（物理电子学专业论文）大规模陆上地震仪器结构设计的关键技术.pdf

摘要 摘要 石油是不可再生的资源，是重要的战略物资。高精度、高分辨率、高密度 地震勘探技术和仪器是石油天然气、煤及煤层气，以及深层矿产资源勘探的关 键技术和装备。目前常规地震勘探所使用的地震勘探仪器系统全部是国外引进， 技术水平已不能满足我国复杂地质条件下勘探目标的需求。 随着我国油气资源开发和利用进程的加快，东部深层隐蔽油气藏、西部复 杂构造、海上崎岖海底等条件下的油气勘探也面临着关键技术的严重制约，造 成投资风险加大、储量增加不快、成功率不高等突出问题，影响了我国油气资 源的持续发展。特别是随着勘探目标从简单地区向复杂地区转移，勘探技术水 平较低的状况已成为我国油气产业发展的薄弱环节。与此同时，我国在国际油 气风险勘探中已与西方石油公司形成竞争局面，国外石油公司限制我国引进油 气勘探核心技术。 为此，2 0 0 6 年国内某石油公司与我们实验室合作，目标是研制出总体功能 和指标达到国际同类仪器水平的陆上石油地震勘探系统。我们实验室主要承担 了系统中野外站体的研发任务。本人主要担任系统中数据传输部分的研发工作。 在完成该项目后，于2 0 0 8 年，我们实验室又与中国科学院地质所合作，研 究百万道级全数字地震仪器的结构与关键技术。本人负责系统中无线通信及相 关部分的前期调研工作。 本论文共分为以下六章： 第l 章作为绪论，从如何寻找石油出发，介绍地震勘探的原理，分析了地 震勘探对地震仪器的要求，并介绍了地震勘探仪器的发展历史和现状。最后简 单介绍本论文的研究的主要内容。 第2 章介绍已经完成开发的“基于l r e p h y 的地震勘探数传采集系统”。从 仪器设备的指标要求入手，从总体到部分地介绍了系统的各个组成单元。并重 点介绍了系统中的一些关键技术。 第3 章根据地震勘探仪器的发展现状，分析出地震仪器发展的方向。并列 举出一些国外最新型的仪器，分析其技术特征。 第4 章主要描述了正在进行开发中的百万道陆上地震勘探系统中，无线通 信方式的加入，与有线通信方式相结合，组成一个有机系统的关键技术。重点 覆盖了无线传输中需要解决的几个现实问题：无线数据收发器的选择，无线和 有线的网络结构，系统的站体管理问题( 地址分配和定位) ，系统中的时钟同步 问题，多跳无线网的路由问题等。 摘要 第5 章根据对第四章中提出的想法进行部分实际实验及仿真。包括对利用 时钟数据恢复在有线网络中实现时钟同步进行了实验，对r s s i 测距进行了实 验，对多路径传输和站体管理进行软件仿真。 第6 章主要是整个论文的归纳总结，明确了存在的问题与进一步的深入研 究、改进方向。 关键词；地震勘探仪器无线传感器网络节点定位时钟同步 a b s t r a c t a b s t r a c t o i li sn o n r e n e w a b l er e s o u r c e sa n di sa n i m p o r t a ms t f a t e g i cm a t e r i a l h 蟾h - p r e c i s i o n ，1 1 i g h r e s o l u t i o n ，h i g h d e n s i t ys e i s m i ce x p i o r a t i o nt e c h n o l o g ya n d e q u i p m e n ti st h ek e yo fe x p l o r a t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e ss u c ha l so i l ，g a s ，c o a la j l d c o a l - b e dm e t h a n e c o n v e n t i o n a ls e i s m i ce x p l o r a t i o ne q u i p m e n t sc u r r e n t l yi nu s e da r e a l l i r l l p o r t e d 行o ma b r o a d ， t e c l m o l o g i c a l l yc a nn o tm e e tt h en e e d o fs e i s m i c e x p l o r a t i o nu n d e rt h ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si nc b j n a a st h ea c c e l e k l t e dp r o c e s so fd e v e l o p m e n ta n du s a g eo fc h i n a so i la n dg a s r e s o u r c e s ，o i la n dg a se x p l o r a t i o ni sf a c e dw i t hs e r i o u sc o n s t r a i n t so fk e yt e c h n o l o g i e s u n d e rc o n d i t i o n ss u c ha s d e e p h i d d e nr e s e r v o i ri ne a s to f c h i n a ，c o m p l e x u n d e r g r o u n ds t m c t u r ei nw e s to fc h i n aa n dr o u g hs e a b e du n d e rs e a t 1 1 i sr e s u l t e di n i n c 陀a s e di n v e s t m e n tr i s k ，s l o wi n c r e a s ei nr e s e r v e s ，l o ws u c c e s sr a t e ，e t c ，a f i 、e c t i n g t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fo i la n dg a sr e s o u r c e s e s p e c i a l l yw i t h 如ee x p l o m t i o n t a r g e ta r e a sf r o ms i m p l et oc o m p l e xr e g i o n s ，t h ee x p l o r a t i o no fm es t a t u so fal o w e r 1 e v e lo fs k i l l sh a sb e c o m et h ew e a l ( n e s s e so fd e v e l o p m e n to fc h i n a 。so i la 1 1 d9 2 l s i n d u s t 够a tt h es 锄et i m e ，o u rc o u n t 巧a n dw e s t e mo i lc o m p a n i e sa r ec o m p e t i n gi i l t h ei i l t e m a t i o n a lo i la n dg a l se x p l o r a t i o nm a r k e t i n t r o d u c i n gk e yt e c h n o l o g i e si n o i l a n dg a se x p l o r a t i o nt oc h i n aa r er e s t r i c t e db y 也ef o r e i g no i lc o m p a n i e s t h e r e f o r e ，i n2 0 0 6 ，c h i n an a t i o n a lp e t r o l e u me s t a b l i s h e dt h ep r o j e c t “l a r g es c a l e 1 a 1 1 d - b a s e ds e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o nr e c o r d i n gs y s t e m a so n eo ft h em 句o rs p e c i a l p r o l j e c ti nt h ee l e v e n t hf i v e - y - e a rp l a n t h eg o a li st od e v e l o pal a n d b a s e ds e i s m i c e x p l o r a t i o ns y s t e mw i t ht h es a m em n c t i o n sa n di n d i c a t o r st oi m p o n e ds y s t e m s o u r l a b o r a t o r y w a sa s s u m e dt h er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt a s k so f “s e i s m i cd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a l s e do nl r e - p h y ”1w a si nc h a r g eo ft h er &dt a s k so ft h e d a t at r a n s m i s s i o np a r to ft h es y s t e m a r e rt h ec o m p l e t i o no ft h ef o 衄e rp r o j e c t ，i n 2 0 0 8 ， o u rl a b o r a t o wi n c o l l a b o r a t i o nw i t ht h ei n s t i t u t eo fg e o l o g ya n dg e o p h y s i c so fc h i n e s ea c a d e m i co f s c i e n c e ，l a u n c h e dt h ei n v e s t m e n to fk e yt e c h n o l o g i e si nm i l l i o n - c h a n n e la l l d i g i t a l s e i s m i ca c q u i s i t i o ns y s t e m it a k ec h a r g ei nt h ep r e - r e s e a r c hi nw i r e l e s st r a n s m i s s i o n a n ds o m er e j a t e dt e c l m i q u e so ft h es y s t e m t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gs i xc h a p t e r s ： c h a p t e rlb e g i n sw i t ht h em e t h o d so fo i ls e e k i n g ，i n t r o d u c e st h e 如n d a m e n to f a b s 仃a c t 一_ 一 s e i s m i ce x p l o r a t i o n ，a j l da n a l y z e st h er e q u i r e m e n to fs e i s m i ce x p l o r a t i o ne q u i p m e n t s t h e nt 1 1 eh i s t o r ya n dp r e s e n ts t a t u so fd e v e l o p m e n to fs e i s m i ce x p l o r “o ne q u i p m e n t s i si n t r o d u c e d 缸l a s tt h ek e yp o i n t so ft h i st h e s i sa r eb r i e f l yi n t l l o d u c e d c h a p t e r2i n t r o d u c e dt h es y s t e mo f “s e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n l 剐e p h y ”，o fw h i c ht h ed e v e l o p m e n th a sb e e nc o m p l e t e d i n t r o d u c t i o nb e g i n sw i 也 t h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m t h e nt h es y s t e mi sp r e s e n t e d 行o mt h eo v e r a n 缸衄e w 。r kt o 向n c t i o n a lb 1 0 c k s a n ds o m eo ft h ek e yt e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e d c h a p t e r3a n a l y z e st h ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n t o fs e i s m i ci n s t m m e n t s h e r e l i s t ss o m el a t e s te q u i p m e n to fw e s t e mc o m p a l l i e s ， a 1 1 a l y s i s t h e i rt e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s c h a p t e r4m a i n l yd i s c u s s e sk e yt e c h n o l o g i e si n v o l v e d i nt h ei n t r o d u c t i o no f w i r e l e s st r a n s m i s s i o ni n t ot h ew i r e dn e t w o r ki nt h em i l l i o n c h 猢e ls e i s m i cd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ， i n c l u d i n gm ec h o o s i n g o fw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns t a n d a r d s ， d e c i d i n go fn e t w o r kt o p o l o g y ，p o s i t i o n i n gw i r e l e s s n o d e s ，c l o c ks y n c h i i o n i z i n gi n 、i r e l e s ss y s t e m ，r o u t i n gi na d - h o cn e t w o r k s ，e ta 1 c h a p t e r5m a k e ss o m ee x p e r i m e n t sa i l ds i m u l a t i o n s t ov e r i f yt h em e o r ) rr a i s e di n c h a p t e r4 t h e r ei se x p e r i m e n to nc l o c ks y n c h r o n i z i n gb a s e do nc d r ，e x p e r i m e n t o n d i s t a n c em e a l s u r e m e n tb a s e do nr s s i ，a n ds i m u l a t i o no na o d v i nn s - 2 c h a p t e r6i st h es 啪m a r yo ft h ep a p e r s ，m a d ec l e a rt h ep r o b l e m sw i t hf u n h e r i n d e p t hr e s e 2 u r c h ，t oi m p r o v et 1 1 ed i r e c t i o n k e yw o r d s ： s e i s m i ce x p l o r 撕o n l o c a l i z a t i o n ，c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n l v e q u i p m e m ， w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ， 中国科学技术大学学位论文原创性声明 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。除己特别加以标注和致谓十的地方外，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。 作者签名： 签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者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，允许论文被查阅和借阅，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。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 自从1 8 5 9 年8 月2 7 日德雷克在美国宾夕法尼亚州泰特斯维尔挖掘了第一口 油井，世界现代石油工业已经有近一百五十年的历史。石油在性能、可供应量和 生产成本上成了人类社会不可替代的能源。作为不可再生的重要战略物资，石油 资源的有限性、地区分布和消费的不均匀性使得石油消费大国在石油资源丰富的 地区展开激烈的地缘竞赛。( 刘新华等，2 0 0 2 ) 随着中国经济的发展，中国对石油需求量日益增大。据中国化工协会( c p c a ) 的统计数据显示，中国在2 0 0 8 年总共消耗了3 6 5 亿吨原油，比2 0 0 7 年增加了 5 8 。在消耗的原油中，我国石油对外依存度逼近5 0 ，据中国海关统计，2 0 0 8 年我国进口原油1 7 9 亿吨，而且进口成本大幅攀升，为国内能源安全敲响了警 钟。在接下来的一年中，据中国最大的石油公司中国石油天然气集团公司预测， 中国2 0 0 9 年将消耗3 7 9 亿吨原油。 为向持续强劲的经济发展和国家安全提供支持，中国已经开始寻求更加稳定 而多元化的石油进口渠道，并建立自己的战略能源储备。除此之外，石油勘探也 在中国“二十一世纪石油战略 中占有重要地位。为了更好地完成国内外的勘探 任务，我国必须建立一条独立自主的石油勘探产业链。 1 2 石油勘探原理 1 2 1 石油勘探的方法 勘探石油的方法主要有三类，地质法、物探方法和钻井法。( 董敏煜，2 0 0 0 ) 地质法是通过观察，研究出露在地面的地层、岩石，对地质资料进行分综合， 了解一个地区有无生成石油和储存石油肋条件，最后提出对该地区的含油气远景 评价，指出有利地区。有时在岩石出露的地区，也可能直接发现油气藏。 在地表为松散沉积或沙漠覆盖的地区，被海水覆盖的海洋上，地面和海面上 看不到岩石，地质法就受到了很大的限制。如果用大量钻井，取岩芯的办法来了 解地下地质情况，不仅成本太高，效率也很低。这时就要应用物探方法。 物探方法( 全称是地球物理勘探方法) 是根据地质学和物理学的原理，利用电 第1 章绪论 子学和信息论等许多科学技术领域的新技术，建立起来的种较新的勘探石油的 方法。利用了各种物理仪器在地面观测地壳上的各种物理现象，从而推断、了解 地下的地质构造持点，寻找可能的储油构造。物探方法是一种间接找油的方法。 物探方法之所以能用来查明地下地质构造的特点，主要是因为组成地壳的各 种岩石或组成地质构造的各个岩层具有不同的物理性质，因而不同岩石或地层对 地面上的物理仪器就有不同的作用。根据物理仪器测量的结果，就可以推断地下 地质构造的特点。现代应用于石油勘探的主要物探方法有：重力勘探( 利用岩石 的密度差别) 、磁法勘探( 利用岩石的磁性差别) 、电法勘探( 利用岩石的电性差别) 和地震勘探( 利用岩石的弹性差别) 。 因为物探法只能帮助我们了解地下地质构造的特点，寻找到适合于储存油气 的地质构造。但是，这些构造是不是储存了油气物探方法还不能肯定。最后， 要根据物深方法提出的并位进行钻探，直接取得地下最可靠的地质资料，才能确 定地下的构造持点及含油气情况。 由此可见，勘探石油是一项很复杂的工作。它需要各种方法互相配台、协作， 需要综合分析研究各方面的资料 1 2 2 地震勘探原理 在勘探石油的各种物探方法中，现在地震勘探已成为一种最有效的方法。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。因 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。( 袁子龙等，2 0 0 6 ) 如图1 1 所示，在地面某点使用人工震源制造震动，就会产生地震波向地下 传播。当地震波遇到两种不同介质地层的分界面时，就会发生反射，产生反射波。 在激励震动的同时，在地面上用精密的仪器把来自各个地层分界面的反射波引起 地面的振动记录下来。然后根据地震波从地面开始向下传播的时刻( 即起震的时 刻) 和地层分界面反射波到达地面的时刻( 即地面仪器记录到反射波波形的时 刻) ，得出地震波从地面向下传播到达地层分界面，又反射回地面的总时间t ，再 用别的方法测定出地震波在岩层中传播的速度v ，就可以算出地层分界面的埋藏 深度。 由于人工震源所产生的震动能量较小，而地面仪器有本底噪声，在一个震源 点所产生的地震波只能探清一个有限区域内的地下情况。因此需要在待测区域内 7 第l 章绪论 布置多个震源点，在每个震源点依次产生人工地震波，并记录下每次的反射波波 形后，经过计算机处理，得到地下地层深度的完整图像。再综合其它物探方法和 地质、钻井等各方面的资料，进行去伪存真，去粗取精，由此及彼，由表及里的 分析、研究，就能查明地下可能储油的构造，确定钻探的井位。 奠哆卿哟咐t 图1 1 地震勘探原理示意图 地震勘探的生产工作，基本上可分为三个环节： 第一阶段是野外工作。这个阶段的任务是在地质工作组在物探工作初步确 定的有含油气希望的地区，布置测线，人工激发地震波，并用野外地震仪把地震 波传播的情况记录下来。进行野外生产工作的组织形式是地震队。这一阶段的成 果是得到一盘盘记录了地面振动情况的磁带。 第二阶段是室内资料处理。这个阶段的任务是根据地震波的传播理论，利用 电子计算机，对野外获得的原始资料进行各种去粗取精，去伪存真的加工处理工 作，以及计算地震波在地层内传播的速度等。这一阶段得出的成果是“地震剖面 图”和地震波速度资料。资料处理工作在配备有电子计算机和有关专用仪器设备 的计算站来完成。 第三阶段是地震资料的解释。经过计算机处理得到的地震剖面，虽然已能反 映地下地质构造的一些持点，但是地下的情况是很复杂的。地震剖面上的许多现 象，既可能反映地下的其实情况，也可能有某些假象。在地震剖面上只能看出地 层沿剖面方向的起伏形态，并没有一个完整的立体的概念。地震资料的解释工作， 就是要运用地震波传播的理论和石油地质学的原理，综合地质、钻井和其它物探 第1 章绪论 资料，对地震剖面进行深入的分析研究，解决上述几方面的问题。对各反射层相 当于什么地质层位作出正确的判断，对地下地质构造的特点作出说明，并绘制反 映某些主要层位完整的起伏形态的图件构造图。最后，查明有含油气希望的 构造，提出钻探井位。 1 3 地震勘探仪器发展史 地震勘探仪器是地震勘探的关键设备，它与现代先进的科学技术发展息息相 关。地震勘探仪器的发展是以地震勘探的发展与需求为前提条件和动力源泉，反 过来又直接制约和促进着地震勘探的发展。 地震勘探仪器至今已经发展几十年了，半个多世纪以来，伴随着电子技术、 计算机技术、数据传输及存储技术以及地震勘探技术的不断发展，地震勘探仪器 也在不断发展。从地震勘探仪器的元器件组成、设计结构、技术性能、技术指标 以及它在地震勘探发展的历史过程中所起到的作用等方面分析，地震勘探仪器可 大致分为5 个发展时代：第一代电子管地震仪，通常称为模拟光点记录地震仪； 第二代晶体管地震仪，通常称为模拟磁带记录地震仪；第三代集成电路地震仪， 通常称为数字磁带记录地震仪，也称为常规数字仪；第四代大规模集成电路地震 仪，通常称为遥测地震仪；第五代采用2 4 位模数转换器，被称为2 4 位遥测 地震仪；第六代采用m e m s 传感器，被称为全数字地震仪。 1 3 1 模拟光点记录地震仪 光点仪采用电子管电路，设备体积大、重量大和耗电量大。地震记录频带窄， 一般为3 0 h z 左右，使大量有效波丢失。滤波器的中心频率一般为2 0 、3 0 、4 0 、 5 0 h z 等。通常用滤波4 档，其频带为2 8 4 0 h z 。由于光点感光方式的限制，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围小的需要，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围。但自动增益 控制是非线性的，又不能记录下当时放大器的增益值，故不能恢复原信号。进而 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因素，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。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。 仪器的道数少，一般为2 6 。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。并且只适用于地震地质条件较简单的地区工作，复杂地 4 第1 章绪论 区不能获得好的地震资料。 这一代地震勘探仪器的使用，国外是从2 0 世纪3 0 年代初到5 0 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。 我国解放前基本上没有地震勘探，解放后才发展起来。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 l 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。 1 3 2 模拟磁带地震仪 模拟磁带地震仪采用晶体管电路，和电子管电路相比，有体积小、重量轻和 耗电少等优点。磁记录器的记录动态范围稍大些，一般为4 0 5 0 d b ，但仍然达不 到不失真地记录的要求，因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非线性的限制，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。采用公共自 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。 虽然设有增益测量的道曲线，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。 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 带记录可以回放处理，因此模拟磁带地震仪可以作有限次数的多次覆盖。记录滤 波器频带较宽，一般在1 5 12 0 h z 范围内，回放时可以选择回放滤波档，得到所 需的地震波，比模拟光点地震仪有了较大的改进。 但由于模拟磁带记录在回放转录时信噪比要降低，一般每次转录要降低 6 d b ，这就限制了作多次覆盖的次数。覆盖次数一般为6 次、1 2 次。模拟磁带记 录可以作某些数据处理，如计算速度谱等。 模拟磁带地震仪的操作为半自动化的，比模拟光点地震仪有了较大的改进， 不易出废品记录，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 资料处理也可以用半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。 地震道数仍然沿用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大的改进，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，但仪器的主要河题还没有解决，所以仍然只适用于地震地质条件较简单的 第1 章绪论 地区工作，进行构造地震勘探。 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。 1 3 3 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 上发展起来的。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。 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0 8 4 d b ，每个增益台阶为1 2 d b 。 瞬时浮点放大器于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0 8 4 d b 或o 一9 0 d b 之间选择最佳增益， 使信号得到满量程的放大，以提高仪器的测量精度，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 e b 或s e g c 两种格式。 数字地震仪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 大地超过了被记录的地震信号动态范围( 1 0 0 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。前放滤波器的通频带一般在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o 1 ，高的可达o 05 。这样就提高了地震 6 第1 章绪论 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。 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 3 4 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。 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 大线所固有的道间串音、天电干扰、工频干扰等。革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、 千道，甚至万道，适于三维地震勘探，施工效率高。 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 地震仪采用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。 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的不适应问题 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。由于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。 遥测型地震仪可用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。 7 第1 章绪论 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，可不做硬件上的修改，只要添加新程序就可以了。因此，采用计算机控制， 系统的功能就大大增强了。 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。 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 - i i 等。国产 有：y x z 4 8 0 、s k 1 0 0 4 、s k 1 5 等型号。光缆地震数采集系统有：m d s 18 、 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。无线遥测地震数据采集系 统有：o p s e i5 5 8 6 、t e i s e i s 、m 之m s e i s 等型号。 1 3 5 二十四位遥测地震仪 上世纪九十年代后期由于2 4 位模数转换技术的采用，大大提高了瞬时动 态范围，减少畸变。地震道基本上不采用模拟滤波器，这就消除了相移及频率畸 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。 仪器的采样率仍为2 m s ，并兼有1 m s 及o 5 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 ( 1m s ) 或2 0 0 h z ( 2 m s ) ，截止频率可达0 8 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。 并且推出总记录容量为千道( 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以有线数掘传输方式为主，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 米， 单线采集能力可达2 m s 采样、6 0 0 道，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，大至工作站均在使用。软 件图形能力愈来愈强，多窗口界面的应用日趋普遍。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，具有千道实时处 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 8 第1 章绪论 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) 。 二十四位遥测地震仪的型号：有电缆传输的有：s n 3 8 8 、i 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。 1 3 6 全数字地震仪 第五代仪器从开始到现在已经有十余年了，这一代仪器可能还要使用较长一 段时间。新型地震传感器的出现使地震勘探仪器发展到第六代。由于新型地震传 感器现已投入商业阶段，地震检波器的革命性变化，将使第六代仪器系统出现一 系列重大变化，是真正的全数字系统，把这一代地震仪器统称为“全数字遥测地 震仪”。 新型数字地震传感器从原理到结构完全不同于传统模拟地震传感器，它是采 用硅微电子机械加工技术制造的。传感器内部主要由三部分组成：3 个微电子机 械系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 芯片相互成9 0 。，分别代表x 、 y 、z 三个方向安装固定；2 4 位a d c 及数据传输和命令同步控制电路；微电 子检测电路和电压反馈控制集成电路。 m e m s 传感器直接输出2 4 位数字信号。动态范围可达1 0 5 d b 以上，比传统 传感器高出3 0 4 0 d b 。谐波畸变指标小于o 0 0 3 ，比传统传感器至少低一个数量 级。输出频带十分平坦，在1 5 0 0 h z 范围内始终保持平直，而输出相位为零相位。 ( 王文良，2 0 0 4 ；陆增援，2 0 0 5 ) 1 4 论文的结构安排 本论文以大型陆上地震仪器的结构设计及关键技术研究为核心，主要分四大 部分内容，分别在四个章节中给以描述： 第2 章介绍已经完成开发的“基于l i 迮p h y 的地震勘探数传采集系统”。 由仪器设备的指标要求入手，从总体到部分地介绍了系统的各个组成单元。并重 点介绍了系统中的一些关键技术。 第3 章根据地震勘探仪器的发展现状，分析地震仪器发展的趋势。并列举出 一些国外最新型的仪器，分析其技术特征。给将来的仪器开发指明方向。 第4 章主要描述了正在进行开发中的百万道陆上地震勘探系统中，无线通信 方式的加入，与有线通信方式相结合，组成一个有机系统的关键技术。重点覆盖 了无线传输中需要解决的几个现实问题：无线数据收发器的选择，无线和有线的 网络结构，系统的站体管理问题( 地址分配和定位) ，系统中的时钟同步问题， 9 第1 章绪论 多跳无线网的路由问题等。 第5 章根据对第四章中提出的想法进行部分实际实验及仿真。包括对利用时 钟数据恢复在有线网络中实现时钟同步进行了实验，对r s s i 测距进行了实验， 对多路径传输和站体管理进行软件仿真。 1 0 第2 章已完成开发的地震勘探仪器 2 1 项目背景 2 1 1 研制意义 第2 章已完成开发的地震勘探仪器 地震仪器( 地震采集记录系统) 是地震勘探的重要核心装备。自主研制地震 采集记录系统在战略上、技术需求上、竞争保障上、市场需求上等方面都有其重 要的现实意义和深远的历史意义。随着国内油气勘探业务规模的不断扩大，对地 震仪器的需求也不断增加。但由于从1 9 9 7 年后国内基本停止了大型地震仪器的 研发与制造，目前所使用的地震仪器设备全部依赖进口。这一现状的存在，将直 接制约我国勘探业的可持续发展，也影响了国内一些大型油田服务公司业务的进 一步开拓。国内石油勘探公司的陆上业务已位居世界领先地位，但国外许多油田 服务公司本身生产勘探设备，如c g g 集团的子公司s e r c e l 公司就是世界主要的 设备生产厂商。国内石油勘探公司主要的勘探设备是s e r