NO834196L - System for seismiske undersoekelser og analog/digitalomformer for seismiske-signaler - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår et system for omdanning av analoge signaler generert under seismiske undersøkelser etter verdifulle mineraler til digitalt format for dataprosessering.

I mange år har det vært vanlig å lete etter olje,

gass og andre verdifulle mineraler ved bruk av seismiske teknikker som innebærer utsendelse av en bølge i grunnen ved f.eks. å detonere et "skudd" av dynamitt på jordover-flaten eller ved ganske enkelt å sende en mekanisk vibrasjon inn i grunnen. Bølgene forplanter seg inn i grunnen og reflekteres fra grenseflater som adskiller forskjellige berglag fra hverandre i jordens undergrunnsformasjoner. Detektorer plassert i noen avstand fra det punkt hvor den seismiske energi blir sendt inn i grunnen, avgir analoge signaler etter mottagning av de reflekterte bølger. Ved å måle den tid som signalet tar for å gjennomløpe flere baner til flere detektorer, kan man trekke konklusjoner vedrørende formen av grenseflatene. Ut fra en analyse av disse grenseflater kan man identifisere sannsynlige beliggenheter av reservoarer av olje, gass og andre verdifulle mineraler.

Et konstant problem ved nøyaktig måling av den tid

som bølgene tar i sitt gjennomløp, er registreringen av signalene med et tilstrekkelig godt signal/støy-forhold til å gjøre det mulig å skjelne de mottatte signaler på

en pålitelig måte fra støy spm forekommer i grunnen og støy som genereres ved selve undersøkelsesprosessen. Spesielt ved marine seismiske undersøkelser blir akustiske mikrofoner kjent som "hydrofoner" slept etter et seismisk undersøkelses-fartøy. Fartøyet har en anordning til å sende ut en akustisk bølge i sjøen, hvilken bølge forplanter seg gjennom sjøen og inn i sjøbunnen. Bølgen blir reflektert fra grenseflater mellom berglag som danner sjøbunnen og returnerer til detek-torene som slepes bak undersøkelsesfartøyet. Bevegelsen av "lytte"-kabelen og hydrofonene tilføyer i vesentlig grad støy til signalet. Signalforringelse opptrer også

under overføring av signalene fra hydrofonene langs lytte-kabelen til undersøkelsesfartøyet, med sikte på registrering. Signalene blir typisk omdannet til digitalt format for registrering. Enhver forstyrrelse eller forvrengning av

den analoge signalvei eller unøyaktighet ved digitaliseringen kan anses som "støy". Det ville åpenbart være ønskelig å forbedre signal/støy-forholdet ved slike marine seismiske undersøkelser, med alle mulige midler, for å muliggjøre bedre identifikasjon av geologisk signifikante trekk eller hendelser i den seismiske registrering.

De for tiden tilgjengelige analog/digital-omformere

er ikke så avanserte som de anvendte dataprosesserings-metoder, slik at det ville være en avgjort fordel å oppnå

mer forbedrede analog/digital-omformere. Nåværende seismiske dataprosessering eller -behandling er i stand til å foreta meningsfylt analyse av signaler med opptil omkring 120

dB nivådifferanse. Foreliggende oppfinnelse søker å oppnå nærmere en slik følsomhet ved kodning av analoge signaler. Spesielt søker oppfinnelsen å tilveiebringe en mer nøyaktig digitalisering av analoge inngangssignaler, slik at "kvanti-fiser ingsstøy" reduseres mens analoge kretskomponenter som produserer forvrengning, elimineres fra signalveien.

En populær innretning som nå er i bruk ved analog/digital-omvandling i seismiske anvendelser, er en forsterkningsområde-forsterker (gain-ranging amplifier). Denne har et stort dynamisk område, det vil si følsomhet for et stort område av inngangssignal-amplityder, men dårlig oppløsning, det vil si ufølsomhet for små signaler som er overlagret på større signaler. Den dårlige oppløsning skyldes delvis alvorlig ikke-linneær forvrengning i forsterkningsområde-forsterkeren.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebragt et seismisk undersøkelsessystem omfattende en anordning til å sende seismisk energi inn i grunnen, en anordning for å detektere tilbakevendende seismisk energi etter refleksjon i grunnen, hvilken deteksjonsanordning omfatter en innretning for å avgi et analogt elektronisk signal, og en analog/digital-omformer for å omvandle det analoge signal til et digital-signal for bekvem signaloverføring og -lagring. Analog/digital-omf ormeren omfatter en anordning for å generere en forutsagt analog signalverdi, en anordning for å sammenligne den forutsagte verdi med et øyeblikkelig virkelig analogt inngangssignal, en anordning for å avgi en enkelt digital bits som indikerer om den forutsagte analoge verdi er større eller mindre enn den øyeblikkelige virkelige verdi, og en anordning for å oppdatere den forutsagte verdi basert på de digitale bits.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer også en analog/ digital-omformer for å omvandle analoge seismiske inngangssignaler til en digital representasjon av disse, omfattende en anordning til å generere et forutsagt analogt signal,

en anordning for å sammenligne det forutsagte analoge signal med det virkelige analoge seismiske signal, en analog/digital-omf ormer for å avgi en rekke enkeltbits, hvor hver bit indikerer om de forutsagte analoge signal på et gitt tidspunkt er større eller mindre enn de øyeblikkelige virkelige analoge signal, og en anordning for å oppdatere den forutsagte analoge signalverdi basert på hver av de digitale bits.

Analog/digital-omformeren ifølge oppfinnelsen anvender deltamodulasjon- eller delta/sigma-modulasjonsteknikker med et eller flere integrasjonstrinn. Flere integrasjonstrinn kan tilføyes for å forbedre oppløsningen og det dynamiske området samtidig.

Oppfinnelsen skal nå beskrives mer detaljert i form

av et eksempel under henvisning til tegningene, hvor:

Figur 1 viser et seismisk undersøkelsessystem hvor det

inngår en analog/digital-omformer ifølge oppfinnelsen, figur 2 viser en grunnleggende delta/sigma-modulatorkrets

for analog/digital-omhandling.

figur 3 viser en delta-modulasjonskrets med dobbelt integrasjon for analog/digital-omvandling og

figurene 4A og 4B viser henholdsvis ekspenderte og kompakte delta/sigma-modulasjonskretser med dobbelt integrasjon for analog/digital-omvandling.

Figur 1 viser et seismisk undersøkelsessystem ifølge oppfinnelsen for bruk til sjøs. Et undersøkelsesfartøy 10 sleper en lyttekabel 12 omfattende et flertall hydrofoner

14. En seismisk energikilde 16 på fartøyet, f.eks. en trykkluftkanon, sender seismisk energi ned gjennom forskjellige bølgebaner eller -veier 18, for å bli reflektert ved sjøbunnen 20 eller fra en grenseflate 22 mellom forskjellige berglag under bunnen, med påfølgnede forplantning oppad langs forskjellige bølgeveier 24 for å bli mottatt av hydrofonene 14. De analoge signaler som blir mottatt av hydrofonene 14 blir omdannet til digitale signaler i en analog/digital- omformer 26 forut for registrering i en registreringsinn-retning 28. Det finnes ingen tidligere kjent anordning som er ideell for analog/digital-omvandling med tilstrekkelig dynamisk område og oppløsning, for seismiske undersøkelses-formål. Foreliggende oppfinnelse tar sikte på og angir en bedre løsning på dette problem.

Oppfinnelsen anvender delta-modulasjonsteknikker innbe-fattet delta/sigma-modulasjon, for å oppnå nøyaktig kodning av de seismiske datasignaler. Deltamodulasjon er i og for seg en velkjent teknikk som generelt kan forklares som avgivelse av en enkelt bit som representerer retningen av endring i et analogt signal etter hver sampling av signalet. Se generelt Baldwin et al, "Linear Delta Modulator Integrated Circuit with 17-Mbit/sec Sampling Rate", IEEE Trans, on

Comm., Vol. Com-22, No. 7, pp. 977-985 (1974). F.eks.

så lenge det analoge signal fortsetter å øke blir det således avgitt en rekke digitale "enere". Hvis signalet avtar blir det avgitt "nuller". En slik metode kan gi nøyaktige kodningsresultater hvis samplingstakten er tilstrekkelig høy sammenlignet med båndbredden av inngangssignalet.

Ved seismiske anvendelser er det imidlertid ønskelig å

oppnå individuelle digitale ord som representerer den øyeblikkelige amplityde av det analoge signal, og følgelig ville en strøm av enere og nuller i seg selv ikke være brukbar. På grunn av den iboende enkelhet i delta-modula-sjonsteknikken blir imidlertid denne svært ønskelig anvendt i det seismiske system. Figur 2 viser hvordan dette kan bli oppnådd.

Blokkskjemaet på figur 2 viser mange elementer som

ikke alle er nødvendige i strømkretser som skal funksjonere. Følgelig skal kretsen først beskrives ved en første forholdsvis enkel operasjonsmodus. Ytterligere beskrivelse vil forklare de øvrige elementer som er vist, med sikte på

en mer sofistikert kretsoperasjon.

I det enkleste tilfellet blir således et inngangssignal

X levert til en sammenligningskrets 40. Det blir sammenlignet med et analogt estimatsignal og resultatet er et feilsignal e. Dette omdannes av en analog/digital-omformer 42 til en rekke enkeltbits, som hver representerer fortegnet av e. Omformeren 42 kan derfor være en enkel komparator som avgir 1 1 avhengig av om estimatsignalet er større eller mindre enn det virkelige inngangssignal på sammenlig-ningstidspunktet. Denne rekke av verdier eller signaler + 1 og - 1 blir utgangssignaler fra systemet. Denne utgang kan dekodes ved en invers operasjon hvis det er ønskelig å regenerere de analoge signaler, f.eks. for seismisk analyse. Eventuelt kan utgangen avgi digitale ord som representerer den momentane amplityde av signalet, ved hjelp av et lavpassfilter og en subsamplingsenhet 44 om dette foretrekkes.

Dette er forklart nærmere nedenfor.

Rekken av verdier t 1 blir også avgitt til en én-bits digital/analog-omformer 46, hvis operasjon er synkronisert med operasjon av analog/digital-omformeren 42 ved hjelp av en klokke 48. Digital/analog-omformeren 46 avgir en spenning t V basert på de digitale i 1 som leveres til denne fra analog/digital-omformeren 42. Spenningene t V

blir summert i et integrasjonstrinn 50 som kan omfatte en enkelt kondensator, og som på sin side avgir det analoge estimat til sammenligningskretsen 40 for sammenligning med de suksessive inngangssignaler. På denne måte blir det forutsagte signal kontinuerlig oppdatert for å tilpasses det virkelige inngangssignal som hele tiden leveres med spenningene t V fra digital/analog-omformeren 46.

I henhold til denne delta-modulasjonssløyfe blir derfor en sammenhengende rekke av verdier 1 1 avgitt, hvilket indikerer retningen av signalets endring. Disse styrer på sin side addisjonen eller subtraksjonen av ytterligere enhets-størrelser til det analoge estimat-signal, som sammen-lignes med inngangssignalet i suksessive klokkesyklus-tidspunkter. Hvis følgelig den samplingstakt som styres av klokken 48, ganger den enhetsspenning 1 V som leveres av digital/analog-omformeren 46 for å oppdatere den esti-merte verdi, er i det minste lik den maksimale endrings-hastighet for inngangssignalet, vil delta-modulatorkretsen følge inngangssignalet med rimelig nøyaktighet.

I det typiske tilfellet blir utgangen av kretsen ført til en integrator 60 og en lavpassfilter- og subsamplingsenhet 44. Disse enheter er velkjente innen denne teknikk,

se f.eks. Rabiner og Gold "Theory and Application of Digital Signal Precessing," Prentice Hall (1975). Integratoren

60 summerer et flertall av de avgitte verdier ± 1. Med intervaller bestemt av den ønskede samplingstakt for utgangen, f.eks. Nyquist-frekvensen, blir utgangen av lavpassfilteret 44 subsamplet, det vil si et digitalt ord som representerer "løpende total" av de 1 1 som er mottatt etter at de siste subsampel ble tatt, avgis f.eks. til en anordning for registrering av de digitaliserte analoge signalsampler. I

en foretrukket utførelse av oppfinnelsen som ble simulert med datamaskin, hadde de seismiske signaler av interesse en maksimal frekvens på 125 Hz slik at Nyquist-frekvensen var 250 Hz. Klokken 48 arbeidet med en takt på 60 kHz,

og signal/støy-forholdet for de kodede signaler var av størrelsesorden 50 dB. Høyere klokketakter ville resultere i bedre ytelse.

Som omtalt ovenfor innebærer kretsen ifølge oppfinnelsen bruk av modifikasjoner i den ovenfor beskrevne delta-modulatorkrets, inkludert den versjon som er kjent som en delta/sigma-modulator. I henhold til denne modifikasjon blir det tilføyet et ytterligere integratortrinn 54 foran summeringskretsen. Dette sammen med en amplitudebegrenser eller -klippekrets

56, tjener til å begrense helningen av inngangssignalet,

slik at man unngår ethvert overløp som følge av at endringshastigheten for inngangssignalet overskrider klokketakten ganger den utgangsspenningsenhet som leveres av digital/ analog-omformeren 46. Denne forholdsregel kan resultere i et forbedret signal/støy-forhold. For å sikre at utgangssignalet ikke blir forvrengt eller forstyrret ved tilføyelsen av integratortrinnet 54, blir så et differensieringstrinn 58 innsatt på utgangssiden. Da imidlertid en integrator 60 allerede er tilstede i utgangstrinnet, enten separat som vist eller som del av lavpassfilteret for å avstedkomme en "hukommelses"-karakteristikk for lavpassfilteret, vil denne integrator 60 og differensieringstrinnet 58 ganske enkelt oppheve hverandre, og begge kan ganske enkelt elimineres slik at bare lavpassfilteret- og subsamplingsenheten 44 står tilbake. Alt som er nødvendig å tilføye til den grunnleggende delta-modulator for å avstedkomme den beskrevne "sigma"-virkning, er således det annet integrasjonstrinn

54 i inngangssignalet inn.

Det er mulig å foreta ytterligere forbedringer i både delta-modulatorer og delta/sigma-modulatorer ved f.eks.

å tilføye ytterligere integrasjonstrinn i sløyfen. Disse tjener i det vesentlige til å glatte den summering som gir den forutsagte verdi og gir en filtreringsvirkning på inngangssignalet. I denne forbindelse er det viktig å legge merke til at denne oppfinnelse angår en analog/digital-omformer til bruk ved seismiske signaler med en båndbredde på bare 0-125 Hz. Til sammenligning er klokketakten i det omtalte simuleringseksempel 60 kHz eller mer, slik at kretsene er i stand til å behandle en god del mer data enn det som ville være nødvendig for å generere en rekke digitale ord, ved f.eks. å anvende en analog/digital-omformer på en enkelt brikke. I henhold til Nyquist-formelen kreves det bare 250 ord pr. sekund for å representere signalet nøyaktig. Det er derfor fullt mulig å foreta en god del ytterligere signalbehandling som vist, for å sikre at de forholdsvis få digitale ord som blir avgitt fra subsampleren 44 er så nøyaktig representative for inngangssignalet som mulig.

Figur 3 viser et slikt eksempel på en delta-modulasjonskrets med dobbelt integrasjon. Elementene i den grunnleggende delta-modulatorsløyfe, - differanse- eller sammenligningskretsen 40, analog/digital-omformeren 42, klokken 48, digital/ analog-omformeren 46 og integratoren 50, er de samme som i utførelsen basert på delta-modulator som forklart i forbindelse med figur 2. Et annet integrasjonstrinn 62 er nå tilføyet. Bruk av de dobbelte integrasjonstrinn mulig-gjør meget bedre nøyaktighet i det forutsagte signal som leveres fra integratoren 62 til sammenligningskretsen 40. Dette resulterer i et mindre feilsignal og reduserer således ytterligere støyen som følge av at det er sørget for en mer nøyaktig feilsampling og kvantifisering. Det kan imidlertid vises at en slik krets uten mer prediktive trekk (predictor features) vil være ustabil på grunn av den forbedrede respons av det dobbelte integratorsystem vil avstedkomme overskytning av det forutsagte signal. Følgelig blir et "lede"-element 64 innsatt og utgangssignalet fra ledeelementet 64 blir kombinert med det signal som avgis fra det annet integrasjonstrinn 62 i en annen summerings-krets 66. Ledeelementet multipliserer utgangen fra det første integrasjonstrinn 50 med en innstilt faktor som kan bestemmes eksperimentelt eller ved simulering slik at man får en kunstig økning av det forutsagte sampel sammenlignet med det virkelige inngangssignal i sammenligningskretsen 40. I en simulert undersøkelse av denne krets ble den faktor som utgangssignalet fra integratoren 50

ble multiplisert med i ledeelementet 64, satt til 2. På denne måte blir det oppnådd en "ledende" egenskap slik at det forutsagte signal Y er lik inngangssignalet før utgangen av integratoren 50 er lik inngangssignalet, for derved å avstedkomme en dempningseffekt i den dobbelte integrasjonssløyfe. Et annet integrasjonstrinn er også innsatt på utgangssiden ved 60, mens det er ønskelig å

bruke klippekretsen 56, slik som omtalt ovenfor i tilknytning til figur 2.

Figur 4 viser to versjoner av en delta/sigma-modulasjonskrets med dobbelt integrasjon. Figur 4A viser en delta/sigma-modulator som er betegnet slik på grunn av at dobbelte integratorer er innsatt ved 68 på inngangssiden av sammenligningskretsen 40. Dobbelte differensierings-enheter er innsatt på utgangssiden ved 70, som kombinert med de dobbelte integratorer 60 gir en null operasjon,

slik at disse kan fjernes. Den stabilisering som besørges av ledeelementet 64 og summeringskretsen 66 som omtalt ovenfor i forbindelse med figur 3, er for tydelighets skyld ikke vist, men vil også være nødvendig. Det er også funnet at de fire integrasjonstrinn 68 og 60, 52 på figur 4A kan kombineres i et enkelt dobbelt integrasjonstrinn 72 for å gi den krets som er vist på figur 4B, som er en meget kompakt delta/sigma-modulatorkrets med dobbelt integrasjon.

Kretsen på figur 3 er simulert ved datamaskintest

og resultatene indikerer at signal/støy-forhold på over 100 dB skulle være mulig med kretser av den beskrevne art, som anvender samplingstakter på 60 kHz eller mer, for å kvantisere seismiske signalbånd begrenset til 0-125 Hz.

En slik ytelse eller virkemåte ville være meget nyttig

ved seismiske undersøkelser.

Claims (16)

1. Seismisk undersøkelsessystem omfattende en anordning til å sende seismisk energi inn i grunnen, en anordning for å detektere tilbakevendende seismisk energi etter refleksjon i grunnen, hvilken deteksjonsanordning omfatter en innretning til å avgi et analogt elektronisk signal, og en analog/digital-omformer for å omdanne det analoge signal til et digitalt signal for bekvem signaltransmisjon og -lagring, karakterisert ved at analog/digital-omformeren omfatter en anordning for å generere en forutsagt analog signalverdi, en anordning for å sammenligne den forutsagte verdi med et øyeblikkelig virkelig analogt inngangssignal, en anordning for å avgi en' enkelt digital bit som indikerer om den forutsagte analoge verdi er større eller mindre enn den øyeblikkelige virkelige verdi, og en anordning for å oppdatere den forutsagte verdi basert på de digitale bits.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved en anordning for å integrere det analoge inngangssignal forut for påtrykning på sammenligningsanordningen.

3. System ifølge krav 2, karakterisert ved en amplitude-begrensningsanordning i inngangs-analog-signalveien forut for integrasjonsanordningen.

4. System ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at anordningen for avgivelse av en forutsagt verdi er en digital/analog-omformer som avgir en enhets-analog-spenning basert på rekken av digitale bits, og en integrasjonsanordning for å summere enhetsspenningene.

5. System ifølge krav 4, karakterisert ved at integrasjonsanordningen omfatter et flertall seriekoblede integrasjonstrinn.

6. System ifølge krav 5, karakterisert ved en anordning til å dempe endringshastigheten på utgangen av de seriekoblede integrasjonstrinn når den forutsagte verdi nærmer seg inngangssignalverdien.

7. System ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved en integrasjonsanordning, en lavpassfilteranordning og en subsamplingsanordning for å avgi et digitalt ord som er representativt for den øyeblikkelige verdi av det analoge inngangssignal på utvalgte samplingstidspunkter.

8. Analog/digital-omformer for å omvandle analoge seismiske inngangssignaler til digital representasjon av disse, karakterisert ved en anordning for å generere et forutsagt analogt signal, en anordning for å sammenligne det forutsagte analoge signal med det virkelige analoge seismiske signal, en analog/digital-omformer for å avgi en rekke enkeltbits, hvor hver bit angir om det forutsagte analoge signal på et gitt tidspunkt er større eller mindre enn det øyeblikkelige virkelige analoge signal, og en anordning for å oppdatere den forutsagte analoge signalverdi basert på hver av de digitale bits.

9. Omformer ifølge krav 8, karakterisert ved en lavpassfilter- og subsamplingsanordning for å generere digitale ord som svarer til den øyeblikkelige analoge verdi av signalet i forutbestemte samplingstidspunkter .

10. Omformer ifølge krav 9, karakterisert ved at de digitale ord genereres med en frekvens som er meget lavere enn frekvensen for sammenligning av det forutsagte signal med det virkelige analoge signal.

11. Omformer ifølge ett av kravene 8-10, karakterisert ved en integrasjonsanordning i den analoge signalvei forut for anordningen for sammenligning av det virkelige analoge inngangssignal med det forutsagte analoge signal.

12. Omformer ifølge krav 11, karakterisert v e d en amplitydebegrensningsanordning innsatt i inngangs-analogsignalveien forut for integrasjonsinnretningen.

13. Omformer ifølge ett av kravene 8-12, karakterisert ved at anordningen for generering av det forutsagte analoge inngangssignal er en digital/analog-omformer innrettet til å addere eller subtrahere en enhetsspenning fra den tidligere forutsagte verdi av det forutsagte signal, avhengig av individuelle digitale bits som avgis fra analog/ digital-omformeren.

14. Omformer ifølge ett av kravene 8-12, karakterisert ved at anordningen for generering av et forutsagt analogt signal er en integrasjonsanordning for å avgi en analog verdi under påvirkning av rekken av enkeltbits.

15. Omformer ifølge krav 14, karakterisert ved at enhetsspenningen blir addert til eller subtrahert fra en spenning lagret i integrasjonsanordningen under påvirkning av hver enkelt av en rekke bits.

16. Omformer ifølge krav 14 eller 15, karakterisert ved at integrasjonsanordningen omfatter et flertall seriekoblede integratorer.