------------------------------------------------------------------------地震勘察儀器原理與結(jié)構(gòu)地震勘探儀器原理與結(jié)構(gòu)5.1地震勘探對儀器的基本要求5.1.1地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)特征對儀器的要求為了利用地震波的運(yùn)動(dòng)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(jìn)行波的對比，識別同相軸；記錄震源激發(fā)信號作為計(jì)算反射時(shí)間的起點(diǎn)；記錄計(jì)時(shí)信號作為計(jì)算反射時(shí)間的標(biāo)尺；在采用炸藥震源時(shí)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(diǎn)傳到炮井井口的時(shí)間—τ值，進(jìn)而依據(jù)已知的炮井深度h來推算表層的速度v＝h/τ，為今后地震資料處理時(shí)進(jìn)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)采集過程從震源激發(fā)時(shí)刻開始，一直持續(xù)到最深目的層反射信號完全到達(dá)時(shí)為止。采集過程的持續(xù)時(shí)間稱為記錄長度，采用炸藥等沖激震源時(shí)，記錄長度T為:T=2h/v式中h---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(dá)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(xiàng)技術(shù)改進(jìn)后，需要的記錄時(shí)間還可能增加。反射時(shí)間的標(biāo)記是根據(jù)磁帶上記錄的計(jì)時(shí)信號進(jìn)行的，如果計(jì)時(shí)信號本身不精確的話，依據(jù)它測出的反射時(shí)間也就不精確，由此推測出的反射界面的位置也就不準(zhǔn)確，因此，一般要求計(jì)時(shí)信號的可重復(fù)性和絕對準(zhǔn)確度都應(yīng)保持在0.05％的容許范圍內(nèi)。5.1.2地震波動(dòng)力學(xué)特征對儀器的要求為了能利用地震波的動(dòng)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(xiàng)基本要求：（1）地震儀允許輸入的幅度范圍(簡稱儀器的動(dòng)態(tài)范圍)必須大于需要記錄的地震信號的動(dòng)態(tài)范圍。需要記錄的地震信號的最大幅度是從震源到最近的檢波點(diǎn)的直達(dá)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(shí)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(dāng)反射信號幅度比外界環(huán)境噪聲的幅度還小時(shí)，就會(huì)被外界環(huán)境噪聲淹沒。因此，一般認(rèn)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(rèn)為地震勘探儀器的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)達(dá)到或接近120dB。②地震儀應(yīng)該設(shè)置濾波器，在記錄之前對接收進(jìn)來的妨礙有效波記錄的干擾波進(jìn)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(jìn)行地震普查時(shí)取125Hz就可以了，進(jìn)行地震詳查時(shí)應(yīng)取250Hz，高分辨率勘探可能需要取到500Hz，甚至更高。③在所能記錄的幅度范圍和頻率范圍內(nèi)，地震儀應(yīng)該是一個(gè)線性系統(tǒng)。所謂線性系統(tǒng)就是當(dāng)輸入為單一頻率的正弦波時(shí)，輸出也是同頻率的單一正弦波。如果給一個(gè)系統(tǒng)輸入一個(gè)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(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)或者說存在非線性失真。實(shí)際上，完全線性的系統(tǒng)是不存在的。5.1.3多道記錄對地震儀器最早的地震儀是單道的，為了便于進(jìn)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(shí)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(jìn)一步增加道數(shù)。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(dá)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)很小(一般要求小于-80dB)。5.1.4野外工作條件對地震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(gè)地震勘探隊(duì)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。5.2常用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(jī)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(dòng)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(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型檢波器。5.2.1電動(dòng)式地震檢波器電動(dòng)式地震檢波器的結(jié)構(gòu)和外形如圖3—1所示。它由永久磁鐵、線圈和彈簧片組成，磁鐵具有很強(qiáng)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(gè)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(yùn)動(dòng)體(慣性體)。當(dāng)?shù)孛娲嬖跈C(jī)械振動(dòng)時(shí)，線圈對磁鐵作相對運(yùn)動(dòng)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(dòng)勢，且感生電動(dòng)勢的大小與線圈和磁鐵的相對運(yùn)動(dòng)速度成正比，線圈輸出的模擬電信號與地面機(jī)械振動(dòng)的速度變化規(guī)律是一致的。一、運(yùn)動(dòng)方程的建立檢波器內(nèi)部各組成部分的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖3—2。地震檢波器運(yùn)動(dòng)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(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電模擬振動(dòng)信號。因此，研究地震檢波器就應(yīng)該首先找出地震檢波器輸出電壓和地面運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)切割磁力線產(chǎn)生的，所以關(guān)鍵是要找出地面運(yùn)動(dòng)與線圈運(yùn)動(dòng)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(gè)向上位移Z。如忽略檢波器與地面的藉合問題，即認(rèn)為檢波器外殼與地面一起運(yùn)動(dòng)，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(shí)磁鐵也相對其原位置產(chǎn)生一個(gè)向上位移Z。顯然，慣性體也會(huì)相對其原來的位置產(chǎn)生一個(gè)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(gè)向下的位移x。檢波器內(nèi)各部分的運(yùn)動(dòng)關(guān)系為Y=z+x(3-1)此時(shí)，線圈及框架組成的慣性體受到如下外力的作用。1．彈簧克服慣性體重力后的拉力FKFK＝—kx式中k一一彈簧的彈性系數(shù)，負(fù)號表示FK與x方向相反。2．線圈受到的電磁阻尼力根據(jù)法拉第定律，線圈相對磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為Φ—線圈磁通量；n—線圈匝數(shù)；S----機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)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(fù)載電阻。由楞次定律可知：當(dāng)線圈中有電流流過時(shí)，線圈將受到阻止其運(yùn)動(dòng)的電磁力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(gè)單匝閉合線圈。當(dāng)線圈架隨同線圈一起在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)，由（3-7）式可知，這種電磁阻尼力與線圈相對磁鐵的運(yùn)動(dòng)速度dx／dt成正比，方向相反:式中μ——比例系數(shù)?？諝庾枇Ρ菷T小得多，可忽略不計(jì)5.2.2壓電式地震檢波器5.2.3數(shù)字式檢波器近幾十年傳統(tǒng)地震檢波器的發(fā)展一直沒有大的突破，地震檢波器的技術(shù)性能和指標(biāo)相對十地震儀器本身存在一定的差距，獲得高精度地震數(shù)據(jù)資料的必要條件是:大動(dòng)態(tài)范圍的地震檢波器和大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。但是，目前使用的動(dòng)圈式檢波器的動(dòng)態(tài)范圍一般都在00分貝左右，很大程度上制約了勘探技術(shù)的進(jìn)步。新型的數(shù)字檢波器靈敏度較高、動(dòng)態(tài)范圍大、失真小，配合數(shù)字采集系統(tǒng)可完成高分辨率地震數(shù)據(jù)采集。20世紀(jì)80年代以來，微電子技術(shù)的巨大成功在許多領(lǐng)域引發(fā)了一場微小型化革命，MEMS(micro-electric-mechanical-system)技術(shù)是指采用微機(jī)械加工技術(shù)可以批量制作的集微型傳感器、微型結(jié)構(gòu)、微型執(zhí)行器以及信號處理和抓‘制電路、接口、通信等十一體的微型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一、MEMS數(shù)字檢波器的原理MEMS本質(zhì)上是由兩對固定電極和一塊可移動(dòng)的質(zhì)量塊電極構(gòu)成的。實(shí)際上，可移動(dòng)的質(zhì)量塊電極和固定電極之間形成了一個(gè)電容器。當(dāng)可移動(dòng)的質(zhì)量塊電極傳輸重力加速度時(shí)，質(zhì)量塊電極就會(huì)沿軸的方向上下運(yùn)動(dòng)，那么兩個(gè)電極之間的間隙就會(huì)發(fā)生變化，因而就產(chǎn)生了一個(gè)不同的電容量，這個(gè)電容量變化的信息反饋到ASIC電路中，從而使ASIC電路產(chǎn)生一個(gè)配平力來阻止質(zhì)量塊電極的運(yùn)動(dòng)，以便使質(zhì)量塊電極返回到零位置，因?yàn)閼T性的作用，質(zhì)量塊電極就會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)。這個(gè)配平力在ASIC電路中被轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓來阻止質(zhì)量塊電極的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)這個(gè)電壓在ASIC電路中被編碼成4}格式，并產(chǎn)生4}-24位的數(shù)字輸出如圖1所示。這種MEMS數(shù)字檢波器只響應(yīng)重力的變化，是勢能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)換裝置。其簡化的結(jié)構(gòu)包括慣性體、彈簧、控制電路等，而且慣性體是整個(gè)裝置的核心?；竟ぷ鞣绞绞且再|(zhì)量體為傳媒介質(zhì)，以介質(zhì)電容變化為反饋，再以控制介質(zhì)恒定位置的電壓變化為輸出。當(dāng)外部振動(dòng)迫使質(zhì)量體位移時(shí)，通過反饋電容變化而調(diào)整的控制電壓就迫使質(zhì)量體保持原位不動(dòng)。由于電容變化量線性取決于外力變化量，而控制電壓量線性取決于電容變化量，因此控制電壓的變化曲線就實(shí)時(shí)跟蹤外力的變化曲線，這便是檢測地震加速度信號的基本原理。由于控制電壓變化直接來自A/D轉(zhuǎn)換器輸出，也即檢波器的響應(yīng)輸出直接就是數(shù)字信號，所以地震道電路一開始就是數(shù)字信號電路。應(yīng)用MEMS技術(shù)的數(shù)字檢波器不再有任何連接到地震道的模擬電纜，所以也就不再受任何環(huán)境電磁干擾的影響。因此對全數(shù)字式儀器，外部的任何電磁干擾都不影響地震勘探資料的品質(zhì)。更優(yōu)秀的是，與傳統(tǒng)檢波器相比，新一代數(shù)字檢波器具有更好的地震信號響應(yīng)特性（如表1-3），失真小、噪聲低、靈敏度高、頻帶寬、幅頻特性好等是數(shù)字檢波器的主要優(yōu)勢。由此可見全數(shù)字化地震勘探采集系統(tǒng)的核心就在于用數(shù)字檢波器實(shí)現(xiàn)整個(gè)采集過程的完全數(shù)字化。二、三分量數(shù)字檢波器的主要性能：（1）數(shù)字檢波器內(nèi)部經(jīng)過MEMS傳感器和ADC電路，直接輸出24位數(shù)字信號；（2）動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到120dB，比傳統(tǒng)檢波器的動(dòng)態(tài)范圍至少高出50dB-60dB；（3）諧波畸變指標(biāo)小于0.003%，比傳統(tǒng)檢波器的諧波畸變至少低一個(gè)數(shù)量級；（4）數(shù)字檢波器輸出的幅頻特性十分平坦，在1Hz-800Hz范圍內(nèi)，始終保持平直，而輸出相位為零相位；（5）超低噪音特性、極高的向量保真度、不受外界電磁信號干擾的影響，如天電、工業(yè)高壓線或地下電纜等干擾。數(shù)字檢波器將地震道模擬電路部分和轉(zhuǎn)換器等從主機(jī)中分離出來，與MEMS傳感器集成并微型化在一起，構(gòu)成了新型數(shù)字地震檢波器。消除了由于模擬信號長距離傳輸過程中所引起的干擾，有效提高了采集信號的信噪比，增強(qiáng)了抗干擾能力，是傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。MEMS數(shù)字檢波器采用加速度傳感器，工作在諧振頻率之下，而常規(guī)動(dòng)圈式檢波器采用速度傳感器，工作在諧振頻率之上，這個(gè)差別使得MEMS數(shù)字檢波器與常規(guī)檢波器有著完全不同的結(jié)構(gòu)和性能：a、數(shù)字檢波器內(nèi)部具有微化的24位ADC電路，直接輸出24位數(shù)字信號，即采用全數(shù)字傳輸信號；b、動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到120dB，比傳統(tǒng)檢波器的動(dòng)態(tài)范圍至少高出50dB—60dB；c、諧波畸變指標(biāo)小于0.003%，比傳統(tǒng)檢波器的諧波畸變至少低一個(gè)數(shù)量級；d、數(shù)字檢波器輸出的幅頻特性十分平坦，在1Hz-800Hz范圍內(nèi)，始終保持平直，而輸出相位為零相位；e、超低噪音特性；f、極高的向量保真度；g、不受外界電磁信號干擾的影響，如人電、工業(yè)高壓線或地下電纜等干擾；h、系統(tǒng)加電后能自動(dòng)進(jìn)行傾斜度和重力測試；i、MEMS加速度傳感器特別適用于記錄低頻反射信號，如來自主要巖石地層邊界的反射；j、MEMS數(shù)字檢波器的振幅校準(zhǔn)能力及不隨時(shí)間溫度變化的穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)檢波器。K、MEMS加速度傳感器的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍可高達(dá)90dB，優(yōu)于常規(guī)檢波器(不高于60dB)，因此，MEMS數(shù)字檢波器適宜記錄強(qiáng)噪音背景下的弱信號(近炮檢距道)，而常規(guī)檢波器適宜記錄有弱噪音背景的深層弱反射信號(遠(yuǎn)炮檢距道)。圖９是模擬檢波器和數(shù)字檢波器記錄能量隨反射時(shí)間變化的曲線圖，可見模擬檢波器能量的動(dòng)態(tài)范圍小于數(shù)字檢波器。圖10～圖12分別為某工區(qū)的數(shù)字檢波器和模擬檢波器的單道記錄、頻譜分析和縱波剖面。由圖可見，數(shù)字檢波器采集的數(shù)據(jù)高頻成分能量強(qiáng)，頻帶寬，單個(gè)數(shù)字檢波器比組合的模擬檢波器在淺層有較高的分辨率，深層低頻信號頻率有所提高，但信噪比相對較低。5.2.4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(jìn)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(gè)模擬開關(guān)的集合稱為多路開關(guān)(MUX)。最簡單的一種MUX，其開關(guān)組態(tài)如圖4—31(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(gè)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(diǎn)放大器輸入端相連。在對某一道信號采樣時(shí)，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(gè)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4—31(b)所示。這些采樣脈沖我們稱為子樣。圖中aij代表第i道的第j次采樣(i；1，2，3，…，m)或者第j個(gè)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)。由圖4—31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4—1和圖4—31可綜合得到圖4—32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(gè)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)也沒有任何差異。只有在這個(gè)前提下，才可以認(rèn)為磁帶上記錄的各道地震信號間的差異完全是因?yàn)榈竭_(dá)各檢波點(diǎn)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(xiàng)基本要求。由圖4—32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?yàn)樗幸涗浀牡卣鸬赖男盘柖纪ㄟ^大線電纜送到儀器車上集中由一個(gè)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，所以近道遠(yuǎn)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(gè)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)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(shí)輸入相同的測試脈沖時(shí)，各道測試記錄的振幅差應(yīng)小于士0.2％，時(shí)間誤差應(yīng)小于士0.5ms。2．道間串音由圖4—32可見，各地震道電路本來是彼此分離的，但是因?yàn)槟承┰蜻€是會(huì)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(shí)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4—32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(gè)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＝1，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(shí)增大采樣間隔，由圖4—33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，VI1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(shí)的等效電阻，當(dāng)?shù)谝坏罃嚅_、第二道接通時(shí)等效電路如圖4—34，多路開關(guān)輸出電壓Vo可近似表示為由(4—76)式可見，為了減少串音，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Ri5.2.5瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器(IFP)一、瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器的功能如果在多路開關(guān)和A／D轉(zhuǎn)換器之間不設(shè)置浮點(diǎn)放大器，讓多路開關(guān)輸出的子樣電壓直接由A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，那么就會(huì)產(chǎn)生以下兩個(gè)問題。首先深層弱信號的量化精度低。A／D量化誤差為εq＝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A／D量化的相對誤差為由上式可知：信號越弱，a越小，相對誤差εq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(dòng)態(tài)范圍DR=10o一120dB。這么大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(dòng)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(huì)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(gè)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(gè)瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器。該放大器的特點(diǎn)是，其增益能以4或2為臺階瞬時(shí)改變，因此稱為瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器(IFP)，簡稱浮點(diǎn)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aij，脈沖寬度為τ，在此脈沖存在期間(時(shí)間τ)瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器經(jīng)過多次增益調(diào)整，最后為該子樣選定一個(gè)不致使A／D發(fā)生溢出的增益，即滿足5.2.6模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)當(dāng)待測信息是時(shí)間和幅值均連續(xù)的模擬信號時(shí)，為滿足數(shù)字信號處理的要求，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A／D轉(zhuǎn)換器則需要借助時(shí)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4—56所示。圖中，比較器相當(dāng)于天平的指針，用于指示待轉(zhuǎn)換字樣電壓與基準(zhǔn)電壓Vt的比較結(jié)果，T網(wǎng)及T網(wǎng)開關(guān)電路相當(dāng)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(dāng)于天平的操作者，按照連續(xù)時(shí)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(zhǔn)電壓，并存儲(chǔ)比較器每次的比較結(jié)果。CONVSTRT為A／D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)指令，BRL(BitRjectionLevel)為位取舍電平。A／D對子樣開始量化時(shí)，由CONVSTRT的上跳沿啟動(dòng)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(gè)權(quán)電壓V1．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(shí)，電路仍產(chǎn)生第一位的權(quán)電壓v7；舍去時(shí)，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(shí)，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(jià)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.24位Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換技術(shù)高分辨率地震勘探要求地震信號的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)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(shí)現(xiàn)的。因?yàn)閭鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)先將連續(xù)的地震信號進(jìn)行采樣，之后再對多路串行的離散樣電壓(于樣電壓)進(jìn)行A／D量化，A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)越多，每個(gè)子樣電壓的量化時(shí)間越長，要求采樣率就越低，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(biāo)準(zhǔn)權(quán)電壓，用它們逐個(gè)與子樣電壓進(jìn)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Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用而得到解決。以SN—388(法國產(chǎn))和SYSTEM—2000(美國產(chǎn))為典型代表的當(dāng)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Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器。全面了解和掌握Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器基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。5.3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(biāo)的要求將野外地震數(shù)據(jù)記錄下來，之后再由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理中心對所采集的野外地震數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)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)。本節(jié)主要討論當(dāng)代地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成原理，同時(shí)介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部件的電路原理。一、集中控制式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)20世紀(jì)70年代中期，數(shù)字地震儀的出現(xiàn)，把地震勘探帶入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，出現(xiàn)了以DFS—V和SN—338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(jì)算機(jī)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(jì)和生產(chǎn)中，又出現(xiàn)了以SN—358和MDS—16為代表的計(jì)算機(jī)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(gè)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(jì)算機(jī)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4—1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DFS—V型地震儀，法國舍塞爾公司的SN—338型地震儀和國產(chǎn)SDZ—751地震儀等。在圖4—1中，虛線中的功能單元構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制部分，各功能單元采用專用設(shè)計(jì)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(gè)信號的處理流程為：地震信號由檢波器拾取后，將地面振動(dòng)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(jìn)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(jìn)行濾波處理，然后再送入多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行時(shí)分復(fù)用轉(zhuǎn)換并同時(shí)完成采樣；經(jīng)過多路合一的各道信號的子樣送瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器(IFP)進(jìn)行可變增益(對于小信號自動(dòng)調(diào)整選擇較大增益，對于大信號自動(dòng)選擇較小增益)的放大，然后將IFP調(diào)整后的模擬信號送入15位逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(jìn)行編排，編排的結(jié)果送入數(shù)字磁帶機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)團(tuán)放?；胤胖饕ǚ锤袷骄幣?、自動(dòng)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(jì)算中心完成員后的處理與解釋。2．計(jì)算機(jī)集中控制式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)集中控制式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般框圖如圖4—2所示。采用這種控制方式的地震儀主要有美國的MDS—15B型地震儀和法國舍塞爾公司的SN—358型地震儀等。與圖4—1對比可以看出，計(jì)算機(jī)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(gè)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(jì)算機(jī)控制，各種控制功能通過軟件編程用計(jì)算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)。由于采用了計(jì)算機(jī)控制，使儀器系統(tǒng)的整體控制部分的功能更加完備、靈活，并具有一定的數(shù)據(jù)處理功能。因此，整個(gè)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(diǎn)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(dòng)態(tài)范圍。在實(shí)際系統(tǒng)中，IFP采用3—4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(dòng)態(tài)范圍理論上可達(dá)168dB，但實(shí)際考慮儀器噪聲等因素的影響，儀器的動(dòng)態(tài)范圍一般不超過120dB。二、分布式地震儀數(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(yuǎn)，因此信號易受各種干擾因素的影響。同時(shí)，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(jì)算機(jī)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(gè)小箱體內(nèi)，稱為“采集站”)將采集站放置在檢波點(diǎn)上，每個(gè)采集站用較短的模擬信號線(一般稱為“小線”)與1—8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(jī)相連，當(dāng)各采集站和記錄主機(jī)之間合理組合時(shí)，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(diǎn)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)采集系統(tǒng)的一投框圖如圖4—3所示。遙測系統(tǒng)的采集站與中央記錄主機(jī)之間傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，采集站和記錄主機(jī)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(shí)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(dá)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Δ-ΣA／D型采集站。1．IFP型采集站采用IFP放大器的采集站的一般框圖如圖4—4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DFS—1V型地震儀、美國的MDS—16型地震儀和法國舍塞爾公司的SN—368型地震儀等。從圖4—4可以看出，采用IFP放大器的采集站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)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(diǎn)放大、A／D轉(zhuǎn)換和CPU控制)與計(jì)算機(jī)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6—8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(diǎn)放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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。2．IFP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)，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(shí)間為tc；地震道數(shù)為N；考慮到采樣定理fs＞2fmax的要求，取fs＝4fmax，系統(tǒng)的高截止轉(zhuǎn)折頻率fc=fmax，則有(4—1)式表明：當(dāng)IFP的調(diào)整時(shí)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(shí)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(dāng)IFP的調(diào)整時(shí)間確定之后，常規(guī)IFP式地震儀難以同時(shí)滿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(dòng)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(dāng)模擬電路靜態(tài)工作點(diǎn)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(biāo)就是決定模擬電路動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍DR為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(dá)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(dòng)態(tài)范圍難以達(dá)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(diǎn)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8．86μv)而且15位A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)有限的缺陷，實(shí)現(xiàn)了理論上168dB的動(dòng)態(tài)范圍。但實(shí)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(shí)際動(dòng)態(tài)范圍不超過120dB。這種理論值與實(shí)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(dāng)模擬電路級連時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的噪聲和失真特性會(huì)進(jìn)一步惡化。因此，若仍然使用模擬電路占主導(dǎo)地位的IFP結(jié)構(gòu)的采集站，很難在動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)上進(jìn)一步提高。另一方而，由于IFP結(jié)構(gòu)的采集站使用了大量模擬器件和數(shù)字器件，所以電路結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，功耗也比較大，這些都不符合現(xiàn)代電子技術(shù)集成化、數(shù)字化、低功耗(低電源電壓)、高性能的要求。因此，需要一種新型結(jié)構(gòu)的地震數(shù)據(jù)采集站，以適應(yīng)現(xiàn)代高分辨率地震勘探的需要。3．24位Δ-ΣA／D型采集站新一代采用高分辨率24位Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器的采集站的一般框圖如圖4—5所示。采用這種控制方式的地震儀主要有美國I／O公司的SYSTEM2、SYSTEM200D型地震儀、法國舍塞爾公司的SN—388、408UL型地震儀和國產(chǎn)GYZ—480、GYZ—4000型地震儀等。從圖4—5中可以看出，新一代采集站是以高分辨率24位Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器為中心的數(shù)據(jù)采集單元。與傳統(tǒng)的使用IFP的地震儀相比，它具有如下特點(diǎn)：①地震檢波器拾取的信號只經(jīng)過一級前放和簡單的模擬濾波器后，直接和24位Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器連接，模擬信號傳輸通道大大縮短，這對于降低信號失真度、提高信噪比非常有利；②采用新型結(jié)構(gòu)的Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器可以大大簡化去假頻濾波器，許多采集站甚至省略了模擬濾波器，所有濾波可以由后續(xù)高性能數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，這樣在簡化硬件電路的同時(shí)提高了濾波性能；Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器采用過采樣技術(shù)，從目前Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器的集成電路實(shí)現(xiàn)工藝來看，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)0--500Hz信號的24位A／D轉(zhuǎn)換；④24位Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍理論上應(yīng)為138dB，考慮各種因素的影響，實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)超過120dB，可以滿足高分辨率地震勘探的要求；⑥使用高性能DSP芯片與A／D轉(zhuǎn)換器，在提高Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器性能的同時(shí)完成與數(shù)據(jù)通訊接口的連接，大大簡化了電路設(shè)計(jì)，提高了采集站的可靠性；⑧由于采集站電路結(jié)構(gòu)簡單，所用器件可以采用高度集成化的低功耗通用器件，大大降低了采集站的整體體積和功耗，并可以達(dá)到較高的性能價(jià)格比。由于采用高分辨率24位Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器的采集站具有很高的性能，完全可以滿足目前高分辨率地震勘探的要求。因此，它已經(jīng)成為新一代高分辨數(shù)字地展儀采集站的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的集中控制式數(shù)字地震儀和使用IPP的分布式數(shù)字地震儀相比，新一代采用高分辨率24位Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地震儀在體系結(jié)構(gòu)、前端采集站、數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)控制方面部有了很大變化，具體體現(xiàn)在：⑦前端采集站取消了瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器(IFP)，采用新型高分辨率24位Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器。24位Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍理論上應(yīng)為138dB，實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍超過120dB，可以滿足高分辨率地震勘探的要求。②由于使用了Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器，前端采集站中的模擬大線和模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)均不復(fù)存在，要求很高的模擬放大器和復(fù)雜的模擬濾波器系統(tǒng)得以簡化，整個(gè)儀器系統(tǒng)的模擬信號處理部分被盡可能減少，從而使地展儀的帶寬、分辨率、信噪比和抗干擾能力等指標(biāo)大大提高。②連接采集站和中央控制單元采用數(shù)字電纜，減小了電纜質(zhì)量，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。④整個(gè)儀器系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，采集站布線排列靈活方便，儀器道數(shù)可多達(dá)上萬道。⑤新型儀器正在向分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展，采集站之間和控制計(jì)算機(jī)之間均采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)式連接，可望使儀器系統(tǒng)更加標(biāo)準(zhǔn)化，儀器系統(tǒng)的性能價(jià)格比得到了很大提高，主控計(jì)算機(jī)采用高性能通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如使用UNIX操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)工作站，使系統(tǒng)的智能化程度大大提高。從整個(gè)系統(tǒng)的角度來說，新型分布式高分辨率地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心技術(shù)是：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制軟件和應(yīng)用軟件以及24位Δ-ΣA／D轉(zhuǎn)換器采集站技術(shù)。這些技術(shù)也是現(xiàn)代高分辨率地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容。5.4地震勘探的震源在地震勘探的野外工作中，第一步是要用人工方法激發(fā)地震彼。由于海上和陸上的表層激發(fā)條件不一樣，所以慣用的震源也不一樣。陸地勘探主要使用炸藥震源，其次是可控震源，國外也有少數(shù)使用重錘、陸地空氣槍和氣攥震源，U及適宜于作淺層高分辨宰勘探的小型機(jī)械震源米尼索西(MiniaosEe)。海上勘探的主要震源是；空氣槍、蒸氣槍、水槍和電火花等，電火花震源主要用于淺層高分辨率勘探。5.4.1陸上震源炸藥震源：從20年代開始到現(xiàn)在，地震勘探一直采用炸藥作為主要震源。炸藥震源的突出優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的脈沖尖銳、頻率范圍較寬、能量較強(qiáng)。目前采用的炸藥震源有成型炸藥和爆炸索兩種。井中爆炸的優(yōu)點(diǎn)是：能減低面波的強(qiáng)度；消除聲波在記錄反射時(shí)造成的困難‘爆炸時(shí)在直達(dá)波中形成很寬的振動(dòng)頻譜，可以大大減少炸藥量，縮短準(zhǔn)備爆炸的時(shí)間。不過耍確保這些優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，需要選擇良好的激發(fā)條件。爆炸索為長的索狀結(jié)構(gòu)，中心裝有爆炸力強(qiáng)的炸藥，藥心外面繞兩層特制的棉線，最外面一層為一強(qiáng)韌的塑料。標(biāo)準(zhǔn)的爆炸索外徑約5mm，每100m裝有炸藥1．05kg。也有各種不同長度和強(qiáng)度更高的爆炸索，以適應(yīng)各種不同條件的需要。我國目前在陸上大部分地區(qū)仍主要采用在井中用炸藥進(jìn)行爆炸的激發(fā)方式。炸藥展源的主要缺點(diǎn)是：不安全，對周圍環(huán)境易造成破壞，鉆炮井所需費(fèi)用大。氣動(dòng)震源：這是一種車裝非炸藥震源。震波發(fā)生器為密閉的扁圓柱體(有的型號直徑約1．5m，高約20cm)，由高強(qiáng)度的金屬構(gòu)成一個(gè)側(cè)壁可以伸縮的爆炸室。在野外進(jìn)行激發(fā)操作時(shí)，車上的載運(yùn)裝置將震波發(fā)生器放下與地面接觸，然后車體的后部拾起，以便車體后部的重量均壓在震波發(fā)生器上，和爆炸室上部的重塊共同構(gòu)成一重約10t的大反沖體，使爆炸室底板與地面緊密接觸。震波發(fā)生器放置好后，將可燃?xì)怏w導(dǎo)入爆炸室，然后由電火花引爆。爆炸時(shí)產(chǎn)生的脈沖由爆炸室底板傳至地下。氣動(dòng)震源和其他沖擊型地面震源一樣，屬于低能量表面震源。因此每一激發(fā)點(diǎn)須進(jìn)行多次脈沖激發(fā)，對多次脈沖進(jìn)行疊加，并采用多臺震源同時(shí)激發(fā)的震源組合擬提高信噪比．增大穿透力。重錘震源：是車載的機(jī)械裝置，將3T以上的平行六面體形鐵錘舉至3m然后墜下，沖擊地面已激發(fā)地震波。吹上有加速度傳感器，突然減速產(chǎn)生同步信號。5.4.2海上震源一、電火花震源：電火花震源是利用高壓電極在水中的放電效應(yīng)激發(fā)地震波的裝置。激發(fā)前，高壓整流電路先使高壓電容充電到幾十千伏，高壓電容通過放電電纜和放電開關(guān)與放置于海水中的一對電極相連。激發(fā)時(shí)，放電開關(guān)接通，電極突然獲得幾十干伏的高壓，電極問水介質(zhì)中形成十幾萬安培的放電電流，瞬間產(chǎn)生出幾十萬焦耳的熱能，使海水汽化．對海水產(chǎn)生巨大的沖擊力，激發(fā)出地震波。電火花震源能產(chǎn)生50一500H2的寬頻帶信號，而且每分鐘可以完成幾十次激發(fā)。但它所激發(fā)的地震波能量一般只有其放電能量的一小部分。氣槍震源：空氣槍的激發(fā)條件對空氣槍產(chǎn)生的脈沖頻率的影響大致有如下規(guī)律：空氣槍的大小(指下氣室的容積)，決定激發(fā)瞬間噴入水中的高壓空氣納數(shù)量，大氣槍產(chǎn)生的氣泡比小氣他的大，因此產(chǎn)生的額率較低，高壓空氣的氣壓越大，產(chǎn)生的氣泡也越大，同樣大的氣槍產(chǎn)生的脈沖的頻率也越低；氣槍放置在水下越深，受到靜水壓力也越大，產(chǎn)生的泡就越小，脈沖的頻率越高。因此，我們應(yīng)根據(jù)具體工作需要，選擇合適的激發(fā)條件。5.5WZG-24A工程地震儀該儀器是重慶奔騰公司在參照國外先進(jìn)地震儀器的基礎(chǔ)上結(jié)合我國國情研制的新一代全中文WINDOWS系統(tǒng)下工作的真24位數(shù)字地震儀器，它既融入了本所多年設(shè)計(jì)、制造地震儀器的寶貴經(jīng)驗(yàn)，又吸納了當(dāng)今最新電子技術(shù)和設(shè)計(jì)理念，集多功能、高精度、高速度、高可靠性及良好的功能可擴(kuò)展性于一身，堪稱地震儀器中的精品。 儀器利用錘擊、電火花或爆炸等作為激發(fā)震源，勘探深度從幾米到數(shù)百米，也可使用延時(shí)功能，獲取更深部地層的地震資料。非常適用于反射、折射、面波勘探、樁基檢測、地脈動(dòng)測量、地震映像、震動(dòng)測量及波速（剪切波）測試等方面的地震工作，廣泛應(yīng)用于水利、電力、鐵路、橋梁、城建、交通等領(lǐng)域工程地質(zhì)勘探方面，也能用于石油、煤田、鈾礦及地下水等領(lǐng)域資源勘探方面。一、主要功能瞬態(tài)多點(diǎn)瑞雷波勘探淺層反射測量淺層折射測量波速（剪切波）測量多波高密度地震映像樁基檢測土建工程質(zhì)量檢測場地常時(shí)微動(dòng)測量震動(dòng)爆破測量二、應(yīng)用范圍1．地基、路基與基礎(chǔ)工程檢測●地基、路基空洞調(diào)查和溶巖勘探；●第四系覆蓋層分層；●地基土類型劃分和病害地質(zhì)體調(diào)查；●地基巖土介質(zhì)物性分層調(diào)查；●地基加固效果與路基回填碾壓質(zhì)量檢查；●基巖埋深與隱伏地質(zhì)構(gòu)造勘察。工程檢測●隧道路線勘察與洞室圍巖分類；●混凝土襯砌質(zhì)量檢查；●隧底檢查與超前探測；●振動(dòng)監(jiān)測。大中型水庫的運(yùn)行觀測●堤壩隱患檢測；●水庫淤積測量與排淤效果檢查；●大中型水利樞紐護(hù)堤拋置物施工檢測。橋梁工程檢測●橋墩基礎(chǔ)類型調(diào)查；●橋臺樁基混凝土質(zhì)量檢查；●橋梁振動(dòng)監(jiān)測。環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害檢測與評價(jià)●滑坡、巖溶、泥石流、采空區(qū)、活動(dòng)斷裂調(diào)查。5.5.1儀器的主要特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)一、主要特點(diǎn)1．一體化、高可靠性：內(nèi)置高檔工業(yè)控制級微機(jī)、豪華配置，數(shù)據(jù)采集、處理一體化，超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，合理的結(jié)構(gòu)布局，具有良好的抗振、防潮、防塵性能。2．采用進(jìn)口箱體及觸摸屏技術(shù)，美觀、牢固、操作極為便捷。3．全新設(shè)計(jì)、性能優(yōu)異：使用先進(jìn)的高速24位A/D，甩掉瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器，消除了道間串?dāng)_、提供優(yōu)良的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)特性、超低失真特性及完美的相位一致性，24道同時(shí)工作時(shí)，最小采樣間隔可達(dá)50μs！4．方便、快捷：全中文WINDOWS系統(tǒng)下的采集、高速USB數(shù)據(jù)傳輸，使操作更直觀、更方便、更迅速，一切都在瞬間完成。5．強(qiáng)大的軟件功能：本機(jī)具有大容量、長剖面、高分辨率彩色顯示與彩色繪圖功能，成果直觀形象。6．配置靈活、擴(kuò)展方便：用戶可根據(jù)自身的情況選擇DOS版或WINDOWS版處理軟件，亦可通過購買數(shù)據(jù)采集插板及軟件將儀器升級成48道地震儀。7．支持覆蓋測量：與本所生產(chǎn)的WZKD-1電子覆蓋開關(guān)或WZDK-6048道地震儀電子覆蓋開關(guān)配合可方便實(shí)現(xiàn)野外各種覆蓋測量，極大提高野外淺層反射地震勘探作業(yè)效率。二、主要技術(shù)指標(biāo)通道數(shù)：24/48道采樣點(diǎn)數(shù)：●1024樣點(diǎn)、2048樣點(diǎn)、4096樣點(diǎn)、8192樣點(diǎn)、16384樣點(diǎn)采樣率：●10μs、25μs、50μs、100μs、200μs、500μs、1ms、2ms、5ms、10ms、20ms●地脈動(dòng)測量為1ms～200ms多檔可選A/D轉(zhuǎn)換器：24位信號迭加增強(qiáng)：32位動(dòng)態(tài)范圍：144dB通頻帶：0.1Hz～4000Hz噪音：全頻狀態(tài)下為1μV幅度一致性：±0.2%相位一致性：±0.01ms失真度：±0.05%延時(shí)：0～9999ms輸入阻抗：20k道間串音壓制：≥90dB低截濾波器陡度：軟件濾波高切濾波器陡度：優(yōu)于72dB/倍頻程50Hz陷波器：40dB主機(jī)：●PIII工業(yè)控制級微機(jī)，主頻不低于500MHz。●內(nèi)存：128MB●硬盤：不小于40GB●光驅(qū)：內(nèi)置●顯示屏：800×600點(diǎn)陣VGA液晶顯示屏（TFT真彩）。●輸入設(shè)備：觸摸屏輸入、精致小鍵盤、光電鼠標(biāo)●接口：兩串一并、雙USB口、鍵盤口、鼠標(biāo)口等標(biāo)準(zhǔn)口數(shù)據(jù)格式：SEG-2工作溫度：0℃～50℃90儲(chǔ)存溫度：-20℃～＋60電源：DC12V4A（48道時(shí)為5.5重量：12kg（WZG-24A）

15kg（WZG-48A）體積：400mm×310mm5.5.2儀器的組成及使用一、儀器的組成儀器由兩部分組成，即計(jì)算機(jī)和采集器兩部分。采集器的數(shù)據(jù)通過儀器內(nèi)部的USB口傳送到計(jì)算機(jī)。這兩部分是分開供電的，采集器的電源是可以隨時(shí)開關(guān)的。儀器正面的接插件有：采集器電源指示燈、電源欠壓指示燈、采集器電源開關(guān)、兩個(gè)USB插座和光驅(qū)。如下圖所示：儀器背面的接插件有：外觸發(fā)插座、保險(xiǎn)盒、儀器電源總開關(guān)、電源輸入插座。如下圖所示： 儀器左面的接插件有：鍵盤接口、鼠標(biāo)接口、打印口和兩個(gè)RS232串口插座。如下圖所示：二、儀器野外使用的操作步驟1．出野外工作之前，應(yīng)保證電瓶有足夠的電量。2．首先將儀器總電源開關(guān)置“關(guān)”位置，將電源線與儀器“電源”插座相接。注意電源線的紅線與電瓶正極相接，黑線與電瓶負(fù)極相接。若有覆蓋開關(guān)聯(lián)機(jī)工作，其電源線的接法與儀器相同。3．用轉(zhuǎn)接電纜將儀器的“1—12”、“13—24”插座與覆蓋開關(guān)左邊的大線輸出插座“1—12”、“13—24”對接。覆蓋開關(guān)右邊的三個(gè)輸入插座分別接三根大線，并將檢查好的檢波器接在大線上。4．將通訊電纜的一端接在覆蓋開關(guān)的RS232插座上，另一端接在儀器的串口1或串口2上。5．把觸發(fā)電纜連接到儀器的“觸發(fā)”插座上。6．打開儀器電源開關(guān)，置“開”。此時(shí)，儀器電源指示燈（紅燈）亮。7．計(jì)算機(jī)進(jìn)入WINDOWS操作系統(tǒng)，啟動(dòng)完成后，將自動(dòng)進(jìn)入儀器的工作界面。8．當(dāng)一切準(zhǔn)備工作就緒后，可開啟“采集器電源”。5.6SWS型工程勘探與工程檢測儀簡介SWS型工程勘探與檢測系統(tǒng)由北京水電物探研究所生產(chǎn)。SWS型工程勘探與檢測系統(tǒng)是一種高性能、多功能的巖土工程勘察檢測新設(shè)備。其中多道瞬態(tài)面波勘察、高密度地震映象和水域走航式高密度地震反射波勘察新技術(shù)具有自主知識產(chǎn)權(quán)。SWS系統(tǒng)處理結(jié)果直接以彩色圖顯示地層層序和物性，是勘察施工快捷化、勘察成果定量化的創(chuàng)新技術(shù)。SWS系統(tǒng)主機(jī)為整機(jī)密封方式，采用工控級主板，儀器信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)惡劣環(huán)境。新型SWS系統(tǒng)界面友好，數(shù)據(jù)采集與處理皆為Windows操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)