地震勘探仪器的设计与应用

1、第八章 智能仪器设计实例(一),地震勘探仪器的设计与应用,Seismic Instrument: Design and Applications,一 地震勘探仪器简介,下海,入地,？,人类三大壮举上天、入地、下海,上天,2008.9,入地,地球深部探测方法,在重、磁、电、震四种地球物理探测方法中，地震方法是进行地球深部探测的有效手段之一，地震弹性波穿透能力强，深部地震探测技术被视作地球深部探测的先锋。,地震勘探需要震源,检波器和数据采集系统,地震检波器,可控震源,内蒙正镶白旗地下水勘察,内蒙正镶白旗地震勘探,激励源,地震勘探方法简介,天然地震:地球内部岩浆流动和胀缩产生, 大, 灾害 人工地震

2、:人工震源产生,小,地震勘探 地震勘探:人工震源激发地震波，研究其在地下介质中的传播规律，解决地质问题。 各物探均以各种物性为前提，地震勘探依据岩、矿石的弹性，研究地下弹性波场的 变化规律。,浅层地震勘探：常用于“水、工、环”地质调查，,主要用于解决：工程地质填图、建筑、水电、矿山、铁路、公路、桥梁、港口、 机场等各种工程地质问题，因此，多被人称之为： “工程地震勘探”。,地震勘探分类,据波的类型分:纵波、横波、面波勘探,据波传播特点分：反射、折射、透射波法,据目的层深度分：浅层n.1000m,据勘探目的任务：工程(浅层), 煤田, 石油, 地震测深,地震测深: 研究大地构造、深部地质问题,地

3、震勘探应用: 地震勘探在众多物探中发展最快，应用最多，,西方：物探投资90%以上是地震，地震成了物探代名词,我国：地震是物探主要手段，论文最多，刊物最多，数字处理发展最快，油田95%是地震发现的。,浅层地震勘探应用范围,沙漠油气地震勘探,海洋油气地震勘探,地震勘探仪器,地震勘探是利用岩层传播地震波的速度差异(地震波旅行时)来确定地下岩层的结构(构造).地震勘探仪器可以用来勘探石油,煤炭等. 地震勘探仪器种类繁多,有有线遥测地震仪,无线遥测地震仪和数字存储地震仪等.,二 有线地震勘探仪器设计考虑的因素,地震勘探仪器的数据采集技术,数据采集系统的组成结构 模拟信号调理 -型ADC原理与接口技术 数

4、据采集系统设计需要考虑的主要因素,2.1数据采集系统的组成结构,传感器,模拟信号调理,数据采集电路,微机系统,数据采集系统的基本组成,多路模拟输入通道数据采集系统 同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。 多路模拟输入通道可分为两大类型： 集中式采集 分布式采集,集中式采集结构,1). 集中式数据采集系统的典型结构之一,多路共用采集电路分时采集,2). 集中式数据采集系统的典型结构之二,网络式数据采集结构,分布式采集结构,2.2 模拟信号调理,采集系统信号调理（Signal Conditioning）的任务： 实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波； 零点校正、线性化处理、温度补

5、偿、误差修正和量程切换等。,典型模拟调理电路的组成框图,2.3 采集系统设计需要考虑的主要因素,输入信号的特性 对数据采集系统性能的要求 接口特性,输入信号的特性： 信号的数量 信号的输入方式（单端、差动、单极性、双极性，接地、浮地） 信号的强弱及动态范围 信号的频带宽度 信号是周期还是瞬态 信号中的噪声 共模电压大小 信号源的阻抗,对数据采集系统性能的要求：,系统的采样速率 系统的分辨率 系统的精度,主机（PC、MCU、DSP） 并行、串行、总线 数据的编码格式,接口特性 ：,大线,通讯线,子站,激励源,激励源,地震仪,主控站,检波器,检波器,24/48/96集中式地震仪,自主研制的有线遥测

6、地震仪野外工作图片,三 分布式地震勘探仪器设计,3.1 总体方案设计,分布式地震仪中的,24位Delta-Sigma技术,两项关键技术,数据传输技术,有线传输技术,无线传输技术,集中回收技术,分布式地震仪设计中,应考虑的几个问题,机械物理 特性方面,电 气 性能方面,工作温度范围宽； 抗震性能好； 密封性好， 具有良好的防尘、防水性能； 接插件牢固可靠。,功耗低； 具备足够高的数传速率； 信号输入通道 具有过压保护电路； 系统动态范围大； 系统具有自我诊断测试能力 并具备一定的容错能力； 输入阻抗高。,总体方案设计,主控PC,EPP通信 适配器,终端 匹配电阻,终端 匹配电阻,采集 单元,触发

7、 单元,采集 单元,系统总体设计方案,总体方案设计,采集单元功能框图,总体方案设计,RS485 接口 芯片,CPLD,EPP 接口,电源模块,电 池,MPU,电源模块,状 态 指 示,RS 485 总 线,EPP 并 行 口,充电模块,EPP通信适配器功能框图,总体方案设计,3.2 数据采集模块设计,模拟 前放,24位 A/D,CPLD,SRAM,测试 电路,MPU,检 波 器,数据采集模块功能框图,数据采集模块设计,CS5396功能框图,CS5396数据输出格式,数据采集模块设计,数据格式一,数据格式二,数据采集模块设计,CS5396接口电路功能框图,数据采集模块设计,串并转换电路功能框图及

8、时序图,串并转换电路时序图,数据采集模块设计,数据采集模块设计,采集触发电路,系统测试电路,数据采集模块设计,有、无检波器两种情况下的测试曲线,数据采集模块设计,3.3 数据传输模块设计,应用层,表示层,物理层,会话层,传输层,网络层,数据链路层,应用层,数据链路层,物理层,OSI参考模型,简化模型,数据传输模块设计,物理层设计,物理层定义了基本连接的机械和电气特性，它负责从其上层获得数据并将数据转化为在通信链路上可以传输的格式。,线路配置标准：共享式总线 数据通信模式：双向、同步、半双工 网络拓扑结构：主从式 信号传输方式：平衡传输（RS485规范） 编码方式：差分曼彻斯特编码 传输介质：双

9、芯电缆,物理层协议,数据传输模块设计,数据链路层设计,数据帧格式,命令帧格式,用户层设计,测控软件,数据通信控制器设计,发送 模块,接收 模块,控制 逻辑,485 接口,通 信 总 线,数据线,地址线,0,0,0,1,1,1,1,0,1,曼彻斯特编码及差分曼彻斯特编码示意图,数据传输模块设计,发送模块设计,接收模块设计,帧 检 测,数字锁相环,串/并 转换,解码 电路,串行数据,接收时钟,恢复时钟,数据输出,同步串行通信中收发同步的建立过程,数据传输模块设计,数字锁相环功能框图,数字锁相环状态转换图,数据传输模块设计,数据传输模块设计,差分曼彻斯特解码电路,数据传输模块设计,EPP通信适配器,

10、EPP地址写周期,地址读周期,数据写周期,数据读周期,电源1,唤醒电路,电源2,AVR,模拟 正电源,模拟 负电源,数字 电源,电池组,通讯,充电,电源管理模块框图,充 电,3.4 电源管理模块设计,主机测控软件框图,3.5 软件设计及测试,从机测控软件框图,上电复位,初始化,等待主机 指令,命令解释,合法命令？,处理命令,否,是,从机软件流程图,分布式地震仪样机,分布式浅层地震仪： 减小模拟大线的干扰 道数可以根据需要灵活扩展 成本为国外同类仪器的十分之一,基于接力式以太网的有线遥测地震仪,超万道遥测地震仪系统构成,电源站/电瓶,交叉站,交叉站,无线通讯,主机,采集站,法国 Sercel 428XL,世界领先水平： 道数可达10万道， 采集单元功耗132