第四章 地震数据采集系统及 相关技术

第四章 地震数据采集系统及相关技术

第一节 地震数据采集系统组成

地震勘探技术、电子技术、计算机技术及信息技术共同推动了地震数据采集仪器的不断发展和更新换代，共经历了模拟光点地震仪、模拟磁带地震仪、集中式数字地震仪和分布式遥测地震仪。

一、 集中式地震数据采集系统：

上个世纪70年代中期，数字地震仪的出现，把地震勘探带入了一个崭新的时代， 出现了以DFS －V 和SN338为代表的集中式数字地震仪。集中式地震数据采集仪器成功用于野外地震勘探约20年。

集中式地震勘探数据采集系统的最大特点是：采用IFP 与14位逐次逼近型A/D 转换器，IFP 采用3～4位增益码，A/D 转换器采用15位（1位符号位，14位尾数）逐次逼近型，集中式数字地震仪动态范围理论上可达168dB ，但实际考虑仪器噪声等因素的影响，仪器的系统动态范围一般不超过120dB 。

()20log DR =⨯记录的最大不失真电平

理论（dB ）

最小有效电平

()max min ()20log 6DR G G n =⨯+⨯理论

()20log

DR =⨯记录的最大不失真电平

系统（dB ）仪器系统等效输入噪声电平

其中：min max ~G G 为IFP 放大器的增益范围，n 为模数转换器的位数。

二、分布式遥测地震数据采集系统

把数据采集系统中的放大器、滤波器、A/D转换器、数据传输控制逻辑以及整个控制用CPU做在一个小箱体内，称为“采集站”，将采集站放置在检波点

上，每个采集站用小线与1～8道检波器连接，各采集站用数字大线或以无线方式与中央控制主机相连，构成分布式（Distributed）数据采集系统。

⒈由于受到采样间隔和大线重量的限制，集中式地震仪生产道数一般不超过120道，适应不了三维地震勘探对道数的要求。而分布式遥测地震仪的道数可达到上千道甚至上万道，完全能够满足三维地震勘探的需要。

⒉集中式数字地震仪的检波器通过大线与采集系统连接，由于大线上传输的是模拟信号，传输的距离又比较远，因此，信号易受各种干扰因素的影响。而遥测地震仪的采集站与中央控制主机之间传输的是数字信号，采集站和记录主机可以灵活组合，可以大大降低信号传输过程中各种干扰因素的影响。

根据遥测地震仪采集站所采用的电路结构形式，采集站又分为早期IFP型采集站和当代24位Δ-∑A/D型采集站。

1、IFP型采集站

典型的代表仪器是法国舍塞尔公司的SN368型地震仪。IFP型采集站的内与集中式地震数据采集系统基本相同，只是采集站的道数一般为6～8道，可以使检波器通过较短距离的小线就近接入采集站。采集站中的控制部分一般由CPU

完成，控制功能主要包括对前置放大器增益、滤波器的选择、多路采样开关切换、浮点放大器、A/D 转换器、数据存储以及数据传输接口的控制。

2、24位Δ-∑A/D 型采集站

典型的代表仪器是美国I/O 公司的SYSTEM 2、SYSTEM 2000型地震仪、法国舍塞尔公司的SN 388、408UL 型地震仪。

24位Δ-∑A/D 型采集站与IFP 型采集站相比，它具有如下特点： （1） 地震检波器拾取的信号只经过一级前放后，直接和24位Δ-∑A/D 转换器连接，模拟信号传输通道大大缩短，有利于降低信号失真度、提高信噪比； （2）省略了电模拟滤波器，所有滤波均由后续高性能数字滤波器实现，这样在简化硬件电路的同时提高了滤波性能；

（3）动态范围理论上达到138dB ，考虑各种因素的影响，系统动态范围接近120dB ，可以满足高分辨率地震勘探对动态范围的要求；

（4） 由于采集站电路结构简单，所用器件可以采用高度集成化的低功耗通用器件，大大降低了采集站的整体体积和功耗，并可以达到较高的性价比。

第二节 瞬时浮点放大技术

一、瞬时浮点放大器（IFP 放大器）的功能

⒈提高信号的记录精度

因为针对较小的子样电压，IFP 放大器将对其采用较大的增益进行放大，之后再进行A/D 量化工作，因此可以降低A/D 量化的相对误差。

⒉扩大了仪器的动态范围

数据 指令

IFP 放大器的增益是根据被放大的子样幅值来确定的，因此它具有一定的变化范围（min G ～max G ）。与模数转换器联合考虑后，仪器的动态范围为：

()max min 20log 6DR G G n =⨯+⨯

一般A/D 位数14=n ，0min 2G =，14max 2G =，代入上式计算得dB DR 168=。 三、 IFP 放大器实例（衰减型IFP 放大器） ⒈衰减型IFP 放大器组成及原理

这是一种以最大固定增益（142）放大同时配以适当衰减来完成增益调整的 IFP 放大器，主要代表仪器为DFS －V 。1A 是输出缓冲级；2A 、3A 和4A 为基本放大级，增益均为23.68。5A 、6A 和7A 为由电阻网络及开关组成的衰减器，改变衰减系数可以达到调整增益的目的。

当IFP 输出大于窗口电平上限时，比较器发出I=0和D=1，增益调整计数器减1计数一次，控制衰减系数增大22，增益减小22；当IFP 输出小于窗口电平下限时，比较器发出I=1和D=0，增益调整计数器加1计数一次，控制衰减系数减小22，增益增加22；当IFP 输出电平处于窗口电平之内时，增益比较器发出I=0和D=0，增益调整计数器不计数，衰减系数不变，增益也不变。

DFS －Ⅴ地震仪IFP 放大器从02开始，共进行八次放大、比较和调整，增

益变化台阶为22，放大、比较和调整是逐次进行的。

表 4-6 衰减系数与IFP 增益

⒉增益比较器电路分析

A 1为放大器，增益为0.5-，A 2~A 5为过零比较器。，E 为浮点放大器输出的

的子样电压，则输入到A 2～A 5的电压为2

E

-

。A 2和A 4还输入+15V 标准电压，A 3和A 5输入－15V 的标准电压，子样电压和标准电压经权电阻在比较器入口作

计数器状态 衰减系数

IFP 增益

Q C Q B Q A A 5 A 6 A 7 0 0 0 26 24 24 20 0 0 1 24 24 24 22 0 1 0 22 24 24 24 0 1 1 20 24 24 26 1 0 0 20 22 24 28 1 0 1 20 20 24 210 1 1 0 20 20 22 212 1

1

1

20

20

20

214

DECREASE

E