豐 斌 陳治慶 張 奇

(1.勝利油田物探公司 山東東營) (2.西安思坦儀器股份有限公司 陜西西安)

24道高精度地震數據采集系統的設計

豐 斌1陳治慶1張 奇2

(1.勝利油田物探公司 山東東營) (2.西安思坦儀器股份有限公司 陜西西安)

地震勘探儀器的性能質量和應用措施直接關系到了所采集地震數據的地質效果。文章針對一般小規模工程勘探經常采用的小道數地震儀,提出了一種24道高精度地震數據采集系統的設計方法,詳細論述了其系統設計原理及科研樣機的制備,并進行了野外實驗。結果表明該系統性能指標優越,運行穩定可靠,且具有體積小、低功耗、易操作的特點,市場前景廣闊。

地震勘探;數據采集;FPGA

0 引 言

地震勘探儀器是野外地震數據采集工作中最精密、最關鍵的裝備,從地震波的激發、接收、加工到記錄都是在地震勘探儀器控制與實施下完成,地震勘探儀器的性能質量和應用措施也直接關系到了所采集地震數據的地質效果。地震勘探儀器作為集成了當代最先進技術如計算機技術、數據傳輸技術、通訊技術等為一體的綜合系統,其革新和發展總是伴隨著新技術的推廣和完善,為了適應地震勘探技術的不斷發展,地震勘探儀器也在當代最新技術的基礎上不斷更新換代。現如今,地震勘探儀器已達到萬道以上的超大規模系統,但其所帶來的制造、勘探的成本也在節節攀升,小道數地震儀的發展仍然具備廣闊的市場潛力[1]。對比市場上現有的小道數地震儀,本文提出了一種24道小道數地震數據采集系統的設計方法并進行了樣機的研制工作,測試結果表明該系統穩定可靠,儀器關鍵性指標進一步提高。

1 系統硬件設計

為便于以后系統的擴展升級及二次開發,系統硬件采用了模塊化的設計方法,主要由五個部分組成,包括采集板、控制板、工控機、母板以及電源板,其基本構成如圖1所示[2]。其中,CPU板采用技術較為成熟的PC104工控機系統,依靠其完善的技術支持,極大的縮短了儀器的開發周期。控制板和采集板都采用以FPGA為核心的設計方法,在功能上,控制板作為工控機用戶與采集通道間的橋梁,不僅要負責提供PCI總線驅動能力,還要完成對采集板采集到的數據進行編排及緩存、電源及溫度實時監測、震源觸發等等,而采集板作為與地震檢波器連接的前端,用以實現采集方式切換、增益控制、模數轉換等功能。電源板則用于將12 V外接直流電源轉換為系統所需的數字5 V、模擬5 V、±5 V、3.3 V、1.2 V、12 V,而母板用于各個板級模塊之間的電氣連接,方便擴展,美化外觀。

圖1 系統框圖

控制板作為儀器的板級控制核心,實現了除數據采集功能以外的所有功能,包括對采集板的邏輯控制、采集結果的接收暫存、電源及溫度檢測、震源觸發、信號源產生等等。它在設計上采用基于FPGA為控制器的設計架構,通過PCI總線驅動器與工控機進行數據交換,接收用戶指令。通道控制、通道數據端口與采集板相連,控制采集板的采樣參數設置,如采樣率、樣本長度、數字濾波等等,待采集板按照指定要求采集完數據后,將數據按照指定格式編排后存入FIFO(SDRAM)中,FIFO半滿后向CPU發出取數中斷,FIFO出現上溢出時,向CPU發出錯誤中斷。CPU收到請求后將FIFO中的數據取出進行處理、顯示、存盤等等操作。

儀器進行數據采集提供了兩種觸發方式,外部觸發方式和長時間記錄方式。當采用外部觸發方式時,儀器的震源觸發接口要與震源(如炮盒)相連,并以此同步外部震源與數據采集的時序,觸發采集后,儀器將按照指定的記錄長度進行數據記錄,這種方式有效的防止意外干擾和不必要的數據記錄,是地震勘探中最常用的采集方式,而當采用長時間記錄方式時,則數據采集工作將長時間按照預置的采集參數進行實時采集作業,工作時間可長達數月之久。

控制板集成了一個由AD1955構成的高精度信號源,當CPU發出自檢指令時,控制板FPGA按照指令使信號源產生測試信號,供采集板進行采集通道指標測試。采集板原理如圖2所示,詳細的描述了采集通道的結構及其基本組成。從圖2中可以看到,采集板由24個地震道和一塊FPGA構成,通過前端模擬開關組合成的覆蓋開關,可完成24路同步采集或者48路滾動采集兩種采集方式。

圖2 采集板原理框圖

測試開關的作用就是用來實現儀器的自檢,當FPGA收到通過控制板中轉來的自檢指令時,測試開關接通,控制板上的信號源被接入到地震道輸入端,測試項包含增益精度、噪音、串音、畸變等等[3]。當進行正常地震勘探作業時,測試開關短路,此時的采集通道模擬信號調理電路如圖3所示。圖3中,48道輸入,24道輸出的CMOS型低內阻的電子開關陣列組成覆蓋開關,可定義的輸入道為24或48道,滾動方向可由小號至大號或大號至小號。由于24道的排列較長,為了消除天電干擾,本系統在設計時仍加入了較好的大線濾波器,濾波器由一級共模濾波及兩級差模濾波器組成,共模濾波的作用也為了校正漂移,差模濾波為高切濾波,除了衰減天電干擾外還起到濾除過采樣假頻的作用[4]。前置放大器提供18 dB、42 dB兩種程控增益可選。

圖3 模擬信號調理電路

地震作業時,來自檢波器的48路模擬信號通過儀器的輸入插頭,連接至48道覆蓋開關的輸入端,其24道輸出則連接至24個地震道,每個地震道由測試開關、大線濾波器、程控增益的前置放大器及24位A/D轉換器組成。地震道的作用是將每道輸入的模擬信號,按預設的采樣率轉換成24位的樣點序列,各道的樣點,經串并轉換及邏輯編排電路轉換成24位并行數據然后送入數據緩存器中。本系統選用的ADC是CIRRUSLOGIC公司生產的單片雙通道24位∑-Δ型A/D轉換芯片CS5361,其采樣率可達192 kHz、動態范圍114 dB,片內具有高通濾波和漂移校正功能,所有24道ADC在同一采樣率下,按同一工作方式進行采集。當每炮采集完成時,24道所有數據均交由控制板寫入FIFO,然后再根據需要進行數字濾波、AGC、道均衡等及裝訂后輸出于屏幕顯示、繪圖及按格式存盤。

2 系統軟件設計

本系統的軟件以ETX Pentium 1.4 GHz型工控機預裝Windows2000操作系統平臺為基礎,使用Borland CγγBuilder 6.0和WinDriver 8.11開發工具實現的。其主要實現的功能如圖4所示。

圖4 系統軟件功能圖

3 系統測試

經測試,系統可達到的主要指標見表1。

表1 采集系統主要技術指標

選擇山西運城某地進行野外炸藥震源試驗,采集方法為多次覆蓋反射波法,試驗目的為測試地震數據采集系統的穩定性和適應性。現場淺表地層主要為第四系黃土和第三系紅粘土層。現場施工參數為24道、道間距10 m、覆蓋次數6次,采集結果分析如圖5所示。

圖5 采集原始單炮記錄(上)和振幅譜(下)

4 結 論

綜上所述,由此可見,采集原始資料中初至折射波、反射波、面波以及隨機干擾等發育正常,無直流漂移。其中淺層反射波主要在200 ms～600 ms間發育,有效波的主頻為35 Hz,頻帶寬度10 Hz～90 Hz,波場特征反映了試驗場地的真實面貌。由此可見,處理后淺層反射波特征清晰,波組較連續、穩定,形態可靠,可很好地解決淺層工程地質問題。

[1] 潘中印,梁保江,楊恒輝,等.48道高精度地震儀器研發[J].石油儀器,2008.22(6)

[2] 孫 嫻,羅桂娥.一種高精度地震勘探數據采集系統的設計與實現[J].計算機測量與控制,2008.16(6)

[3] 段昌平,劉益成,易碧金.地震數據采集站增益精度測試方法[J].石油儀器,2010.24(4)

[4] 雷于紅,劉益成.數字地震儀采集系統中濾波器設計[J].石油儀器,2007,21(2)

Design of 24-channel high accuracy seismic data acquisition system.

Feng Bin,Chen Zhiqing and Zhang Qi.

The performance and the applied measures of seismic exploration instrument directly related to the collection of seismic data in geology effect.Aiming at minitype seismograph that often used in general small-scale exploration projects,a new design of 24-channel high accuracy seismic data acquisition system is proposed,and the system design principles and scientific sample preparation are elaborated,and also the field experiments are carried out.The results indicate that the system performance is superior,stable and reliable,and has the characteristic of small size,low power consumption,easy operation,the broad market prospect.

seismic exploration;data acquisition;FPGA

P631.8+4

B

1004-9134(2011)06-0011-03

2011-07-24

梁保江)

PI,2011,25(6)：11～13

·方法研究·