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地震仪器数据采集同步技术

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地震 仪器 数据 采集 同步 技术
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  2006 年 9 月                             物   探   装   备 第 16 卷   第 3 期· 专 论 与 综 述 ·地 震 仪 器 数 据 采 集 同 步 技 术潘 中 印 1 3   黄   健 2   张 忠 娅 1   马 启 晓 1(1. 东 方 地 球 物 理 公 司 西 安 装 备 分 公 司 ,陕 西 西 安 710061 ; 2. 新 星 公 司 第 二 物 探 大 队 )摘       要潘 中 印 ,黄 健 ,张 忠 娅 ,马 启 晓 . 地 震 仪 器 数 据 采 集 同 步 技 术 . 物 探 装 备 ,2006 ,16( 3) : 165~ 167“ 采 集 同 步 精 度 ” 反 映 了 所 采 集 的 地 震 数 据 的 真 实 性 ,影 响 地 震 资 料 的 处 理 和 解 释 ,是 当 今 分 布 式 地 震 数 据 采集 系 统 的 一 项 重 要 技 术 指 标 。 野 外 施 工 中 ,仪 器 中 心 记 录 单 元 通 过 有 线 或 无 线 方 式 ,管 理 着 距 其 几 百 米 到 几 千 米范 围 内 分 布 的 地 震 数 据 采 集 单 元 ,进 行 数 据 采 集 、 回 收 和 记 录 ,而 地 震 测 线 上 的 数 十 个 甚 至 数 百 个 采 集 单 元 的 同 步启 动 采 集 尤 显 重 要 。 鉴 于 现 有 的 相 关 技 术 资 料 较 少 ,文 章 以 器 为 例 ,对 有 线 遥 测 地 震 数 据 采 集 系 统 采 用的 “ 采 集 同 步 ” 技 术 进 行 了 较 全 面 的 介 绍 ,供 设 计 人 员 参 考 。关 键 词   地 震 仪 器   数 据 采 集   同 步 技 术 a of 006 , 16( 3) : 165~ 167" of of is an of of to by or in of of on is In of so as an a to   言“ 采 集 同 步 精 度 ” 是 衡 量 当 代 地 震 仪 器 先 进 性 的重 要 指 标 之 一 。 不 同 于 集 中 式 数 字 地 震 仪 器 ,当 代遥 测 地 震 数 据 采 集 系 统 ,典 型 的 如 : 408、 A 、 器 等 ,一 般 均由 车 载 式 中 心 站 系 统 和 大 量 的 、 可 分 布 于 野 外 的 地震 数 据 采 集 单 元 构 成 。 当 其 用 于 野 外 地 震 勘 探 时 ,由 中 心 站 单 元 通 过 有 线 遥 测 控 制 的 方 式 ,对 数 据 传输 电 缆 连 接 的 大 量 的 、 野 外 分 散 布 设 的 地 震 数 据 采集 单 元 实 现 指 令 发 送 、 数 据 同 步 采 集 及 回 收 、 记 带 以及 质 量 监 视 等 功 能 。采 集 时 差 的 产 生当 仪 器 中 心 单 元 向 爆 炸 机 系 统 发 出 起 爆 命 令后 ,便 等 待 编 码 器 发 出 的 钟 时 断 信 号 和 震 源 同 步 系统 译 码 器 的 野 外 时 断 信 号 验 证 时 断 ) 。 确 切 的讲 ,当 仪 器 收 到 验 证 时 断 时 (表 明 炸 药 起 爆 ) ,即 刻 向野 外 采 集 单 元 发 出 采 集 启 动 命 令 ,亦 即 仪 器 采 集 启动 是 以 震 源 同 步 系 统 的 验 证 时 断 为 计 时 开 始 的 。 因此 ,采 集 时 差 的 产 生 主 要 来 源 于 “ 等 待 验 证 时 断 信 号 时 间 ” 和 “ 采 集 启 动 命 令 到 达 采 集 单 元 的 旅 行时 间 ” 。 仪 器 系 统 野 外 工 作 时 序 如 图 1 所 示 。集 中 式 数 字 地 震 仪 器 (如 Ⅴ ) ,地 震 信 号3 潘 中 印 ,1962 年 出 生 ,1983 年 毕 业 于 江 汉 石 油 学 院 仪 器 专 业 ,现 在 东 方 地 球 物 理 公 司 西 安 装 备 分 公 司 从 事 地 震 装 备 的 研 究 、 制 造 工 作 。© 1994                                            物   探   装   备 2006 年图 1   仪 器 系 统 震 源 同 步 控 制 时 序 示 意 图(模 拟 信 号 )以 多 路 并 行 的 形 式 接 入 仪 器 中 心 单 元 ,地 震 信 号 实 时 地 经 各 自 地 震 道 的 放 大 、 滤 波 ,被 多 路转 换 开 关 定 时 选 择 、 转 换 ,并 行 模 拟 信 号 转 换 成 了 按时 序 采 集 的 串 行 子 样 电 平 ,并 送 至 瞬 时 浮 点 放 大 器和 行 后 续 处 理 。 因 此 ,集 中 式 地 震 仪 器 的数 据 采 集 是 一 种 脉 冲 编 码 调 制 ( 过 程 ,其 相 邻地 震 道 的 采 集 时 差 是 多 路 转 换 开 关 从 “ 闭 合 ” 到 “ 断开 ” 的 转 换 时 间 引 起 的 。 例 如 , Ⅴ 数 字 仪 器 模拟 箱 并 行 输 入 64 道 信 号 (60 个 地 震 道 + 4 个 辅 助道 ) ,当 系 统 采 样 率 为 2 ,相 邻 道 的 采 集 时 差 约为 31. 25μ s ,第 1 道 与 第 64 道 时 差 最 大 达 到 2 常 集 中 式 数 字 地 震 仪 器 造 成 的 最 大 采 集 时 差是 仪 器 设 置 的 系 统 采 样 间 隔 的 时 间 。对 于 分 布 式 地 震 数 据 采 集 系 统 ,当 中 心 站 向 野外 分 布 的 数 据 采 集 单 元 发 送 一 个 控 制 字 后 ,野 外 分布 的 数 据 采 集 单 元 和 连 接 它 们 的 地 震 数 传 电 缆 都 将对 经 过 它 们 的 数 据 传 输 控 制 字 产 生 一 定 的 延 迟 ,数据 采 集 单 元 不 能 同 时 在 某 一 时 刻 收 到 该 控 制 字 。 因此 ,距 离 中 心 站 最 近 的 采 集 单 元 和 最 远 的 采 集 单 元收 到 控 制 字 的 时 差 会 有 若 干 毫 秒 ,如 果 采 集 单 元 按各 自 收 到 控 制 字 的 时 刻 开 始 数 据 采 集 ,则 必 将 导 致数 据 采 集 的 不 同 步 。分 布 式 地 震 数 据 采 集 系 统 同 步 启 动 时 差 主 要 取决 于 采 集 单 元 对 控 制 字 的 转 发 时 间 和 数 传 电 缆 的 传输 延 迟 时 间 。以 法 国 司 震 数 据 采 集 系 统为 例 ,地 震 交 叉 线 数 传 电 缆 400 m/ 条 ,大 线 数 传 电缆 330 m/ 条 ,加 长 线 数 传 电 缆 800 m/ 条 。 常 规 数 传电 缆 直 流 阻 抗 140Ω / 对 数 据 传 输 控 制 字 产 生 的延 迟 为 5 m ; 数 据 采 集 单 元 转 发 数 据 传 输 控 制 字的 时 间 约 1~ 2μ s , 408 仪 器 采 集 站 时 间 延迟 主 要 由 其 内 部 的 发 器 产 生 ,可 达到 1. 5μ s。设 选 择 使 用 单 站 6 道 采 集 站 、 55 m 道 间 隔 的 数传 电 缆 (330 m/ 条 ) ,当 野 外 布 置 一 条 1000 道 的 2 测 线 时 ,测 线 总 长 度 将 达 到 55 即 :1 条 交 叉线 数 传 电 缆 ,约 167 个 采 集 站 和 167 条 大 线 电 缆 ) 。计 算 可 得 ,最 远 端 采 集 站 收 到 控 制 字 约 需 528. 05μ 间 ;而 且 当 野 外 布 置 3D 地 震 测 线 时 ,还 必 须 考虑 多 条 交 叉 线 数 传 电 缆 和 加 长 线 数 传 电 缆 等 因 素 。同 步 采 集 的 基 本 原 理采 集 通 道 电 路 设 计它 与 以 往 地 震 采 集 通 道 电 路 设 计 的 最 大 区 别 在于 增 加 了 延 迟 存 储 器 电 路 模 块 (见 图 2) 。 地 震 数 据采 集 通 道 电 路 主 要 由 输 入 滤 波 器 、 前 置 放 大 器 、Δ 2Σ 制 器 ) 、 延 迟 存 储 器 (循 环 存 储 器 )和 模 块 组 成 。图 2   采 集 通 道 电 路 原 理 框 图延 迟 存 储 器 是 采 集 通 道 电 路 的 关 键 器 件 之 一(见 图 3) ,它 具 有 三 大 功 能 :1) 用 于 数 字 信 号 处 理 ;2) 消 除 采 样 扭 曲 (误 差 ) ,实 现 数 据 采 集 同 步 ;3) 实 现 不 同 的 去 假 频 滤 波 器 。图 3   延 迟 存 储 器延 迟 存 储 器 容 量 : 集 站 为 256 集 站 为 128 调 制 器 的 1 数 据 位 流 速 率 为 320 k 周 期 3. 125μ s) ,则 集 站 延 迟 存 储 器 记录 过 去 的 数 据 最 大 时 间 为 :128 × 1024 × 3. 125μ s = 409. 6 产 生 原 理在 采 集 单 元 收 到 中 心 站 启 动 采 集 命 令 之 前 的 特© 1994   第 16 卷   第 3 期 潘 中 印 等 : 地 震 仪 器 数 据 采 集 同 步 技 术 167    定 时 间 内 (包 含 有 “ 等 待 验 证 时 断 信 号 时 间 ”和 “ 采 集 启 动 命 令 到 达 采 集 单 元 的 旅 行 时 间 ” ,且 同步 延 迟 T 值 随 采 集 单 元 在 测 线 上 位 置 的 变 化 而 变化 ) ,选 择 器 选 定 “ 写 地 址 ” 为 写 数 据 对 应 地址 (“ 写 地 址 ” 与 调 制 器 的 1 数 据 位 流 速 率 一 一对 应 ) ;在 读 取 据 时 (有 效 数 据 或 状 态 向 中心 站 传 输 ) ,选 择 器 选 定 “ 读 地 址 ” 为 读 数 据对 应 地 址 (“ 读 地 址 ” 值 与 选 择 的 滤 波 器 的 类型 有 关 ,“ 读 地 址 ” 值 等 于 “ 写 地 址 ” 值 减 去 对 应 的 地址 偏 移 值 ) 。延 迟 存 储 器 址 产 生 电 路 见 图 4 所 示 。图 4   延 迟 存 储 器 地 址 产 生 电 路 原 理 图确 定 采 集 单 元 收 到 控 制 字 的 时 间在 中 心 站 对 系 统 执 行 “ 功 能 期 间 ,也即 仪 器 系 统 选 取 有 效 排 列 部 分 的 时 间 内 (确 定 野 外采 集 站 的 时 间 ) ,中 心 站 综 合 野 外 采 集 站 选 择 的 滤 波器 类 型 (滤 波 器 脉 冲 延 迟 )和 中 心 站 建 立 地 震 排 列 过程 中 ,测 试 获 得 的 与 每 一 个 采 集 单 元 的 通 讯 时 间 ,由此 得 出 每 一 个 采 集 单 元 收 到 控 制 字 的 时 间 。同 步 采 集 控 制当 中 心 站 收 到 野 外 震 源 的 时 断 信 号 “ 时 (表明 炸 药 已 经 起 爆 ,仪 器 采 集 系 统 应 当 同 步 接 收 地 震信 号 ) ,即 刻 向 分 布 的 野 外 数 据 采 集 单 元 送 出 “ 系 统启 动 采 集 ” 的 命 令 。 由 于 数 传 电 缆 的 传 输 延 迟 和 采集 单 元 对 控 制 字 重 采 样 、 整 形 和 转 发 电 路 的 延 迟 ,野外 分 布 的 采 集 单 元 不 能 在 同 一 时 刻 收 到 “ 系 统 启 动采 集 ” 的 命 令 。 为 保 证 野 外 分 布 的 数 据 采 集 单 元 同步 启 动 ,采 用 如 下 控 制 方 法 :当 中 心 站 执 行 测 线 布 置和 检 测 后 (例 如 ,操 作 员 执 行 “ 功 能 ) ,仪器 系 统 选 取 有 效 排 列 部 分 ,此 时 ,被 选 取 的 有 效 排列 部 分 的 数 据 采 集 单 元 即 启 动 数 据 采 集 ,这 种 采 集工 作 持 续 时 间 包 含 了 采 集 单 元 对 应 的 时 间 。这 些 采 集 的 数 据 通 过 地 震 数 据 采 集 通 道 的 输 入滤 波 、 制 器 ,以 320 k 率 、 1 数 据 位流 的 形 式 存 储 于 延 迟 存 储 器 中 ,再 经 过 理 ,显 示 在 中 心 站 人 机 交 互 显 示 器 上 ,但 并 不 做 磁 带 记录 。 该 延 迟 存 储 器 循 环 存 储 ,并 始 终 保 持 最 大 时 间差 内 采 集 的 地 震 数 据 。 408 仪 器 总 是 保 存有 约 410 数 据 。在 分 布 的 野 外 采 集 单 元 收 到 “ 系 统 启 动 采 集 ” 命令 时 ,各 采 集 单 元 已 经 在 延 迟 存 储 器 存 储了 包 括 包 含 有 “ 等 待 验 证 时 断 信 号 时 间 ” 和“ 采 集 启 动 命 令 到 达 采 集 单 元 的 旅 行 时 间 ” 内 采 集 的有 效 的 地 震 数 据 ;接 着 完 成 仪 器 系 统 采 集 长 度 时 间内 的 剩 余 采 集 。在 无 线 通 讯 方 式 下 ,对 目 前 常 规 野 外 爆 炸 机 系统 (如 300 系 列 爆 炸 机 系 统 ) 的 实 际 测 试 结果 [2 ]表 明 :译 码 器 高 压 放 电 (即 译 码 器 的 验 证 时 断 )相 对 编 码 器 的 钟 时 断 平 均 延 迟 量 为 0. 83 编 码器 收 到 译 码 器 的 验 证 时 断 时 间 延 迟 为 1. 95 即中 心 站 发 出 “ 点 火 ” 命 令 到 收 到 验 证 时 断 的 时 间 大 于2 器 中 设 计 的 中 心 站 单 元 从 收 到 时 断信 号 “ 到 发 出 采 集 命 令 的 延 迟 时 间 窗 口 为 20 ±7. 9μ s。结 束 语408 震 数 据 采 集 系 统 在 采 集 通 道增 加 了 数 据 循 环 存 储 设 计 ,较 好 地 解 决 了 数 传 电 缆的 传 输 延 迟 、 分 布 采 集 单 元 的 电 路 转 发 延 迟 等 主 要因 素 造 成 的 非 同 步 采 集 等 问 题 。参 考 文 献1   司 . 408 廖 声 刚 ,陈 友 祥 . 300 同 步 系 统 延 迟 时 间 的 分 析 . 物探 装 备 ,2005 ,15 (4)收 稿 日 期 :2006202222© 1994
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