当代地震勘探仪器应用技术介绍

中油集团东方地球物理公司高级仪器师技术培训班,地球物理勘探仪器原理与应用技术介绍易碧金（Telmail:yibj）2005年11月,内容提要,1概述（地震仪原理及为什么地震仪总是使用先进技术）2地震仪结构与使用状况分析常用仪器(408UL、IMAGE、ARIES、BOX、it)技术特点3常用地震仪采用的先进技术分析(ADC、网络遥测、多进制数字调制、蜂窝以及GPS时钟同步、FPGA技术)4地震仪的发展趋势展望,内容提要,1概述2地震仪结构与使用状况分析3常用地震仪采用的先进技术分析4地震仪的发展趋势展望,SV,P,剪切运动方向,P波可以转换为SV波，,波的传播与转换,地球物理勘探基本原理-根据地震的波传播来描述地质特征,波在不同的介质中有不同的速度,P波与SV波自不同的转换点传播回地表，到达同一个地表位置,地震波在传播时:各个不同的地质界面会引起发射/折射/绕射、不同的介质有不同的速度等特征。地震波的信息，可以描绘地质特征。如：岩石特性数据、岩性识别、流体辨识、裂缝与应力的识别及描述,记录地震波-数据采集,灵活的施工方法示意图：,常规或模拟输出检波器数据采集,（常规或模拟输出检波器）数据采集示意图,SP,系统主机执行操作、采集、测试控制，是野外采集系统的大脑；并且对采集到的地震数据进行监视、分析、和转储,传输主机指令，和采集的数据。,对常规检波器输出的模拟信号进行滤波、整形、ADC、存储、传输。接收主机指令，控制接收传感器（检波器）工作。,地震信号转换为模拟电信号并借助模拟电缆传送到A/D设备（常规检波器限制了勘探的精度）,数传电缆或电台,模拟数字混合电缆。,地震仪器的功能：对检波器接收的地震信号：进行调整、滤波、放大、A/D转换、传输、存储和记录,因此地震仪总是使用先进技术仪器发展的原因勘探不断发展，地震勘探设备需要与之适应地区、勘探性质仪器伴随着新技术的推广和完善而不断更新仪器是集先进技术为一体的综合系统,一、概述,地震仪发展历史,分布式遥测地震仪:,光点记录仪：751,多道集中式数字仪器：DFS-V，SN338，GS2000，SK-83，SK-240,全数字式仪器:I/OSystemiv,SercelDSU,SN368、SYSTEMI，SK-5，YKZ-480，SYSTEMII,OPSEIS,SK-6,GYZ4000,GDAPS-4,ARAM-24,IMAGE，SN388，408UL,模拟磁带记录仪：,地震仪器采集技术的发展,采集技术的发展：,浮点系统：最大道能力:2402ms；特点：IFP加14或16位的A/D、模拟高切、低切。动态范围83dB。,2MS，60道,多路开关,浮点放大,量化单位0.5mv,采集时差=2ms,24位ADC,单站1、2、4、6、8道,DSP,延时存储,量化单位2fmax，则可以无失真地复现输入信号。量化和编码：数字信号的大小是某个规定最小数量单位的整数倍，取样得到的信号必须按某种近似地规化为某一数值电平，这个过程称量化，而量化的结果必须经过编码用一个代码表示出来。ADC的实现：这三个过程决定于ADC的形式和性能。因此ADC按调制编码理论分两种：线性脉冲编码调制(LPCM)型和增量调制编码或称单比特(一位)型量化误差：由量化引起的误差称量化误差。,三、地震仪采用的先进技术分析,LPCM型的ADC是根据抽样值的幅度大小进行量化编码，一个分辨率为n位的ADC其满刻度电平被分为2n个不同的量化等级。从而其精度很难高于20位。我们通常使用的ADC大多为LPCM,三、地震仪采用的先进技术分析,并联比较型：它由三部分组成：分压、比较器和编码器这种A/D变换器的优点是转换速度快；缺点是转换过程中带来的误差比较大，所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。,三、地震仪采用的先进技术分析,逐位（又称反馈比较型）其比较方法如同天平称重。先使二进位制数的最高位D1，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压V，与输入电压Vin相比较，若VinV,则保留这一位；若VinV还是VinV来决定是否保留这一位。经过N次比较后，位寄存器的状态即为转换后的数据。这种ADC，转换效果较好，但对干扰的抑制能力较差，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。另外制作成本较高，尤其是高位数转换，转换位数越多，精度越高，制作成本就越高。,三、地震仪器采用的先进技术分析,典型的LPCM型ADC,三、地震仪器采用的先进技术分析,-型ADC：它是根据前一样值与后一样值之差(即增量)的大小来进行量化编码。将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出。,三、地震仪器采用的先进技术分析,-模数转换器的工作原理简单的讲，就是将模数转换过后的数字量再做一次窄带低通滤波处理。当模拟量进入转换器后，先在调制器中做求积处理，并将模拟量转为数字量，在这个过程中会产生一定的量化噪声，这种噪声将影响到输出结果，因此，采用将转换过的数字量以较低的频率一位一位地传送到输出端，同时在这之间加一级低通滤波器的方法，就可将量化噪声过滤掉，从而得到一组精确的数字量.,-转换器具有相对简单的结构，又称为过采样转换器。这种转换器由-调制器及连接于其后的数字滤波器构成。调制器的结构非常近似于双斜率ADC，包括一个积分器和一个比较器，以及含有一个1位DAC的反馈环。这个内置的DAC仅仅是一个开关，它将积分器输入切换到一个正或负的参考电压。,三、地震仪器采用的先进技术分析,典型-型ADC,三、地震仪器采用的先进技术分析,A/D转换器的主要技术指标分辨率：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。转换速度：完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。相对精度：实际转换值和理想特性之间的最大偏差。其它：功率、电源电压、电压范围等。,三、地震仪器采用的先进技术分析,目前地震仪器采用的新技术：网络遥测技术,3.2网络遥测技术LAN(CLAN和WLAN)成功地应用于地震。仪器中所应用的LAN主要包括OSI体系结构中的前面四层第一层物理层:实现采集站间的相互连接。第二层数据链路层:负责在两个相邻节点间无差错地传送以帧为单位的数据。第三层网络层:选择合适的路由和交换结点，实现网络的寻址。第四层传输层:主要任务是根据通讯子网的特性最佳地利用网络资源，以可靠和经济的方式为两个端系统的会话层建立一条运输连接。在地震仪器中这一层是对网路层上接收或发出的信息进行多路编排或解编,三、地震仪采用的先进技术分析,三、地震仪采用的先进技术分析,408在大线上采用了同步通讯和异步通讯2种通讯级别。高级协议:网络节点之间的通讯。包括命令/参数/状态和采集数据低级协议:采集节点和缓冲间的连接，双向传输位流数据(每帧64组，每帧长1024bytes-1ms的数据,数率8Mb/S),图3408仪器大线采用两种通讯方式示意图,IS2000,三、地震仪器采用的先进技术分析,目前地震仪器采用的新技术：无线仪器采用的传输技术多进制数字调制技术,三、地震仪采用的先进技术分析,3.3多进制数字调制技术名词解释：多进制数字调制中，可能发送的符号有m种,根据载波的幅度、频率或相位情况分别称为：m进制的幅度键控（MASK）、m进制的频移键控（MFSK）m进制的相移键控（MPSK）；也可以把其中的两个参数组合起来调制。例如把幅度和相位结合起来得到m进制的幅相键控（MAPK）或它的特殊形式m进制正交幅度调制（MQAM）等。,三、地震仪采用的先进技术分析,BOX系统，采用频率合成：VHF214MHz234MHz传输方式为16QAM和QPSK调制方式命令：4态QPSK、9.6kb/s。采集数据的传输：16QAM和QPSK调制技术。采用16QAM时：数传率约为60kb/s，占20kHz带宽。最大传输距离10km左右。速率高导致距离和信噪比相应降低采用QPSK时：数传率相应低，但可相应加大传输距离，提高信噪比，可以在施工环境比较复杂的地区使用。,三、地震仪器采用的先进技术分析,目前地震仪器采用的新技术：无线局域网(WirelessLocalAreaNetworksWLAN),三、地震仪采用的先进技术分析,3.4无线局域网(WirelessLocalAreaNetworksWLAN)无线网络定义及主要应用场合：无线；短距离区域。安全性：发射功率约60-70mW较安全(手机200mW)覆盖的范围：视环境的开放与否而定.不加外接天线:开放250M，半开放性空间:3550M，加上外接天线，距离稍远，视天线本身之增益而定。对于AP接入点，开放空间最大300米，速率达11Mbps,ISM频率段，2.4000-2.4835GHz，1W下无需授权干扰问题:主要来自自身的多路径干扰、信号跟踪时出现的抖动干扰、无线电话、蓝牙器件及其他的非802.11器件共享频谱的工业干扰(例如微波炉)。,三、地震仪器采用的先进技术分析,目前地震仪器采用的新技术：无线扩频技术,三、地震仪采用的先进技术分析,3.5无线扩频技术无线局域网络调制技术可分三大类：窄频微波技术、扩频技术、及红外线技术。扩频技术：在无线电频率的宽频带上发送传输信号。适应高数率和低误码率、安全和抗干扰通讯。频率范围902M-928MHz及2.4G-2.484GHz两个频段。无需授权扩频技术主要又分为跳频扩频(FHSS)及直序扩频(DSSS)两种。无线局域网络在性能和能力上的差异，主要是取决于是采用FHSS还是DSSS、以及所采用的调变方式,三、地震仪采用的先进技术分析,调变方式的选择：DSSS由于采用全频带传送资料，速度较快。在需要最佳可靠性的应用中具有较佳的优势，并且适用于固定、或对传输品质要求较高的应用环境中。FHSS则大都使用于需快速移动的端点，如行动电话、蓝芽装置。FHSS技术在需要低成本的应用中较占优势。,三、地震仪器采用的先进技术分析,目前地震仪器采用的新技术：802.11b协议,三、地震仪采用的先进技术分析,3.6802.11b协议1997.6公布，一种无线通信协议,属短距离无线。工作在ISM开放频段。使用载波检测多址连接(CSMA/CA)作为路径共享协议在动态速率转换(频道的多传输路径与符码间干扰)、漫游支持、负载均衡(接收信号强度)、自动速率选择功能(频道噪声)、电源消耗管理功能、保密功能、CSMA/CA协议、信息包重整(封包错误率)等有明确规定微软推出的桌面操作系统WindowsXP和嵌入式操作系统WindowsCE，都包含了对Wi-Fi的支持。,三、地震仪采用的先进技术分析,多个Wi-Fi网络在ISM频带共存的方法：避免使用已为其它装置占用的频率。802.11b信号20dB频宽很容易达到16MHz，多部装置在同地区会造成的相邻频道发生干扰,在同地点的三个网络分别使用1、6和11频道，约占ISM频带的(3x16MHz=)48MHz。从而避免彼此相互干扰，,典型的Wi-Fi(802.11b)基频信号功率,三个Wi-Fi网络的频率使用范例,三、地震仪采用的先进技术分析,Vibtech-it:将工区划分成若干小蜂窝采用ISM频段、802.11b和802.3协议、DSSS调制1200扇面天线、蜂窝无线原理（短距离无线传输和频率的重复使用）,三、地震仪器采用的先进技术分析,目前地震仪器采用的新技术：GPS时钟同步技术,三、地震仪采用的先进技术分析,3.7GPS时钟同步技术GPS同步：用GPS时钟作参考信号。设备相对独立。安装了原子钟的卫星星座。向地面发射两个波段的载波信号(1575.442MHz-L1和1227.6MHz-L2)GPS接收机接收GPS卫星所发送的载波信号解译出导航电文，实时计算出测站的三维位置、速度和时间。授时用的GPS接收机定位后,会输出精度保障的秒脉冲PPS信号。秒脉冲宽度可以20ms为间隔在20ms-980ms之间设置。授时准确至纳秒级，广泛用于天文台及无线电通讯中时间同步。,三、地震仪采用的先进技术分析,GPS授时仪JGI：MD-2000BGP：3S1VIBTECH:Vibtech-it,三、地震仪采用的先进技术分析,目前地震仪器采用的新技术：ASIC芯片和FPGA及贴片技术FPGA现场可编程门阵列FieldProgramableGateArray的简称PLD可编程逻辑器件-ProgramableLogicDevice的简称，CPLD(ComplexProgrammab1eLogicDvice)和与标准门阵列类似的FPGA,三、地震仪采用的先进技术分析,目前地震仪器采用的新技术：ASIC芯片和FPGA及贴片技术在现代数字电路设计中发挥着越来越重要的作用。从设计简单的接口电路到设计复杂的状态机，甚至设计“SystemOnChip（片上系统）”，FPGA所扮演的角色已经不容忽视。FPGA所具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性，缩短了产品的上市时间并降低了电子系统的开发成本。基于此，FPGA设计技术受到了世界范围内广大电子工程师的普遍欢迎，现已成为电子工程师必须掌握的一项基本技能之一。,三、地震仪器采用的先进技术分析,目前地震仪器采用的新技术：ASIC芯片和FPGA及贴片技术PLD，FPGA，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。它们是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL,GAL等相比较，FPGACPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。这样的FPGACPLD实际上就是一个子系统部件。PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术。,三、地震仪器采用的先进技术分析,目前地震仪器采用的新技术：ASIC芯片和FPGA及贴片技术PLD能做什么呢？PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言（HDL)的进步,三、地震仪器采用的先进技术分析,和的特点尽管和都是可编程器件,有很多共同特点,但由于和结构上的差异,具有各自的特点:更适合完成各种算法和组合逻辑,更适合于完成时序逻辑。换句话说,更适合于触发器丰富的结构,而更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。在编程上比具有更大的灵活性。通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,主要通过改变内部连线的布线来编程;可在逻辑门下编程,而是在逻辑块下编程。,三、地震仪器采用的先进技术分析,和的特点的集成度比高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。比使用起来更方便。的编程采用2或技术,无需外部存储器芯片,使用简单。而的编程信息需存放在外部存储器上,使用方法复杂。的速度比快,并且具有较大的时间可预测性。这是由于是门级编程,并且之间采用分布式互联,而是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互联是集总式的。,三、地震仪器采用的先进技术分析,和的特点在编程方式上,主要是基于2或存储器编程,编程次数可达1万次,优点是系统断电时编程信息也不丢失。又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。大部分是基于编程,编程信息在系统断电时丢失,每次上电时,需从器件外部将编程数据重新写入中。其优点是可以编程任意次,可在工作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置。保密性好,保密性差。一般情况下,的功耗要比大,且集成度越高越明显。,典型的PLD的部分结构（实现组合逻辑的部分）,典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以，PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。,FPGA与CPLD,不同厂家的叫法不尽相同，Xilinx把基于查找表技术，SRAM工艺，要外挂配置用的EEPROM的PLD叫FPGA；把基于乘积项技术，Flash（类似EEPROM工艺）工艺的PLD叫CPLD;Altera把自己的PLD产品:MAX系列（乘积项技术，EEPROM工艺）,FLEX系列