野外地震勘察仪器原理、结构与使用

地震勘探仪器原理与构造地震勘探仪器的任务、争论方法一、地震勘探仪器的任务、争论方法所谓地震勘探就是用人工方法激发地震波，争论地震波在地层中传播的规律，以查明地震勘探具有精度高、区分率高、勘探深度大等优点，因此的勘探方法。在西方兴旺国家，石油勘探方面总投资的90％用于地震勘探。在我国，自大庆油田觉察以来，觉察的油田有90％是用地震勘探的方法找到的。目前在我国的石油物探队伍中，绝大局部是地震队。地震勘探根本上可分为野外数据采集、室内资料处理、地震资料解释三个阶段。每一地震勘探装备种类很多，涉及的范围很广。其中直接用于野外地震数据采集的专用设的地震波接收和记录下来。从这个意义上来讲，地震勘探仪器主要包括检波器和记录仪器。检波器接收地露波并把它转换成电信号来，成为野外地震记录。地震勘探第一阶段(野外数据采集阶段)的最终成果，就是地震勘探仪器产生的野外地震的地位和作用，所以地震勘探仪器原理历来是地震勘探这门学科中一个不行分割的内容。争论地震勘探仪器不应当单纯从电子技术角度去分析地震仪的局部电路，而应当把电仪整机应由哪些模块组成?各个模块之间有什么联系和影响?整机系统对各个模块的外部功能和技术指标应分别提出什么要求?各模块的性能对整机的性能有什么影响?仪器的工作参数应怎样选择才能发挥仪器的效率和提高勘探效益?诸如此类的问题就是地震仪整机的根本本求末，因小失大。器整机的根本原理又具有扎实的电子及计算机技术理论根底把握所遇到的具体仪器。对地震勘探仪器的根本要求5.2.1地震波运动学特征对地震勘探仪器的要求为了利用地震波的运动学特征来推想地下反射界面的位置和形态炮井井底的炸药爆炸点传到炮井井口的时间—τh来推算表层v＝h/τ，为今后地震资料处理时进展静校正供给依据。除地震信号以外的这些需要记录的信号统称为关心信号。通常所说的地震仪记录道数指的是地震道的道数，关心道不包括在内。地震仪对地震信号的数据采集过程从震源激发时刻开头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，而到达这样深度的平均地震波速度，至少是3500m／s。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。反射时间的标记是依据磁带上记录的计时信号进展的，假设计时信号本身不准确的话，要求计时信号的可重复性和确定准确度都应保持在0.05％的容许范围内。5.1.2地震波动力学特征对地震仪的要求保真、高信噪比、高区分宰地把地震波记录下来。具体来说，应满足以下几项根本要求：〔1〕地震仪允许输入的幅度范围(简称仪器的动态范围)必需大于需要记录的地震信号1／10震勘探仪器的动态范围应到达或接近120dB。②地震仪应当设置滤波器，在记录之前对接收进来的阻碍有效波记录的干扰波进展压围。由于地层的选频吸取效应，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打算，可能需要延长到10Hz10H2以下。需要记录的地125Hz就可以了250Hz500Hz，甚至更高。③在所能记录的幅度范围和频率范围内，地震仪仅应当根本上是一个线性系统。所谓统输入一个频率的正弦波，其输出中消灭很多频率为n(n为正整数)的的频率重量，那么在的。5.2.3．多道记录对地震仪的要求道地震信号同时记录。随着屡次掩盖技术的推广和掩盖次数的提高，要求进一步增加道数。25m、10m5m，而为了保持肯定的排列长度，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。的振幅特性和相位特性保持良好的全都性(即道间串音)应很小(一般要求小于-80dB)。5.2.4野外工作条件对地震勘探仪器的要求定的自检力量和野外监视功能。除此之外，体积小、质量小、耗电省、操作简便、易于修理也是应尽可能满足的根本要求。两类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208年月进展起来的一种型检波器。电动式地震检波器3—1所示。它由永久磁铁、线圈和弹簧片组成，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)。模拟电信号与地面机械振动的速度变化规律是全都的。一、运动方程的建立检波器内部各组成局部的运动关系如图3—2。地震检波器运动方程的建立，以及其根本出地面运动与线圈运动的关系。Z。如无视检波器与地面的藕合问题，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，Z惯性体也会相对其原来的位置产生一个向上的位移y，由于惯性的缘由，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。检波器内各局部的运动关系为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作用。弹簧抑制惯性体重力后的拉力FKF＝—kx 式中k—弹簧的弹性系数，负号表示Fx方向相反。K K线圈受到的电磁阻尼力依据法拉第定律，线圈相对磁铁运动时，线圈产生的感应电动势为d d dx dxEn

n sdt dx dt dtΦ—线圈磁通量；n—线圈匝数；S 机电转换系数snddx对低频地震信号而言，线圈的感抗很小可以无视，因此线圈中的感应电流为i ERcRoRc——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，线圈将受到阻挡其运动的电磁力F ndisiL dx将〔3-3〕〔3-5〕式代入〔3-6〕式得：F s2

dxL铝制线圈架受到的电磁阻尼力

R dt圆筒形铝制线圈架可看作是一个单匝闭合线圈。当线圈架伴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挡线圈架运动，由式可知，这种电磁阻尼力与线圈相对磁铁的运动速度dx／dt成正比，方向相反:式中μ——比例系数。空气阻力比FT

小得多，可无视不计线圈架组成的惯性体运动符合牛顿其次定律，即： FMa FFK

FFL

kx(s2/R)dxdtdxMaM

d2ydt2

M(d2zdt2

d2x)dt2d2x dx d2zM (s2/R) kxMdt2 dt dt2即：多路转换开关(MUX)一、多路转换开关的根本功能能够依据掌握指令对模拟电压或电源进展通断掌握的器件称为模拟开关端的多个模拟开关的集合称为多路开关(MUX)。最简洁的一种MUX，其开关组态如图4—31(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样脉冲，如图4—31(b)所示。这些采样脉冲我们称为子样。图中aiji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(j＝1，2，3．„n)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4—31的离散子样。因此多路开关又称为多路转换开关。二、道间全都性与道间串音问题4—14—314—32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)是彼此分别的，而在多路开关之后的电全都性和道问串音这两个多道系统特有的问题。道间全都性所谓道间全都性是指，各地震道不仅组成构造完全一样，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4—32件参数、多路开关的通断性能等等，都一一对应一样。集中掌握式数字地震仪由于全部要记录的地震道的信号都通过大线电缆送到仪器车上集0.20.5ms。道间串音由图4—32道的地震信号串漏到别的地震道中去的现象4—32可见，采集系统的要求就是要尽可能削减道间串音*三、削减道间串音的措施1削减每个采集系统的道数削减道数m可削减因开关断开电阻Rd不为无穷大而造成的串音，假设m＝1，即单站单道，则可从根本上消退串音。削减道数m还可削减寄生电容，加速子样脉冲尾部的衰减，4—33可见，这样就能削减分布电容造成的串音。2．削减多路开关前级滤波器的榆出电阻以两道为例，V 和V 为第一道和其次道信号，Ri为前级滤波器的输出电阻，R 和I1 I2 ONR分别为开关接通和断开时的等效电阻，当第一道断开、其次道接通时等效电路如图4OFF—34，多路开关输出电压Vo可近似表示为由(4—76)式可见，为了削减串音，要求多路开关前级滤波器的输出电阻Ri应当尽可能小，假设前级的输出电阻不能满足这—要求的话Ri瞬时浮点放大器(IFP)一、瞬时浮点放大器的功能假设在多路开关和A／DA／D转换器进展模数转换，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。A／D量化误差为εq＝q，q为A／D量化电平，假设多路开关输出子样电压为a直接由A／D量化的相对误差为由上式可知：信号越弱，a越小，相对误差εq就越大，即量化精度越低。其次A／D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假设单纯由A／D14A／D转换器动态信号只有84dB。假设多路开关输出于样电压直接由14位A／D量化的话，就会使大量深层信号因其幅度位于A／D的最小量化电平以下而转换不出来。42(IFP)，简称浮点放大器或主放大器。设多路开关输出的第ij次采样脉冲幅度为a，脉冲宽ij度为τ，在此脉冲存在期间(时间τ)瞬时浮点放大器经过屡次增益调整，最终为该子样选定一个不致使A／D发生溢出的增益，即满足模数转换器(A／D)拟信号转换成数字信号。A／D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A／D转换器的根本原理以及应用地震勘探仪器中常用的几种A／D转换器。一、A／D转换器根本类型及原理A／D转换器的种类很多，依据其根本工作原理可分为直接型A／D转换器和间接型A／DA／DA／D完成A／DA／D转换器和逐次靠近型A／D转换器居于直接型A／D转换器；而双斜式(亦称双积分型)A／D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vOC)则居于间接测A／D转换器。3逐次靠近型A／D转换器逐次靠近法的工作原理格外像天平称重物，其原理框图如图4—56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，TT网开关电路相当于天平的砧码盘，用来产生权电压Vt，规律掌握和码存放器相当于天平的操作者，TT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。ICONVSTRT为A／D转换器启动指令，BRL(BitRjectionLevel)为位取舍电平。A／D对子CONVSTRTA／DTT网开关电路产生第一个权电压V1．V1与子样比较，假设子样大于VT，则位取舍电平BRL=1，掌握码存放器的第一位为1，表示取用该位；反之，BRLL＝o，掌握码存放器的第一位为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。接着就是推断其次位，过程一样。依此类推，A／D转换器将全部位的输出都推断1的位，电路产生相应位的权电压，最终的权电压vT1的并行输出即为A／D转换结果。与积分型A／D转换器相比，逐次靠近型A／D直接比较型A／DA／DA／D也比较低，所以它已成为目前应用最广的A／D转换器。很多地震勘探仪器所使用的A／D转换器就是逐次靠近型A／D转换器.24位Δ-ΣA／D转换技术高区分卒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A／D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。由于传统数据采集系统先将连续的地震信号进展采样，之后再对多路串行的离散样电压(于样电压)进展A／D量化，A／DA／D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Δ-ΣA／D转换技术的应用而得到解决。以SN—388(法国产)和SYSTEM—2023(美国产)为典型代表的当代徭测地震24位Δ-ΣA／DΔ-ΣA／D转换器根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格外重要的。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依据勘探技术指标的要求将野外地震数据记录下来，之后再由计算机数据处理中心对所采集的野外地震数据进展精细处理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据采集系统的根本组成原理，同时介绍数据采集系统的重要部件的电路原理。地震数据采集系统的根本组成原理一、集中掌握式地震数据采集系统20世纪7(0年月中期，数字地震仪的消灭，把地震勘探带入了一个崭的时代，消灭了以DFS—vSN—338为代表的集中专用掌握式数字地震仪。到了80年月，随着电子技SN—358MDS—16为代表的计算机集中掌握式数字地震仪。所谓集中掌握式系统是指整个仪器系统的掌握局部承受统一的数字规律电路完成算机集中掌握式数据采集系统。专用集中掌握式地震数据采集系统专用集中掌握式地震数据采集系统的—般框图如图4—1所示。承受这种掌握方式的地震仪主要有美国得克萨斯州仪器公司的DFs—vSN—338型地震仪和国产SDZ—751地震仪等。4—1中，虚线中的功能单元构成整个系统的规律掌握局部，各功能单元承受专用设计的硬件电路，从而构成集中掌握式系统。在数据采集过程中，整个信号的处理流程为：送至大线滤波器以滤除共模干扰和高频干扰，滤波之后的信号送至低噪声前置放大器放大，后再送入多路转换开关进展时分复用转换并同时完成采样送瞬时浮点放大器(IFP)进展可变增益(对于小信号自动调整选择较大增益，对于大信号自动选择较小增益)IFP15位逐次靠近型A／D转换器进展模数转换；IFP315A／D转换的尾数送入格式编排电路依据规定的格式进展编排，编排的结果送入数字磁带机记录。包括反格式编排、自动增益掌握、D／A转换、反多路转换、回放滤波等处理，最终用绘图仪形成回放记录。符合质量要求的数据磁带需要送计算中心完成员后的处理与解释。计算机集中掌握式地震数据采集系统计算机集中掌握式地震数据采集系统的一般框图如图4—2所示。承受这种掌握方式的地震仪主要有美国的MDS—15B型地震仪和法国舍塞尔公司的SN—358型地震仪等。与图4—1比照可以看出，计算机集中掌握式数字地震仪在数据编排局部之前与专用集中掌握式数字地IFP和逐次靠近型A／D后续数据编排和处理局部承受通用计算机掌握现。由于承受了计算机掌握，使仪器系统的整体掌握局部的功能更加完备、敏捷，并具有肯定的数据处理功能。因此，整个系统的智能化水平有了很大提高。IFP15位逐次靠近型A／D转换器相互协作以获得较大的信号处理动态范围。在实际系统中，IFP3—4位增益码，A／D转换器承受15位(1位符号位，14位尾数)逐次靠近型，集中掌握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，仪器的动态范围一般不超过120dB。二、分布式遏测地震仪数据采集系统(一般称为“大线”)与采120道。随着计算机技术在地震仪中应用的不断深入，人们把数据采集系统中的放大器、滤波器、A／D转换器、数据传输掌握规律以及整体掌握用CPU完成。(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，每个采集站用较短的模拟信号线(一般称为“小线”)1—8道检波器连接，各采集站用数字信号线(数字大线)或以无线方式与中心记录主采集部件在检波点而不在仪器车上，因此这类系统又被称为“遥测地震仪4—3所示。遥测系统的采集站与中心记录主机之间传输的是数字信号，采集站和记录主机可以敏捷IFP24位Δ-ΣA／D型采集站。IFP型采集站IFP4—4DFS—1VMDS—16型地震仪和法国舍塞尔公SN—368型地震仪等。从图4—4可以看出，承受IFP放大器的采集站的内部构造与计算机集中掌握式地震仪前端的构造形式根本一样。其主要电路构造(前放滤波、多路转换、浮点放大、A／D转换和CPU掌握)与计算机集中掌握式地震仪相应的电路也根本一样，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。采集站中的掌握局部一般由cPu路转换开关切换、浮点放大器、A／D转换器、数据存储以及数据传输接口的掌握。信号处理流程与集中掌握式地震仪类似，在此不做赘述。IFP型采集站存在的问题影响地震仪频率特性的因素主要是模拟电路及A／D频响应而言，直流放大器和直流耦合技术，可以很简洁地满足高区分率地震勘探3Hz低频IFPfsfmax；IFP的单道调整时tcNfs＞2fmaxfs＝4fmax，系统的高截止转折频率fc=fmax，则有(4—1)式说明：当IFP的调整时间确定之后，地震仪的高截止转折频率与地震道数成反比。IFPtcIFP电路的限制不能做到很小，而现代高区分率地NIFPIFP式地震仪难以同时满足较高的高截止频率fc和较高的道数N的要求。不失真情号的幅值。当模拟电路静态工作点确定之后，(主要由电源和电路构造本身确定)电路动态持性的主要因素。一般状况下，对于NA／D转换器，其动态范围DR为A／DA／D转换器和直接比较型A／D转换器，由于电路本身噪声特性的影响，其区分率很难到达18位。因此，直接使用传统A／D转换器的仪器系统，其动态范围难以到达110dB。IFP15A／D转换器协作的数字地震仪，奇异地利用了浮点IFP的多级模拟放大器具有较大噪声(8．86μv)而且15A／D168dB的动态范围。但实际上，由于模拟电路本底噪声的影响，IFP15A／D转换器协作的数字地震仪的实际动态范围不超过120dB主导地位的IFP构造的采集站，很难在动态范围指标上进一步提高。IFP简单，功耗也比较大，这些都不符合现代电子技术集成化、数字化、低功耗(低电源电压)、的需要。3