第二章-地震数据采集方法和技术

第二章地震数据采集方法和技术第一节地震勘探的设备及工作内容地震勘探数据采集系统可把接收到的地面振动转换为时间函数的电信号。现代地震勘探采集仪器主要由检波器、放大器、数字记录器（包括有关的硬件）以及作监视用的显示器等装置组成（野外工作时装于汽车上）。近几年，在仪器车上还安置了专用数字计算机，用以控制野外全部记录过程，调整和监视野外操作，同时可对记录作初步处理。地震采集仪器的结构、性能应考虑到地震振动地特点。首先，人工震源产生的地震波在地面引起地振动位移非常小（仅微米级）且来自浅、中、深不同部位的地震次生波地能量相差很大（可达几十万至百万倍），因此，地震仪器应具有高灵敏度和大动态范围（100dB以上）；其次为了记录不同频谱范围的地震信号，记录仪器应具有宽的频带和可选择的滤波器；第三，为对接踵而至的地震脉冲有良好的分辨力，要求仪器的固有振动延续度尽可能小；第四，通常地震勘探多在很长（数百米或数千米）测线上许多检波器（多达百个甚至上千个）同时观测，以便于识别各种类型的波和提高效率，这又要求仪器各道应具有良好的一致性。我们把对应于每个观测点的地震检波器、放大系统、记录系统所构成的信号传输通道总称为地震道。现代地震采集仪器还应具有小型轻便、性能稳定、耗电量少、自动化程度高等特点。§2.1.1检波器检波器是安置在地面、水中或井下以拾取大地振动的地震探测器或接收器，它实质是将机械振动转换为电信号的一种传感器。现代地震检波器几乎完全是动圈式（用于陆地工作）和压电式（用于海洋和沼泽）的。这里只介绍接收纵波的垂直检波器。地震检波器的主要类型和工作原理1、动圈式地震检波器这类检波器结构如图２－１－１所示，其机电转换通过线圈相对磁铁往复运动而实现。线圈及线枢由一个弹簧系统支撑在永久磁铁的磁极间隙内，组成一个振动系统。当线圈在磁极间隙中运动时线圈切割磁力线，同时在线圈两端产生感应电势，感应电势的大小与线圈切割磁通量的速度成正比，也就是说，与其相对于磁铁的运动速度成正比。应此，动圈式检波器也称为速度检波器。大地作垂向运动时，磁铁随之运动，但线圈由于其惯性而趋于保持固定，使线圈和磁场之间有相对运动。对于水平运动，线圈相对于磁铁是不动的，所以，这种检波器的输出为零。2.动磁式检波器这种检波器主要用于地震测井，因此生产的数量很少。其结构见图2-1-2。它是由磁铁及固定在磁铁上的线圈、弹性垫片、软铁隔板组成。地震波到达时使水压发生变化，水压变化引起软铁隔板相对磁铁发生位移，进而导致磁路的长度变化，引起磁路中磁阻差改变，磁阻变化使磁通改变，结果在线圈中产生感应电势。3压电式检波器这种检波器一般用于水下一定深度接收地震波，它是用压电晶体或类似的陶瓷活化元件作为压力传感元件，当这类物质受到物理形变时（如水压力变化），它们产生一个与瞬时水压（和地震信号有关）成正比的电压，因此，这种检波器称作压力检波器或水下检波器。还有一种压力检波器通常安置在注满油的塑料软管内，有的作用是将水的压力变化传给检波器内的敏感元件。这类检波器包在海洋电缆（拖缆）内。4涡流地震检波器这是日本OYO公司1984年研制成的一种检波器，其结构见图2-1-3。它是利用惯性部件和固定在机壳里永久磁场作相对运动产生涡流，涡流又使固定在机壳里的线圈感应出电流的原理而制成。一个固定的圆柱形磁铁沿中央轴安装在机壳内，线圈固定地绕在永久磁铁的外面，非磁性可运动的铜制套筒由弹簧悬挂在磁铁和线圈之间构成惯性部件。当机壳被地震振动驱动时，固定在机壳内的永久磁场和铜制套筒之间的相对运动在套筒中形成涡流，涡流的变化率引起次生磁场，变化的磁场在固定的线圈中产生电动势而输出电压。（二）检波器的特性及参数选择要研究检波器的特性，就要分析检波器惯性体所受的作用力，从理论上建立运动方程。因为篇幅有限，这里只引用某些结论。1.阻尼系数的选择动圈式检波器的运动方程为)112......(..................................................2332022tuaitihti式中i表示检波器线圈的输出的电流；h表示阻尼系数（主要与机电耦合系数及阻抗有关）；w0是自然角频率；a是有效灵敏度；u是地面位移。令运动方程的右端为零（既外力消失），可得检波器的暂态响应，其通解表示检波器的固有振动（h≠w0时）)212......(..........]}........)(exp[])exp[(){exp(212022212021twhCtwhChti式中C1和C2为常数。由此可见，检波器固有振动的延续时间由阻尼系数h决定。当阻尼系数h等于检波器的固有频率w0时，上式运动方程的解为i=C1exp（-ht）+C2texp（-ht）。此时，检波器的自由振动介于周期振动与非周期振动之间，惯性体在回到平衡位置后立即停止振动，具有最好的分辨率。所以，h=w0称为临界阻尼，如图2-1-4所示。当hw0时，如果令212201)(hww，则上述运动方程的解为：）twhtCjwtCjwtChti121sin()exp()]exp()exp()[exp(，这时固有振动为衰减的正弦振荡,称为欠阻尼状态.当hw0时会使接收到的振动减弱甚至失真,为过阻尼情况.后两种情况分别见图2-1-4,a和图2-1-4,b应此实际工作中选择h=w0～20w之间.2.频率特性和相位特性在强迫运动的情况下,设地面位移为恒定的谐和运动,则定义动圈式检波器的复频率特性H(w)为检波器输出电压频谱与地面位移速度的频谱之比,并得到)312........(........................................2()(2022）whwjwawwH其振幅频率特性为)412.....(..........]4)[()(212222202h其相位特性为)512.(........................................2)(220wwhwarctgw以上两种特性的曲线族见图2-1-5a和2-1-5b.振幅频率特性曲线族以h/w0为参数,所有曲线都从坐标原点出发,随着频率增高振幅增大,h/w0在0.6以下时,曲线有极大值,而当w趋于∞时,所有曲线都趋于α值(检波器的灵敏度值).应此,检波器具有高通滤波性质.从利用信息的角度,要求在有效波的频带范围内的各个频率分量都不受压制,既希望这个频带内检波器的振幅频率特性曲线为水平状,2-1-5,a中h/w0≈0.7时就是如此,我们把h/w0≈0.7的阻尼系数值叫做最佳阻尼.从图2-1-5,b可见,当频率等于检波器的固有频率时,相位特性曲线族的所有曲线都集中于-π/2处,实际工作中可利用这一特点求取检波器的固有频率.当h/w0≈0.7时,相位特性曲线为过原点的近似直线,这时,不同频率成分有相同的延迟,使波形不产生相位失真.固有频率、阻尼系数、灵敏度是地震检波器的重要参数,它们分别与检波器的弹簧的弹性系数、惯性体的质量、内阻及负载阻抗、机电耦合系数、摩擦系数等有关，一个合格的检波器的这些参数应与出厂时的标定值相符，实际工作中必须测定这些参数，以便确定检波器是否有使用价值。同样，通过建立涡流检波器的运动微分方程，可求得位移输入时涡流检波器得频率特性为:)612.....(..............................))(2()(02024uuwjwhj是机电耦合系数，M是互感系数，R是套筒的电阻，wu为高截止角频率，w0为自然角频率，h为阻尼系数。特性曲线见图2-1-5。涡流检波器的自然频率为17Hz，在20Hz以上频率响应随频率增高其灵敏度线性增大，因此可用于高分辨率地震勘探，实践证明这种检波器对低频干扰和面波等有较强的压制能力，对强波之间的弱反射分辨率较好，但总的灵敏度低于常用的动圈式检波器，对深层反射不利。§2.1.2数字记录设备1965年出现地震信号记录，到1975年初西方国家开始普及。数字记录系统通常装在称为记录站的专用汽车上，由前置放大器、多路采样开关、增益控制放大器、模数转换器、格式编排器、磁带机、回放系统组成。其方框图见图2-1-6。（一）前置放大器和模拟滤波器前置放大器每道一个，它的主要作用是在信号离散化之前提高信噪比除了放大弱信号外，有时地震放大器还要适当对信号进行限幅。通常采用固体电路使之体积很小。与地震检波器电缆相连接的是平衡电路，它可减小与高压线的耦合因而降低工业交流电噪声的影响。然后是低截止滤波器，用于滤除强面波等低频干扰，并防止使第一放大级过载和引入畸变。还有高截止滤波器或除假频滤波器，用于滤除经多路采样开关可能产生假频的高频成分，截止频率为采样频率的1/4。例如，对于2ms采样，合适的除假频截止频率是125Hz。滤除陡度高达每倍频70dB。由于初至波对地表校正有重要用途，所以，应该清楚地观测到初至波，为此，前置放大器要有可选的固有增益。使记录的开始部分强信号到达时具有低的放大倍数，干扰波几乎觉察不到。（二）多路采样开关其功能是按选定的采样间隔将多道连续信号离散为一个时间序列。既按规定的时间间隔依次接通不同的地震道，并将其送到唯一的一个输出道。（三）瞬时浮点增益放大器瞬时浮点增益放大器简称主放，其作用是不畸变地放大120dB以上的高动态范围的信号，它具有增益能自动变化、高速、高精度的特点。瞬时浮点增益控制以二进制增益控制方式为基础，后者的增益变化以6dB阶跃跳变，从一个增益变化的瞬间到下一个变化瞬间放大器增益保持不变，当放大器输出高于或低于某个规定的水平（记录器的满程电压）时，放大器增益突然变为原来值的一半。同时用一定位数记录增益值，有了这种记录信息，就能够恢复原始信号振幅。瞬时浮点增益控制是在二进制增益的基础上发展起来的。它对每个输入信号子样可很快地控制增益的变化，以调节放大器对子样本身达到合适的增益，增益调节的速度达微秒级，所以可以认为是瞬时实现的。其增益调节也不限于6dB，最大可达10μs内变化90dB，增益的变化按的整数次幂跳变，其增益码与数字技术中的浮点表示法的阶码对应，故称瞬时浮点增益控制。（四）模数转换器（A/D）模数转换装置把从放大系统接收到的模拟信号转换为数字形式。每个数字站通常装备一个模数转换装置做所有地震道和辅助道的转换。一个模数转换装置与许多输入之间的协调是利用多路采样装置来实现。多路采样开关是依次把A/D装置与工作道连接的电子开关。对每一道的连接持续一个短的时间间隔，但这段时间足以使A/D装置读取信号振幅并把它转换为二进制，这是由设在多路转换和A/D装置之间的采样保持器完成的。举一个例子来说明多路采样开关工作的速率，如果是50道的仪器，多路采样器在第一个循环时从第1道开始至第50道结束依次连接这些道，第二个循环时重复第1道到第50道，其余类推。这就是说，每一道以一次循环的时间作为采样周期进行采样，对于4ms采样周期而言，道到道的转换时间是1/10ms以内。A/D装置的输出是一系列用二进制数表示的采样值，它们在送入记录系统之前，每个二进制字的各个位被按照规定的格式排列。数据的格式编排之所以必须，是为了使所记录的数据能够被计算机读取。格式编排处理包括把每个二进制字的各位分配在磁带上若干个规定的信息轨上。地震数字记录中普遍格式是：对半英寸磁带来说明7轨或9轨，对一英寸磁带用21轨。格式编排装置除了做各个位的排列外，还产生错误检测位，称为奇偶检验处理。它能够提供两种检验；垂向奇偶检验和纵向奇偶检验。在第一种检验的情况下，格式编排装置根据横向写在磁带上的1的总个数是偶数还是奇数而把1或0的数字放在一特定轨上。在纵向奇偶检验的情况下，则对整个记录长度计算包括在每个轨（7或9或21轨中的）中的1的总个数。在回放过程中，如果所记录的磁带漏掉一个位，奇偶检验就会指示出来。奇偶错误的情况下，用一个专门指令给处理机就可能消除错误的二进制字。（五）磁记录器格式编排装置