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中国料学技术大学博士学位论文 地震采囊中高速传输与实时处理系统的研究 摘要 石油是不可再生的资源，是重要的战略物资。石油在整个常规能源结构中所占的比重越 来越火，中国每年对石油需求的缺口也越来越大。中国有辽阔的海域，开展向资源丰富的海 洋探测石油的工作意义重大。但是由于海上石油地震勘探设备很是复杂，规模比较火，到目 前为止，很多海洋石油的勘探工作和开采工作，不是直接由外国公司进行勘探就是购买国外 的成套设备。 近年来，中国科技实力不断发展，为了能独立自主的对我国大陆架的丰富油气资源进行 勘探开发，2 0 0 1 年，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 确立了“资源与环境”领域的重 大专项：“渤海大油田勘探开发关键技术”，其中项课题就是“海上时移地震油藏监测技术”。 数据传输与实对处理系统是“时移地震数据采集设备”中的子系统，对整个系统的高精 度、大数据量的采集提供了不可缺少的支持。数据传输与实时处理系统可以提供对六条地震 数据采集缆的支持，如果使用级联扩展的c o m p a c t p c i 机箱则可以支持十一条采集缆，对每一 条光纤采集缆支持最大有效数据率为1 2 8 m b i f f s ，最长采集时间为1 2 s 。 地震采集中高速传输与安时处理系统的研究包含的主要内容及本文的主要工作如下： 光纤传输技术 用光纤传输数据由于频带宽、衰减少，可以很容易实现高速数据传输。光导纤维不导电 传输约信号不会受到电磁干扰和射频干扰。因此，采用光纤作为地震海量数据的传输方式， 同时也便于实现装备的轻便化。 高可靠背板传输技术 c o m p a c t p c i 是一种开放式的_ t 业计算机标准，具有满足通信和j j 业实时应用所必须的更i 、 坚同、更可靠、模块化、易维护的优点。 i 冗余系统槽c o m p a c t p c i 高可靠平台可以提供较高的总线带宽( 6 6 m h z 、6 4 , 位数据，带k i 宽5 2 8 m b y t e s ) ，特别适用于实现u o 数据量大的高可靠平台。 l 删令： 使用f p g a 实现实时数据处理 蔓玄，矛z 孝i 入 f p g a 资源丰富，易于实现并行流水线，设计专用的数据处理方法来完成大量的数据处 理，从而大大缩短系统的响应时间。f p g a 是商接以硬件方式执行算法，当对特定的运算进 行分解、执行流水操作和并行运算后，摹运基逮匿太太趁过q 黜皤耻茹u 一 _ 一， 嵌入式实时操作系统的研究 实时嵌入式系统为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理，实时的系统资源以及 实时的任务间通信。应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本身，而不必再去关心 系统资源的管理。 我们用基于c o m p a c t p c i 的平台结构，自行设计其中的光纤接口板、数据传输板和同步系 统，开发单板的嵌入式软件，实现了对多条数据采集缆的数据处理和传输，实现了系统动态 配置、实时状态监控、实时数据处理。设计了能满足要求的数据传输与实时处理系统并通 过了测试。 1 l 中国科学技术大学博十学位论文地震采集中高速传输与实时处理系统的研究 a b s t r a c t o i li st h en o l l 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 t cm i h e r a lr e s o u r c e o i l1 sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n ti nc o f f l _ r l o f le n e r g ys o u r c e so f o u rc o u n t r y a n dt h ei n c e s s a n tr a p i dg r o w t ho f e c n n o m y i n c h i n ah a sa m p l i f i e dt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ns u p p l ya n dd e m a n do fo i l s i n c et h es e aa r e ao f c h i n ai sv a s t ，i ti se s s e n t i a lo fs u b s e ap e t r o l e u me x p l o r a t i o na n dp r o d u c t i o n b u to t i s h e r eo i l e x p l o r a t i o ni sc o m p l i c a t e da n dh a sal a r g es c a l eo fe q u i p m e n t s s om u c ha c t i o no fo f f s h o r eo i l e x p l o i t a t i o ni si m p l e m e n t e db yf o r e i g nc o m p a n y o rb ye q u i p m e n t so f f o r e i g nc o m p a n y t h e s ey e a r s ，b e c a u s et h et e c h n o l o g yo fc h i n ah a sb e e n d e v e l o p e d ，w ea i m e d t oe x p l o r et h es u b s e a r e s o u r c eo fc h i n a b yo u r s e l v e s s ot h en a t i o n a lh i 曲t e c h n o l o g yd e v e l o p i n gp r o j e c t ( 8 6 3p r o j e c t ) s e i u p t h e p r o j e c to f “e x p l o r a t i o n a n d e x p l o i t a t i o n o fb o h a io i lf i e l d ”i nt h ea r e ao f “c i r c u m s t a n c ea n dr e s o u r c e ”w ed or e a c hi no n ed i r e c t i o no f “m a r i n es e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o n a n d r e c o r d i n gs y s t e m ” “d a t at r a n s f e ra n dr e a l ，t i m ep r o c e s s i n g s y s t e m ”i st h es u b s y s t e mo f “m a r i n es e i s m i cd a t a a c q u i s i t i o na n dr e c o r d i n gs y s t e m ”i tw i l lh e l pt os u p p o r th i g h - a c c u r a c ya n dm a s sd a t aa c q u i s i t i o n f o re n t i r es y s t e m “d a t at r a r t s f e ra n dr e a l - t i m ep r o c e s s i n gs y s t e m ”c a nt r a n s 凫rt h ed a t as t r e a m f r o ms i xa c q u i s i t i o nc a b l e s u s i n gc a s c a d i n gs t y l ec h a s s i s ，i tc a nt r a n s f e re l e v e na c q u i s i t i o nc a b l e s t h ef a s t e s td a t at r a n s f e rr a t ei s1 2 8 m b i f f sa n dt h el o n g e s td a t a a c q u i s i t i o nt i m ei s1 2 s “d a t at r a n s f e ra n dr e a l t i m ep r o c e s s i n gs y s t e m ”l n c l u d e st h eb e l o w ： d a t at r a n s f e rw i t h o p t i c a lf i b e r f i b e r - o p t i ci n t e r c o n n e c t sc a np r o v i d eh i g h s p e e dd a t a t r a n s f e rr a t e se x c e e d i n g1 0g b i t s s ，b u tt h e s e d e wo p t i c a lm o d u l e sa r cs t i l l e x p e n s i v e a d v a n c e m e n t si nc o p p e rc a b l i n ga n dc o p p e ri n t e r c o n n e c t s h a v er e c e n t l ye n t e r e dt h em a r k e tt op r o v i d el o w c o s tc o p p e ri n t e r c o n n e c t st h a tn o to n l ym a i n t a i n s i g n a li n t e g r i t y , b u ta l s op r o v i d ef l e x i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y w i t hm u l t im o d e o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o n ，ad i s t a n c eo fu pt o5 0 0m e t e r sc a nb ea c h i e v e db e t w e e n d e v i c e s u s i n gs i n g l em o d eo p t i c a lf i b e r , t h ed i s t a n c eb e t w e e nd e v i c e sc a nb eu pt o1 0 ，0 0 0m e t e r s o r l o k m h i g h a v a i l a b l e b a c k l c i l a n e r e d u n d a n t s y s t e m s l o tc o m p a c t p c ih ap l a t f o r mp r o v i d e sah i g hb a n d w i d t h ( 1 3 2 m b y t e s sf o r3 2 b i t ，3 3 m h z ；5 2 8 m b y t e s s f o r6 4 b i t ，6 6 m h z ) a n d 9 9 9 9 9 a v a i l a b i l i t y ( e q u a t i n g t o a p p r o x i m a t e l y5m i n u t e so fd o w n t i m eay e a r ) ，i th a st h eb e s tr a t i oo fp e r f o r m a n c ea n dp r i c e i t s m o s t a p p l i c a b l et os y s t e m sw i t hl a r g ei od e m a n d s r e a l t i m e p r o c e s s i n gw i t hf p g a f p g ao f f e r se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e y o uc a l lt u n eh a r d w a r eg a t e st oa na p p l i c a t i o n ，u s i n gt h e m a sa h a r d w a r ea c c e l e r a t o rf o rc o l t l l n o nt a s k sa n dh a v et h e m p e r f o r mt a s k si np a r a l l e lt of u r t h e rs p e e d e x e c u t i o n d e s i g n e sc a nr e c o n f i g u r et h e s ed e v i c e si n - c i r c u i t 。re y e di nt h ef i e l dt oa d do rc h a n g ef e a t u r e s i i i 中罔科学技术人学博士学位论文 地震采集中高速传输与实时处理系统的研究 d o i n gs o ，h o w e v e r , c a nb ed i f f i c u l td u et oar e c o n f i g u r a t i o no ft h el o g i ca n dp o s s i b l ya r c h i t e c t u r e t h a tr e q u i r e sr e v a l i d a t i o nf r o mav h d l d e s i g nl e v e l f u r t h e r , d e s i g n e r sm u s tm a k es u r et h er e s to f t h ec i r c u i tf i m c t i o nc a ns t i l lf i ti n t ot h ef p g aa n dt h et i m i n gp a t h sd on o tc h a n g et h ec r i t i c a lp a t h ， s ot h a tt h ed e s i g ns t i l lw o r k sa si n t e n d e di nr e a lt i m e f p g at o o l sa n d v e n d o r _ s u p p o r t s t r u c t u r e sa r ew e l l e s t a b l i s h e da n d w i d e l y a v a i l a b l e t h e g a t e p r o g r a m a n i n gt o o l s e t sf r o mt h ev e n d o r sa r er e l a t i v e l yi n e x p e n s i v e ，b u tt h em o r ep o w e r m l t o o l sf r o mt h et o o l s u p p o r ti n d u s t r yc a nb ee x p e n s i v e a l s o ，d e s i g n i n gw i t ha nf p g ai sb a s i c a l l y h a r d w a r e - l o g i cd e s i g n a l t h o u g hh a r d w a r ee n g i n e e r s w i l lb ec o m f o r t a b l ew i t hf p g a s ，m a n yi nt h i s f i e l da r es o f t w a r e o r i e n t e da n d a l g o r i t h m o r i e n t e d i fa d e v e l o p m e n t t e a ml e a n st o w a r d s o f t w a r e i n c l i n e de n g i n e e r s ，t h e nt h ef p g ai n c r e a s e si ne f f o r ta n dr e l a t i v ed e v e l o p m e n tc o s t e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e m t h eg e n e r a lp u r p o s ep l a t f o r mi n t e g r a t e st h em o s t - p o p u l a r , r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，v x w o r k s ， w i t ha d v a n c e dd e v e l o p m e n tt o o l sa n ds t a n d a r d i z e dm i d d l e w a r e i tp r o v i d e sap r o v e n ，a n dr e l i a b l e f o u n d a t i o n ，s od e s i g n e r sc a l lf o c u so np r o d u c td i f f e r e n t i a t i o na n dh i g h - v a l u ea p p l i c a t i o n st og e t t h e i rp r o d u c t st om a r k e to n t i m e w eb a r ed e s i g n e df i b e ri n t e r f a c eb o a r d ，d a t at r a n s f e rb o a r d ，s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e ma n de m b e d d e d s o f t w a r eb a s e do nc o m p a c t p c ic h a s s i s t h es y s t e mi m p l e m e n t sd a t at r a n s f e rf o rm u l t i p l ed a t a a c q u i s i t i o nc a b l e sa n dc a nb ec o n f i g u r e do n l i n e ，r e a l - t i m em o n i t o r i n g ，r e a l t i m ep r o c e s s i n g t h e s y s t e mh a sb e e nt e s t e da n da c c e p t e d 中网科学技术大学博上学位论文 地震采集中高速传输与实时处理系统的酬究 致谢 本论文的全部j ：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。两位老师 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。在我进快电子实验窒的五年中，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，向手老师和宋老师表示衷心的感谢! 在本文完成过程中，中海油项目组鹄各位研究生自始自终给了我大力支持，为本论文的 完成做了许多有益工作，在此深表感谢! 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：安 琪教授、汤家骏副教授，何正淼、阮福明、杨俊峰、唐世悦、曹平、吴义华、王超、伍尚昆、 程敬原、曾翔、陈佳等。恢屯子实验室的程伊敏女士也为本论文的完成提供了诸多重要的后 勤服务。 特别感谢我的女朋友邹旭为我的博士期间学习和本论文的顺利完成所做的最大的无私奉 献，并帮助完成了论文的校对工作。 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。 ! 里型兰垫查查兰竖圭兰垡堡壅垫墨墨茎皇塑垩生塑兰壅堕竺堡墨笙堕坚! ! 第一章绪论 本章共分三书，第一节介绍了研究课题的背景，第二节介绍了地震仪的发展史，第三节 介绍了本论文的研究内容。 1 1 课题简介 1 1 1背景简介 石油是不可再生的资源，是重要的战略物资。石油的用途很广，在动力燃料中，石油占 有重要的位置。如果没有石油，交通运输就要受到很大影响，不少机器也要停止运转。石油 又是重要的石油化工原料，它的产品多至几千种。 如何才能找到油、气田，这就涉及到石油勘探方法的问题了。目前的方法有地球物理勘 探、地质调查、地球化学勘探及钻井等。在上述的方法中，地球物理勘探中的人工地震方法 是比较有效的。它采用炸药或非炸药震源激发地震波，波在地层传播时，遇到分界面就产生 反射、折射，然后回到地表，用地震仪记录反射、折射同来的地震波，从而了解地下的构造 及岩性，以提供钻探井位，评价含油远景。 我国有辽阔的海域和大面积的内陆水域，海岸线有1 8 万多公里。但是由于海上石油地 震勘探设备很是复杂，规模比较大，相比之下，陆上的石油勘探设备比较易于实现一些，到 目前为【上，很多海洋石油的勘探 ：作和开采工作，不是直接由外国的公司进行勘探就是购买 国外的设备。近年来，中国的科技实力不断的发展，为了能更加独立自主的对我国大陆架的 丰富油气资源进行勘探开发，2 0 0 1 年，国家高技术研究发展汁划( 8 6 3 计划) 确立了“资源 与环境”领域的重大专项：“渤海大油田勘探开发关键技术”，其中一项课题就是“海上时移 地震油藏监测技术”，该课题研究的目标就是：建立具有自主知识产权的海上油藏地震监测系 统；实现目标油田在开发过程中储层剩余油分布的动态监测，为优化油田开发方案提供准确 的信息。 本论文所研究的课题就是“海上时移地震油藏监测技术”的子课题“时移地震数据采集 与记录系统”中的研究。 1 1 2地震勘探仪器的任务和研究方法 所谓地震勘探就是利用人工方法激发地震波，研究地震波在地层中传播的规律，以查明 地下的地质情况，为了寻找油气田或其它勘探目的的服务的一种物探方法。与其它物探方法 相比，地震勘探具有精度高、分辨率高、勘探深度大等优点。冈此，已成为石油勘探中一种 最有效的勘探方法。在西方发达国家，石油勘探方面总投资的9 0 用于地震勘探。在我国， 自大庆油田发现以来，新发现的油田有9 0 使用地震勘探方法找到的。 地震勘探基本上分为野外数据采集、室内数据处理、地震资料解释三个阶段。每一个阶 中固科学技术大学博，l 学位论文地震采襞中高速传输与实时处理系统的研究 段都需要使f j 一定的设备，才能完成预期的任务。没有这些设备作为1 具和手段，地震勘探 理论再完善也不能付诸实施，当然也就达不到勘探的目的。地震勘探殴备是地震勘探的物质 基础。事实上，个国家一个油田勘探设备的情况，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。涉及的范同很，一。其中直接用于野外地震数据采集的专有设备， 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 波接收和记录卜来。从这个意义上来讲，地震勘探仪器应包括震源、检波器、地震仪三丈部 分。其中，震源激发地震波，检波器接受地震波并把它转换成电信号，地震仪对地震电信号 进行放大滤波再把它记录卜来成为野外地震记录。 地震勘探第一阶段即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 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 探仪器本身性能好坏和使用是否恰当，直接影响地震记录质量，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设备中最 基础的设备也是晟关键最重要的设备。 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，地震仪的结构最复杂 对地震勘探效果的影响最大。地震仪实际上是一种记录地震信号的电子仪器。如果把它解剖 开来，从“微观”上看，它采用的元器件和基本电子电路与般电子仪器没有多少差别。但 是，把这些基本电子电路组合起来，从“宏观”上看，它的整体组成框图和工作原理与一般 电子仪器相比却大不相同。地震仪与一般电仪器的本质区别就在下l 它是电子技术于地震勘探 技术相结合的产物。 1 1 3地震仪的发展概况 半个世纪以来，随着电子工业、计算机f 业和地震勘探技术的飞速发展，地震勘探仪器 也在不断的发展、完善和提高。从记录地震仪的内容和方式来看，经历了从模拟地震仪到数 字地震仪的变化。 数字式地震仪有阻f 特点 1 )动态范同大，一般可达1 2 0 分贝，最高可达1 7 0 分贝以上。 2 )频带宽，一股从3 h z 到2 5 0 h z ，最高达5 0 0 h z 。 3 )记录的振幅精度离，一般达0 1 最高可达o0 1 4 )它具备了以上的三个优点，对研究波的动力学特点提供了先决条件，并为利用地震 勘探方法商接找油气田开拓了良好的前景。 5 )记录的质量高，由于采用数字式磁带记录，在信号再现时，可多次转录而不降低信 噪比。 6 )便丁二与计算机直接配合，对所获得的地震资料进行快速、高精度、高质量的数十种 数字处理及各种显示。 7 )便于扩展地震道数，目前已从2 4 道扩展到1 0 2 4 道之多。随着道数的增加，野外一1 2 中国科学技术大学博士学位论文 地震采集中高速传输与实时处理系统的研究 作效率大大提高。 1 2 地震仪的发展简史 半个世纪以来，随着地震勘探和电子技术的发展，地震仪也在不断的发展、完善和提高。 1 2 1第一代：模拟光点记录地震仪 国外是从2 0 世纪3 0 年代初到s o 年代末，大体经历了3 0 多年，是地震勘探的初期，也 是五代地震勘探仪器经历时间最长的一代。 解放前我国基本上没有地震勘探，解放厉才发展起来。从2 0 世纪5 0 年代初到6 0 年代末 我国应用模拟光点记录地震仪，简称为5 1 型地震仪。使用该仪器初步探明了几个大油气田。 例如：克拉玛依油田、大庆油田、胜利油田、玉门油田等。 地震记录为模拟波形光点感光照相记录。这种记录不能作回放处理，故模拟光点记录 地震仪不可作多次覆盖地震勘探。在现场进行生产时，接收记录之前必须选好激发和接 收田素，否则无法补救。同时仪器操作比较复杂，记录需经洗相才能完成。 地震资料的处理只能用手工进行，工作效率低、质量也难以保证。 记录器动态范围小，一般只有2 0 d b 左右。为了适应记录器动态范同小的需要，在地震 放大器中用了自动增益控制器来压缩地震信号的输出动态范同。但自动增益控制是非线 性的，又不能记录下当时放火器的增益值，故不能恢复原信号。因此，使用模拟光点记 录地震仪只能解决某些几何地震学的勘探问题。 地震记录频带窄，一般为3 0 h z 左右 2 0 、3 0 、4 0 、5 0 h z 等。通常用滤波4 档 使大量有效波丢失。滤波器的中心频率一般为 其频带为2 8 4 0 h z 。 采用电子管电路，与晶体管和集成电路相比，电子管电路有体积大、重量大和耗电量 人等缺点。 仪器操作自动化程度低，操作复杂，生产中容易出废品记录，生产效率低。 地震道数少，一般为2 6 ，只能作二维地震勘探。 只适用于地震地质条件较简单的地区工作，复杂地区不能获得好的地震资料。 1 2 2 第二代：模拟磁带地震仪 国外从2 0 世纪5 0 年代初到6 0 年代末，经历了约十几年。它是五代地震仪经历时间最短 的一代，是地震勘探仪器发展的中期。 我国应用模拟磁带地震仪对原来的油气做出了进一步的勘探，又初步探明了一些新油气 田，大港油田、辽河油田、甫阳油田、中原油田和江苏油田等。 模拟磁带地震仪在开始时是直接记录式的，即由磁记录器直接记录模拟地层信号。但由 1 ：直接记录式的记录动态范围小，很快改为经调制厉记录，它比直接记录式的记录动态范围 稍大些。西安石油仪器厂生产的为脉冲调宽式，重庆地质仪器厂生产的为调频式模拟磁带地 中国科学技术人学博士学位论文地震采集中高速传输| _ j 实时处理系统的研究 层仪。 模拟磁带地震仪的主要特点： 所得原始地震资料为模拟磁带记录和热敏纸模拟波形地震监视记录。模拟磁带记录可 以同放处理，因此模拟磁带地震仪可以作多次覆盖，但为有限次的多次覆盖，一般为6 次、1 2 次。闪为模拟磁带记录在回放转录时信噪比要降低，一般每转录一次要降低6 d b ， 这就限制了作多次覆盖的次数。模拟磁带记录可以作某些数据处理，如计算述度谱等。 地震资料处理可以用、f 自动化的基地回放仪进行，得到模拟波形记录和时间剖面图 比模拟光点地震仪的资料处理进了一大步，但资料处理的速度仍比较低质量还不高 方法也比较少。 磁记录器的记录动态范围稍大些，一般为4 0 5 0 r i b ，仍然达不到不失真地记录的要 求，冈此也还是只能作某些构造地震勘探。记录动态范围，采用直接记录式是受磁头与 磁带磁化1 f 线性的限制，采用脉冲调宽式则受调制器动态范围的限制，超调位地震记录 波形失真，降低了地震记录质量。 采用公共白动增益控制和程序增益控制，仍然存在着增益跟踪速度低，有非线性失真 的问题。虽然设有增益测量道曲线，但其测量误差大，一般可达3 0 ，不能做定量计算 只能做定性估计。 己录滤波器频带较宽，一般在1 5 一i2 0 h z 范围内，回放时可以选择回放滤波档，得 剑所需的地震波，比模拟光点地震仪有了较大的改进。 采用晶体管电路，导电子管电路相比，有体积小、重革轻和耗电少等优点。 模拟磁带地震仪的操作为、| 自动化的，比模拟光点地震仪有了较大的改进，不易废 t 吊记录，也不再需经洗相即可完成热敏纸模拟波形地震监视记录。 地震道数仍然沿h j 模拟光点地震仪的道数，一般为2 6 道，后来改为4 8 道。 总之，模拟磁带地震仪比模拟光点地震仪有了较人的改进，地震勘探仪器发展到一个新 阶段。模拟磁带地震仪主要解决了原始磁带地震记录可以进行回放处理的问题，但仪器的主 要问题还没有解决，所以仍然只适剧于地震地质条件较简单的地区工作，进行车勾造地震勘探。 模拟磁带地震仪主要缺点： 记录动态范围小： 地震道数少： 多次覆盖次数受到限制； 记录精度较低； 地震资料处理方法少、效率低和质量差等 1 2 3 第三代：数字磁带地震仪 数字磁带记录地震仪，通常简称为数字地震仪，它是在前两代地震仪的基础上发艘起来 4 中国科学技术大学博t j 学位论文地震采集中高速传输与实时处理系统的研究 的。 2 0 世纪7 0 年代初期，基于瞬时浮点增益控制放大技术、模数转换技术、数字磁记录技 术、通讯技术的数字地震仪是第三代地震仪。如美国德克萨斯公司1 9 7 0 年研制的d f s v 型， 法国舍赛尔公司研制的s n3 3 8 b 型数字地震仪，增益控制范围均为o 8 4 d b ，每个增益台阶 为1 2 d b 。 瞬时浮点放大器干1 9 7 0 年由美国德党萨斯公司最先研制出来，以后其他公司也陆续研制 出一些别具一格的瞬时浮点放大器。瞬时浮点放大器是指对每一个地震信号，在几十微秒时 间内，可以在o 8 4 d b 或0 9 0 d b 之间选择最佳增益，使信号得到满量程的放大，以提高仪器 的测最精度，短时间的增益调整并确定即“瞬时”，可以大大地提高增益跟踪速度。这些仪器 的扫描周期为3 0 c h m s 。其中包括2 4 个地震道、6 个辅助道，或者扫描周期为5 2 c h m s ， 其中包括4 8 个地震道、4 个辅助道。记录格式采用s e p b 或s e g c 两种格式。 数字地震仪的主要特点 所得地震勘探原始资料为数字磁带记录和模拟波形地震监视记录。这样就使数字地震 仪除具有模拟磁带地震仪的特点，即可作回放处理和多次覆盖以外，更可作多次覆盖。 覆盖次数不受限制，因为数字磁带记录亦转录叠加时，其信噪比不降低。在实际应用上 目前可作1 2 、2 4 、9 6 次的多次覆盖地震勘探。 主放大器和模数转换器合在一起的动态范围大，一般可达1 6 8 d b 以上、大大地超过r 被记录的地震信号动态范围( 1 0 0 一1 2 0 d b ) ，可以实现不失真地记录。这样就可以使地震 勘探不仅利用地震波的气动学特征作构造勘探，还可以利用地震被的动力学特征作岩性 勘探和直接找油找气的综合地震勘探使地震勘探水平提高一步。 地震记录的频带，一般前放滤波器的通频带在3 2 5 0 h z ，有的可达3 4 0 0 h z 。记录 频带宽，对低频来说，有利于接收深层反射波。作深层地震勘探；对高频来说，有利于 接收浅层和解层反射波，提高地震勘探的分辨率，作法层和薄层地震勘探。 记录地震波的振幅精度高，一般为0 1 ，高的可达0 05 o 。这样就提高了地震勘探 的精度，从而提高了地震勘探质量。地震资料的处理直接用电子计算机，可以发挥计算 机的优势，使地震资料的处理速度快、质量高、方法多和效果好。这样就使数字地层仪 与电子计算机成龙配套，使地震勘探发挥最大的作用。 采用集成电路，可使复杂的数字地震仪变得体积小、重量轻和耗电小，使数字地震仪 的性能稳定可靠，确保仪器正常运作。 地震道数较多，数字地震的道数一般为4 8 、6 0 、9 6 、l2 0 、2 4 0 道。 数字地震仪的操作自动化程度高，使用操作简单、维修方便、提高了工作效率，不易 出废品记录，从而保证了地震勘探的高效率生产。 1 2 4第四代：遥测地震仪 为了适应三维地震勘探、高分辨率地震勘探、多波地震勘探、超多道、超高次叠加等新 方法和新发展起来的地层地震学的需要，并随着数字通讯、遥控遥测、计算机控制处理、磁 5 中田科学技术大学博卜学位论文地震采集中高速传输与实时处理系统的研究 记录等等方面新技术的发展使得新一代遥测多道数控地震仪应运而生且发展迅猛。 所谓遥测，就是利用电缆、光缆、无线电或其它传输技术对远距离的物理点进行测量。 遥测地震数据采集记录系统通常由许多分离的野外地震数据采集站相中央控制记录系统 组成。采集站布置在接收地震信息的物理点附近并以有效传输方式将信息传输到中央控制记 录系统。 陆上电缆遥测地震数据采集系统有：s n 3 6 8 、s n 3 4 8 、w a v e 一1 1 等，国产有：y x z 4 8 0 、 s k - 1 0 0 4 、s k - 10 0 5 等型号。 光缆地震数采集系统有：m d s 1 8 、m d s 1 6 、m d s 1 4 、d f s w 2 0 0 、f i b e rs e i s 等型号。 无线电遥测地震数据采集系统有：o p s e i s5 5 8 6 、t e l s e i s 、m y r m s e i s 等型号。 遥测地震仪的主要特点： 遥测地震仪没有数据采集电路与检波器之间的大线电缆，而是使用放在检波点上的采 集站、由各采集站将检波器输出的模拟信号转变成为数字信号后向中央控制记录系统传 送。由于数字信号传输的抗干扰能力强，避免了传送模拟信号时大线所同有的道问串音、 天电干扰、工频干扰等。草除了原有的笨重的大线。 由于遥测地震仪排除了常规数字地震仪那些限制记录道数的因素，其道数扩展只受到 数据传输速率的限制，因此遥测地震仪地震道数可达1 2 0 、2 4 0 、4 8 0 道、干道，甚至万 道，适于三维地震勘探，施t 效率高。 测地震仪由于道数多、采样率高，必须采用高密度的数字磁带机。常规数字地震仪采 崩s e g b 地震记录格式进行记录，遥测地震仪则大多采用s e e d 格式进行记录。 遥测地震仪均采用计算机对整个系统进行可编程控制，要增加系统的新功能，可不蚀 硬件上的修改，只要添加新稃序就可以了。因此，采埽计算机控制，系统的功能就人大 增强了。 道数的不断扩展和分辨率的提高，不仅要求解决模数转换速度不适应的问题和提高记 录密度，而且由于总的数据量急剧增加，也使计算机的数据处理工作量几倍甚至几十倍 地增加。由丁遥测型仪器在野外可用计算机对数据进行部分预处理，这样就压缩了数据 量，减轻了计算中心的工作负担。 遥测刑地震仪可片j 计算机对记录数据及时地在现场进行处理，能对有效波和干扰被进 行定量测量，随时计算出数据采集的信噪比，甚至还可以绘制出时间剖面，这样就能及 时地选定最佳的野外方法和最佳的仪器参数，以获得高质量的地震记录。 由于遥测型地震仪配备了成套的诊断和测试软件，可以使操作员全面检查各个部件的 性能指标并且可方便地显示出有故障的部件，有的诊断软件还可检查出具体的有故障 的器件。因此，便于维护检修，而且操作方便，自动化程度高，可以杜绝因操作不当引 起的废炮。 遥测地震仪具有常规地震仪所没有的许多优越性。从1 9 7 6 年第一台遥测地震仪问世到现 在，遥测地震仪发展趋势良好，新产品层出不穷，仪器型号已达2 0 多种。 中国科学技术大学博士学位论文 地震采集中商速传输与实时处理系统的研究 1 2 5 新一代遥测地震仪 近年米，国外推出各种型号的新一代遥测地震仪。电缆传输的有：s n 3 8 8 、【os y s t e m i i 、 v i s i o n 、a r a m - - 2 4 ；无线传输的有：o p s e i se a g l e 、t e l s e i ss t a r 等，这些仪器在地 球物理方法、徽电子，计算机技术等应用方面均代表了当前世界水平，被称之为第五代地震 仪器。 新代遥测地震仪的主要特点： 仪器的采样率仍为2 m s ，并兼有l m s 及o5 m s 通过提高a 1 比滤波器的陡度扩展频带 至4 0 0 h 2 ( 1 m s ) r , 戎2 0 0 h z ( 2 m s ) ，截频可达0 s n y q u i s t 频率，有些仪器使用高频提升技术， 高频还可做倍频6 d b 的提升。 采集站中使用2 4 位a d 转换器，这样可大大提高瞬时动态范围，减少畸变。地震道 基本上不采用模拟滤波器，这就消除了榍移及频率畸变，从而简化了采集站的电路，便 元器件的集成度更高、更轻便功耗也更低。 推出总记录容n n 千n ( 2 m s 采样) 以至于4 0 0 0 道的系统，甚至还有号称1 9 2 0 0 道的系 统。但比较实用的系统仍为千道左右。 实用的多道数字地震仪仍阱有线数传方式为主，随着传输频率的不断提高，传输媒介 采用了双绞线或细同轴线。但光纤仍较少使用，站间距可达6 0 0 m ，单线采集能力可达 2 m s 采样、6 0 0 迈。普遍使用交叉站以扩展多线能力。 普遍重视人机界面的应用、小至笔记本或p c 机，人至工作站均在使用。软件图形能 力愈来愈强，多窗口界面的应用目趋普遍。 实时相关处理能力越来越强，噪音编辑及叠加算法不断改进，双源的相关技术使用日 益广泛，具有干道实时处理能力的相关器已经出现。 仪器及采集站的设计上大量使用了各种专用集成电路。某些专门设制的电路可达数 万门乃至十万门以上的规模。主机的设计中采用了较多的d s p 芯片，将数字信号处理功 能引入列数据采集过程，完成数字滤波、抽取、f f t 及叠加等多种功能。 仪器及采集站设计上，普遍采用了s m t ( 表面贴装技术) 及f p g a ( 超大规模门阵列芯 片) 。 1 3 本论文的研究内容 1 3 1 光纤传输技术 地震数据传输采用光纤传输与采用电缆传输和无线电传输相比，具有以下优点 i ) 传输速率高 在通信系统中，载波频率越高，信号频带就越宽，光线的载波频率在1 0 1 i 一1 0 1 4 h z 数 量级，而无线电频率在1 0 6 1 萨h z 数量级，因此光波传送的信号带宽比无线屯传送的带 7 中国科学技术大学博士学位论文地震采集中高速传输与实时处理系统t 抑i j f 究 宽宽1 0 6 倍。金属导线作传输线的带宽与导线的长度成反比，而光导纤维的带宽则与光 纤艮度成反比：同时，光纤传输的信号随传送距离的衰减远比电缆传输的信号随传送距 离的衰减小。所以光纤传输的带宽比金属导线电缆的传输带宽要宽得多。由于传输速率 越高，数字信号所r 的频带则越宽。因此，传输介质的通频带越宽，就意味黄它所能允 许的传输速率越高。用光纤传输数据由于频带宽、衰减少，所以可以很容易的实现高速 数据传输。当然光纤传输系统实际能达到的数据传输率还受到光源和光检测器的限制。 s n 3 6 8 的数传电缆使用k 度不能超过1 】0 m ，而m d s - - 1 6 使用的数传光缆使用长度可 超过1 0 0 0 m 以上，这种差别的原因就在于光纤传输的信号衰减很小。 2 )光导纤维不导电 因此传输的信号不会受到电磁干扰和射频干扰也不存在电缆对地漏电和电缆之间相 互串音的问题，这样就避免了由这些原因而引入的噪声。 3 ) 体积扎重量轻、耐腐蚀 毕) 3 荔o ；b j 粤屯戋i 罗。t 、 一条光导纤维电缆能够传送的数据道数是模拟大限电缆的1 0 倍，而直径却只有模拟 大限电缆的一半，相同长度的光导纤维电缆的重量只有模拟电缆的五十分之一。因此采 用光纤传输特别便于实现装备的轻便化。由于光导纤维具有金属导线所没有的耐腐蚀性， 因此它抗潮湿，容易保存。 光缆传输的最人缺点是断线修复比金属导线电缆困难。由于光纤的芯径般都非常细， 断线拼接时要求两个光纤的断面抛光平整，且轴向要求较直，否则就会因为光耦合不良时信 号受到很人衰减，甚至传输中断。光纤的拼接修复需要一套专用的器具和比较熟练的技巧， 这是的在野外的条件f ，修复困难。 1 3 2高可靠的背板传输技术 c o m p a c t p c i 是一种开放式的工业计算机标准，具有满足通信和t 业实时应用所必须的更 坚固、更可靠、模块化、易维护的优点。 冗余系统槽c o m p a c t p c i 高可靠平台可