CN1465989A

CN1465989A - 多波多分量地震数据采集系统

Info

Publication number: CN1465989A
Application number: CNA021242755A
Authority: CN
Inventors: 彭苏萍; 王怀秀; 朱国维
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-01-07
Anticipated expiration: 2022-07-15
Also published as: CN1200286C

Abstract

本发明为一种多波多分量地震数据采集系统，整套装置由主机及其控制下的多个从机组成，主机为一内置控制、通讯和处理等软件系统的便携式PC机，从机主要包括数据采集控制电路与模数转换电路，自带或外接电源，其电路板体积小，含三通道，可直接嵌入三分量检波器中形成数字式三分量检波器，亦可作为三道采集站。主机与从机间采用远程分布式控制，各从机间用多芯屏蔽电缆串接，可任意组合而无冗余设备。系统采集信号数字化传输，具强抗干扰能力。整套装置集地球物理、现代电子技术、通讯与信息处理技术等于一体，设备重量轻，功能强，适用面广，可用于大、中、小型多波多分量地震勘探，多波工程勘察，面波勘探等。

Description

多波多分量地震数据采集系统

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，是一种地震勘探的装备，适用于大、中、小型多波多分量地震勘探，多波工程勘察，面波勘探等。

技术背景

地震勘探方法以其有较高的精确度、高的分辨率和大的穿透深度等优越性而成为最重要的地球物理勘探技术之一。随着现代工业的快速发展，能源开采与建筑工程等行业要求对地下地质条件有越来越精细的了解，因此对地震勘探技术手段提出了更高的精度要求，同时要求地震勘探工作要进行多参数采集，以便为工程现场提供更加丰富的技术参数。为使地震勘探更好地适应工程现场的需求，地震数据采集方法从二维发展到三维，又由单分量纵波三维勘探发展到多波多分量三维勘探，试图用地震勘探资料求取丰富的储层参数，其目的即是为工程现场提供全方位优质服务。而要使多波多分量三维勘探达到理想的设计效果，就必须保证其数据采集质量，首先要有精良的勘探装备。

地震勘探装备主要由震源、检波器和地震数据采集系统组成，地震数据采集系统(即地震仪)经历了多代发展历程，近年来，国外推出新一代遥测地震仪，如OPSEIS811-14、I/0 SYSTEM II与SN388等，它们的主要特点为：装备主要由主机、采集站、交叉站、电源站等组成，仪器采样率较低，一般在0.5～4ms之间分四档选取，采集站中使用了24位A/D转换器，取消了一切模拟信号滤波，仅采用固定增益放大器，动态范围可达120～130dB，实用的多道地震仪仍以有线数传为主，传输媒介采用了双绞线或同轴电缆。新型地震数据采集系统在我国还处于开发研究阶段，目前国内还没有比较成熟的新一代遥测地震仪。就国外的新一代地震数据采集系统而言，尽管其具有数字传输、多道数、计算机分布式控制等优点，然而其部分高性能很大程度上是出于商业考虑，不仅耗费大量外汇，且部分性能不适应三维三分量的施工要求，并且新一代遥测地震仪虽然利用分布式控制的采集站缩短了模拟信号的传输距离，但并未能消除模拟信号的传输及模拟通道间的串扰影响，二十世纪末，日本OYO公司曾经提出一体化勘探装备的设想，却未付诸实施。

多波多分量地震勘探是在地质条件复杂地区提高地震勘探精度和解决诸多工程地质问题的有效手段，而现有地震勘探装备应用于多波多分量地震勘探中尚有不足和缺陷，具体表现为：

(1)现有地震勘探装备都具有模拟信号的传输，新型遥测地震仪虽然使用采集站缩短了模拟信号的传输距离，但仍有和集中式地震仪相当的几～几十米模拟小线，道间串扰、环境噪声与工频干扰等仍然存在，严重影响了采集信号的信噪比。同时多个模拟通道并存，线路繁多，施工设备笨重，现场工作劳动强度大，工作效率低。

(2)已有新型地震勘探仪器仅追求模拟信号与数字信号转换部分的高动态范围，却忽视了前端检波器的失真度不超过0.1％(现有超级检波器的指标)，相对动态范围小于60db，检测信号在模拟线路中再受各种干扰因素的影响，动态指标进一步下降，因此，主机部分的高指标只是商业性指标。

(3)已有地震勘探装备多根据一定的勘探方法和勘探范围设计的，大、中、小型勘探装备间互换性差，一种设备仅能适用一定场合与一定勘探方法的地震数据采集。

(4)国内外所有地震数据采集装备都只适用于单分量地震勘探，用于多波多分量地震勘探时则在不同程度上造成人力或财力的浪费。

发明内容

为适应多波多分量地震勘探的发展要求，本发明针对现有地震勘探装备的不足，研制出一套新型多波多分量地震数据采集系统，系统主要由主机及其控制下的多个(单个串口管理1～128个)从机组成，主机为一内置控制、通讯和处理等软件系统的便携式PC机，从机主要包括数据转换及其控制电路，主机通过RS232-RS485接口转换器与从机的RS485接口相连，从机数据转换与控制电路板体积小，含三通道，可直接嵌入三分量检波器体内，形成数字式三分量检波器，也可独立成为具三通道的地震数据采集从站。多波多分量地震数据采集系统主要特点如下：

(1)系统由便携式主机和多个从机组成，采用远程分布式控制。

(2)采用三分量地震检波器作为地震信号采集的机电转换装置，使三分量检波器与从机(数据采集的控制和转换部分)及电源融为一体，从机采用抗干扰、低功耗等电路设计技术，简化了设备体系，实现了数据采集一体化、控制智能化。

(3)地震信号采集的模数转换在前端检波器处实现，采集信号原位数字化，根除了模拟信号的传输，抗干扰能力强。

(4)数据采集系统采样率高、动态范围大，适用于大、中、小型地震数据采集。

(5)利用高档便携PC机作为控制主机，对整个系统进行可编程控制，系统功能得到了增强；操作方便，自动化程度高。

(6)整套装备能任意组合，主机带动少至一个从机，多至数百个从机，从机数量仅受数据传输速率与主机串口配置情况的限制。

(7)适用于多种勘探方法，可进行纵波勘探，横波勘探，纵横波联合勘探，亦可进行面波勘探。

附图说明

图1为多波多分量地震数据采集系统的主结构体系，由主机及其控制下的多个从机组成数据采集系统，每个从机具三通道。

图2示意出主机与从机及从机间五芯连线的结构功能，其中2、3为数据线，4为启动线正极，1为从机使用外部电源时的电源正极，5为共用地线。

图3为主机数据采集与处理主流程框图，开机后，启动“多波多分量地震数据采集软件1.0”，首先对要使用的串口进行初始化，然后向从机发送握手与置参命令，此时，操作员可利用“背检”功能观察背景噪声状况，并尽量消除噪声源，其噪声背景亦可作为后期处理时剔噪的参考。之后，激发震源，触发各从机同时进行采样，并回送采集数据，主机显示采集数据并可在增强区内多次增强，增强后的数据以自定义格式被记录下来，记录数据文件在“多波多分量地震数据处理工作站”上进行格式转换及各种处理与解释。

图4从机电路原理框图。

图5给出从机工作的主流程，图6为从机数据采集流程，现场工作时，打开从机，从机即进入初始化状态，系统循环检测有无主机发布的命令，若有即进行命令解释，若无则在开机60秒后进入空闲方式。一旦从机和主机握手成功后，从机即按接收到的采集参数对采集系统进行参数设置，然后进入采样等待，当检测到同步触发信号时，即启动定时器记数与A/D转换，直至采集结束。

图7为多波多分量地震数据采集系统现场安装与操作的主要流程图。

图8从机微控制电路(MCU)图

图9从机数据转换电路(ADC)图。

具体实施方式

本发明是这样实现的：根据多波多分量地震勘探的特点及要求，首先以智能化、一体化的设计思路来完善系统装备电气部分的组成结构，即把地震信号的采集控制和模数转换放到系统的最前端，和三分量检波器融为一体，形成真正意义上的数字式检波器。多波多分量地震数据采集系统主要由主机和多个从机组成，主机内置控制、通讯和处理等软件系统，并通过串口和从机相连，实现主从分布式控制(如图1)，从机主要包括地震数据模数转换电路和采集控制电路，辅以电源电路、启动电路与通讯接口，主机与从机以及从机与从机间仅以一五芯屏蔽电缆线连接(见图2)，从机数量可根据实际工作需要任意增减，现场组合方便且无冗余设备。

表1列出本发明(多波多分量地震数据采集系统)和几种具代表性的已有装备间主要技术指标的比较，可见本发明的主体设备仅由便携式主机和数字式三分量检波器组成，用于多波多分量地震勘探时，设备体系大大简化。

表1.几种已有勘探系统(用于多波勘探时)与本设计系统的比较

多波多分量地震数据采集系统的软硬件组成及特点如下：

1.主机(1)主机硬件要求

多波多分量地震数据采集系统的主机由高档便携式PC机构成，其硬件指标为：PIII800MHz以上处理器，64M以上RAM，10G以上硬盘容量，安装有WIN95及以上的操作系统，且配备有RS232串口。主机通过RS232串口与RS232-RS485接口转换器连接，接口转换器与从机的RS485接口相连，主从机根据分配的地址进行定向对话，从机按主机发布的命令参数采集并回送数据，实现远程分布式数据采集与控制。(2)数据采集的控制及通讯

主机通讯与控制由主机上的RS232串口通过RS232-RS485接口转换器与从机上的RS485串口相连，主机首先对串口进行初始化，然后向从机发送：握手、置参、采样(背检)与传输等命令，从机接收各项指令后向主机回送正确应答的相关信息，并按主机设置的参数同时进行数据采集，采集的数据从串口依次传回至主机，主机在主界面视窗中显示各通道波形曲线图，并可按自定义格式把采集数据存储起来。

主机数据采集的控制由配套开发的“多波多分量地震数据采集软件1.0”完成，该软件系统主要功能是通过主机的串行口控制多个从机，向从机发布命令，接收从机返回的信息或采集的数据，显示从机采集数据的波形图，并把采集的数据以一定格式存储起来。软件主界面由一个主视窗(显示器设置为800×600或1024×768象素)和上下两排控键组成，主视窗显示多道波形，窗口可水平和垂直滚动。上排控键包括：采集地点、测线编号、采样间隔、高低截频、通讯串口、从机地址、采样点数、采样延时、工作分量和显示方式。下排控键有：显示坐标、确认、握手、置参、背检、采样、传输、增强、记录。(3)数据处理

多波多分量地震勘探和常规地震勘探的不同之处在于其接收的信号即包括纵波，还包括横波与转换波，用于面波勘探时，有效信号又是面波，因此常规地震数据处理工作站不能满足多种地震波精细处理的要求，必须开发相应的数据处理软件，本发明配套开发的“多波多分量地震数据处理工作站”主要包括：显示与转换模块、预处理模块、数字处理模块、多波解析模块与可视化模块，系统采集数据以自定义格式存储，并可进行格式转换，使其也能在其他工作站上进行处理与解释，数据处理着重于多波多分量勘探的解析处理，同时兼容各种常规数字处理方法，并且利用小波与神经网络分析等方法，提高系统的数据处理能力，处理的成果数据立体可视化。工作站主要功能包括：①格式转换

多波多分量地震数据采集软件记录下来的数据以自定义格式存储，自定义格式为“文件头+道参+道数据”，其中文件头长128个字节，道参长20个字节，道数据为采样点数(整型数)。字节。软件可将记录文件转换成地震数据通用的SEG格式，亦可将其他记录格式已知的地震记录转换成本系统自定义格式，在此多波多分量地震数据处理工作站上进行处理与解释。②预处理

预处理主要包括：道运算、抽道集、振幅平衡、动校正等。③常规数字信号处理

常规数字信号处理包括：滤波、谱分析、微积分、偏移、叠加等。④特殊处理

特殊处理为：小波分析和神经网络分析。⑤工程勘察

多波多分量工程勘察利用多波勘探的丰富数据信息，解析、计算得出工程设计所需各种动态力学参数，如目标介质体的容重、泊松比、体变模量、剪切模量等。⑥可视化

对二维、三维多波勘探数据处理后，成果数据形成二维、三维体数据。(4)主要参数指标

从机数：单个串口管理1～128个

通道数：384道(单个串口)，数个组合可形成数千道

数据传输速率(KBPS)： 19.2 9.6 4.8 2.4

最大传输距离(KM)： 1.2 1.8 2.4 3.0

重量：主机：3Kg，从机间连线：0.3Kg。2.从机

多波多分量地震数据采集系统作为在野外工作的仪器，除要求系统具有拾取高保真、高信噪比和高分辨率地震信号的能力，还应使整个系统微型、低功耗，其主要设计原则为：极大限度地简化常规地震数据采集中所有的模拟和数字电路，把原来由硬件电路实现的地震信号处理功能，交给主机数据处理软件系统来实现，采集时采用宽频、广信息接收，这样，即可以减小硬件电路结构体积，又能避免因模拟器件的阀门效应而造成有效信号的不可挽回性丢失。

从机硬件电路原理框图如图4，主要包括：

(1)采集控制电路

从机数据采集控制电路主要由微处理器(MCU)形成，MCU接收到主机发送的命令后，对系统进行初始化，并控制AD转换电路按接收到的参数进行数据采集，采集来的数据先存入RAM中，然后按主机发来的取数命令将RAM中的数据通过串行接口传送到主机。

(2)模数转换电路

从机数据采集模数转换电路是由通道前端电路、多级程控放大器、多路开关和模数转换器(A/D)等组成，采集的三通道模拟信号由通道前端输入，经一级程控放大器后进入多路开关，然后再进入二级程控放大器，之后由AD转换器将采集数据进行模数转换，转换后的数字信号由控制电路控制读取并在RAM中存储。

(3)其他

从机硬件还包括：触发启动电路、电源电路以及通讯串口等，从机电源可由内部或外部电源供电，内部电源由两节2Ah的镍氢电池和一个电源转换模块组成，可保证从机连续工作8小时以上。外部电源为直流5V输入，野外工作时可由一台电源带动数个从机。

(4)主要参数指标

通道：3

增益：0～72db

精度：16位或24位

采样间隔：0.02～20ms人工设置

采样点数：512，1024，2048

程控滤波：数字输入

电源电压：5v

单机功耗：0.6W

尺寸： Φ100×70mm³

重量：＜2Kg3.相关辅助装备

与多波多分量地震数据采集系统相关的设备有震源和检波器芯体，

(1)震源

多波多分量地震数据采集系统针对不同的工作方法，对震源的要求是能激发出相当能量的所要采集的地震波，现场应根据勘探任务和工作条件进行震源试验，通过试验选择相对合适的震源。

(2)检波器芯体

根据三分量检波器检测信号的特性，结合对各种芯体性能参数的试验了解情况，同时考虑到多波多分量勘探的应用范围，其各分量性能参数指标可选范围见表2：

表2 三分量检波器芯体的技术指标分布范围

名称	X分量	Y分量	Z分量
名称	X分量	Y分量	Z分量	自然频率(Hz)	8～14±2.5％	8～14±2.5％	40～60±2.5％
线圈电阻(Ω)	300～750±2.5％	300～750±2.5％	500～800±2.5％	自然频率(Hz)	8～14±2.5％	8～14±2.5％	40～60±2.5％
线圈电阻(Ω)	300～750±2.5％	300～750±2.5％	500～800±2.5％	开路阻尼	0.25～0.30	0.25～0.30	0.25～0.35
并阻阻尼	0.6～0.7±2.5％	0.6～0.7±2.5％	0.65～0.75±2.5％	开路阻尼	0.25～0.30	0.25～0.30	0.25～0.35
并阻阻尼	0.6～0.7±2.5％	0.6～0.7±2.5％	0.65～0.75±2.5％	灵敏度(V/cm/s)	0.25～0.28±2.5％	0.25～0.28±2.5％	0.27～0.29±2.5％
失真(％)	＜0.1	＜0.1	＜0.05～0.1	灵敏度(V/cm/s)	0.25～0.28±2.5％	0.25～0.28±2.5％	0.27～0.29±2.5％
失真(％)	＜0.1	＜0.1	＜0.05～0.1	假频(Hz)	200～250	200～250	350～500
惯性体质量(g)	10～12	10～12	10～15	假频(Hz)	200～250	200～250	350～500
惯性体质量(g)	10～12	10～12	10～15	绝缘电阻(Ω)	＞数十兆欧姆

多波多分量地震数据采集系统的现场工作流程是：测试前，根据地震勘探任务和勘探地质条件选择现场工作方法，设计布置测线与测点，现场测试时，先安装从机，设置震源，并使它们与主机连通，然后激发震源，启动从机采集数据，从机将采集数据回送主机，主机接收并记录数据。

Claims

1.一种多波多分量地震数据采集系统，整套装置由主机及其控制下的多个从机组成，主机为一内置控制、通讯和处理等软件系统的便携式PC机，从机主要包括数据转换及其控制电路，主机通过RS232-RS485接口转换器与从机的RS485接口相连，从机数据转换与控制电路板体积小，含三通道，可直接嵌入三分量检波器体内，形成数字式三分量检波器，也可独立成为具三通道的采集从站。整个系统采用分布式控制，采集信号数字化传输，具极强的抗干扰能力，从机与主机智能对话，并具自适应功能，可用于大、中、小型多波多分量地震勘探的野外数据采集，多波工程勘察，面波勘探等。

2.根据权利要求1所述的多波多分量地震数据采集系统，其特征在于：主机由便携式PC机构成，其硬件指标为：PIII800MHz以上处理器，64M以上RAM，10G以上硬盘容量，安装有WIN95及以上的操作系统，且配备有RS232串口。主机通过RS232接口与RS232-RS485接口转换器连接，接口转换器与从机的RS485接口相连，主从机根据分配的地址进行定向对话，从机按主机发布的命令参数采集并回送数据，实现远程分布式数据采集与控制，。

3.根据权利要求1所述的多波多分量地震数据采集系统，其特征在于：所述的从机由数据采集模数转换电路和数据采集控制电路组成，数据采集模数转换电路是由通道前端电路、多级程控放大器、多路开关和模数转换器(AD)、锁存器等组成，采集的三通道模拟信号由通道前端输入，经一级程控放大器后进入多路开关，然后再进入二级程控放大器，之后由AD转换器进行模数转换，转换后的数字信号由控制电路控制读取并在RAM中存储；数据采集控制电路是由微处理器(MCU)、随机存储器(RAM)、电源电路、启动电路和通讯接口等组成，MCU接收到主机发送的命令后，对系统进行初始化，并控制AD转换电路按接收到的参数进行数据采集，采集来的数据先存入RAM中，然后按主机发来的取数命令将RAM中的数据通过串行接口传送到主机。

4.根据权利要求1所述的多波多分量地震数据采集系统，其特征在于：所述的从机数据采集电路可由内部或外部电源供电，内部电源由两节2Ah的镍氢电池和一个电源转换模块组成，可保证从机连续工作8小时以上。外部电源为直流5V输入，野外工作时可由一台电源带动数个从机。

5.根据权利要求1所述的多波多分量地震数据采集系统，其特征在于：所述的主机通讯与控制系统由主机上的RS232串口和RS232-RS485接口转换器与从机上的RS485串口相连，主机首先对串口进行初始化，然后向从机发送：握手、置参、采样(背检)与传输命令，从机接收各项指令，并按主机设置的参数进行数据采集，采集的数据从串口依次传回至主机，主机在主界面视窗中显示各通道波形曲线图，并可按自定义格式把采集数据存储起来。

6.根据权利要求1所述的多波多分量地震数据采集系统，其特征在于：所述的主机数据处理工作站主要包括：显示模块、预处理模块、数字处理模块与可视化模块，系统采集数据以自定义格式存储，并可进行格式转换，使其能在其他工作站上进行处理与解释，数据处理着重于多波多分量勘探的解析处理，同时兼容各种常规数字处理方法，并且利用小波与神经网络分析方法，提高系统的数据处理能力，处理的成果数据立体可视化。

7.根据权利要求1所述的多波多分量地震数据采集系统，其特征在于：系统指标参数为：通道数：每个从机3道，单个串口可管理1～128个从机，多台主机组合可形成通道总数达数千道的大型地震数据采集系统；最大采样率：200KHz；采样间隔：三通道同时采集时，最小为20us；前置增益：0～72db，十一挡可选；AD精度：16～24位；数据传输波特率：2.4～19.2KBPS，对应传输距离3.0KM～1.2KM。与系统相关的勘探装备包括震源和检波传感器，震源要求能激发出对应勘探方法所要接收的地震波，检波器要对所接收的地震波有很好地响应，针对不同的勘探方法和不同的接收分量可选择配备相应震源与检波器。