CN101788684B - 陆用压电地震数字检波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陆用压电地震数字检波器，为解决现有地震检波器抗干扰能力差的问题，其由依次相连的压电地震检波器、数字化单元和数据通信单元组成：其中压电地震检波器和数字化单元直接连接并集成为一体，压电地震检波器的压电材料由多层压电器件组成，所述数据通信单元提供与地震仪器主机系统的数据通信功能。所述压电地震检波器芯体包括圆桶型外壳、基座、多层压电器件、质量块体和引出电极；基座配置在外壳底部并与外壳刚性相连，基座上安装有压电材料，压电材料上安装有感知地震波运动的质量块体，引出电极分别安装在压电材料的上下两侧面。其具有体积小、质量轻、灵敏度高、阻抗小、抗干扰能力强的优点。

Description

陆用压电地震数字检波器

技术领域

本发明涉及一种地震检波器，特别是涉及一种陆用压电地震数字检波器。 

技术背景

地震勘探法目前仍然是在陆地和海洋勘探石油和天然气的主要手段，同时也是其他矿产资源的重要勘探方法，并广泛应用于研究地球内部结构、工程勘探和检测、地质灾害预测等等方面。地震勘探中用来直接拾取地震振动，并将振动转换为符合仪器记录系统需要的能量形式的仪器，称为地震检波器。地震检波器按使用环境可以分为陆上检波器、沼泽检波器、海上检波器和井下检波器等；按工作原理可以分为电磁感应式检波器、压电检波器、光纤检波器和MEMS检波器等；按输出信号的物理量可以分为速度检波器、加速度检波器等；按输出信号的类型可以分为模拟检波器和数字检波器。地震检波器的指标决定了地震勘探仪器的主要技术指标。 

目前国内外使用最多的是动圈式地震检波器，这种检波器已经有50年的发展历史，重量从最初的几千克级发展到目前的几十克级，在地震勘探中得到了广泛使用。但由于其固有的机械特征，这种检波器灵敏度低、动态范围小(60dB左右)、频带窄(10～200Hz)、抗干扰能力差、质量和体积都较大，而目前的地震仪器已经达到了120dB的动态范围，所以不能充分发挥地震仪器的作用。 

为了提高检测地震信号的灵敏度和信噪比，一般都要把许多常规检波器(通常是12个至72个左右)检波器串并联在一起组合使用，这不仅给施工增加了劳动强度，降低了生产效率，还降低了勘探分辨率。而且在野外使用中其连接电缆传送的是模拟信号，抗干扰能力差。 

常规地震检波器对弹簧材料的要求很高，制造弹簧的工艺复杂、寿命短，同时弹簧的非线性畸变也是信号失真的主要原因。常规地震检波器里的磁铁在撞击和高温状态下容易退磁，这也是它寿命短和性能不稳定的重要原因。 

压电检波器大量用于水上地震勘探，袁保鼎等人与1993年研制了惯性压电水陆通用检波器：中国专利93232320.0；杜克相等研制了陆用压电陶瓷地震检波器：中国专利00226749.7；西安石油大学刘兆琦教授研制了YD20OO型陆用压电地震加速度检波器：中国专利200420042025.X等。YD20OO型陆用压电地震加速度检波器进行了大量野外试验，取得了非常不错的效果，但存在下列几点有待于改进之处：(1)体积大；(2)重量重；(3)灵敏度低；(4)由于阻抗较高，需要有适配器才能与地震仪器连接，这就需要配置专用电源；(5)在野外使用中其连接电缆传送的是模拟信号，抗干扰能力差。 

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种体积小、质量轻、灵敏度高、阻抗小、抗干扰能力强的陆用压电地震数字检波器。 

为实现上述目的，本发明由依次相连的压电地震检波器、数字化单元和数据通信单元组成：其中压电地震检波器和数字化单元直接连接并集成为一体，压电地震检波器的压电材料由多层压电器件组成，所述数据通信单元提供与地震仪器主机系统的数据通信功能。 

所述多层压电器件是多层组合一体化压电器件，能使压电检波器灵敏度比原来型号有明显提高，并且大大减少了体积和重量，使陆用压电地震数字检波器达到了实用化要求。压电地震检波器和数字化单元直接连接并集成为一体能避免了模拟信号在电缆上的传送，保留了弱信号的有效成分，有利于数字化电路检测弱信号成分，提高了检波器的动态范围，并提高了抗干扰能力。 

作为优化，所述压电地震检波器芯体包括圆桶型外壳、基座、多层压电器件、质量块体和引出电极；基座配置在外壳底部并与外壳刚性相连，基座上安装有压电材料，压电材料上安装有感知地震波运动的质量块体，引出电极分别安装在压电材料的上下两侧面，质量体在地震波振动时产生的惯性振动力作用于压电材料后，压电材料上下两个表面上产生交变的电压。 

作为优化，所述压电地震检波器在整体结构上由包括上盖、引出电缆、数字化单元构成的数字化板、检波器芯体、外壳和尾锥组成；数字化板和检波器芯体由上盖封装在塑料外壳内，检波器芯体引出电极连接到数字化板上，数字化板由引出电缆引出二对电缆，其中一对为数字化板供电，另一对作为数据线，尾锥安装在外壳的下端。数字化板 和检波器芯体由上盖封装在塑料外壳内，检波器芯体引出电极连接到数字化板上：即在陆用压电地震检波器信号接口处直接引入了A/D转换器件(数字化板)进行了数字化改造，成为陆用压电地震数字检波器，这种紧密连接避免了模拟信号在电缆上的传送，保留了弱信号的有效成分，有利于数字化电路检测弱信号成分，提高了检波器的动态范围，并提高了抗干扰能力。 

作为优化，所述数字化单元由多路开关、前置放大器、Δ-∑调制器、数字滤波器和测试信号发生器组成，提供单通道的模拟检波器信号输入，可以程序设置0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益，并实现4、2、1、0.5、或0.25的采样率。 

作为优化，连接检波器的多路开关依次连接前置放大器、Δ-∑调制器、连接通信单元的数字滤波器；数字滤波器再通过测试信号发生器连接多路开关。 

作为优化，所述前置放大器为CS3302A型，所述Δ-∑调制器为CS5373A型，所述数字滤波器为CS5378型，所述测试信号发生器为CS5378型；测试信号发生器集成于Δ-∑调制器CS5373A芯片中。 

作为优化，三个压电地震检波器组合成相互正交的三分量数字检波器，并且配用A/D转换器型数字化单元进行数字化。由于本发明陆用压电地震数字检波器没有方向性和轴向干扰，非常容易组合成相互正交的三分量数字检波器，原理与单分量的原理完全一样，同样可以选标准的A/D转换器件进行数字化。 

作为优化，所述三分量数字检波器配用的A/D转换器型数字化单元包括三路依次相连的多路开关、前置放大器和调制器，调制器进一步连接数字滤波器，数字滤波器通过测试信号发生器连接多路开关；多路开关连接三分量数字检波器，数字滤波器连接通信单元。 

所述前置放大器为CS3302A型，所述Δ-∑调制器为CS5372A和CS5371A型，所述数字滤波器为CS5376A型，所述测试信号发生器为CS4373A型；其中CS5372A型Δ-∑调制器连接两路前置放大器，CS5371A型Δ-∑调制器连接一路前置放大器。 

在地震勘探领域，传统的野外检波器组合技术由于能有效地压制干扰波和提高信噪比而得到广泛的应用，其优点主要有：可以调节组合形式以压制特定波长的波；可防止空间假频；可以衰减随机噪音，N个检波器组合的信噪比提高 

倍。但是，正是由于检波器的组合也带来了高频信号损失、分辨率下降等缺陷：组合表现为一个低通滤波器，高频信号严重损失；组内各检波器之间的静校正问题也影响高频成分；往往难以设计合适的组合形式满足勘探的要求；存在不合适的陷波响应和方位角响应。 

随着对勘探分辨率要求的进一步提高，常规组合技术包括共深度(CDP)叠加已经成 为制约提高分辨率的瓶颈，为实现既提高信噪比，又提高分辨率，只有应用单检波器接收才是下一步提高分辨率的关键技术措施。单检波器接收在所有方位有同样的响应，适用于所有的空间采样间隔甚至是不规则采样间隔，适用于多种波长的波，不会对数据造成任何损害，能快速埋置和收放，工效高。为提高地震勘探技术的分辨率，地震勘探的下一步技术发展是单检波器高密度接收技术，即在野外采用2～10m的小道距进行高密度采集，然后在处理中心进行组合处理，实现高分辨率和高信噪比的地震勘探技术。这相当于把常规地震技术中每道组合中的每个检波器的信号单独记录下来。 

单检波器接收技术对检波器提出了较高要求，要求检波器具有振幅和频率响应好、动态范围宽、体积和重量小、全数字传送等优点。陆用压电地震数字检波器恰好符合这个要求，采集的地震信号因其有效频带宽度的增大进而提高了地震分辨率。并具有下列明显优点：1)更精确地对近表层进行成像、改善静校正质量；2)消除了空间假频噪音、改善了信噪比和横向分辨率；3)空间采样的各向同性基本消除了采集“脚印”的影响；4)大大增强的垂直分辨率改善了对地层的描述精度；5)更宽的频带宽度改善了地震反演的质量，与井资料的对比更加准确；6)有利于提高对岩性的描述精度、大大增加直接找矿能力。 

附图说明

图1：本发明陆用压电地震数字检波器的电路原理框图； 

图2：本发明陆用压电地震数字检波器中压电检波器芯体的结构示意图； 

图3：本发明陆用压电地震数字检波器中压电检波器的结构示意图； 

图4：本发明陆用压电地震数字检波器三分量型的电路原理框图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明的陆用压电地震数字检波器是由改进型陆用压电地震检波器1、高精度的模数转换器型数字化单元2和通讯单元3三部分组成。使得陆用压电地震检波器的特性发生了非常大的变化，体积和重量大大减小，灵敏度有了明显提高，并避免了模拟信号在电缆上的传送，提高了抗干扰能力。使陆用压电地震检波器的动态范围提高到100dB左右，成为单检波器接收技术的最佳检波器之一。大大提高了陆用压电地震检波器的应用范围。数字化单元2由多路开关D1、CS3302A型前置放大器D2、CS5373A 型Δ-∑调制器D3、CS5378型数字滤波器D4和CS5378型测试信号发生器D5组成。前置放大器采用专用于高阻输入水听器由Cirrus Logic公司生产的CS3302A，可以程序设置0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益。通讯单元3提供了与地震仪器主机系统的数据通信功能，具体通信协议与主机相匹配。 

如图2所示，所述陆用压电地震检波器1由外壳R1、基座R2、压电材料R3、质量块体R4和引出电极R5组成，其中外壳R1为圆桶型结构，封闭端上与基座R2刚性相连，基座R2上安装有压电材料R3，压电材料R3采用专门研制的多层组合一体化压电器件，可以明显提高灵敏度，并且大大减少了整体体积和重量；压电材料R3上安装有感知地震波运动的质量块体R4，质量块体R4的大小和质量与检波器的灵敏度等指标密切相关；引出电极R5分别安装在压电材料R3的上下两侧面，质量体R4在地震波振动时产生的惯性振动力作用于压电材料R3后，压电材料上下两个表面上产生交变的电压。 

实际工作过程中，当检波器基座受到外来地震作用时，由质量块体R4产生的惯性力作用于压电材料R3上，致使其两个表面上产生符号相反、数量相等的电荷，即产生了电动势，电动势的大小与惯性力的大小成正比，而质量块体R4产生的惯性力与基座R2振动的加速度成正比，即压电材料R3产生的电动势正比于基座R2振动的加速度，电动势产生后，继而由检波器输出相应电信号，这种电信号反映了地面地震振动的特性。 

Δ-∑调制器采用Cirrus Logic公司的CS5373A，数字滤波器则选用CS5378。CS5373A和CS5378是Cirrus Logic公司专为地球物理勘探而设计的单通道A/D转换套片，二者组合可以实现24位模数转换，并提供4、2、1、0.5、或0.25的采样率。测试信号发生器集成于CS5373A芯片中。 

数字检波器的整体结构见图3，由上盖S1、引出电缆S2、数字化单元组成的数字化板S3、检波器芯体R、外壳S4和尾锥S5组成。数字化板S3和检波器芯体R由上盖S1封装在塑料外壳S4内，并进行固定；检波器芯体R引出电极连接到数字化板S3上；数字化板S3由引出电缆S2引出二对电缆，其中一对负责为数字化板S3供电，另一对作为数据线；尾锥S5安装在外壳S4的下端。 

由于陆用压电地震数字检波器没有方向性和轴向干扰，非常容易组合成相互正交的三分量数字检波器(见图4)，原理与单分量的原理完全一样，同样可以选用Cirrus Logic公司的产品进行数字化。 

如图4所示，本发明还可以是：三个压电地震检波器组合成相互正交的三分量数字检波器1，并且配用A/D转换器型数字化单元2进行数字化。所述三分量数字检波器配用的A/D转换器型数字化单元2包括三路依次相连的多路开关D1、前置放大器D2和调制器D3，调制器D3进一步连接数字滤波器D4，数字滤波器D4通过测试信号发生器D5连接多路开关D1；多路开关D1连接三分量数字检波器1，数字滤波器D4连接通信单元3。 

Claims (5)

1.一种陆用压电地震数字检波器，由依次相连的地震检波器、数字化单元和数据通信单元组成：其中地震检波器和数字化单元直接连接并集成为一体，所述数据通信单元提供与地震仪器主机系统的数据通信功能；其特征在于所述地震检波器为压电地震检波器，所述压电地震检波器的压电材料由多层压电器件组成；

所述压电地震检波器芯体包括圆桶型外壳、基座、多层压电器件、质量块体和引出电极；基座配置在外壳底部并与外壳刚性相连，基座上安装有压电材料，压电材料上安装有感知地震波运动的质量块体，引出电极分别安装在压电材料的上下两侧面；

所述压电地震检波器在整体结构上由包括上盖、引出电缆、数字化单元构成的数字化板、检波器芯体、外壳和尾锥组成；数字化板和检波器芯体由上盖封装在塑料外壳内，检波器芯体引出电极连接到数字化板上，数字化板由引出电缆引出二对电缆，其中一对为数字化板供电，另一对作为数据线，尾锥安装在外壳的下端；

所述数字化单元由多路开关、前置放大器、Δ-∑调制器、数字滤波器和测试信号发生器组成，提供单通道的模拟检波器信号输入，程序设置0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益，并实现4、2、1、0.5、或0.25的采样率；

连接检波器的多路开关依次连接前置放大器、Δ-∑调制器、连接通信单元的数字滤波器；数字滤波器再通过测试信号发生器连接多路开关。

2.根据权利要求1所述陆用压电地震数字检波器，其特征在于所述前置放大器为CS3302A型，所述Δ-∑调制器为CS5373A型，所述数字滤波器为CS5378型；测试信号发生器集成于Δ-∑调制器CS5373A芯片中。

3.根据权利要求1或2所述陆用压电地震数字检波器，其特征在于三个压电地震检波器组合成相互正交的三分量数字检波器，并且配用A/D转换器型数字化单元进行数字化。

4.根据权利要求3所述陆用压电地震数字检波器，其特征在于所述三分量数字检波器配用的A/D转换器型数字化单元包括三路依次相连的多路开关、前置放大器和Δ-∑调制器，调制器进一步连接数字滤波器，数字滤波器通过测试信号发生器连接多路开关；多路开关连接三分量数字检波器，数字滤波器连接通信单元。

5.根据权利要求1所述陆用压电地震数字检波器，其特征在于所述前置放大器为CS3302A型，所述Δ-∑调制器为CS5372A和CS5371A型，所述数字滤波器为CS5376A型，所述测试信号发生器为CS4373A型；其中CS5372A型Δ-∑调制器连接两路前置放大器，CS5371A型Δ-∑调制器连接一路前置放大器。

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