地震儀器運行技術條件討論

羅福龍

(東方地球物理勘探有限責任公司裝備服務處　河北　涿州　072751)

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地震儀器運行技術條件討論

羅福龍

(東方地球物理勘探有限責任公司裝備服務處河北涿州072751)

摘要:地震儀器正常運行需要適宜的環境和技術條件做支持，而且運行的質量和成效與提供的支持條件密切相關。以提升當代先進地震儀器綜合應用效果為目標，以實際工作經驗為依據，系統地討論了地震儀器運行所需的主要環境和技術條件。同時，分析了幾類運行技術條件失常時的典型案例，并在此基礎上提出了有效保障和規范地震儀器運行技術條件的具體措施。

關鍵詞:地震儀器;技術條件;供電條件;接地條件;空間環境;技術標準

0　引言

地震儀器［1］是采集和記錄地震信號的精密電子系統。如同計算機等通用電子設備的運行需要合適的溫度、濕度等環境條件一樣，地震儀器的運行也需要適宜的外部環境條件。例如，應提供電壓、頻率合適的外部電源和適宜的工作環境溫度等。通常，將這些可用技術指標［2］或參數描述且直接影響儀器運行質量與效果的外部支持因素，統稱為地震儀器運行技術條件。

以往的應用實例和經驗都證明，提供的運行技術條件恰當，地震儀器的運行效果(包括穩定性、可靠性、工作質量和效率等)相對就好，而不恰當的運行技術條件常常導致儀器低效工作甚至故障。也就是說，地震儀器的運行狀態和質量都直接受制于所提供的外部支撐技術條件。所以，充分地保障運行技術條件，便是地震儀器實現高質量、高效率工作的前提。

實際工作中，或許是因忽視了運行技術條件的重要性，也或許是因缺少控制運行技術條件的技能，地震儀器經常會處在不恰當的技術條件下運行，而且時常致使儀器運行效率低下甚至毀損設備。這種由于運行技術條件不當影響地震儀器應用效果的事件，不僅會犧牲生產效率，有時還會降低地震資料品質，所以最大限度地保障好地震儀器運行技術條件也是保障勘探生產成效的基礎。

基于運行技術條件的重要性，以及實際工作中存在的具體問題，結合當前的勘探技術特點與時俱進地研究地震儀器運行技術條件，并由此提出規范這類條件的實施建議，對于提高地震儀器運行質量和應用效果都具有重要的現實意義。

1　運行技術條件概述

雖然地震儀器的運行技術條件多種多樣，但根據保障支持運行對象的特點，可將其分為硬件運行技術條件和軟件運行技術條件兩類。實際工作效果證明，在這兩類運行技術條件中，有些會直接影響地震儀器的運行效果，有些僅間接影響地震儀器的運行效果。那么能夠直接且嚴重影響地震儀器運行的技術條件主要有哪些?這些條件是以什么樣的機理來產生作用?實際工作中又應怎樣去保障這些技術條件?只有從本質上回答了以上幾個問題，才能有效地把控地震儀器的運行技術條件，進而提高地震儀器的綜合應用效果。下面將結合實際工作經驗，并以當前先進地震儀器為參考，著重論述幾項對運行效果起關鍵作用的運行技術條件的物理意義和保障方法。

1.1供電條件

電源是地震儀器的工作之本，電源的狀態和技術特性直接關系到地震儀器能否正常運行，所以供電條件便是最基本的也是最重要的運行技術條件。與其它精密電子設備對供電的要求類似，地震儀器對電源的技術要求也包括頻率、電壓、功率等指標，但鑒于地震儀器屬高精度的弱電信號測量系統［3］，所以還對電源的純潔性(畸變)、穩定性、匹配性(輸出阻抗)等有嚴格的要求。

實際工作中，應依據特定地震儀器對供電技術條件的具體要求來選擇相應技術指標的工作電源。為保證供電技術條件安全可靠，通常對艙室工作單元(如中央控制系統)都配置在線式不間斷電源(UPS)，這樣既可以保證持續供電還可以起到穩壓和隔離輸入干擾的作用。

除艙室工作單元一般采用交流供電外，地震儀器的地面設備一般普遍選用直流電源，以滿足安全、方便的需要。通常，地面設備都選用標準的通用工業級可充電電池，所以此時的供電技術條件也容易滿足。

1.2接地條件

對于地震儀器這種有高保真要求的弱電信號精密測量系統，“地”便是一個極端重要的技術條件。接地條件妥當與否不僅關系到地震儀器能否正常運行，而且還關系到地震信號的保真效果，有時甚至還關系到人身安全。根據“地”服務對象的不同，通常有模擬地、數字地、電源地、機殼地等。這些“地”有不盡一樣的物理意義和功用，有時為防止彼此干擾還要相互隔離(如機殼地和數字地)。一般，模擬地、數字地等都固化在系統的內部電路中，不易出現差錯也無需人為關注和操控，而外部的機殼地和電源地一般只預留接地點，需要通過人為操控才能實現應有的接地效果。

考慮到系統內部的“地”在電路設計時就已固化，實際工作中要關心和關注是系統的外部“地”，這也是保障接地條件的實質所在?！暗亍钡淖饔檬谴_保供電端與用電端或信號通路兩端有一致的電位參考關系，以使系統能夠按設定的邏輯關系正確運行。保障接地條件的基本做法是，所有的機殼地應用足夠粗且盡可能短的導線互相連接，以確保任意機殼地之間沒有電位差。同時，機殼地應該經接地線和接地棒直接與大地相連，確保任何時候機殼地都處于“零”電位。采用外部交流供電時還有考慮電源輸入地。為確保系統和人身安全，必須把外部輸入電源地直接和大地相連，并確保接地電阻足夠小(一般不應大于10 Ω)。

1.3空間環境條件

為了實施地震數據采集，地震儀器一般總是布設在特定的野外和艙室空間環境下運行，那么對應空間環境的物理狀態就構成地震儀器的空間環境條件。與其它戶外工作的電子產品類似，構成地震儀器運行空間環境條件的因素主要包括:溫度、濕度、清潔度、腐蝕性、電磁場、機械振動等。

根據工作環境特點，通常可將地震儀器分為地面(或水中)電子設備和艙室(或車載)電子設備兩大部分?？紤]到地面電子設備對空間環境條件(電磁場干擾除外)一般都有較好的適應性，所以下面將重點討論艙室電子設備(如中央控制系統)的空間環境條件。

1)溫濕度。眾所周知，電子器件的線性工作區與環境溫度和濕度密切相關，所以電子器件及電路的工作應滿足特定的溫度和溫度條件。為保證合適的溫度和濕度，通常將艙室工作設備等置于相對封閉且帶有空調的環境當中。對于地面電子設備，因設計制造時就考慮了寬泛的適應性，所以一般不用關注溫濕度條件。

2)清潔度。清潔度是指儀器所處空氣中攜帶粉塵等顆粒物的濃度。清潔度主要會影響系統的通風和散熱，充滿塵土的環境極易堵塞風道甚至引起電信號短路。為此，要求儀器系統保持在一個相對清潔的工作環境中，并定期地清潔通風散熱設施(如風扇等)。

3)腐蝕性。腐蝕性是指地震儀器所處的空間帶有腐蝕性氣體或液體的劑量。腐蝕性環境一般存在海上或咸水湖作業區域，其危害主要是通過電子交換將金屬或電路侵蝕，嚴重時也會導致系統工作失常。為防止腐蝕性物質作用地震儀器，通常要求中央控制系統應保持在相對封閉的干燥艙室環境中，并及時清除艙內帶有腐蝕性的物質;而地面電子設備除應及時做好清潔外，必要時還應通過加裝陰極保護材料來防止腐蝕。

4)電磁場。電磁波［4］是以能量形式存在的特殊物質。雖然人不易直接感受電磁波的存在，但它卻能直接作用地震儀器。地震儀器是弱電信號測量系統，其工作極易受外界電磁場的干擾，且干擾嚴重時會直接影響系統的運行效果和保真能力。所以，對電磁場環境條件要求高的地震儀器部件除應充分接地外，還需加裝屏蔽裝置。對于艙室工作系統還應特別防止電臺、高頻傳輸線等可能引入的射頻干擾。對于地面電子設備［5］等也要避免靠近通信基站、高壓輸電設施等強電磁場環境。

5)機械振動。機械振動條件較易滿足，只要地震儀器不處于強烈的振動環境下，其工作一般不受影響。

1.4軟件支持條件

當代地震儀器都是以計算機為核心的智能化系統，所有的工作都是在特定程序(包括固件和軟件)支持下完成。除上述提及的運行技術條件外，地震儀器的軟件運行還需提供操作規范、設置合理等支持條件。通常，軟件運行支持條件主要包括工作參數、選項設置、操作控制等內容。當這些條件不恰當時，輕則導致系統運行失效，重則導致系統“崩潰”或數據丟失。因此，在參數和條件設置時要遵循系統認可原則，也即不輸入或設置“非法”的條件。在操作控制方面要注意合理和有效性，不應試圖執行“非法”命令或不正常操作。

除上述論及的硬件、軟件運行條件外，實際工作中還有技術檢驗、維護保養、存儲運輸等環節的技術條件，而且這些條件也是保障地震儀器正常運行的基礎。考慮到這方面的條件相對簡單明了，且一般容易滿足，這里就不做更多敘述。

2　典型案例討論

通過前面的討論可知，地震儀器的運行技術條件不僅是地震信號保真的基礎，而且是勘探生產實現優質、高效的前提。技術條件得當地震儀器運行的可靠性、穩定性、安全性就高，而不得當的技術條件輕則影響系統的運行效率，重則可能導致質量或設備事故。現就實際工作中因技術條件不當導致地震儀器運行故障的一些典型案例加以討論，以供廣大技術同仁參考，并由此進一步說明運行技術條件和地震儀器工作的密切關系。

2.1電源畸變案例

電源是地震儀器工作的基礎保障，充分保證供電技術條件就是保障地震儀器正常運行的前提。實際工作中，對于因頻率、電壓、功率等顯性條件失常引起的運行失效問題較易識別和排除，但對于畸變等隱性條件變化引起的工作失常卻不易判別和解決。

所謂電源畸變(失真)是指為地震儀器提供的電源帶有非標稱頻率信號成份的程度。電源畸變輕微時一般不影響系統的正常運行，但當電源畸變嚴重時就可能干擾系統的正常運行。常見的電源畸變干擾形式之一是導致所采集的地震信號規則失真(在所有地震道中引入頻譜特征一致的干擾信號)，進而降低地震資料品質。這種干擾一般在系統上不會有任何提示，也很難識別，受負載變化等影響有時甚至時隱時現。識別這種干擾的有效手段是對地震道環境噪聲做頻譜分析，當排列上的地震道都出現規則一致的某種頻譜干擾能量時，就應該屬于電源畸變引起的信號失真。解決此問題的根本方法是選擇畸變指標合格的供電電源，對于畸變不是特別嚴重的情況，可以通過改善接地(特別是電源地)條件來削弱電源畸變，也可以通過加裝UPS來隔離電源畸變干擾。

2.2接地不當案例

如前所述，“地”是地震儀器正常工作的一個決定條件。接地不當將直接改變不同參考點之間的電位關系，進而影響地震儀器的運行效果，甚至導致系統無法運行或故障。

接地不當引起的問題有多種表現方式，較為常見的接地故障形式包括:系統運行時好時壞、某個或某些功能無法運行、整個系統或系統的某個組成進入“死機”狀態、地震信號出現不明原因的干擾等。從本質上看，引起接地故障的內在原因是不同機箱外殼之間，或是信號發送端參考地與信號接收端參考地之間，或是外殼地和大地之間存在不應有的電位差。接地不當的實質是接地電阻過大(包括接地線連接不牢、接地線有斷點、沒接地線等)。判別接地故障的方法相對簡單，只需要測量各個外部接地點(或金屬外殼)與大地之間的電阻即可，良好的接地意味著這些電阻值應該趨于零。解決接地故障的方法也相對簡單，就是通過地線確保所有外殼地、輸入電源地等都與大地有效地相連，也即確保任意兩個外殼“地”之間以及任意外部地與大地之間都沒有電位差。

2.3電磁場干擾案例

通常地震儀器包括野外工作單元和車載(或室內)工作單元兩個組成部分。對于中央控制系統(俗稱主機)等車載工作單元，由于工作環境可控且一般都帶有屏蔽，通常不易受外界電磁場干擾，應防范的主要是電臺、天線、高頻饋線等可能引入的射頻干擾。防范射頻干擾的有效措施包括屏蔽射頻饋線、選擇阻抗匹配的天線，以及發射天線盡量遠離工作單元等。

對于野外工作單元，因工作環境所致遭受外界(自然界或工業界)電磁場干擾的機會就多，常見的有雷電、靜電、工頻等干擾。當外界電磁場足夠強時，就可能經由野外工作單元影響地震儀器的運行和地震資料品質。

野外工作單元遭受電磁場干擾的表現形式主要為兩類，一是干擾排列信號傳輸鏈路(俗稱掉排列)，二是在地震資料中引入類似脈沖響應的干擾(俗稱“串感應”)。從機理上看，野外電磁場干擾就是瞬間在不同物理位置之間形成巨大的電位差，當這個電位差恰好作用到地震儀器排列時，就會破壞排列通信鏈路的電氣平衡關系，由此干擾排列信息傳輸并在地震道中引入電磁干擾信號。電磁場干擾的排除比較困難，最有效的方法是規避(也即當遇有強電磁場時停止工作或遠離干擾源)。輔助的方法盡量將野外工作單元的外殼充分接地，也可以通過無線中繼方式物理分隔排列的長度，這樣也能減弱甚至消除部分電磁場干擾。

2.4“非法”操作案例

“非法”操作案例主要包括參數設置不當、條件選擇不當、命令操控不當等不正確操作。由于這些不當操作一般只影響程序(軟件)的運行，所以屬于軟件運行支持類條件。參數設置(或條件選擇)不當可分兩類，一是系統不可接收的設置，此時系統有相應的提示，只要按提示修改設置即可;另一類是系統可接收的設置，但所做的設置不符合技術設計要求。對于不符合技術設計要求的設置，雖然系統可正常運行但卻不能獲得預期效果的地震資料。例如，技術設計記錄長度為7 s，但在地震儀器上卻誤設為6 s，那么嚴格意義上所采集的地震資料就是廢品。所以，為防止關鍵技術參數設置不當，應該在每次完成設置后都與技術設計進行比對，確保設計的和設置的完全一致。命令操控不當的案例也是屢見不鮮，如操控動作過快、任務分發過多就是常見的例子。操控不當的后果是極易造成系統“死機”，輕則耽誤有效工作時間重則導致系統故障。為避免操控不當，就應該嚴格按技術規程和程序允許步驟管控地震儀器。

除以上幾項常見案例外，在防水、防腐、高溫等方面也可能因技術條件不當導致系統失常?？紤]到這種情況較少發生，且一旦發生也容易識別和解決，此處就不再一一列舉。

3　認識與建議

通過對地震儀器運行技術條件的討論，充分說明了保障運行技術條件的重要性，以及這些條件失衡的危害性。作為討論地震儀器運行技術條件的體會和提高地震儀器運行質量、應用效果的方法探索，現就在實際工作中形成的幾點認識和建議概述如下。

1)技術條件極端重要

適宜的技術條件不僅是地震儀器可靠、穩定、高效運行的前提，而且也是保證地震資料品質、提高生產效率、降低生產成本的保證。所以實際工作中高度重視并充分滿足地震儀器運行技術條件，便是提高地震儀器綜合應用成效和實現“高速、高效、優質、降本”勘探生產的必然需要。

2)規范技術條件意義重大

隨著科學技術的進步，地震儀器的技術性能也得到了空前的提高，相應的運行技術條件也發展了本質的變化，致使以往針對地震儀器有效運行制訂的有關技術規范已經不能滿足和適應現實的需要。為此，應以當代國際先進地震儀器為對象，并根據實際應用經驗在全行業內制訂全新的地震儀器運行技術條件規范，由此保障和助推地震儀器綜合應用效果的提升。

3)開發技術條件自動識別功能

當前的地震儀器一般只從技術指標上給出正常運行所需要的外部支持條件，如工作溫度范圍、輸入電壓范圍等，卻不能自動識別這些外部支持條件是否滿足技術要求。這就要求用戶(地震儀器操作人員)必須實時地識別和操控地震儀器的運行技術條件狀態，進而增加了用戶的負擔和技術風險。為了做到自動識別運行技術條件狀態，最大限度地減少因技術條件不當帶來的風險，那么在地震儀器內開發運行技術條件自動識別功能，實時提示不合格的技術條件，就具有很強的現實意義。

4)提高操作技能

鑒于地震儀器的精密性和先進性，以及其運行技術條件的復雜性和重要性，就需要高技術水平和強責任心的工程技術人員才能保證地震儀器的運行條件和應用效果。所以提高操作技能、規范操作流程，同樣是保障運行技術條件的重要內容。為此，加強操作技能培訓、廣泛交流實踐經驗、嚴格操作流程，也是提高地震儀器綜合應用能力的必然需要。

需要強調的是，地震儀器的運行技術條件與地震儀器的技術特性、工作方式、先進程度等密切相關。實際工作中，應根據具體情況與時俱進地提供相應運行技術條件，并從本質內涵去理解和操縱運行技術條件，只有這樣才能從根本上保障地震儀器的運行環境。

應該說地震儀器的運行技術條件是多種多樣的，也是錯綜復雜的，而且儀器類型不同相應的運行條件也不盡相同。這里討論的是相對重要且普適性較強的技術條件，不妥之處，敬請廣大同仁批評指正。

參考文獻

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［5］蘇振華.地震數據采集系統基礎［M］.北京:電子工業出版社，2012: 261－295.

·開發設計·

Discussion on the Seismic Instrument Running Technical Conditions

LUO Fulong
(BGP Equipment，Zhuozhou，Hebei 072750，China)

Abstract:The seismic instrument's normal running needs the proper environment and technical condition to support，and the running quality and result depend on the technical condition provided.Aimed at the promotion of the comprehensive application effect of modern advanced seismic instrument，the main environment and technical conditions were discussed systematically based on the practical working experience which seismic instrument running needed.At the same time，several typical cases of the abnormal running technical conditions were analyzed.Then，some specific measures to help the seismic instrument running technical conditions to be proper and effective were proposed.

Key words:seismic instrument; technical condition; power condition; ground condition; space environment; technical standard

(收稿日期:2015－09－06編輯:姜婷)

第一作者簡介:羅福龍，男，1961年生，教授級高工，1984年畢業于江漢石油學院儀器專業，現在東方地球物理公司裝備服務處從事技術工作。E-mail: loufulong@ cnpc.com.cn

中圖法分類號:P631.4

文獻標識碼:A

文章編號:2096－0077(2016)01－0010－04