国土资源部实验室评估-深部探测宽频地震仪研制

1、1. 研究背景研究背景2. 研究内容研究内容3. 系统测试系统测试4. 总结与展望总结与展望汇报提纲汇报提纲1. 研究背景研究背景“深部探测技术及实验研究专项深部探测技术及实验研究专项”中，在青藏高原、中，在青藏高原、中亚造山带以中亚造山带以及松辽盆地及松辽盆地等区域完成等区域完成3000km以以深反射地震深反射地震为主导为主导的工作量。的工作量。在未来在未来15年的年的“地壳探测专项地壳探测专项”中，将预期开展更多的中，将预期开展更多的深反射地震深反射地震以及以及地震流动台阵地震流动台阵观测。观测。 红实线：拟实红实线：拟实施探测剖面施探测剖面红虚线：拟与红虚线：拟与石油部门合作石油部门合作

2、的探测剖面的探测剖面黑线：已经完黑线：已经完成的剖面成的剖面1. 研究背景研究背景USArray1. 研究背景研究背景USArray计划中，在美国本土分区域开展计划中，在美国本土分区域开展地震流动台阵地震流动台阵观测，用于了解其地下深部构造信息。观测，用于了解其地下深部构造信息。全球全球地震监测网（地震监测网（GSN）经过测试与实际运营考评，）经过测试与实际运营考评，将将Kinemetrics Q330HR作为唯一指定的下一代数据采集系统，作为唯一指定的下一代数据采集系统，将将Reftek作为作为Quanterra的备用厂家。的备用厂家。1. 研究背景研究背景在流动观测地震在流动观测地震仪器领

3、域，仪器领域，国内基本处于国内基本处于空白，每年均需要大量进口昂贵的地震仪器！空白，每年均需要大量进口昂贵的地震仪器！130S-01美国美国REFTEK公司公司:130B-01130-GSN125A-02160-01Q330HRS美国凯尼公司美国凯尼公司:Q330Q330SQ330S+Q330HR1. 研究背景研究背景1. 研究背景研究背景2. 研究内容研究内容3. 系统测试系统测试4. 总结与展望总结与展望汇报提纲汇报提纲参数指标参数指标130S-01Q330HRSGEIWSR-II通道数通道数3通道或通道或6通道通道 24Bits6通道，通道，3-26， 3-244通道，通道， 24Bit

4、s动态范围动态范围135dB100sps147-148dB130dB共模抑制比共模抑制比大于大于70dB-大于大于80dB增益选择增益选择1和和321和和201248163264输入满幅值输入满幅值20VPP10.625VPP3240VPP15VPP1噪声水平噪声水平1.589V-1.555V同步精度同步精度10sTCXO温补，锁定温补，锁定GPS3.2s采样率采样率1000, 500, 250, 200, 125, 100, 50, 40, 25, 20, 10, 5, 1次次/秒秒200，100，50， 40， 20，10，1次次/秒秒4000, 2000, 1000, 500, 200,

5、 100, 50, 1传感器控制传感器控制有有有（阶跃、正弦、随机）有（阶跃、正弦、随机）无无记录能力记录能力2,4,8,16GB(双双CF-II卡卡)最大最大32GB，双，双USB最大最大64GB，单，单CF-II功耗功耗1.4W(3道，道，GPS，数据写盘，数据写盘，数据传输数据传输)2.1W(6道，道，GPS，数据写盘，数据写盘，数据传输数据传输)3通道：通道：2.0W6通道：通道：2.5W约约2.5W2.1 研究目标研究目标 针对深部探测所需，以现有无缆地震仪为基针对深部探测所需，以现有无缆地震仪为基础，研制应用于宽频地震数据采集的记录仪：础，研制应用于宽频地震数据采集的记录仪：u侧重

6、侧重背景噪声成像背景噪声成像和和地震流动台阵地震流动台阵观测观测u适用于适用于大道距大道距、长时间长时间连续观测连续观测作业作业u要求要求采集系统具有采集系统具有低噪声低噪声、低功耗低功耗、超大动态超大动态范围范围和和稳定可靠稳定可靠的的特点特点u瞄准行业的技术标杆，以瞄准行业的技术标杆，以Q330HRS和和REFTEK 130S-01的技术指标为设计参考的技术指标为设计参考u以宽频地震摆（以宽频地震摆（120S-50Hz）为传感器）为传感器2.1 研究目标研究目标参数指标参数指标拟达到的目标拟达到的目标通道数通道数3通道或通道或6通道通道 24Bits动态范围动态范围148dB共模抑制比共模

7、抑制比大于大于80dB增益选择增益选择1,4,8输入满幅值输入满幅值通道通道A：5VPP1，20VPP1通道通道B：5VPP1，40VPP1噪声水平噪声水平1.5V同步精度同步精度3.2s采样率采样率1000, 500, 250, 200, 125, 100, 50, 40, 25, 20, 10, 5, 1次次/秒秒传感器控制传感器控制有（阶跃、正弦、随机）有（阶跃、正弦、随机）记录能力记录能力最大最大128GB，双，双CF-II功耗功耗3通道：通道：2.0W 6通道：通道：2.5W数据通信协议数据通信协议支持有线、无线网络数传支持有线、无线网络数传2.1 研究目标研究目标2.2 方案设计方

8、案设计20VPP40VPP5VPP通道A通道BA/DFPGAARMCPU双存储卡GPSWIFINETPOWER40VPPTrillium120ASTS-2.5CMG-3TCDJ-S2C-22.2 方案设计方案设计Trillium120ASTS-2.5CMG-3TCDJ-S2C-2天然源地震流天然源地震流动台阵观测动台阵观测人工源人工源地震观测地震观测2.3 宽频地震仪研制关键技术宽频地震仪研制关键技术数据采集通道超低自噪声设计技术数据采集通道超低自噪声设计技术分布式采集系统高精度时间同步技术分布式采集系统高精度时间同步技术采集站功能集成电磁兼容设计采集站功能集成电磁兼容设计地震台阵观测站精确自

9、定位技术地震台阵观测站精确自定位技术2.3.1 数据采集通道超低自噪声设计技术数据采集通道超低自噪声设计技术前置放大器的噪声系数：前置放大器的噪声模型：可见， F与放大电路的En 、In噪声、信号源的阻抗有相关联。信号源噪声系数如下：源电阻和最小求得最佳源电抗、最佳令, 0, 0ssRFXF0soX2nsnEXI nsonERImin12nnE IFkT 20221nsnERI221min112nnE IFkT 2.3.1 数据采集通道超低自噪声设计技术数据采集通道超低自噪声设计技术低噪声放大器应选用在信号工作频率范围低噪声放大器应选用在信号工作频率范围内，内，EnIn尽量小尽量小的器件。的器

10、件。 通过前置放大器的通过前置放大器的半导体器件及工作点的半导体器件及工作点的选择选择来满足来满足源电阻匹配条件源电阻匹配条件。2.3.1 数据采集通道超低自噪声设计技术数据采集通道超低自噪声设计技术22164.96533 10ampVEHz( )( )( )( )123S fSfSfSfAD在采样率为在采样率为1kHz时的，等效输入噪声电压：时的，等效输入噪声电压：75.02.98 1012582912nadVEV总噪声功率谱：总噪声功率谱：AD量化噪声：量化噪声：7sum5.080 10EV2.3.1 数据采集通道超低自噪声设计技术数据采集通道超低自噪声设计技术2.3.2 分布式采集系统高

11、精度时间同步技术分布式采集系统高精度时间同步技术卫星#2卫星#1卫星#3卫星#4GPS接收机PR1PR2PR3PR4(Xi,Yi,Zi)(i =1,2,3,4)为四个卫为四个卫星的空间位置；星的空间位置；(UX,UY,UZ)为为GPS接收机位置；接收机位置；伪距方程组伪距方程组22221112222222222233322224441234XYZXYZXYZXYZXUYUZUPRCB CXUYUZUPRCB CXUYUZUPRCB CXUYUZUPRCB C接收机钟差接收机钟差CB(UX,UY,UZ)PR1、PR2、PR3、PR4为伪距测量值、为伪距测量值、CB为接收机钟差为接收机钟差 2.3

12、.2 分布式采集系统高精度时间同步技术分布式采集系统高精度时间同步技术ERTC=(0.309+0.36n)(s) 采集站间同步误差采集站间同步误差 设设n取最大值：校准后连续工作取最大值：校准后连续工作8个小时，可以求得个小时，可以求得最差情况下的误差上限为最差情况下的误差上限为3.189s，优于，优于3.2s。 2.3.2 分布式采集系统高精度时间同步技术分布式采集系统高精度时间同步技术2.3.3 采集站功能集成电磁兼容设计采集站功能集成电磁兼容设计 “系统集成系统集成”= “简单相加简单相加”？ 电磁兼容电磁兼容问题问题: 天线天线、主控板、采集板、电源、主控板、采集板、电源板板等等。 数

13、据采集数据采集GPS模块模块无线通讯无线通讯电源系统电源系统2.3.3 采集站功能集成电磁兼容设计采集站功能集成电磁兼容设计2.3.4 地震台阵观测站精确自定位技术地震台阵观测站精确自定位技术野外工作地形复杂多变，地表落差大，地面通视野外工作地形复杂多变，地表落差大，地面通视条件差，通过常规测试手段进行条件差，通过常规测试手段进行地质测量地质测量困难较大，困难较大，施工效率低下；大范围流动台阵观测，施工效率低下；大范围流动台阵观测，仪器安全性仪器安全性难以保证。难以保证。GPS静态相对定位静态相对定位技术：目前技术：目前GPS定位中精度最定位中精度最高的方法，实现高的方法，实现观测点自测量观测

14、点自测量。GPS静态绝对定位静态绝对定位：利用伪距绝对定位精度约为：利用伪距绝对定位精度约为10m，实现，实现仪器防丢失仪器防丢失功能。功能。T1T2XYZLxzyLxyz 2.3.4 地震台阵观测站精确自定位技术地震台阵观测站精确自定位技术011( )( ) 1( )1( )( )( )( )jjjjjjjjiiiiiiiiffftD tD tfD ttf tItTtNtccccc误误差差因因素素2.3.4 地震台阵观测站精确自定位技术地震台阵观测站精确自定位技术000000100010001100010001jiijjiijjiijjjjiiiZYXZZZYYYXXXdZdYdXdZdYd

15、Xvvv2.3.4 地震台阵观测站精确自定位技术地震台阵观测站精确自定位技术三维地震勘探无需测量，仪器完全自三维地震勘探无需测量，仪器完全自定位定位2.3.4 地震台阵观测站精确自定位技术地震台阵观测站精确自定位技术1. 研究背景研究背景2. 研究内容研究内容3. 系统测试系统测试4. 总结与展望总结与展望汇报提纲汇报提纲3.1 实验室系统指标测试实验室系统指标测试宽频带地震数据采集技术研究宽频带地震数据采集技术研究GEIWSR与与REF-TEK130性能测试现场性能测试现场两款地震仪对同源信号采集波形完全吻合两款地震仪对同源信号采集波形完全吻合00.10.20.30.40.50.60.70.

16、80.91-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.20.25时 间 （ S）幅度（V） GEIWSRREFTEK1303.1 实验室系统指标测试实验室系统指标测试00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81x 10-5时 间 （ S）幅度（V）GEIWSR REFTEK130仪器噪声水平仪器噪声水平( (均方根均方根) )：REFTEK130：2.3779e-006 VGEIWSR：1.7443e-006 V自主研制仪器指标明显优于进口仪器自主研制仪器指标明显优于进口仪器3.1 实验

17、室系统指标测试实验室系统指标测试REF-TEK130幅频特性曲线幅频特性曲线050100150200250300350400450500-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50Frequency (Hz)Power/frequency (dB/Hz)Periodogram Power Spectral Density Estimate050100150200250300350400450500-150-140-130-120-110-100-90-80-70-60Frequency (Hz)Power/frequency (dB/Hz)Periodogram Po

18、wer Spectral Density Estimate自主研制仪器指标明显优于进口仪器自主研制仪器指标明显优于进口仪器GEIWSR幅频特性曲线幅频特性曲线实验测试实验测试- -仪器采集带宽测试仪器采集带宽测试3.2 应用实例应用实例-辽宁兴城深部探测折射实验辽宁兴城深部探测折射实验在辽宁葫芦岛在辽宁葫芦岛-内蒙古赤峰内蒙古赤峰200km的测线上布设的测线上布设400台台GEI地震仪地震仪3.2 应用实例应用实例-辽宁兴城深部探测折射实验辽宁兴城深部探测折射实验10Hz检波器检波器2Hz检波器垂向检波器垂向2Hz检波器南北向检波器南北向2Hz检波器东西向检波器东西向3.3 应用实例应用实例-辽宁兴城深部探测宽频实验辽宁兴城深部探测宽频实验CMG-3TCDJ-S2C-2Reftek 130-01GEIWSRCDJ-S2C-23.3 应用实例应用实例-辽宁兴城深部探测宽频实验辽宁兴城深部探测宽频实验宽频带仪器接收的人工源激励信号宽频带仪器接收的人工源激励信号3.3 应用实例应用实例-辽宁兴城深部探测宽频实验辽宁兴城深部探测