地震勘察儀器原理與結(jié)構(gòu)

1、地震勘探儀器原理與結(jié)構(gòu)一、對地屬勘探儀器的基本要求1地震波運動學(xué)特征對地定勘探儀器的要求為了利用地震波的運動學(xué)特征來推測地下反射界面的位置和形態(tài)，就要求記錄多道地震信號，以便進行波的對比，識別同相軸；記錄震源激發(fā)信號作為計算反射時間的起點；記錄計時信號作為計算反射時間的標尺；在采用炸藥震源時還要記錄井口信號，以測定地震波從炮井井底的炸藥爆炸點傳到炮井井口的時間一T值，進而依據(jù)已知的炮井深度h來推算表層的速度V=h/T，為今后地震資料處理時進行靜校正提供依據(jù)。除地震信號以外的這些需要記錄的信號統(tǒng)稱為輔助信號。通常所說的地震儀記錄道數(shù)指的是地震道的道數(shù)，輔助道不包括在內(nèi)。地震儀對地震信號的數(shù)據(jù)采集

2、過程從震源激發(fā)時刻開始，一直持續(xù)到最深目的層反射信號完全到達時為止。采集過程的持續(xù)時間稱為記錄長度，采用炸藥等沖激震源時，記錄長度T為:T=2h/v式中h一一勘探目的層最大深度；v地震波的平均速度。在地震勘探中，有意義的最大反射界面的深度很少超過10km,而達到這樣深度的平均地震波速度，至少是3500m/s。因此，通常要求的記錄長度為6s。深鉆、地質(zhì)解釋和地震信號穿透力等項技術(shù)改進后，需要的記錄時間還可能增加。反射時間的標記是根據(jù)磁帶上記錄的計時信號進行的，如果計時信號本身不精確的話，依據(jù)它測出的反射時間也就不精確，由此推測出的反射界面的位置也就不準確，因此，一般要求計時信號的可重復(fù)性和絕對準

3、確度都應(yīng)保持在0.05的容許范圍內(nèi)。2地震波動力學(xué)特征對地震儀的要求為了能利用地震波的動力學(xué)持征來推測地下巖性，甚至直接找油找氣，就要求地震儀高保真、高信噪比、高分辨宰地把地震波記錄下來。具體來說，應(yīng)滿足以下幾項基本要求：（1）地震儀允許輸入的幅度范圍（簡稱儀器的動態(tài)范圍）必須大于需要記錄的地震信號的動態(tài)范圍。需要記錄的地震信號的最大幅度是從震源育接傳到高震源最近的檢波點的直達波幅度，它與偏移距的大小有關(guān)；需要記錄的地震信號的最小幅度是最深目的層反射波傳到地表時的幅度，由勘探深度要求決定。目的層越深，反射信號則越弱，當反射信號幅度比外界環(huán)境噪聲的幅度還小時，就會被外界環(huán)境噪聲淹沒。因此，一般認

4、為需要記錄的地震信號最小有意義幅度是外界環(huán)境噪聲的幅度。目前通過地震資料的數(shù)字處理，有可能從環(huán)境噪聲背景中提取幅度僅有環(huán)境噪聲幅度1/10的弱信號。考慮上述三方面因素，人們普遍認為地震勘探儀器的動態(tài)范圍應(yīng)達到或接近120dB。地震儀應(yīng)該設(shè)置濾波器，在記錄之前對接收進來的妨礙有效波記錄的干擾波進行壓制。這些濾波器給地震儀限定的記錄頻率范圍應(yīng)該盡可能大于需要記錄的地震信號的頻率范圍。由于地層的選頻吸收效應(yīng)，使得越是深層的反射信號，其主頻越低。因此，需要記錄的地震信號最低頻率由勘探深度要求決定，可能需要延伸到10Hz或10H2以下。需要記錄的地震信號最高頻率由勘探分辨率要求決定。一般來說，在進行地震

5、普查時取125Hz就可以了，進行地震詳查時應(yīng)取250Hz，高分辨率勘探可能需要取到500Hz，甚至更高。在所能記錄的幅度范圍和頻率范圍內(nèi)，地震僅應(yīng)該基本上是一個線性系統(tǒng)。所謂線性系統(tǒng)就是當輸入為單一頻率的正弦波時，輸出也是同頻率的單一正弦波。如果給一個系統(tǒng)輸入一個頻率的正弦波，其輸出中出現(xiàn)很多頻率為n（n為正整數(shù)）的新的頻率分量，那么我們就認為這個系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)或者說存在非線性失真。實際上，完全線性的系統(tǒng)是不存在的。3多道記錄對地震儀的要求最早的地震儀是單道的，為了便于進行波的對比和提高野外生產(chǎn)效率，后來發(fā)展成為多道地震信號同時記錄。隨著多次覆蓋技術(shù)的推廣和覆蓋次數(shù)的提高，要求進一步增加道數(shù)

6、。高分辨率地震勘探要求縮短道距至25m、10m甚至5m,而為了保持一定的排列長度，自然也要求道數(shù)多一些。三維地震勘探方法的普遍應(yīng)用更是要求地震儀的道數(shù)多達幾千道。在多道記錄的情況下，為了確保地震記錄的質(zhì)量，還必須要求地震儀內(nèi)部各地震道電路的振幅特性和相位特性保持良好的一致性，道與道之間的相互干擾（即道間串音）應(yīng)很?。ㄒ话阋笮∮?80dB）。4野外工作條件對地震勘探儀器的要求地震儀長年在野外工作，工作環(huán)境與室內(nèi)儀器大不相同。由于野外環(huán)境條件差，造成儀器發(fā)生故障的外部原因很多。而地震儀一旦發(fā)生故障，輕則影響地震記錄的質(zhì)量，重則使整個地震勘探隊的工作陷于停頓，所以特別要求地震儀有很高的穩(wěn)定性和可靠

7、性，并且具有一定的自檢能力和野外監(jiān)視功能。除此之外，體積小、質(zhì)量小、耗電省、操作簡便、易于維修也是應(yīng)盡可能滿足的基本要求。二、兩類地震檢波器的工作原理地震檢波器是把傳輸?shù)降孛婊蛩械牡鼐嗖ㄞD(zhuǎn)換成電信號的機電轉(zhuǎn)換裝置，它是地震儀野外數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵部件。陸上地震勘探普遍使用電動式檢波器，海上地震勘探普遍采用壓電式檢波器。渦流檢波器是20世紀8（）年代發(fā)展起來的一種新型檢波器。1電動式地震檢波器電動式地震檢波器的結(jié)構(gòu)和外形如圖31所示。它由永久磁鐵、線圈和彈簧片組成，磁鐵具有很強的磁性，它是地震檢波器的關(guān)鍵部件；線圈由銅漆包線繞在框架上而成，有兩個輸出端，它也是地震檢波器的關(guān)鍵部件；彈簧片由特制的磷

8、青銅做成一定的形狀，具有線性彈性系數(shù)，它使線圈與塑料蓋連在一起，使線圈與磁鐵形成一相對運動體（慣性體）。礪鐵一I二Qb）電動式檢波器外形（a）電動式檢波器基本結(jié)構(gòu)當?shù)孛娲嬖跈C械扳動時，線圈對磁鐵作相對運動切割磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈中產(chǎn)生感生電動勢，且感生電動勢的大小與線圈和磁鐵的相對運動速度成正比，線圈輸出的模擬電信號與地面機械振動的速度變化規(guī)律是一致的。一、運動方程的建立檢波器內(nèi)部各組成部分的運動關(guān)系如圖32。地震檢波器運動方程的建立，以及其基本思路要從地震檢波器的功能入手。地震檢波器的功能是將地面的機械振動轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電圉3-2檢波器內(nèi)各部分的運動關(guān)系模擬振動信號。因此，研究地震檢

9、波器就應(yīng)該首先找出地震檢波器輸出電壓和地面運動的關(guān)系，而地震檢波器輸出的電壓是由于線圈相對磁鐵運動切割磁力線產(chǎn)生的，所以關(guān)鍵是要找出地面運動與線圈運動的關(guān)系。地震波傳到地面后，假設(shè)地面相對其原來位置產(chǎn)生一個向上位移z。如忽略檢波器與地面的藉合問題，即認為檢波器外殼與地面一起運動，則地面的位移就是檢波器外殼的位移，而磁鐵又是同外殼固定在一起的，所以此時磁鐵也相對其原位置產(chǎn)生一個向上位移乙顯然，慣性體也會相對其原來的位置產(chǎn)生一個向上的位移y,由于慣性的原因，慣性體的位移將小于地面的位移，于是彈簧被拉長x,即線圈相對磁鐵有一個向下的位移X。檢波器內(nèi)各部分的運動關(guān)系為Y=z+x(3-1)此時，線圈及框

10、架組成的慣性體受到如下外力的作用。彈簧克服慣性體重力后的拉力fkKFk=kx式中k一一彈簧的彈性系數(shù)，負號表示Fk與x方向相反。KK根據(jù)法拉第定律，線圈相對磁鐵運動時，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為線圈受到的電磁阻尼力一線圈磁通量；n線圈匝數(shù)；S機電轉(zhuǎn)換系數(shù)dr(34)對低頻地震信導(dǎo)而言，線圈的感抗很小可以忽略，因此線圈中的感應(yīng)電流為Rc線圈內(nèi)阻；Ro線圈負載電阻。由楞次定律可知：當線圈中有電流流過時，線圈將受到阻止其運動的電磁力Fl=-n驚.彳=_就(3_6)將(3-3)式、(3-5)式代入3-6)式得乩二-菁煜(3-7)3鋁制線圈架受到的電磁阻尼力圓筒形鋁制線圈架可看作是一個單匝閉合線圈。當線圈架

11、隨同線圈一起在磁場中運動時，線圈架內(nèi)將產(chǎn)生渦流磁場。渦流磁場對此渦流的作用力也將阻止線圈架運動，由(3-7)式可知，這種電磁阻尼力與線圈相對磁鐵的運動速度dx/dt成正比，方向相反:式中“比例系數(shù)。空氣阻力比FT小得多，可忽略不計工F=Fk+Fi,+Ft二kj:(_p+H/i?寄w=m=m(霽+常)M霽+3+“/尺療+屁=-M豁d2jc,ju+52/i?dr,k_d2xdz2Mdt(3-9)(3-10)(3-11)線圈架組成的慣性體運動符合牛頓第二定律，即AF二M&化為一般式有護工.Lr2_d?+2AdF+-d?式中h衰減系數(shù)，h=i伽自然頻率，=衰減系數(shù)與自然頻率之比稱為阻尼系數(shù)，簡稱DD二

12、hjgy(3-12)(311)式反映了線圈運動與地面運動的關(guān)系，稱為電動式檢波器的運動方程，在此基礎(chǔ)上可進一步導(dǎo)出電動式檢波器輸出電壓與地面運動的關(guān)系輸出電壓方程o二、輸岀電壓方程和固有振動電動式檢波器的輸出電壓為R瓦二頁Rq(3-13)將(3-3)式代入上式得V母w訴G金wi式中助檢波器固有振動角頻率,劉=丿朋一臚即周期Tt=27r/a)i(3-18)(3-16)式的通解為V=e-fct(cicoscoi?+c2sintdii)-ce-1sin(ojit+卻(3_19)式中c-+cl;i=arctgc2/ci這種情況稱為欠阻尼*由(3-19)式可知，在欠阻尼情況下電動式檢波器輸出電壓的固有振

13、動為逐漸衰減的正弦振動，如圖3-3(a)所示。當D=h/1時，式(3-17)有兩個不相等的實根，即n,2=hVh2-(o=ha2(其中s-Vh2&jo)G-16)式的通解為W二門出丄+)2h+=G3玄3(3-22)HCjay)=7-由(3-22)式可得電動式檢波器的幅頻特性為G(tu)=|=G(3-23)圖34電動式檢波器振幅特性根據(jù)上式可繪出電動式檢波器的振幅特性如圖3-4所示。由圖可見，電動式檢波器在以地面振動速度作為輸入量時，輸出電壓呈現(xiàn)二階高通濾波器的頻率特性，因此對低頻面波干擾可以有一定的壓制作用。電動式檢波器振幅特性曲線的形狀，取決于阻尼系數(shù)，下面分三種情況討論；當D=ft/)t故

14、G(G單調(diào)上升趨近于G,沒有尖峰出現(xiàn)。當D=A/u-o=1/2時，G4)剛好不出現(xiàn)尖峰，或者說尖峰出現(xiàn)在無窮遠處，這種狀態(tài)稱為最佳阻尼，將代入(3-23)式得(3-25)G3=G=Vi+()4最佳阻尼是振幅特性GQ)出現(xiàn)尖峰和不出現(xiàn)尖峰的分界，而臨界阻尼是固有振動波形呈周期性與呈非周期性的分界，由于D=l/72-ta)2將(3-36式與(3-22)式對比可見，變壓器耦合式海上檢波器的傳輸函數(shù)像電動式檢波器一樣也具有二階高通濾波器的特性。而由(3-50)式可見，帶電荷放大器的海上檢液器的傳輸函數(shù)則具有二階帶通濾波器的特性，這個二階帶通濾波器可看作是一個低截頻為妙的一階高通濾波器同一個高截頻為初的

15、一階低通濾波器串接組成的，并具有G倍的增益。兩種海上檢波器各有其優(yōu)點，然而，盡管帶電荷放大器的海上檢波器比變壓器耦合式海上檢波器容易接受串音干擾，但它沒有因變壓器接受磁干擾而產(chǎn)生的噪聲，而且便于在勘探船上測試整個電路，因此在海上勘探中，人們越來越多地使用帶電荷放大器的海上檢波器。無論采用哪種類型的海上檢波器，都應(yīng)根據(jù)勘探任務(wù)需要選擇它們的工作頻率?；蛘咭?3-42)式和(3-51)式改變它們的頻率范圍，以便所需要記錄的信號頻率都能通過檢波器。2多路轉(zhuǎn)換開關(guān)(MUX)一、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的基本功能能夠按照控制指令對模擬電壓或電源進行通斷控制的器件稱為模擬開關(guān)。具有公共輸出端的多個模擬開關(guān)的集合稱為多

16、路開關(guān)(MUX)。最簡單的一種MUX,其開關(guān)組態(tài)如圖431(a)所示。它在接收多道地震信號的采集系統(tǒng)中常被用作采樣開關(guān)，它的多個輸入端分別與對應(yīng)道的前放濾波器輸出端相連,公共輸出端與浮點放大器輸入端相連。在對某一道信號采樣時，該道所連接的開關(guān)便導(dǎo)通，其它道的開關(guān)全都斷開，在一個采樣周期Ts內(nèi)，依次對濾波器輸出的各道信號均采樣一次。因此多路開關(guān)的輸出是一連串周期性按道序排列的采樣脈沖，如圖431(b)所示。這些采樣脈沖我們稱為子樣。圖中代表第i道的第j次采樣(i;1,2,3,m)或者第j個采樣周期對第i道采樣所得的子樣(j=1,2,3.n)這里m為采樣系統(tǒng)的道數(shù)，n為采樣用期數(shù)或每一道的采樣次數(shù)

17、。*fr多路開關(guān)（b）輸出波形圖4-31多路開關(guān)及其輸出波形示意由圖431可見，多路開關(guān)的功能是：將多路并行輸入的連續(xù)信號轉(zhuǎn)換成一路串行輸出的離散子樣。因此多路開關(guān)又稱為多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。二、道間一致性與道間串音問題由圖41和圖431可綜合得到圖432所示的地震道組成框圖。由圖可見，在多路開關(guān)之前，各地震通信號所通過的電路（稱為地震道）是彼此分離的，而在多路開關(guān)之后的電路則是各道公用的。由于大多數(shù)采集系統(tǒng)的道數(shù)都不只一道而是多道，這樣就有必要考慮道間一致性和道問串音這兩個多道系統(tǒng)特有的問題。1道間一致性所謂道間一致性是指，各地震道不僅組成結(jié)構(gòu)完全相同，而且傳輸特性（振幅特性、相位特性）也沒有任何差

18、異。只有在這個前提下，才可以認為磁帶上記錄的各道地震信號間的差異完全是因為到達各檢波點地震信號的差異而造成的。所以，道間一致性是地震勘探對多道地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一項基本要求。由圖432可見，要保證各地震道的道間一致性，就要保證各地震道的檢波器型號及其組合參數(shù)、檢波器連線電阻、前放濾波器的電路結(jié)構(gòu)及元件參數(shù)、多路開關(guān)的通斷性能等等，都一一對應(yīng)相同。集中控制式數(shù)字地震儀因為所有要記錄的地震道的信號都通過大線電纜送到儀器車上集中由一個采集系統(tǒng)進行采集，所以近道遠道連線的電阻差異較大，道數(shù)越多，道間一致性越難保證。分布式遙測地震儀由于每個采集站的道數(shù)少，各道檢波器連線電阻差異不大，因此道間一致性比常規(guī)

19、地震儀好得多。通常所說的地震儀道間一致性主要是指多路開關(guān)及前放濾波電路的一致性。一般要求：在給采集系統(tǒng)各道前放同時輸入相同的測試脈沖時，各道測試記錄的振幅差應(yīng)小于士0.2，時間誤差應(yīng)小于士0.5ms。2道間串音由圖432可見，各地震道電路本來是彼此分離的，但是因為某些原因還是會出現(xiàn)某一道的地震信號串漏到別的地震道中去的現(xiàn)象。就像我們打電話時聽到別的通話線路上也在說話一樣，這種現(xiàn)象稱為道間串音。集中控制式數(shù)字地震儀的大線電纜芯線又多又長，而且還靠近在一起，各道檢波器連線間相互感應(yīng)容易造成串音。此外，由圖432可見，采集系統(tǒng)中各道采樣開關(guān)的輸出端并聯(lián)在一起，是最可能造成串音的部位，因此對多路轉(zhuǎn)換開

20、關(guān)最基本的要求就是要盡可能減少道間串音*三、減少道間串音的措施1減少每個采集系統(tǒng)的道數(shù)減少道數(shù)m可減少因開關(guān)斷開電阻Rd不為無窮大而造成的串音，若m=l,即單站單道，則可從根本上消除串音。減少道數(shù)m還可減少寄生電容，加速子樣脈沖尾部的衰減，同時增大采樣間隔，由圖433可見，這樣就能減少分布電容造成的串音。2減少多路開關(guān)前級濾波器的榆出電阻以兩道為例，Vn和VI2為第一道和第二道信號，Ri為前級濾波器的輸出電阻，Ron和ROFF分別為開關(guān)接通和斷開時的等效電阻，當?shù)谝坏罃嚅_、第二道接通時等效電路如圖4OFF34，多路開關(guān)輸出電壓V0可近似表示為Vo+尺口尺職Vn(4-76)由(476)式可見，為

21、了減少串音，要求多路開關(guān)前級濾波器的輸出電阻Ri應(yīng)該盡可能小，如果前級的輸出電阻不能滿足這要求的話，就應(yīng)加一級電壓跟隨器為多路開關(guān)提供極小的Ri3瞬時浮點放大器(IFP)一、瞬時浮點放大器的功能如果在多路開關(guān)和AD轉(zhuǎn)換器之間不設(shè)置浮點放大器，讓多路開關(guān)輸出的子樣電壓直接由AD轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，那么就會產(chǎn)生以下兩個問題。首先深層弱信號的量化精度低。A/D量化誤差為q=q,q為A/D量化電平，若多路開關(guān)輸出子樣電壓為a直接由AD量化的相對誤差為由上式可知：信號越弱，a越小，相對誤差q就越大，即量化精度越低。其次A/D位數(shù)不夠。滿足地震勘探精度要求的地震信號動態(tài)范圍DR=10o一120dB。這么大

22、范圍輸入的地震信號如果單純由A/D轉(zhuǎn)換器提供是比較困難的?，F(xiàn)有的14位A/D轉(zhuǎn)換器動態(tài)信號只有84dB。假若多路開關(guān)輸出于樣電壓直接由14位A/D量化的話，就會使大量深層信號因其幅度位于A/D的最小量化電平以下而轉(zhuǎn)換不出來。為了解決上述兩個問題，數(shù)字地震儀采樣系統(tǒng)的多路開關(guān)之后都接了一個瞬時浮點放大器。該放大器的特點是，其增益能以4或2為臺階瞬時改變，因此稱為瞬時浮點放大器(IFP),簡稱浮點放大器或主放大器。設(shè)多路開關(guān)輸出的第i道的第j次采樣脈沖幅度為魯，脈沖寬度為T，在此脈沖存在期間(時間T)瞬時浮點放大器經(jīng)過多次增益調(diào)整，最后為該子樣選定一個不致使A/D發(fā)生溢出的增益，即滿足1j-2G，

23、i(4-78)的最大允許增益2G.,該子樣幅值放大為=ai*2Gv(79)再由A/D轉(zhuǎn)換器將A百轉(zhuǎn)換成一個二進制數(shù)碼Dj這樣，浮點放大器的增益階碼G“和A/D尾數(shù)Dj就組成一個代表第道第j次子樣幅值的浮點二進制數(shù)碼，即=2c-Dij(4-*80)因此，我們把由多路開關(guān)、浮點放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器三者組成的電路稱為模擬一浮點數(shù)轉(zhuǎn)換電路。由記錄系統(tǒng)記錄在磁帶上的地震子樣浮點數(shù)據(jù)就是由這個電路產(chǎn)生的。在模擬一浮點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路中，浮點放大器具有兩項功能。提高弱信號量化精度子樣電壓被浮點放大器放大Kf倍后，再由A/D量化，其絕對量化誤差雖不變，但相對量化誤差卻變?yōu)闇鸙(481)a*Kp將上式與(4-77)式

24、比較可見，這比直接由A/D量化，相對量化誤差減小Kf倍，即量化精度提高Kf倍。信號越弱，即口越小，則Kf越大，精度提高的幅度也越大。擴大數(shù)字轉(zhuǎn)換范圍瞬時浮點放大器的增益并不是對所有被放大的子樣都是一樣的，而是根據(jù)被放大的子樣幅值來定的，因此它的增益不是固定增益而是浮動增益，記作Kf。浮動范圍為Kf迥Kfz。設(shè)置瞬時浮點放大器后，量化范圍即模擬一浮點數(shù)轉(zhuǎn)換的最大值和最小值分別為(4-82)數(shù)字轉(zhuǎn)換的動態(tài)范圍為DR=201og:(4-83)一般A/D位數(shù)=14,fVKFmm=2（）（Kf噺=25代入上式計算得DR=168dB,按（4-83）式計算的儀器動態(tài)范圍偏大，真正反應(yīng)儀器記錄大小信號能力的指

25、標是系統(tǒng)動態(tài)范圍。為了最大限度地提高每個子樣的量化精度，瞬時浮點放大器就要在增益調(diào)整范圍內(nèi)為該子樣選定一個滿足（4-78）式的最大允許增益Kf,這個增益因為既能使子樣達到最大可能的量化精度，又不致值子樣被放大后超出A/D量程造成記錄失真，因此被稱為該子樣的“最佳增益”Kf=2C，o這里G,稱為第，值第丿次子樣浮點數(shù)的階碼，它的四位二進制編碼稱為該子樣的增益碼。大多數(shù)數(shù)字地震儀的模擬一浮點數(shù)轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的每個子樣的浮點二進制數(shù)據(jù)為19位：1位符號位，4位增益碼，1斗位尾數(shù)。符號和尾數(shù)由A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生,4位增益碼由浮點放大器邏輯電路產(chǎn)生。二、瞬時浮點放大器的結(jié)構(gòu)類型和原理瞬時浮點放大器有多種結(jié)構(gòu)

26、類型，但無論是哪種類型都基本上由三部分組成：浮點放大器、增益比較器和增益邏輯電路，如圖4-39所示*浮點放大器的增益Kf由增益邏輯電路圖4-39浮點放大器組成框圖控制，浮點放大器對多路開關(guān)送來的子樣脈沖進行放大，增益比較器將放大后的子樣電壓與閥值電壓相比較，增益邏輯電路根據(jù)比較結(jié)果決定怎樣改變浮點放大器的增益。在子樣脈沖存在期間，經(jīng)過若干次增益調(diào)整，最后為該子樣選定出一個最佳增益，增益邏輯電路送出最佳增益的增益碼。A/D轉(zhuǎn)換器對最佳增益放大后的子樣電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。不同類型的瞬時浮點放大器主要區(qū)別在于浮點放大級的電路結(jié)構(gòu)不同，增益邏輯的增益調(diào)整程序不同。1.七階型TFP放大器此類IFP中有七個

27、基本放大節(jié)，每個放大節(jié)的電壓增益為，如圖4-40所示。主要代表儀器為SN-338.SDZ-751等。七階型IFP放大器的前端為輸入緩沖級爲、如，用來接收來自多路轉(zhuǎn)換開關(guān)輸出的序列子樣脈沖和漂移校正電路Ao輸出的漂移電壓，其末端接有緩沖輸出級用于阻抗匹配。增益開關(guān)&$與對應(yīng)的各基本放大級的輸出相連接，開關(guān)的輸出全連接在一起，構(gòu)成輸岀母線。在任何時候只有一個開關(guān)接通，接通的那一個開關(guān)就決定了輸入到輸出的增益。例如：缶開關(guān)接通時增益為4和S,開關(guān)接通時，增益為傘；E開關(guān)接通時，增益為4蔦比較器將放大后的子樣電壓與正、負參考電壓進行比較，對比較的結(jié)果發(fā)出判斷指令，增益控制邏輯電路發(fā)出相應(yīng)的增益開關(guān)指令

28、，使增益增加或減小或不變“控制指令*-PTTi增益開關(guān)控制擋令增益控制邏輯TTT增益碼圖4*40七階型IFP框圖SN-338儀器的IFF采取三次增益放大、三次比較、三次增益調(diào)整的工作方式。每當一個子樣進人IFP時，控制邏輯電路首先賦予它的增益為寧，即比開關(guān)首先接通，其它開關(guān)斷開。子樣經(jīng)過廳放大以后經(jīng)緩沖級去增益比較器與參考電壓進行比較，若放大后的子樣電平高于窗口電平上限，則比較器做出增益降低的判斷，控制邏輯使增益開關(guān)民接通,&開關(guān)斷開，即增益由原來的2*變?yōu)樵倛D4-41七階型IFP放大器增益調(diào)整圖24;若放大后的子樣電平低于窗口電平下限，則比較器做出增益增加的判斷,控制邏輯使增益開關(guān)&接通，S

29、4開關(guān)斷開，即增益由原來的2*變?yōu)?徨；若放大后的子樣電平處于窗口電平的上限與下限之間，則比較器做出增益不變的判斷，增益仍然為從而完成第一次增益調(diào)整a第一次增益調(diào)整期間，增益改變臺階為2S第二、第三次增益調(diào)整期間，增益改變臺階為2S增益調(diào)整圖如圖斗-41所示。在每個采樣周期的起始時刻，主放的人口接地，$開關(guān)接通，A?輸岀的是漂移電壓。當對地震數(shù)據(jù)進行放大時，邑開關(guān)斷開，漂移電壓被反相保持在漂移補償電路皿的輸出端，反相后的漂移值加至緩沖輸入級金2,它與子樣脈沖在電路上作相減運算，從而達到消除零點漂移的目的.4模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)當待測信息是時間和幅值均連續(xù)的模擬信號時，為滿足數(shù)字信號處理的要求，

30、必須將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換器就是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的功能單元，它是現(xiàn)代儀器系統(tǒng)中的重要功能部件。本節(jié)主要討論常規(guī)A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理以及應(yīng)用地震勘探儀器中常用的幾種A/D轉(zhuǎn)換器。一、A/D轉(zhuǎn)換器基本類型及原理A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按照其基本工作原理可分為直接型A/D轉(zhuǎn)換器和間接型A/D轉(zhuǎn)換器兩大類。直接型A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量代碼，不需要增加任何中間變量；而間接型AD轉(zhuǎn)換器則需要借助時間、頻率、脈沖寬度等中間變量才能完成A/D轉(zhuǎn)換。常用的并聯(lián)直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器居于直接型A/D轉(zhuǎn)換器；而雙斜式（亦稱雙積分型）A/D轉(zhuǎn)換器和其

31、它一些“電壓一頻率一數(shù)字”轉(zhuǎn)換器（亦稱壓控振蕩器vOC）則居于間接測A/D轉(zhuǎn)換器。3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近法的工作原理非常像天平稱重物，其原理框圖如圖456所示。圖中，比較器特轉(zhuǎn)換子樣輸入比較器BRLCONVSTRT邏輯控制#T網(wǎng)及T網(wǎng)開關(guān)相當于天平的指針，用于指示待轉(zhuǎn)換字樣電壓與基準電壓Vt的比較結(jié)果，T網(wǎng)及T網(wǎng)開關(guān)電路相當于天平的砧碼盤，用來產(chǎn)生權(quán)電壓Vt,邏輯控制和碼寄存器相當于天平的操作者,按照連續(xù)時鐘脈沖的節(jié)拍，控制T網(wǎng)及T網(wǎng)開關(guān)依次產(chǎn)生一系列基準電壓，并存儲比較器每次的比較結(jié)果。ICONVSTRT為A/D轉(zhuǎn)換器啟動指令，BRL（BitRjectionLevel）為位取舍電平

32、。A/D對子樣開始量化時，由CONVSTRT的上跳沿啟動A/D控制邏輯電路，控制T網(wǎng)及T網(wǎng)開關(guān)電路產(chǎn)生第一個權(quán)電壓VI.V1與子樣比較，若子樣大于VT,則位取舍電平BRL=1，控制碼寄存器的第一位為1,表示取用該位；反之，BRLL=o,控制碼寄存器的第一位為0該位被舍去。取用時，電路仍產(chǎn)生第一位的權(quán)電壓v7；舍去時，電路就不再產(chǎn)生第一位的權(quán)電壓vT。接著就是判斷第二位，過程相同。依此類推，A/D轉(zhuǎn)換器將所有位的輸出都判斷出來，輸出為1的位，電路產(chǎn)生相應(yīng)位的權(quán)電壓，最后的權(quán)電壓vT等于所有輸出為1的位所對應(yīng)的權(quán)電壓之和，它在數(shù)值上與子樣的輸入相等。所有各位判斷完成后，碼寄存器的并行輸出即為A/D

33、轉(zhuǎn)換結(jié)果。與積分型A/D轉(zhuǎn)換器相比，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換速度；同時，與直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器相比，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換精度。因此，在轉(zhuǎn)換速度和精度上，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要，而且價格也比較低，所以它已成為目前應(yīng)用最廣的A/D轉(zhuǎn)換器。許多地震勘探儀器所使用的A/D轉(zhuǎn)換器就是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器.5役24位A-ZA/D轉(zhuǎn)換技術(shù)高分辨卒地震勘探要求地震信號的動態(tài)范圍高達120dB，這就要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器不低于20位，這在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中是無法實現(xiàn)的。因為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)先將連續(xù)的地震信號進行采樣，之后再對多路串行的離散樣電

34、壓（于樣電壓）進行A/D量化，A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)越多，每個子樣電壓的量化時間越長，要求采樣卒就越低，致使更高頻率的地震信號得不到記錄，這是無法滿足高分辨率地震勘探需要的。另外較多位數(shù)的傳統(tǒng)A/D，需要由模擬電路產(chǎn)生眾多的一系列標準權(quán)電壓，用它們逐個與子樣電壓進行比較，靠模擬電路來保證這些權(quán)電壓的精度是很難做到的。上述兩方面的問題都因-A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用而得到解決。以SN388（法國產(chǎn)）和SYSTEM2000（美國產(chǎn)）為典型代表的當代徭測地震儀，在高分辨率地震勘探野外數(shù)據(jù)采集工作中發(fā)揮著重要的主導(dǎo)作用，它們的技術(shù)關(guān)鍵都是在野外采集站中設(shè)置了24位-2A/D轉(zhuǎn)換器。全面了解和掌握-2A/D轉(zhuǎn)換器基

35、本原理及在地震勘探中的應(yīng)用對地球物理工程技術(shù)人員是十分重要的。、地震勘探儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是按照勘探技術(shù)指標的要求將野外地震數(shù)據(jù)記錄下來，之后再由計算機數(shù)據(jù)處理中心對所采集的野外地震數(shù)據(jù)進行精細處理，獲得高精度的地震剖面等信息，這就決定了地震勘探儀器的核心部分就是地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)指的是從地震勘探儀器入口到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出信號所經(jīng)過的電路系統(tǒng)。本章主要討論當代地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成原理，同時介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部件的電路原理。1地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成原理一、集中控制式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)20世紀7（0年代中期，數(shù)字地震儀的出現(xiàn)，把地震勘探帶入了一個嶄新

36、的時代，出現(xiàn)了以DFSv和SN338為代表的集中專用控制式數(shù)字地震儀。到了80年代，隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)、新器件不斷應(yīng)用到數(shù)字地震儀的設(shè)計和生產(chǎn)中，又出現(xiàn)了以SN358和MDS16為代表的計算機集中控制式數(shù)字地震儀。所謂集中控制式系統(tǒng)是指整個儀器系統(tǒng)的控制部分采用統(tǒng)一的數(shù)字邏輯電路完成。根據(jù)控制邏輯所采用的電路形式，集中控制式地震儀又可分為專用集中控制式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機集中控制式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。1專用集中控制式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)專用集中控制式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的般框圖如圖41所示。采用這種控制方式的地震儀主要有美國得克薩斯州儀器公司的DFsv型地震儀，法國舍塞爾公司的SN338

37、型地震儀和國產(chǎn)SDZ751地震儀等。在圖41中，虛線中的功能單元構(gòu)成整個系統(tǒng)的邏輯控制部分，各功能單元采用專用設(shè)計的硬件電路，從而構(gòu)成集中控制式系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集過程中，整個信號的處理流程為：地震信號由檢波器拾取后，將地面振動信號換成模擬電壓信號，該信號經(jīng)模擬信號傳輸大線送至大線濾波器以濾除共模干擾和高頻干擾，濾波之后的信號送至低噪聲前置放大器放大，以利于后續(xù)濾波處理；放大后的信號送至高通濾波器、低通濾波器、陷波器進行模擬濾波處理；為防止采樣過程中產(chǎn)生假頻干擾，還要用大陡度去假頻濾波器對信號進行濾波處理，然后再送入多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進行時分復(fù)用轉(zhuǎn)換并同時完成采樣；經(jīng)過多路合一的各道信號的子樣送瞬時浮點

38、放大器（IFP）進行可變增益（對于小信號自動調(diào)整選擇較大增益，對于大信號自動選擇較小增益）的放大，然后將IFP調(diào)整后的模擬信號送人15位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；IFP產(chǎn)生的3位增益碼和15位A/D轉(zhuǎn)換的尾數(shù)送入格式編排電路按照規(guī)定的格式進行編排，編排的結(jié)果送入數(shù)字磁帶機記錄。為監(jiān)視記錄在磁帶中的數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在完成數(shù)據(jù)記錄后還需要進行數(shù)據(jù)團放?；胤胖饕ǚ锤袷骄幣?、自動增益控制、D/A轉(zhuǎn)換、反多路轉(zhuǎn)換、回放濾波等處理，最后用繪圖儀形成回放記錄。符合質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)磁帶需要送計算中心完成員后的處理與解釋。大線濾液器低噪聲前置放大器模擬濾披器多路轉(zhuǎn)換開關(guān)大線濾波器低噪聲前置放大群模抵濾液

39、器時模數(shù)i浮數(shù)據(jù)：記點一轉(zhuǎn)f豊丄錄放換訂邏大器訂輯器（b）數(shù)據(jù)回放流程圖4-1專用集中控制式數(shù)字地震儀一般框圖2計算機集中控制式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機集中控制式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般框圖如圖42所示。采用這種控制方式的地震儀主要有美國的MDS15B型地震儀和法國舍塞爾公司的SN358型地震儀等。與圖41對比可以看出，計算機集中控制式數(shù)字地震儀在數(shù)據(jù)編排部分之前與專用集中控制式數(shù)字地震儀的數(shù)據(jù)采集部分基本相同，仍采用IFP和逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，而在整個系統(tǒng)控制和后續(xù)數(shù)據(jù)編排和處理部分采用通用計算機控制，各種控制功能通過軟件編程用計算機接口實現(xiàn)。由于采用了計算機控制，使儀器系統(tǒng)的整體控制部分的

40、功能更加完備、靈活，并具有一定的數(shù)據(jù)處理功能。因此，整個系統(tǒng)的智能化水平有了很大提高。集中控制式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最大特點是：采用IFP與15位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器互相配合以獲得較大的信號處理動態(tài)范圍。在實際系統(tǒng)中，IFP采用34位增益碼，A/D轉(zhuǎn)換器采用15位（1位符號位，14位尾數(shù)）逐次逼近型，集中控制式數(shù)字地震儀動態(tài)范圍理論上可達168dB，但實際考慮儀器噪聲等因素的影響，儀器的動態(tài)范圍一般不超過120dB。二、分布式遏測地震儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般情況下，集中控制式數(shù)字地震儀的檢波器通過模擬信號線（一般稱為“大線”）與采集系統(tǒng)連接。由于大線上傳輸?shù)氖悄M信號，傳輸?shù)木嚯x又比較遠，因此信號易

41、受各種干擾因素的影響。同時，由于采樣間隔和大線質(zhì)量的限制，集中控制式地震儀中一條大線電纜一般不超過120道。隨著計算機技術(shù)在地震儀中應(yīng)用的不斷深入，人們把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)傳輸控制邏輯以及整體控制用CPU完成。（cPU做在一個小箱體內(nèi)，稱為“采集站”）將采集站放置在檢波點上，每個采集站用較短的模擬信號線（一般稱為“小線”）與18道檢波器連接，各采集站用數(shù)字信號線（數(shù)字大線）或以無線方式與中央記錄主機相連，當各采集站和記錄主機之間合理組合時，可以構(gòu)成分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于數(shù)據(jù)采集部件在檢波點而不在儀器車上，因此這類系統(tǒng)又被稱為“遙測地震儀”。分布式遙測地震儀數(shù)據(jù)

42、采集系統(tǒng)的一投框圖如圖43所示。遙測系統(tǒng)的采集站與中央記錄主機之間傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，采集站和記錄主機可以靈活組合。因此大大降低了信號傳輸過程中各種干擾因素的影響，同時大大提高了的地震儀的道數(shù)。分布式遙測地震儀的道數(shù)可達到上千道甚至上萬道。根據(jù)遙測地震儀采集站所采用的電路結(jié)構(gòu)形式，采集站又分為早期使用的IFP型采集站和目前所使用的24位-LA/D型采集站。1IFP型采集站采用IFP放大器的采集站的一般框圖如圖44所示。采用這種控制方式的地震儀主要有美國得克薩斯州儀器公司的DFS1V型地震儀、美國的MDS16型地震儀和法國舍塞爾公司的SN368型地震儀等。從圖44可以看出，采用IFP放大器的采集站

43、的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與計算機集中控制式地震儀前端的結(jié)構(gòu)形式基本相同。其主要電路結(jié)構(gòu)（前放濾波、多路轉(zhuǎn)換、浮點放大、A/D轉(zhuǎn)換和CPU控制）與計算機集中控制式地震儀相應(yīng)的電路也基本相同，只是采集站的道數(shù)一般為68道，可以使檢波器通過較短距離的小線就近接入采集站。采集站中的控制部分一般由cPu完成，控制功能主要包括對前置放大器增益、濾波器的選擇、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切換、浮點放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)傳輸接口的控制。信號處理流程與集中控制式地震儀類似，在此不做贅述。2IFP型采集站存在的問題影響地震儀頻率特性的因素主要是模擬電路及A/D轉(zhuǎn)換之前采樣速率的限制。對于低頻響應(yīng)而言，直流放大器和直流耦合技術(shù)，

44、可以很容易地滿足高分辨率地震勘探3Hz低頻響應(yīng)的要求。對于使用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和IFP技術(shù)的地震儀而言，其高頻響應(yīng)主要取決于多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的采樣頻率。設(shè)采樣頻率為fs；有效信號中的最高頻率為fmax；IFP的單道調(diào)整時間為tc；地震道數(shù)為N；考慮到采樣定理fs2fmax的要求，取fs=4fmax，系統(tǒng)的高截止轉(zhuǎn)折頻率fc=fmax，則有譏十產(chǎn)占（D（41）式表明：當IFP的調(diào)整時間確定之后，地震儀的高截止轉(zhuǎn)折頻率與地震道數(shù)成反比。一般情況IFP的調(diào)整時間tc的最小值受IFP電路的限制不能做到很小，而現(xiàn)代高分辨率地震勘探要求地震道數(shù)N很高。顯然，當IFP的調(diào)整時間確定之后，常規(guī)IFP式地震儀難以同時滿

45、足較高的高截止頻率fc和較高的道數(shù)N的要求。對于模擬電路來說，影響儀器動態(tài)范圍的主要因素是模擬電路本底噪聲幅值和儀器最大不失真情號的幅值。當模擬電路靜態(tài)工作點確定之后，（主要由電源和電路結(jié)構(gòu)本身確定）在確定頻響范圍內(nèi)電路的最大不失真輸出是確定的值。因此，電路的噪聲指標就是決定模擬電路動態(tài)持性的主要因素。一般情況下，對于N位A/D轉(zhuǎn)換器，其動態(tài)范圍DR為DR=201og2tt6.（4-2）就目前集成電路工藝和技術(shù)來說，對于傳統(tǒng)的積分型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器和直接比較型A/D轉(zhuǎn)換器，由于電路本身噪聲特性的影響，其分辨率很難達到18位。因此，直接使用傳統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器的儀器系統(tǒng)，其動態(tài)范圍難以達到110dB。使用IFP放大器和15位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器配合的數(shù)字地震儀，巧妙地利用了浮點放大器的調(diào)整特性，克服了構(gòu)成IFP的多級模擬放大器具有較大噪聲（最大為8.86“v）而且15位AD轉(zhuǎn)換器位數(shù)有限的缺陷，實現(xiàn)了理論上168dB的動態(tài)范圍。但實際上，由于模擬電路本底噪聲的影響，IFP和15位A/D轉(zhuǎn)換器配合的數(shù)字地震儀的實際動態(tài)范圍不超過120dB。這種理論值與實際值之間的差別正是由于模擬電路本身的噪聲特性引起的。而當模擬電路