轻便浅层地震可控震源的研制

轻便浅层地震可控震源的研制Ξ

陈祖斌　林　君　于生宝　张子三

(吉林大学电子科学与工程学院　长春　130026)

摘要　轻便浅层地震可控震源是一种用于浅层地震勘探的激震设备,其主要作用是根据野外的实际勘探目标所确定的参数输出严格控制的Ch irp信号。在此,系统地阐述了轻便浅层地震可控震源的工作原理、系统构成及技术特点等。并针对野外浅层地震勘探的特点和要求,进一步探讨了基于直接数字合成(DD S)的任意波形发生器(AW G)的设计、扫描信号相位实时控制等问题。

关键词　可控震源　地震勘探　直接数字合成　实时控制

The D evelopm en t of Portable Sha llow Se is m ic V ibra tor

Chen Zub in　L in Jun　Yu Shengbao　Zhang Zisan

(D ep.of E lectronic S cience and E ng ineering,J ilin U niversity,Chang chun130026,Ch ina)

Abstract　T he po rtable shallow seis m ic vibrato r(PSSV)is a k ind of vibrati on source fo r engineering detecti on and shallow seis m ic survey.M ain functi on of PSSV is to generate a Ch irp signal w ith strictly contro lled param eters. T he w o rk ing p rinci p le,constituti on and technical features of PSSV are studied system atically.A cco rding to the characteristic and dem and of the field shallow2layer seis m ic exp lo rati on,further mo re the design of arbitrary w avefo rm generato r(AW G)based2on direct digital synthesis(DD S)and the real2ti m e contro l of s w eep signal are discussed.

Key words　V ibrato r　Seis m ic exp lo rati on　D irect digital synthesis(DD S)　R eal2ti m e contro l

1　引 言

震源是地震勘查技术的重要组成部分,是产生地震信号的源头,震源的信号质量直接影响地震勘查效果。由于爆炸震源所具有的破坏性以及信号的不可重复性,使人们早在50年代以前就开始研究非炸药震源。可控震源系统就是一种比较成功的非炸药震源[4][6],其设计思想来源于Ch irp雷达技术,其基本原理如图1所示。扫描信号通过激震器送入地下,该信号经过地下介质反射后由置于地表的地震仪记录,在理想状态下,记录信号x(t)可以用一个卷积过程描述[5]: x(t)=s(t)3r(t)(1)式中　s(t)——扫描信号

r(t)——大地反射及传输特性

3——卷积

在反射时间内,x(t)通常以扫描信号s(t)经过延伸和延时以后的形式出现。在可控震源的信号处理中,对记录信号x(t)和扫描信号s(t)进行互相关处理,得到地震剖面上的记录y(t),从数学角度考虑,该过程可以表示为:

y(t)=x(t) s(t)(2)式中, 代表相关,将(1)式代入(2)式,可以得到:

y(t)=[s(t) s(t)]3r(t)(3)式中　s(t) s(t)——扫描信号的自相关函数

(3)式说明可控震源地震剖面上的记录是经大地反射系数和传输特性修整之后的扫描信号的自相关函数的集合。通过对比互相关结果y(t)与自相关函数s(t) s(t)在时间轴上的时间差∃T,并结合地层介质的速度参数,便可了解地下反射层的具体构造,进而达

第24卷第3期 仪　器　仪　表　学　报 2003年6月Ξ本文于2001年7月收到。

到地震勘探的目的。图1　轻便高频可控震源地震勘探原理

基于上述原理,本文设计完成了支持任意波形扫描的高频可控震源系统。提出了基于DD S 扫描技术和高频电磁驱动的震动系统,并探讨了系统在扫描过程中信号相位实时控制器技术,以满足复杂地表条件下可控震源激励与地表响应的相位同步要求。

2　可控震源系统设计

在高频可控震源系统结构设计中,采用了激震器与电控系统分离的结构形式,图2给出了可控震源整体结构图[2]

,其主要技术指标如下:

・最大输出信号:40A ・工作频率:5～1400H z

・扫描方式:支持线形、非线形及任意波形扫描・重量:125kg (此为PHV S (Po rtable H igh 2fre 2

quency V ibrato r System )-500型的质量,其中主控机

箱为35kg ,激震体为90kg )

・相位同步精度:<±3°

(1400H z 时的控制精度)・探测能力:可获得深度数米到500m 以内界面

的反射波。

图2　可控震源整体结构原理框图

2.1　信号发生卡

考虑到系统扫描方式的需要[3]

,采用了直接数字

合成技术[7]

设计了多功能信号发生卡。直接数字合成器具有频率切换时间短、频率分辨率高以及相位变化连续等特点,基本原理如图3所示。对于正弦信号,当采样周期为∃t =1 f c 时,每个采样周期相应的相位增

量为:

∃Η

=F r ・(2Π 2L

)(4)

式中　L ——相位累加器的位数

F r ——频率控制字

则输出信号的频率为:

f 0=

Ξ2Π=∃Η∃t ・12Π

=F r ・f c 2L

(5)其频率分辨率,即F r =1时的输出频率为:

∃f =f c

2L

(6)

根据N yquist 准则,DD S 允许输出频率最高为

f c

2,即F r ≤2L -1

,实际中受L PF 限制,一般f 0m ax ≈

40%・f c

。

图3　DD S 技术基本原理图

由于以上DD S 技术只能输出单一幅度的信号,难以满足实际扫描工作的需要,因此在DD S 的输出端又设计了如图4所示的信号幅度调节电路。这样DD S

AD 9850的数字信号经过DA C 0832和运放的数模转

换以后,再由8位DA C 0808对其幅度进行调节,从而使信号发生卡输出的信号能够进行256级的幅度精确

控制。

图4　信号发生卡实现幅度调节的电路原理图

2.2　伺服系统

伺服系统主要由一块带有Pentium 233CPU 的高性能工控机主板充当,并与震动传感器和数据采集卡等部件构成闭环控制系统,在实现扫描波形输出的同时,它首先根据当前设定的系统工作环境以及由从激震器的基板和反应块反馈回来的信号,对信号发生卡输出的信号幅度进行实时控制,实现震源基板与地表的不脱耦控制;其次,通过系统触发单元,向地震波接

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