國土資源部實驗室評估-深部探測寬頻地震儀研制

國土資源部地球探測技術及儀器重點實驗室2013年7月17日地震勘探儀器研究室報告人：陳祖斌國土資源部重點實驗室評估學術報告深部探測寬頻地震儀研制(SinoProbe-09-04)1.研究背景2.研究內(nèi)容3.系統(tǒng)測試4.總結與展望匯報提綱1.研究背景“深部探測技術及實驗研究專項”中，在青藏高原、中亞造山帶以及松遼盆地等區(qū)域完成3000km以深反射地震為主導的工作量。在未來15年的“地殼探測專項”中，將預期開展更多的深反射地震以及地震流動臺陣觀測。紅實線：擬實施探測剖面紅虛線：擬與石油部門合作的探測剖面黑線：已經(jīng)完成的剖面1.研究背景USArray1.研究背景USArray計劃中，在美國本土分區(qū)域開展地震流動臺陣觀測，用于了解其地下深部構造信息。全球地震監(jiān)測網(wǎng)（GSN）經(jīng)過測試與實際運營考評，將Kinemetrics

Q330HR作為唯一指定的下一代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將Reftek作為Quanterra的備用廠家。1.研究背景

在流動觀測地震儀器領域，國內(nèi)基本處于空白，每年均需要大量進口昂貴的地震儀器！130S-01美國REFTEK公司:130B-01130-GSN125A-02160-01Q330HRS美國凱尼公司:Q330Q330SQ330S+Q330HR1.研究背景1.研究背景2.研究內(nèi)容3.系統(tǒng)測試4.總結與展望匯報提綱參數(shù)指標130S-01Q330HRSGEIWSR-II通道數(shù)3通道或6通道24Bits6通道，3-26，3-244通道，24Bits動態(tài)范圍>135dB@100sps147-148dB130dB共模抑制比大于70dB-大于80dB增益選擇×1和×32×1和×20×1×2×4×8×16×32×64輸入滿幅值20VPP@×10.625VPP@×3240VPP@×15VPP@×1噪聲水平1.589μV-1.555μV同步精度±10μsTCXO溫補，鎖定GPS±3.2μs采樣率1000,500,250,200,125,100,50,40,25,

20,10,5,1次/秒200，100，50，40，20，10，1次/秒4000,2000,1000,500,200,100,50,1傳感器控制有有（階躍、正弦、隨機）無記錄能力2,4,8,16GB(雙CF-II卡)最大32GB，雙USB最大64GB，單CF-II功耗～1.4W(3道，GPS，數(shù)據(jù)寫盤，數(shù)據(jù)傳輸)～2.1W(6道，GPS，數(shù)據(jù)寫盤，數(shù)據(jù)傳輸)3通道：<2.0W6通道：<2.5W約2.5W2.1研究目標

針對深部探測所需，以現(xiàn)有無纜地震儀為基礎，研制應用于寬頻地震數(shù)據(jù)采集的記錄儀：側重背景噪聲成像和地震流動臺陣觀測適用于大道距、長時間連續(xù)觀測作業(yè)要求采集系統(tǒng)具有低噪聲、低功耗、超大動態(tài)范圍和穩(wěn)定可靠的特點瞄準行業(yè)的技術標桿，以Q330HRS和REFTEK130S-01的技術指標為設計參考以寬頻地震擺（120S-50Hz）為傳感器2.1研究目標參數(shù)指標擬達到的目標通道數(shù)3通道或6通道24Bits動態(tài)范圍148dB共模抑制比大于80dB增益選擇×1,×4,×8輸入滿幅值通道A：5VPP@×1，20VPP@×1通道B：5VPP@×1，40VPP@×1噪聲水平1.5μV同步精度±3.2μs采樣率1000,500,250,200,125,100,50,40,25,

20,10,5,1次/秒傳感器控制有（階躍、正弦、隨機）記錄能力最大128GB，雙CF-II功耗3通道：<2.0W6通道：<2.5W數(shù)據(jù)通信協(xié)議支持有線、無線網(wǎng)絡數(shù)傳2.1研究目標2.2方案設計20VPP40VPP5VPP通道A通道BA/DFPGAARMCPU雙存儲卡GPSWIFINETPOWER40VPPTrillium120ASTS-2.5CMG-3TCDJ-S2C-22.2方案設計Trillium120ASTS-2.5CMG-3TCDJ-S2C-2天然源地震流動臺陣觀測人工源地震觀測2.3寬頻地震儀研制關鍵技術數(shù)據(jù)采集通道超低自噪聲設計技術分布式采集系統(tǒng)高精度時間同步技術采集站功能集成電磁兼容設計地震臺陣觀測站精確自定位技術2.3.1數(shù)據(jù)采集通道超低自噪聲設計技術前置放大器的噪聲系數(shù)：前置放大器的噪聲模型：可見，F(xiàn)與放大電路的En、In噪聲、信號源的阻抗有相關聯(lián)。信號源2.3.1數(shù)據(jù)采集通道超低自噪聲設計技術低噪聲放大器應選用在信號工作頻率范圍內(nèi)，EnIn盡量小的器件。

通過前置放大器的半導體器件及工作點的選擇來滿足源電阻匹配條件。2.3.1數(shù)據(jù)采集通道超低自噪聲設計技術AD在采樣率為1kHz時的，等效輸入噪聲電壓：總噪聲功率譜：AD量化噪聲：2.3.1數(shù)據(jù)采集通道超低自噪聲設計技術2.3.2分布式采集系統(tǒng)高精度時間同步技術衛(wèi)星#2衛(wèi)星#1衛(wèi)星#3衛(wèi)星#4GPS接收機PR1PR2PR3PR4(Xi,Yi,Zi)(i=1,2,3,4)為四個衛(wèi)星的空間位置；(UX,UY,UZ)為GPS接收機位置；偽距方程組接收機鐘差CB(UX,UY,UZ)PR1、PR2、PR3、PR4為偽距測量值、CB為接收機鐘差2.3.2分布式采集系統(tǒng)高精度時間同步技術ERTC=±(0.309+0.36n)(μs)采集站間同步誤差

設n取最大值：校準后連續(xù)工作8個小時，可以求得最差情況下的誤差上限為±3.189μs，優(yōu)于±3.2μs。2.3.2分布式采集系統(tǒng)高精度時間同步技術2.3.3采集站功能集成電磁兼容設計

“系統(tǒng)集成”=“簡單相加”？電磁兼容問題:天線、主控板、采集板、電源板等。

數(shù)據(jù)采集GPS模塊無線通訊電源系統(tǒng)2.3.3采集站功能集成電磁兼容設計2.3.4地震臺陣觀測站精確自定位技術野外工作地形復雜多變，地表落差大，地面通視條件差，通過常規(guī)測試手段進行地質測量困難較大，施工效率低下；大范圍流動臺陣觀測，儀器安全性難以保證。GPS靜態(tài)相對定位技術：目前GPS定位中精度最高的方法，實現(xiàn)觀測點自測量。GPS靜態(tài)絕對定位：利用偽距絕對定位精度約為±10m，實現(xiàn)儀器防丟失功能?；€向量：T1T2XYZLΔxΔzΔy靜態(tài)相對定位定義2.3.4地震臺陣觀測站精確自定位技術誤差因素2.3.4地震臺陣觀測站精確自定位技術三維無約束平差：

以基線向量為觀測值，對于每一條基線向量，都可以列出如下的一組觀測方程：引入一個基準（已知點位置基準或秩虧自由網(wǎng)基準

），求得各點的三維空間坐標。2.3.4地震臺陣觀測站精確自定位技術三維地震勘探無需測量，儀器完全自定位2.3.4地震臺陣觀測站精確自定位技術1.研究背景2.研究內(nèi)容3.系統(tǒng)測試4.總結與展望匯報提綱3.1實驗室系統(tǒng)指標測試寬頻帶地震數(shù)據(jù)采集技術研究GEIWSR與REF-TEK130性能測試現(xiàn)場兩款地震儀對同源信號采集波形完全吻合3.1實驗室系統(tǒng)指標測試儀器噪聲水平(均方根)：REFTEK130：2.3779e-006VGEIWSR：1.7443e-006V自主研制儀器指標明顯優(yōu)于進口儀器3.1實驗室系統(tǒng)指標測試REF-TEK130幅頻特性曲線自主研制儀器指標明顯優(yōu)于進口儀器GEIWSR幅頻特性曲線實驗測試-儀器采集帶寬測試3.2應用實例-遼寧興城深部探測折射實驗在遼寧葫蘆島-內(nèi)蒙古赤峰200km的測線上布設400臺GEI地震儀3.2應用實例-遼寧興城深部探測折射實驗10Hz檢波器2Hz檢波器垂向2Hz檢波器南北向2Hz檢波器東西向3.3應用實例-遼寧興城深部探測寬頻實驗CMG-3TCDJ-S2C-2Reftek130-01GEIWSRCDJ-S2C-23.3應用實例-遼寧興城深部探測寬頻實驗寬頻帶儀器接收的人