地震儀器技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展方向及存在問題概述

寇海龍 石添 尹雷剛 唐春華

摘要：隨著計(jì)算機(jī)、通信、電子及制造技術(shù)的發(fā)展，地球物理勘探儀器也進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展時(shí)代，有線儀器、無線儀器、無纜儀器、節(jié)點(diǎn)儀器、地震數(shù)據(jù)采集平臺(tái)等具有一定特性、能夠解決地球物理勘探中某些特定問題的各類儀器層出不窮。然而，隨著地球物理勘探技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，特別是“兩寬一高”、低成本、全地表無縫勘探的推進(jìn)，地震儀器卻顯得有些力不從心。面對(duì)超大道數(shù)、寬頻帶、寬方位的全波數(shù)據(jù)采集以及高效率、低成本并能適應(yīng)各種地質(zhì)條件的物探作業(yè)需求，地震儀器何去何從已經(jīng)成為一個(gè)極為棘手的難題。

關(guān)鍵詞：地震儀器；技術(shù)現(xiàn)狀；發(fā)展方向；存在問題

1地震測(cè)試儀總體構(gòu)架

1.1.1主控電路

當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊和電腦主板需要進(jìn)行通信或者其他的控制功能時(shí)，他們需要通過上述的主控電路進(jìn)行通信，而主控電路的具體功能主要分為以下幾個(gè)部分：

（1）上位機(jī)通信。以RS232串口通信模塊為核心，當(dāng)有命令來自上位機(jī)的控制電路時(shí)，通信模塊將命令送至主控電路并分析，并將來自上位機(jī)的命令傳至數(shù)據(jù)采集模塊，這樣最終會(huì)實(shí)現(xiàn)采集電路功能。

（2）數(shù)據(jù)傳輸。采集電路板的采集電路數(shù)據(jù)。使用低電壓差分信號(hào)向主控電路傳送數(shù)據(jù)，低壓差分信號(hào)不僅可以有效的降低數(shù)據(jù)的誤碼，并且能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。隨后將上述采集到的數(shù)據(jù)送至主控芯片進(jìn)行處理，通過UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議進(jìn)行無需連接的，盡最大可能傳輸數(shù)據(jù)流程，將數(shù)據(jù)傳送到PCo這里要稍微的介紹一下LUDS數(shù)據(jù)傳輸方式，這種信號(hào)傳輸模式是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司提出的，是一種電平標(biāo)準(zhǔn)。LUDS可以獲得如此高的關(guān)注是因?yàn)檫@種技術(shù)使用低壓差分信號(hào)并可以實(shí)現(xiàn)高速傳輸信號(hào)，除此之外，它還能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳輸，在當(dāng)今地震工程測(cè)試儀中具備極大的優(yōu)勢(shì)。正因?yàn)槠涫褂玫蛪翰罘中盘?hào)傳輸數(shù)據(jù)，所以電路功耗就會(huì)很低，因?yàn)楣呐c電壓的平方成正比；而差分信號(hào)可以顯著的降低信號(hào)傳輸過程中的誤碼率，并可以降低信號(hào)線之間的串?dāng)_。通常來說，一般采用PCB版上的銅線作為L(zhǎng)UDS信號(hào)的傳輸線，除此之外，也有使用同軸電纜來傳輸信號(hào)。

（3）模擬觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)被電源電路接收時(shí)，主控電路會(huì)向提前連接好的四塊數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集信號(hào)，從這時(shí)起，數(shù)據(jù)采集模塊開始監(jiān)測(cè)各種地震信號(hào)。

1.1.2數(shù)據(jù)采集

通常來說，采集到的信號(hào)一般為模擬信號(hào)，而FPGA芯片只能處理數(shù)字信號(hào)，所以A/D轉(zhuǎn)換模塊是必須需要的，這里使用ADS1274作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，ADS1274是一個(gè)具有24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)收集到模擬信號(hào)時(shí)，通常會(huì)對(duì)收集到的信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行編碼，隨后再使用低壓差分信號(hào)將收集到的編碼傳送至數(shù)據(jù)處理模塊。

除了正常的收集模擬信號(hào)外，通常還會(huì)使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通道自檢，在這里使用CS4334數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，這個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以輸出正弦信號(hào)或者正弦信號(hào)進(jìn)而傳送到AD采集通道以檢測(cè)設(shè)計(jì)的電路是否符合設(shè)計(jì)需要。

使用兩個(gè)串口模塊對(duì)上位機(jī)模塊進(jìn)行控制，其中串口一是控制LCD屏幕以及其他設(shè)備的輸入輸出狀態(tài)；而串口二控制數(shù)據(jù)采集模塊的工作命令及各種工作方式。除此之外，USB接口將接入輸入設(shè)備。

1.2電源模塊

（1）電壓轉(zhuǎn)換電路。由于電源為12V，而其他的芯片工作電壓各不相同，比如有的芯片工作在5V，也有部分芯片工作在3V，因此需要相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換電路將12V的電源轉(zhuǎn)換成合適的工作電壓。（2）整形電路。電源輸出的電壓不可避免的會(huì)存在各種噪聲和紋波，而將這些不需要的噪聲去除就需要整形電路。

2目前地震儀器發(fā)展存在的問題

2.1地震信號(hào)的記錄能力方面

就地震儀器而言，目前地震儀器普遍采用Δ-Σ技術(shù)的24位或32位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化地震信號(hào)調(diào)理電路，降低儀器本身噪聲，使地震儀器的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了120dB以上。相對(duì)來講數(shù)據(jù)采集的性能指標(biāo)水平較高，考慮到電子產(chǎn)品制作工藝及地球物理勘探中地震信號(hào)的特征，特別是考慮地球?qū)Ω哳l信號(hào)的快速衰減及高次數(shù)疊加的勘探方法，可以通過對(duì)有效信號(hào)的放大來相對(duì)降低地震儀器的噪聲水平，充分利用24位ADC的特點(diǎn)，達(dá)到提高記錄精度并且擴(kuò)展頻寬的目的。但如何兼顧高頻小信號(hào)和低頻大信號(hào)是目前地震儀器攻關(guān)的課題。

就檢波器而言，目前物探行業(yè)5Hz等低頻檢波器與10Hz高精度檢波器相比，存在靈敏度低、容差大、假頻低、使用壽命短、故障率高等問題。限于結(jié)構(gòu)的原因，再往低頻擴(kuò)展恐難適應(yīng)大道數(shù)采集所需的高精度、穩(wěn)定性和低成本等的要求。而采用普通動(dòng)圈式檢波器進(jìn)行本地?cái)?shù)字化的加速度檢波器（例如GAC檢波器）而言，往低頻擴(kuò)展的寬度有限，而且只能單點(diǎn)采集作業(yè)，存在目前單點(diǎn)采集所遇到的問題（例如信噪比問題）。數(shù)字反饋結(jié)構(gòu)的MEME數(shù)字檢波器理論上頻率可以到DC，但目前同樣存在只適用于單點(diǎn)采集、畸變指標(biāo)大于-100dB、穩(wěn)定性和故障率欠佳等問題。

2.2綜合應(yīng)用能力

綜合應(yīng)用能力主要是與影響作業(yè)效率、運(yùn)營(yíng)成本等應(yīng)用方面的綜合性能指標(biāo)相關(guān)聯(lián)，主要體現(xiàn)在施工作業(yè)部署簡(jiǎn)單、操作靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、故障率低、作業(yè)周期短（如：盡可能快地完成數(shù)據(jù)的收集，并提交采集數(shù)據(jù)成果）等提高作業(yè)效率方面；體積小、重量輕、工作時(shí)間長(zhǎng)（功耗低）等可以減少野外作業(yè)人員和運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁?，以便降低?shù)據(jù)采集作業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本和HSE風(fēng)險(xiǎn)；地震儀器設(shè)備購置成本低、工作壽命長(zhǎng)能夠直接降低勘探項(xiàng)目的資金投入、并且快速回收投資，將極大地推動(dòng)高密度、高精度、寬方位的超大道數(shù)采集作業(yè)，畢竟當(dāng)采集道數(shù)達(dá)到百萬道時(shí)，其設(shè)備的直接投資成本將超過6億人民幣（按600元/道計(jì)算）。

要提高地震儀器的綜合應(yīng)用能力，目前重點(diǎn)需要考慮與大道數(shù)密切相關(guān)的以下問題：

（1）首先是如何降低設(shè)備成本：作為應(yīng)用于野外的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，除了滿足數(shù)據(jù)采集的基本要求外，還需要重點(diǎn)考慮穩(wěn)定可靠性、考慮防水、防跌落、抗干擾、重復(fù)移動(dòng)應(yīng)用等多種附加設(shè)計(jì)。

（2）如何降低設(shè)備功耗：野外采用電池供電的設(shè)備意味著工作時(shí)間長(zhǎng)，在保證冗余的能力下，不僅可靠性要提高，其它如方便操作的功能卻有增無減。

（3）如何進(jìn)一步提高穩(wěn)定可靠性：包括故障的快速定位以及降低故障的相互關(guān)聯(lián)度。

（4）如何實(shí)現(xiàn)全地表的大面積高效作業(yè)：目前地震儀器向地震數(shù)據(jù)平臺(tái)方向發(fā)展，區(qū)域式的有線、無線、節(jié)點(diǎn)混合采集可能是降低成本和風(fēng)險(xiǎn)的地震數(shù)據(jù)采集作業(yè)模式，但這種采集模式在實(shí)際應(yīng)用中如何實(shí)現(xiàn)各區(qū)域數(shù)據(jù)的快速接入將是重點(diǎn)。

（5）各種特色傳輸技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步發(fā)展或提高：有線傳輸技術(shù)如何在低功耗下提高傳輸速率，并且降低對(duì)數(shù)傳電纜性能的要求；無線傳輸技術(shù)如何在低功耗下提高傳輸速率和傳輸距離，提高抗干擾（包括多路徑干擾）能力；自主采集（節(jié)點(diǎn)儀器）作業(yè)技術(shù)方面，如何降低地震數(shù)據(jù)采集缺失風(fēng)險(xiǎn)（例如采用狀態(tài)信息監(jiān)控、進(jìn)一步提高采集部件穩(wěn)定可靠性、形成數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制），進(jìn)一步延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作時(shí)間、降低設(shè)備成本、加強(qiáng)采集設(shè)備自動(dòng)化管理能力等。

總之，地震儀器的發(fā)展動(dòng)力來自于物探技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)，也來自于對(duì)物探技術(shù)推動(dòng)的愿望，并且受全球經(jīng)濟(jì)狀況的影響。然而，地震儀器更新?lián)Q代的根本卻來自于技術(shù)的創(chuàng)新。社會(huì)基礎(chǔ)學(xué)科或相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展起來的技術(shù)都有其特定的應(yīng)用條件和解決問題的針對(duì)性和局限性。只有深入了解市場(chǎng)、了解需求、分析問題并且結(jié)合相關(guān)前沿技術(shù)的跟蹤和研究，才能開拓物探裝備新的未來。

參考文獻(xiàn)

[1]易碧金，穆群英，巖巍等.地震勘探儀器發(fā)展的機(jī)遇、挑戰(zhàn)及研發(fā)分析與展望.物探裝備，2016，26（6）：351-357.

[2]甘志強(qiáng)等.Hawk自主式節(jié)點(diǎn)儀器性能分析與探討.物探裝備，2015，25（1）：9-13，47.

[3]羅利彬等.UniQ采集系統(tǒng)分析.物探裝備，2015，25（1）：5-8.

（作者單位：中石化石油工程地球物理有限公司南方分公司）