（物理电子学专业论文）勘探地震数据获取系统设计.pdf

中国科学技术大学博士学位论文勘探地震数据获取系统设计 摘要 众所周知，石油和天然气是不可再生资源，是重要的战略物资，亩接关系到人们 生活和国家安全。地震数据获取系统是地球物理勘探最为核心的装备，有什么样的地 震数据获取系统就决定了有什么样的勘探能力，也就决定了在采集装备方面的国际竞 争力。综合而言，研发自主知识产权的地震数据获取系统，是利益竞争、国力竞争、 价格竞争、市场竞争、人才竞争等各方面的综合需要。 然而在石油物探仪器方面，长期以来我国一直处于落后的状态，国内勘探仪器基 本全部依赖进口，这严重制约了我国石油地震物探事业和石油工业的发展。为了能更 好地、更主动地设计勘探设备，而不盲目地设计系统，同时能够跟上国际大型地震勘 探仪器的发展步伐k 里煎丛落让友鎏占盟地震数据菝取歪魉的照热进短允圭丘血迥一一 为将最新发展出来的实用技术引入到地震勘探系统的设计中提供方法基础和实验方 案，确立了“勘探地震数据获取系统设计方法”的博士研究课题。 本文首先根据勘探地震原理，归纳和总结出地震数据获取系统的组成和特点。然 后根据这些特点设计出数据获取系笺塑望塑攮篓：该模型由前端数据采集、数据传输、 后端数据处理以及分析控制系统组成，这四个子系统共同组成一种四层逻辑模型。接 着分别描述采集系统、数据传输、数据处理和控制系统的设计细节。最后讲述利用该 设计方法而设计成功的两个地震数据获取系统的设计实例。 本文共分为八章，每章的主要内容如下： 第一章：导言 本章首先研究勘探地震原理和采集方式，归纳和总结出地震数据获取系统的组成 和特点，接着叙述地震数据获取系统的发展现状，最后给出本论文的课题意义和主要 研究内容。 第二章：地震数据获取系统设计概论 地震数据获取系统的设计应该采用适当的技术。满足石油勘探的需要，体现地球 物理的前沿进展，而不是一味地追求新技术和高指标。本章给出地震数据获取系统的 构成模型，该模型是后续各章节讨论的基础，也是实际系统设计的依据。本章最后也 给出了在系统设计实现的过程中需要重点注意的几个方面。 第三章：采集系统设计 采集系统负责将模拟地震信号转换成数字信号，包括传感器、模拟的预处理和数 字化处理电路三部分。采集系统是数据获取系统的前端模拟处理部分，决定了系统的 关键指标，如动态范围和谐波失真等。本章描述了采集系统各组成部分的实现细节以 及因地震勘探而提出的要求。 第四章：传输系统设计 数字化的地震数据获取系统采用分层架构，使用数字信号的传输方式，这就使得 大覆盖面的2 d 3 d 勘探成为可能。但当道数多时，对数据传输系统的设计提出了要求， 主要包括拓扑结构和传输方式两方面的要求。本章重点分析数据传输系统流水线、总 线和网络这三种拓扑结构，本章还分析了电传输、光传输和无线传输这三种传输方式， ! 旦型堂垫查查兰竖主兰垡丝苎 墅塑垫壁墼塑茎墨墨竺堡盐 最后描述了一种适合地震应用的数据压缩算法。 第五章：处理系统设计 处理系统完成数据接收、格式转换和数据存储等功能。处理平台的结构直接关系 到系统的最大道处理能力、系统扩展能力以及系统可靠性等。本章以海洋和v s p 地震 数据获取系统来讨论处理平台的设计和实现。 第六章：控制系统设计 针对地震勘探设计三层架构的控制系统，包括管理层、前端控制层和设备控制层。 控制系统软件分成主控软件和质量控制软件。最后本章讨论了系统的同步设计。 第七章：设计实例 本章描述了两个地震数据获取系统的设计实例：海洋地震数据获取系统和v s p 地 震数据获取系统。 第八章：总结与展望 本章展望了地震数据获取系统的发展方向，针对这个发展方向，指出了本文中需 要进一步研究内容。此外，本章还给出了本论文研究过程中所取得的创新和亮点，同 时也指出了本人的工作。 中国科学技术大学博士学位论文 勘探地震数据获取系统设计 a b s t r a c t a sw ea l lk n o w , o i li st h en o n r e n e w a b l er e s o u r c ea n dt h ei m p o r t a n ts t r a t e g i cm i n e r a l r e s o u r c e o nt h eo t h e rs i d e ，o i li sd i r e c t l yr e l a t e dt o p e o p l e sl i f ea n dn a t i o n a ls e c u r i t y s e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( s d a q ) i st h ek e m e l e q u i p m e n tf o rg e o p h y s i c a l e x p l o r a t i o na n di tw i l lr e s t r i c tt h ea b i l i t yo fe x p l o r a t i o na n di n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o n s o r e s e a r c h i n gs d a qi st h er e q u i r e m e n to fc o m p e t i t i o nf o ri n t e r e s t s ，n a t i o n a lp o w e r , p r i c ea n d m a r k e te t c b u ti nt h ef i e l do fs d a q ，c h i n ah a sb e e ni nab a c k w a r ds t a t ef o ra l o n gt i m e t h es d a q si n o u re x p l o r a t i o nm a r k e ta r ea l li m p o r t e d ，t h i ss e r i o u s l yc o n s t r a i n t st h ed e v e l o p m e n to fo u ro i l e x p l o r a t i o na n dp e t r o l e u mi n d u s t r y i no r d e rt od e s i g ne x p l o r a t i o ne q u i p m e n t sb e t t e ra n d m o r ei n i t i a t i v e l y ，t h er e s e a r c ho f d e s i g no f e x p l o r a t i o ns e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m w a se s t a b l i s h e d f i r s t ，w es u m m a r i z et h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r so ft h es d a qb a s e do nt h ep r i n c i p l e so f s e i s m i ce x p l o r a t i o n t h e nw ed e s i g nt h es d a ql o g i c a lm o d e lw h i c hi s c o m p o s e do f f r o n t - e n dd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a t r a n s m i s s i o n ，b a c k e n dd a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i s c o n t r o l l i n gs y s t e m t h e s ef o n rs u b - s y s t e m sc o n s t i t u t eaf o u r 1 e v e la r c h i t e c t u r em o d e l t h i r d l y ，w ed e s c r i b et h e s ef o u rs u b s y s t e m si n d e t a i l f i n a l l yt w or e a ls d a q s m a r i n e s d a qa n dv s ps d a q ，a r ed e s c r i b e d t h e s et w os d a qa r ed e s i g n e do nt h ed i r e c t i o no f t h e m e t h o dp r e s e n t e db yt h i sa r t i c l e t h i st h e s i si sc o m p o s e do f8c h a p t e r s ，w h o s ea b s t r a c t sa r el i s t e db e l o w ： c h a p t e r1 ：i n s t r o d u c t i o n i nt h i sc h a p t e r ，w es u m m a r i z et h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r so fs d a qb a s e do nr e s e a r c h i n go f t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fs e i s m i ce x p l o r a t i o n t h e nw ed e s c r i b et h es d a q d e v e l o p m e n t s t a t u s f i n a l l y ，t h et h e s i sm e a n i n ga n dc o n t e n t sa r ep r e s e n t e d c h a p t e r2 ：b r i e f d e s c r i p t i o no f s d a qd e s i g n s d a qs h o u l db ed e s i g n e dt om e e tt h en e e do fo i le x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fp h y s i c a l g e o g r a p h y w i t ht h eh e l po fp r o p e rt e c h n o l o g i e s d e s i g n e r ss h o u l dn o t p u r s u en e w t e c h n o l o g i e sa n dh i g hp e r f o r m a n c e si nt h i sc h a p t e r ，w ed e s i g nt h em o d e lo fs d a q t h i s m o d e li st h eb a s i cs u b j e c tf o rt h ec h a p t e r sf o l l o w e da n d i st h eg u i d e rf o ra c t u a ls y s t e md e s i g n f i n a l l y ，s o m ep o i n t sa r ep r e s e n t e di nt h er e a l i z i n go fs d a q c h a p t e r3 ：d e s i g no f a c q u i s i t i o ns y s t e m a c q u i s i t i o ni s t h ef r o n t e n ds u b s y s t e mw h i c hc o n v e r t sa n a l o gs e i s m i cs i g n a lt o d i g i t a l s i g n a l s t h i ss u b s y s t e mi sc o m p o s e do fs e n s o r s ，a n a l o g p r e - p r o c e s s i n g a n dd i g i t a l p r o c e s s i n gc i r c u i t a c q u i s i t i o ns y s t e mi st h eb o t t l e - n e c ko ft h es d a q i tr e s t r i c t st h ek e y p e r f o r m a n c e so f t h es d a q ，s u c ha sd y n a m i cr a n g ea n dt o 弛lh a r m o n i cd i s t o r t i o n 。i nt h i s c h a p t e r ，w ed e s c r i b et h ed e s i g nd e t a i la n dr e s t r i c t i o n so f t h ea c q u i s i t i o ns y s t e m 中国科学技术大学博士学位论文勘探地震数据获取系统设计 c h a p t e r4 ：d e s i g no f t r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ed i g i t a ls d a qh a sam u l t i - l e v e la r c h i t u r ew h i c hu s e sd i g i t a ls i g n a lt r a n s m i s s i o nm e t h o d t h i sm a k e si tp o s s i b l et oc a r r yo u t2 d 3 ds u r v e y b u tg r e a tc a p a c i t yo f c h a n n e l si n c r e a s et h e p r e s s u r eo nt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mi n c l u d i n gt h et o p o l o g ya n dt r a n s m i s s i o nm e t h o d i nt h i s c h a p t e r , w ed e s c r i b et h et o p o l o g i e so fp i p e l i n e ，b u sa n dn e t w o r k w ea l s od e s c r i b et h e e l e c t r o n i c ，o p t i ca n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm e t h o d f i n a l l y ，w ed e s c r i b ead a t ac o m p r e s s i n g a l g o r i t h mf o rs e i s m i cd a t a c h a p t e r5 ：d e s i g no f p r o c e s s i n gs y s t e m p r o c e s s i n gs y s t e mf u l f i l l s t h ef u n c t i o n so fd a t ar e c e i v i n g ，f o r m a t t i n ga n ds t o r i n gt h e s t r u c t u r eo fp r o c e s s i n gs y s t e mr e s t r i c t st h em a x i m u mn u m b e ro fc h a n n e l s ，e x p a n s i b i l i t ya n d h i g ha v a i l a b i l i t y i nt h i sc h a p t e r ，w ed e s c r i b et h ed e s i g na n dr e a l i z i n go fp r o c e s s i n gs y s t e m c o m b i n e dw i t ht h em a r i n ea n dv s ps d a q ， c h a p t e r6 ：d e s i g no f c o n t r o ls y s t e m at h r e e - l e v e la r c h i t e c t u r ec o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d t h i sa r c h i t e c t u r ea d a p t st ot h es e i s m i c e x p l o r a t i o n ，m a n a g el e v e l ，f r o n t - e n dc o n t r o ll e v e la n dd e v i c ec o n t r o ll e v e lc o n s t i t u t et h e c o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o ls o f t w a r es y s t e mi n c l u d e sm a i nc o n t r o ls o f t w a r ea n dq u a l i t y c o n t r o ls o 行w s x e f i n a l l y ，w ea l s od e s c r i b et h es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m c h a p t e r7 ：e x a m p l e so fs d a q i nt h i sc h a p t e r ，w ed e s c r i b et w os d a q sw h i c ha r ea c t u a ls y s t e m sa n dh a v eb e e nt e s t e da n d a c c e p t e db yd e p a r t m e n t sr e l a t e d t h et w os d a q s a r em a r i n es d a qa n dv s ps d a q c h a p t e r8 ：c o n c l u s i o n sa n df u t u r e i nt h i sw ed e s c r i b et h ed e v e l o p m e n t so f s d a q t h e nw ep o i n to u tt h er e s e a r c ha s p e c t so f t h e s d a qb e c a u s eo ft h et r e n d so fd e v e l o p m e n t s f u r t h m o r e ，o r i g i n a li d e a r s ，h i g h l i g h tp o i n t s a n dt h ea u t h o rc o n t r i b u t i o n sa r ep o i n t e do u t 中国科学技术大学博士学位论文 勘探地震数据获取系统设计 图表l 图表2 图表3 图表4 图表5 图表6 图表7 图表8 图表9 图表l o 图表1 1 图表1 2 图表1 3 图表1 4 图表1 5 图表1 6 图表1 7 图表1 8 图表1 9 图表2 0 图表2 l 图表2 2 图表2 3 图表2 4 图表2 5 图表2 6 图表2 7 图表2 8 图表2 9 图表3 0 图表3 l 图表3 2 图表3 3 图表3 4 图表3 5 图表3 6 图表3 7 图表3 8 图表3 9 图表目录 地震仪器构成原理2 直达波与反射波到达时间5 近源检波器输出信号包络的幅度曲线5 地震检波器频响曲线 陆地地震波反射法勘探示意图1l 海上地震波反射法勘探示意图 海底电缆勘探原理1 2 反射波和透过波的波前和射线。 折射波的波前与射线1 3 垂直和水平地震剖面测量基本图形1 5 v s p 采集示意图1 6 数据获取平台四层逻辑模型2 2 大型8 缆物探船的作业2 3 陆上大型地震仪的布置2 3 海上拖缆系统的前级方框2 7 动铁式电动传感器2 8 电动式检波器的负载电路3 0 压电式地震检波器31 带电荷放大器的海上检波器 3 2 v e c t o r s e i s 数字地震传感器3 4 微加速度计的结构示意图3 5 微加速度计工作原理3 5 地震数据采集电路的组成及噪声3 7 检波器与前放的连接电路3 8 谐波失真与输入幅度关系4 0 有效波与干扰波的频谱4 0 陷波器的幅频特性4 2 高通滤波器对面波的压制效果 去假频率波器的参数4 4 过采样率对量化噪声分布的影响4 6 用过采样提高a d c 分辨率的设想4 6 噪声成形后的过采样量化噪声谱4 7 1 阶a a d c 原理 滤波前后量化噪声谱的比较一 用抽取方法将采样示意图4 8 海洋拖缆系统传输总体拓扑5 0 数字包连接示意图5l 数字包级连方式示意图51 数字包分布式二级结构示意图51 v 中国科学技术大学博士学位论文 勘探地震数据获取系统设计 图表4 0 图表4 l 图表4 2 闰表4 3 图表4 4 图表4 5 图表4 6 图表4 7 图表4 8 图表4 9 图表5 0 图表5 l 图表5 2 图表5 3 图表5 4 图表5 5 图表5 6 图表5 7 图表5 8 图表5 9 图表6 0 图表6 l 图表6 2 霉表彤 图表“ 图表6 5 图表6 6 图表6 7 图表6 8 图表6 9 图表7 0 图表7 l 鬻表7 2 图表7 3 图表7 4 图表7 5 图表7 6 图表7 7 图表7 8 图表7 9 图表8 0 图表8 l 图表8 2 图表8 3 命令流水线示意图，5 2 流水线型毁据通道 头包传输数据波形时隙5 3 系统总线结构框图5 4 v s p 系统使用的e d i b 总线缆芯5 4 检波器阵列结构示意图5 5 多芯电缆示意图5 5 七芯铠装电缆截面示意图5 6 七芯铠装电缆的工作模式5 6 c a n 协议与o s i 参考模型5 7 c a n 弼络的结构，5 7 c a n 总线节点结构图。5 7 c a n 总线接口图5 8 陆地万道系统传输系统总体结构 n r z 码的波形和功率谱密度 5 9 ，6 l a m i 码的波形和功率谱密度6 l 光纤通信原理结构图6 2 n r z 码与m a n e h e s t e r l l 码6 3 单工方式和半双工方式“ s t e r m 2 帧格式6 6 传输使用的压缩数据包6 7 不同台站地脉动数据压缩对比6 8 c o m p a o t p c i 的特点( 与标准p c i 比较) 7 0 c p x 2 4 0 8 的实物图7 l 光纤接口板模块框图7 2 光纤接口板机械结构和主要器件布局示意图7 3 数据处理机结构框图7 4 1 6 缆处理平台，7 4 处理平台结构图7 5 信号调理电路7 5 m 5 7 通道上传信号调理前后的波形对比图7 6 电缆编码信号生成图7 6 电缆命令信号驱动龟路图 地震数据恢复原理图7 7 地震数据恢复图7 8 地震数据获取系统中三层控制系统架构8 1 海洋地震数据获取系统的控制系统 v s p 地震数据获取系统的控制系统9 3 主控软件组成8 5 质量控制软件组成8 6 海洋地震数据获取系统控制命令同步8 8 f p g a 全局时钟分配树结构8 s g p s 的组成部分眇 i e e e l 5 8 8 协议的同步消息9 0 中国科学技术大学博士学位论文勘探地震数据获取系统设计 图表8 4 图表8 5 图表跖 图表8 7 图表8 8 图表8 9 图表9 0 图表9 l 图表9 2 图表9 3 图表9 4 图表9 5 图表9 6 图表9 7 图表9 8 图表9 9 图表1 0 0 图表1 0 1 图表1 0 2 图表1 0 3 图表1 0 4 图表1 0 5 图表1 0 6 图表1 0 7 图表1 0 8 图表1 0 9 图表1 1 0 图表1 1 1 图表1 1 2 图表1 1 3 图表“4 图表1 1 5 图表1 t 6 图表1 1 7 图表1 1 8 图表1 1 9 图表1 2 0 图表1 2 1 图表1 2 2 图表1 2 3 图表1 2 4 图表1 2 5 图表1 2 6 图表1 2 7 p t p 协议：o 凰e t 的测量过程9 l f r p 协议：d e l a y 的测量过程9 2 p t p 同步单元9 2 硬件逻辑同步结构- 9 3 初始化过程9 3 命令执行时刻9 3 系统总体结构图9 5 系统数据流程流量9 7 室内系统总体结构图 d p m 机箱结构图9 9 主控软件分层体系结构 。，9 9 v p r 软件结构图1 0 0 拖缆和数字包的连接1 0 0 采集包的硬件框图1 0 1 采集板布局示意图1 0 2 数字包级连方式示意图一一1 0 2 传输板结构示意图1 0 3 数字包和采集板结构示意图1 0 3 主控软件系统1 0 4 质量控制软件系统和数据处理平台1 0 5 光纤接口板1 0 5 传输包和采集板1 0 5 渤海海试用拖缆1 0 5 自环试验设备连接图 自环试验数据显示图1 0 7 杭州试验设备连接图1 0 8 杭州试验数据显示图1 0 8 渤海试验设备连接图1 0 9 渤海试验数据显示图11 0 渤海试验数据处理后显示图11 0 v s p 系统结示意图 系统总线结构框图1 1 2 数据采集时序示意图 地面采集记录系统结构框图1 1 2 v s p 控制软件结构图1 1 3 v s p 数据采集板结构图 m 2 数据格式1 1 4 m 5 7 数据格式1 1 5 命令编码图j 1 5 检波器阵列结构示意图1 1 6 数据处理平台和数据处理板1 1 7 软件系统1 1 7 野外试验现场和勘探车1 1 7 测试装置图1 1 8 l 生璺型堂垫查查兰堡主堂垡笙壅 墅堡垫壁墼塑壅里墨竺堡生 图表1 2 8 训练波形图 图表1 2 9 三份量波形信息 1 1 9 1 1 9 中国科学技术大学学位学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者虢盈垒 作者签名： 毖坌 锄彬7 年r 月曰日 中国科学技术大学博士学位论文勘探地震数据获取系统设计 致谢 本论文的全部工作是在导师王砚方教授和宋克柱副教授的悉心指导下完成的。两 位恩师渊博的学识、严谨的治学态度、对新知识孜孜不倦的追求精神和忘我的工作热 情对我影响很大，将使我终生受益。在我进快电子实验室的这五年中，王老师和宋老 师对我的学习、工作、生活等各方面都给予了真诚的关怀和帮助。在此，向两位恿师 表示我最衷心的谢意! 感谢王老师对我学术方向、思维方式、工作、博士课题研究和论文写作等诸多方 面的悉心指导和帮助! 感谢宋老师对我项目、学习和生活等方面的指导和帮助! 在本文完成过程中，中海油项目组的各位研究生自始自终都给了我大力的支持和 帮助，为本论文的完成做了许多重要的工作： 感谢杨俊峰博士后提供光纤接口板的详细设计和新系统设计方案； 感谢吴义华博士提供单板测试系统详细设计和质量控制系统软件详细设计： 感谢程敬原博士提供嵌入式v x w o r k s 系统软件详细设计和单缆测试系统软件： 感谢何正淼博士、王超博士和刘样硕士提供采集系统详细设计和测试数据； 感谢陆增援博士提供数据传输板详细设计和对我工作学习的热心帮助： 感谢阮福明博士提供质量控制系统软件详细设计和新系统设计方案； 感谢唐世悦博士和曾翔硕士提供传输系统详细设计和协议； 感谢程涛硕士提供v s p 系统软件详细设计和测试数据； 感谢陈佳硕士提供v s p 状态检测系统详细设计； 感谢中海油服技术中心郭云总工程师、卢涛总工程师、机械电子设备所李建 所长；感谢中海油服物探装备实验室的朱耀强工程师、董立军工程师、王子秋工程师、 陈曦、唐进等。他们对于我项目和论文的顺利完成起到了不可缺少的重要作用； 特别感谢中石油项目组的武杰老师提供陆地万道系统设计方案： 特别感谢安琪教授对于我学习，思维、工作，生活等方面的指导和帮助。 感谢那些在快电子实验室一起工作、学习并给予我启发和帮助的老师和同学，他 们是：王永纲教授、汤家骏副教授、刘树彬老师、张万生老师、程伊敏老师，马灵、 杜挺克、张嗣锋，王东旅、胡婷婷、周杰、曹桂平、程宏才、刘素琴等。 此外，还要感谢清华大学光纤实验室的王利威博士和邹麒瞬硕士，在v s p 项目中 与我进行了十分有益的交流，并给予帮助。 特别感谢我的妻子汪翌为我三年的博士学习、工作和本论文的顺利完成所做的 最大的无私奉献。我还要感谢我父母多年来对我的关怀和鼓励，没有他们的含辛茹苦， 就不会有我的今天。 谨以此文献给我那将与2 0 0 7 年1 1 月底出生的宝宝 中国科学技术大学博士学位论文勘探地震数据获取系统设计 第一章引言 地震数据获取系统不同于一般意义上的数据获取系统，有其自身的特点和要求。 本章根据勘探地震的原理，归纳和总结出地震数据获取系统应该具各的特点和要求， 为以后的章节提供总体上的指导和要求。最后指出本课题研究的意义和内容。 1 1 地震数据获取系统的任务、组成和研究方法 地震学有两个主要的分支，这主要是从震源的不同来区分的，分为天然地震1 和勘 探地震2 ( 人工地震) 。 天然地震的震源来自真实的地震事件，具有非常强的不确定性和不可预测性，同 时具有海量的数据，对于地震仪器的要求是具有长期的稳定性和可靠性，不间断工作。 相比于人工地震，天然地震能量非常大，通过地球传输衰减非常小，因此工作的重点 主要是地震台的布置方面，目前我国固定地震台一共有1 0 0 0 多个，流动台也有很多。 勘探地震与天然地震最明显的不同就是震源的不同。勘探地震所使用的是人工方 法所激发出来的震源，比如炸药震源、气动震源等。这些震源相比于天然地震，能量 非常小，因此地震仪器所采集到的数据中。有效信号很多会淹没在噪声中，为了提高 信噪比，需要增加地震采集道数，将采集到的数据进行后处理来提高信噪比，另一方 面需要改善震源特性，通过震源的叠加，可以提高能量和改善震波的时域特性。因此， 重点工作在数据采集和处理以及震源的研究方面。 由于天然和人工地震两个分支显著的差别，这裁造成两个领域的研究方法祁手段 也不相同，同时对地震数据获取系统的设计要求也不相同。本文只研究勘探地震数据 获取系统的设计，不讨论天然地震数据获取系统。 地震勘探( s e i s m i ce x p l o r a t i o n ) 就是利用地震波的能量来勘探地球表面以下的信 息r 通常是作为寻找有经济价值的石油、天然气或矿物的沉积物的一种手段，也可以 作为工程、考古和科学研究等方面的手段。在勘探地震学上，地震方法一般是在或接 近地球的表面，用来测量和探测地表的弹性特征变量，这些变量可以反映出地表的岩 性或空隙流体的地震特性的变化。 勘探地震学所研究的地表深度一般为1 5 0 k r n ，但是从勘探角度上讲，具有明显实 用价值的深度一般为l o k m 。因为这些深度上，地震手段能够探测和解析数十米的空问 尺度。在这样的深度尺度上，地震方法的解析能力明显地优于其它遥测地球物理学方 法。也正是由于地球上几乎所有的油，气都存在于这样的尺度范围内，因此勘探地震 学在能源领域起着极其重要的作用。 地震勘探基本上可分为野外数据采集、室内资料处理和地震资料解释三个阶段。 每一个阶段都需要使用一定的设备，才能完成预期的任务。没有这些设备作为工具和 手段，地震勘探理论在完善也不能付诸实施，当然也就达不到勘探的目的。地震勘探 数据获取系统是地震勘探的物质基础。事实上，个国家一个油田勘探装备的状况， 很大程度上反映了这个国家这个油田的勘探水平。 地震勘探设备种类很多，涉及的范围很广。其中直接用于野外的地震数据采集的 第一章引官 专用设备，我们称之为地震勘探仪器。地震勘探仪器的任务，是在地表激发地震波并 把返回地表的地震波接收和记录下来从这个意义上讲，地震勘探仪器包括震源、检 野外地震记录。完成把地震波转换成电信号是传感器。在地震勘探中，传感器大多是 成组使用的，即使每一个传感器的输出信号都单独地数字化，而其数据也是成组处理 的其目的是消除噪声，检出地震渡的反射信号。因此把传蓥器组或传感嚣阵歹j 称为 检波器。 ，们 震源 囱袁1 地震仪器构成原理 地震勘探的第阶段即野外数据采集阶段的疑终成果，就是地震勘探仪器产生的 野外地震记录，这些野外地震记录是地震勘探的资料处理和资料解释的原始依据和工 作基础。地震勘探仪器本身性能抒坏和使用是否埝当，直接影喻地震记录质量，也就 必然影响到后期资料处理和资料解释工作，最终势必影响地震勘探效果。所以。地震 勘探仪器是地震勘探装备中最基础的设备，也就是最关键最重要的设备。 地震勘探仪器的三大部分是互相联系缺一不可的，但比较而言，地震数据获取系 统的结槐悬复魁目地震勘探效果的影响最大。地震数据获取系统实际王是一_ 种记录 地震信号的集电子计算机、控制、通信、数字信号处理等于一体的复杂系统是这 些学科和技术与地震勘探技术相结合的产物。地震数据获取系统是本文研究的对象。 就系统组成而言，地震数据获取系统结构非常复杂，包含的电路很多，但就内部 信号而言，却只有两种信号，即地震信号和控制信号。把地震信号所通过的各个模块 连接起来就组成一条地震信号的“流水线”通道。把控制信号所通过的各个“屡次” 连接起来就组成了套“宝塔”型的控制系统。这样以两种信号为线索，就能把复杂 的地震数据获取系统整理成信号通道和控制系统两大主线。其中，地震信号通道是地 震数据获取系统的核心和根本任务，控制系统则是为地震信号通道服务的。 1 2 地震数据获取系统的特点 地震数据获取系统不同于普通的数据获取系统，由于行业和领域的特点，它具有 显著区剐于其它数据获取系统的特点，如下： 数字化 传统的地震数据获取系统是模拟设备，最终的数据以图形的方式记录在纸带上， 最后由分析人员读图分析，这样分析的结果的可靠性、准确性。效率等是可想而知的 自从发明反卷积法解释地层结拘后，数字信号处理( d s p ) 的理论和算法在地震勘探解 释领域得到了广阔的发展，这就要求地震数据获取系统记录的数据必须是全数字化的 信息。 大带道能力 2 中国科学技术大学博士学位论文 勘探地震数据获取系统设计 地震勘探需要对大范围的地质进行数据采集和处理，这就决定了地震数据获取系 统必须具有大范围的多通道采集。耳前海洋地震数据获取系统带道能力最大达到8 0 ，0 0 0 道，陆地系统的带道能力在1 0 ，0 0 0 道以上，甚至达到1 0 0 ，0 0 0 道4 海量数据 大范围的多通道数据采集的必然结果就是数据量的增大，因此地震数据获取系统 具有海量的数据传输和处理和存储的能力。 数据传输的确定性 地震数据获取系统的数据传输不同于一般的数据传输系统，尤其是不同于通信网 络系统。尽管现在大型的地震数据获取系统都会借鉴和采用网络领域的一些理论和技 术方法。但是它们之间有着根本的区别。地震系统的数据量、数据方向、传输路径等 都是确定的和可预知的，数据之间地位平等，不具有优先等级等属性。而不像一般的 网络系统中负荷随机、路由随机、方向随机，还具有q o s 服务等级 1 3 地震勘探对地震数据获取系统的基本要求 地震仪器把返回地表的地震波记录下来，为勘探工作者提供推断地下地质情况的 依据，为了保证勘探工作者能够准确、细致地推断地下的地质情况，就要求地震仪器 尽可能真实地把地震波的各种特性如实记录下来，既不丢失有用信息也不增加任何不 需要的成份，这就是衡量一个地震仪器性能的好坏的标准，也是设计和制造地震仪器 的基本要求。 1 3 1 地震波的形成 如果把某工区地层看成是一个系统，把震源激发产生的激发波形看成这个系统的 输入信号，那么达到地面的地震波就是这个系统的输出。对同一地层来说，如果震源 和激发条件不同，它所产生的激发波波形也不同，那么到达地面的地震波波形也就不 同；另一方面，在两个工区即使震源和激发条件完全相同，但由于地下地质情况不同， 到达地面的地震波波形也不会相同。我们把震源及其激发条件对激发波波形的影响称 为“震源