可见，这样就能减少分布电容造成的串音。 2减少多路开关前级滤波器的榆出电阻 以两道为例，VI1和VI2为第一道和第二道信号，Ri为前级滤波器的输出电阻，RON和ROFF分别为开关接通和断开时的等效电阻，当第一道断开、第二道接通时等效电路如图434，多路开关输出电压Vo可近似表示为由(476)式可见，为了减少串音，要求多路开关前级滤波器的输出电阻Ri应该尽可能小，如果前级的输出电阻不能满足这要求的话，就应加一级电压跟随

24、器为多路开关提供极小的Ri 5.2.5瞬时浮点放大器(IFP)一、瞬时浮点放大器的功能如果在多路开关和AD转换器之间不设置浮点放大器，让多路开关输出的子样电压直接由AD转换器进行模数转换，那么就会产生以下两个问题。 首先深层弱信号的量化精度低。 AD量化误差为qq，q为AD量化电平，若多路开关输出子样电压为a直接由AD量化的相对误差为由上式可知：信号越弱，a越小，相对误差q就越大，即量化精度越低。 其次AD位数不够。 满足地震勘探精度要求的地震信号动态范围DR=10o一120dB。这么大范围输入的地震信号如果单纯由AD转换器提供是比较困难的。现有的14位AD转换器动态信号只有84dB。假若多路

25、开关输出于样电压直接由14位AD量化的话，就会使大量深层信号因其幅度位于AD的最小量化电平以下而转换不出来。 为了解决上述两个问题，数字地震仪采样系统的多路开关之后都接了一个瞬时浮点放大器。该放大器的特点是，其增益能以4或2为台阶瞬时改变，因此称为瞬时浮点放大器(IFP)，简称浮点放大器或主放大器。设多路开关输出的第i道的第j次采样脉冲幅度为aij，脉冲宽度为，在此脉冲存在期间(时间)瞬时浮点放大器经过多次增益调整，最后为该子样选定一个不致使AD发生溢出的增益，即满足5.2.6模数转换器(AD) 当待测信息是时间和幅值均连续的模拟信号时，为满足数字信号处理的要求，必须将模拟信号转换成数字信号。

26、AD转换器就是将模拟信号转换成数字信号的功能单元，它是现代仪器系统中的重要功能部件。本节主要讨论常规AD转换器的基本原理以及应用地震勘探仪器中常用的几种AD转换器。 一、AD转换器基本类型及原理 AD转换器的种类很多，按照其基本工作原理可分为直接型AD转换器和间接型AD转换器两大类。直接型AD转换器将输入的模拟量直接转换成数字量代码，不需要增加任何中间变量；而间接型AD转换器则需要借助时间、频率、脉冲宽度等中间变量才能完成AD转换。常用的并联直接比较型AD转换器和逐次逼近型AD转换器居于直接型AD转换器；而双斜式(亦称双积分型)AD转换器和其它一些“电压一频率一数字”转换器(亦称压控振荡器vO

27、C)则居于间接测AD转换器。3逐次逼近型AD转换器逐次逼近法的工作原理非常像天平称重物，其原理框图如图456所示。图中，比较器相当于天平的指针，用于指示待转换字样电压与基准电压Vt的比较结果，T网及T网开关电路相当于天平的砧码盘，用来产生权电压Vt，逻辑控制和码寄存器相当于天平的操作者，按照连续时钟脉冲的节拍，控制T网及T网开关依次产生一系列基准电压，并存储比较器每次的比较结果。CONVSTRT为AD转换器启动指令，BRL(Bit Rjection Level)为位取舍电平。AD对子样开始量化时，由CONVSTRT 的上跳沿启动AD控制逻辑电路，控制T网及T网开关电路产生第一个权电压V1V1与

28、子样比较，若子样大于VT，则位取舍电平BRL=1，控制码寄存器的第一位为1，表示取用该位；反之，BRLLo，控制码寄存器的第一位为0，该位被舍去。取用时，电路仍产生第一位的权电压v7；舍去时，电路就不再产生第一位的权电压vT。接着就是判断第二位，过程相同。依此类推，AD转换器将所有位的输出都判断出来，输出为1的位，电路产生相应位的权电压，最后的权电压vT等于所有输出为1的位所对应的权电压之和，它在数值上与子样的输入相等。所有各位判断完成后，码寄存器的并行输出即为AD转换结果。 与积分型AD转换器相比，逐次逼近型AD转换器具有较高的转换速度；同时，与直接比较型AD转换器相比，逐次逼近型AD转换器

29、具有较高的转换精度。因此，在转换速度和精度上，逐次逼近型AD转换器能够满足大多数数据采集系统的需要，而且价格也比较低，所以它已成为目前应用最广的AD转换器。许多地震勘探仪器所使用的AD转换器就是逐次逼近型AD转换器. 24位-AD转换技术高分辨率地震勘探要求地震信号的动态范围高达120dB，这就要求数据采集系统AD转换器不低于20位，这在传统数据采集系统中是无法实现的。因为传统数据采集系统先将连续的地震信号进行采样，之后再对多路串行的离散样电压(于样电压)进行AD量化，AD转换器位数越多，每个子样电压的量化时间越长，要求采样率就越低，致使更高频率的地震信号得不到记录，这是无法满足高分辨率地震勘

30、探需要的。另外较多位数的传统AD，需要由模拟电路产生众多的一系列标准权电压，用它们逐个与子样电压进行比较，靠模拟电路来保证这些权电压的精度是很难做到的。上述两方面的问题都因-AD转换技术的应用而得到解决。以SN388(法国产)和SYSTEM2000(美国产)为典型代表的当代徭测地震仪，在高分辨率地震勘探野外数据采集工作中发挥着重要的主导作用，它们的技术关键都是在野外采集站中设置了24位-AD转换器。全面了解和掌握-AD转换器基本原理及在地震勘探中的应用对地球物理工程技术人员是十分重要的。5.3地震勘探仪器的数据采集系统地震数据采集系统的任务是按照勘探技术指标的要求将野外地震数据记录下来，之后再

31、由计算机数据处理中心对所采集的野外地震数据进行精细处理，获得高精度的地震剖面等信息，这就决定了地震勘探仪器的核心部分就是地震数据采集系统。地震数据采集系统指的是从地震勘探仪器入口到模数转换器输出信号所经过的电路系统。本节主要讨论当代地震数据采集系统的基本组成原理，同时介绍数据采集系统的重要部件的电路原理。 一、集中控制式地震数据采集系统 20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DFSV和SN338为代表的集中专用控制式数字地震仪。到了80年代，随着电子技术和计算机技术的发展，新技术、新器件不断应用到数字地震仪的设计和生产中，又出现了以SN358和MDS16为代表的计算机集中控制式数字地震仪。 所谓集中控制式系统是指整个仪器系统的控制部分采用统一的数字逻辑电路完成。根据控制逻辑所采用的电路形式，集中控制式地震仪又可分为专用集中控制式数据采集系统和计算机集中控制式数据采集系统。 1专用集中控制式地震数据采集系统 专用集中控制式地震数据采集系统的般框图如图41所示。采用这种控制方式的地震仪主要有美国得克萨斯州仪器公司的DFSV型地震仪，法国舍塞尔公司的SN338型地震仪和国产SDZ751地震仪等。 在图41中，虚线中的功能单元构成整个系统的逻辑控制部分，各功能单元