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当代地震勘探仪器应用技术介绍

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当代 地震 勘探 仪器 应用技术 介绍
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东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍中油集团东方地球物理公司高级仪器师技术培训班地球物理勘探仪器-原理与应用技术介绍易碧金( 3931209189 0 0 5 年 11月东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍内容提要1.概述(地震仪原理及为什么地震仪总是使用先进技术)2.地震仪结构与使用状况分析常用仪器 (408术特点3.常用地震仪采用的先进技术分析(络遥测、多进制数字调制、蜂窝以及 4.地震仪的发展趋势展望东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍内容提要1. 概述2.地震仪结构与使用状况分析3.常用地震仪采用的先进技术分析4.地震仪的发展趋势展望东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍的传播与 转换地球物理勘探基本原理不同的介质中有不同的速度 同 的 转换点传播回地表,到达同 一个 地表位置地震波在传播时 :各个不同的地质界面会引起发射 /折射 /绕射、不同的介质有不同的速度等特征。地震波的信息,可以描绘地质特征。如:岩石特性数据、岩性识别、 流体辨识 、裂缝与应力的识别及描述记录地震波 球物理勘探仪器及其应用技术介绍1 2 1112灵活的施工方法示意图:东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍常规或模拟输出检波器数据采集( 常规或模拟输出检波器 )数据采集示意图集、测试控制,是野外采集系统的大脑;并且对采集到的地震数据进行监视、分析、和转储传输主机指令,和采集的数据。 对常规检波器输出的模拟信号进行滤波、整形、 储、传输。 接收主机指令,控制接收传感器(检波器)工作。地震信号转换为模拟电信号并借助模拟电缆传送到 A/规检波器限制了勘探的精度)数传电缆或电台模拟数字混合电缆。地震仪器的功能:对检波器接收的地震信号:进行调整、滤波、放大、 A/输、存储和记录东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍因此地震仪总是使用先进技术- 仪器发展的原因勘探不断发展,地震勘探设备需要与之适应地区、勘探性质仪器伴随着新技术的推广和完善而不断更新仪器是集先进技术为一体的综合系统一、概述东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍地震仪发展历史分布式遥测地震仪 :光点记录仪: 751多道集中式数字仪器: I/O , I,408方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍地震仪器采集技术的发展采集技术的发展:浮点系统:最大道能力 :240 @2点: 4或 16位的 A/D、模拟高切、低切。动态范围 8360道多路开关浮点放大 量化单位 2、 2、 4、 6、 8道0但是电阻失配对共模抑制比的影响是不可忽略的。 因此,在实际电路制作过程中,对电阻的匹配及温度系数应严格筛选,以保证放大器的抗共模干扰能力。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍地震仪器 动态范围的概念分全局动态范围 (是指在通带范围内,除测试信号频率的基波分量外的全部噪音分量和所有谐波分量的平方和再开平方之值与测试信号频率的基波分量之比,然后再由分贝数表示);记录动态范围: 是指在最小前放增益下、所允许的最大输入信号与在最大前放增益下的等效输入噪音之比,然后再由分贝数表示;瞬时动态范围: 所能够分辨的最大信号和最小信号的比值,用分贝数表示。它代表分辨最大与最小信号的能力。一般认为,动态范围越大,其精度越高。(畸变: )东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍地震仪器 在仪器输入端输入信号为零时 (500Ω)的输出信号电平。前放增益与最大输入信号、瞬时动态范围之间的联系电路对输入信号的放大是以最大限度地靠近 A/实际上地震信号的有效频率范围从较高频率的反射波到较低频率的面波,其幅度在 μ别很大。所以选择仪器的前放增益需要考虑当地的勘探情况和勘探目的。对于仪器本身来讲,则主要是考虑传感器的输出幅度。一般情况下,选择的前放增益增大,则仪器的等效输入噪声减小,但是仪器的最大输入信号幅度降低,仪器的瞬时动态范围减小。反之,选择的前放增益越小,则仪器的最大输入信号幅度增宽,仪器的瞬时动态范围加大,但是仪器的等效输入噪声增大。下表是几种典型仪器前放增益与最大输入信号、瞬时动态范围的对比表。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍几种典型仪器前放增益与最大输入信号、瞬时动态范围的对比表。地震仪器名称(畸变 ) 前放增益 最大输入信号瞬时动态范围(2等效输入噪声12 44142212 4085282 60000 12 28020MS 0MS 0MS 球物理勘探仪器及其应用技术介绍二、地震仪结构与使用状况分 析总结:目前地震仪器采用的新技术数据采集方面: — 型 据传输和排列管理上:有线局域网 (地震网络遥测技术和无线局域网 (窄带调制等无线技术地震信号的传感和抗感应方面:缩短信号传输路径和采用 决大道数的同步数据采集和降低施工成本上采用减少体积、降低重量和功耗等方面大量采用 球物理勘探仪器及其应用技术介绍内容提要 1.概述 2.地震仪结构与使用状况分析3. 常用地震仪采用的先进技术分析4.地震仪的发展趋势展望东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析总结:目前地震仪器采用的新技术数据采集方面: — 型 据传输和排列管理上:有线局域网 (地震网络遥测技术和无线局域网 (窄带调制等无线技术地震信号的传感和抗感应方面:缩短信号传输路径和采用 决大道数的同步数据采集和降低施工成本上采用减少体积、降低重量和功耗等方面大量采用 球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术:-型 球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、-型 经过与标准量比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号的 转换器 ,简称 。转换器的输入量一般为直流电流或电压,输出量为二进制数码的逻辑电平。- 一般工作过程): 采样、量化与编码。 取样与保持:取样定理:输入的模拟信号的最高频率分量为样信号频率为 果 可以无失真地复现输入信号。 量化和编码:数字信号的大小是某个规定最小数量单位的整数倍,取样得到的信号必须按某种近似地规化为某一数值电平,这个过程称量化,而量化的结果必须经过编码用一个代码表示出来。- 三个过程决定于 此 性脉冲编码调制 (和增量调制编码或称单比特 (一位 )型-量化误差:由量化引起的误差称量化误差。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析• 个分辨率为 而其精度很难高于 20位。我们通常使用的o m a x )  Rn o i s 球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析并联比较型:它由三部分组成:分压、比较器和编码器这种 A/D 变换器的优点是转换速度快;缺点是转换过程中带来的误差比较大,所需比较器数目多,位数越多矛盾越突出。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析逐位(又称反馈比较型)其比较方法如同天平称重。先使二进位制数的最高位 D= 1,经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压 V,与输入电压 ,则保留这一位;若 来决定是否保留这一位。经过 寄存器的状态即为转换后的数据。这种换效果较好,但对干扰的抑制能力较差,常用提高数据放大器性能的方法来弥补。另外制作成本较高,尤其是高位数转换,转换位数越多,精度越高,制作成本就越高。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析典型 的 球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析-型 是根据前一样值与后一样值之差 (即增量 )的大小来进行量化编码。将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出,然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析∑-△ 模数转换器的工作原理简单的讲,就是将 模数转换过后的数字量再做一次窄带低通滤波处理。当模拟量进入转换器后,先在调制器中做求积处理,并将模拟量转为数字量,在这个过程中会产生一定的量化噪声,这种噪声将影响到输出结果,因此,采用将转换过的数字量以较低的频率一位一位地传送到输出端,同时在这之间加一级低通滤波器的方法,就可将量化噪声过滤掉,从而得到一组精确的数字量 转换器具有相对简单的结构,又称为过采样转换器。这种转换器由 Σ-△ 调制器及连接于其后的数字滤波器构成。调制器的结构非常近似于双斜率 括一个积分器和一个比较器,以及含有一个 1位 个内置的 将积分器输入切换到一个正或负的参考电压。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析典型 -型 球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析A / D 转换器的主要技术指标• 分辨率 :以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多,量化误差越小,转换精度越高。• 转换速度 :完成一次 A / 从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。• 相对精度 :实际转换值和理想特性之间的最大偏差。• 其它 :功率、电源电压、电压范围等。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术:网络遥测技术东方公司高级仪器师技术培训-络遥测技术成功地应用于地震。仪器中所应用的 第一层物理层 :实现采集站间的相互连接。• 第二层数据链路层 :负责在两个相邻节点间无差错地传送以帧为单位的数据。• 第三层网络层 :选择合适的路由和交换结点,实现网络的寻址。• 第四层传输层 :主要任务是根据通讯子网的特性最佳地利用网络资源,以可靠和经济的方式为两个端系统的会话层建立一条运输连接。在地震仪器中这一层是对网路层上接收或发出的信息进行多路编排或解编三、地震仪采用的先进技术分析东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析408在大线上采用了同步通讯和异步通讯 2种通讯级别。高级协议 :网络节点之间的通讯。 包括命令 /参数 /状态和采集数据低级协议 :采集节点和缓冲间的连接,双向传输位流数据(每帧 64组,每帧长 1024 数率 8)图 3 408仪器大线采用两种通讯方式示意图东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍• 球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术:无线仪器采用的传输技术-多进制数字调制技术东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、进制数字调制中,可能发送的符号有 根据载波的幅度、频率或相位情况分别称为:也可以把其中的两个参数组合起来调制。例如把幅度和相位结合起来得到 它的特殊形式 。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析统,采用频率合成: 14234输方式为 164态 s。采集数据的传输: 16 制技术。采用 16传率约为 60kb/s,占 20大传输距离 10速率高导致距离和信噪比相应降低采用 传率相应低,但可相应加大传输距离,提高信噪比,可以在施工环境比较复杂的地区使用。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术:无线局域网 (方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、• 无线网络定义及主要应用场合:无线;短距离区域。• 安全性:发射功率约 60手机 200 覆盖的范围:视环境的开放与否而定 开放 250M,半开放性空间 :35- 50M,加上外接天线,距离稍远,视天线本身之增益而定。对于 放空间最大 300米,速率达 11 <1干扰问题 : 主要来自自身的多路径干扰、信号跟踪时出现的抖动干扰、无线电话、例如微波炉 )。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术:无线扩频技术东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、无线局域网络调制技术可分三大类:窄频微波技术、扩频技术 、及红外线技术。• 扩频技术:在无线电频率的宽频带上发送传输信号。适应高数率和低误码率、安全和抗干扰通讯。频率范围 90284需授权• 扩频技术主要又分为跳频扩频 (直序扩频(种。无线局域网络在性能和能力上的差异,主要是取决于是采用 及所采用的调变方式东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析• 调变方式的选择:度较快。在需要最佳可靠性的应用中具有较佳的优势,并且适用于固定、或对传输品质要求较高的应用环境中。行动电话、蓝芽装置。 频特性将原信号 “ 1” 或“ 0”利用 10个以上的片代表 “ 1” 或 “ 0”,使得原来较高功率,较窄频率变成具有较宽频的低功率。同步,同时接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号。对于一个非特定的接收器, 能算是脉冲噪声而已。调 变差 异 噪声 能力性放大器组成,其作用范围和抗噪声能力效果佳。用非线性功率放大器组成差异性用于较固定环境中使用作用范围较大方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术:议东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、议• 种无线通信协议 ,属短距离无线。工作在 使用载波检测多址连接 (A)作为路径共享协议• 在动态速率转换 (频道的多传输路径与符码间干扰 )、漫游支持、负载均衡 (接收信号强度 )、自动速率选择功能 (频道噪声 )、电源消耗管理功能、保密功能、息包重整 (封包错误率 )等有明确规定• 微软推出的桌面操作系统 E,都包含了对 方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析• 多个 免使用已为其它装置占用的频率。06 部装置在同地区会造成的相邻频道发生干扰在同地点的三个网络分别使用 1、 6和 11频道,约占 348而避免彼此相互干扰,典型的 频信号功率三个 球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析 将工区划分成若干小蜂窝• 采用 1200扇面天线、蜂窝无线原理(短距离无线传输和频率的重复使用)■ 采集站仪器——光缆 ▲ 基站东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术:球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、 备相对独立。• 安装了原子钟的卫星星座。向地面发射两个波段的载波信号 ( 时计算出测站的三维位置、速度和时间。• 授时用的 会输出精度保障的秒脉冲脉冲宽度可以 200时准确至纳秒级,广泛用于天文台及无线电通讯中时间同步。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析3S- 1球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术: 现场可编程门阵列 可编程逻辑器件 (和与标准门阵列类似的 球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术:设计简单的接口电路到设计复杂的状态机,甚至设计 “ n 上系统) ” , 得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改,这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性,缩短了产品的上市时间并降低了电子系统的开发成本。基于此,已成为电子工程师必须掌握的一项基本技能之一。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术:者的功能基本相同,只是实现原理略有不同,所以我们有时可以忽略这两者的区别,统称为可编程逻辑器件或 们是在 以往的 可以替代几十甚至几千块通用 样的 方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术:至高性能 至简单的 74电路,都可以用 程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。在 可以利用 时修改设计而不必改动硬件电路。使用以大大缩短设计时间,减少高系统的可靠性。 0年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了 进步东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析FPGA和CPLD的特点• 尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件 ,有很多共同特点 ,但由于CPLD和FPGA结构上的差异 ,具有各自的特点 :① CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑 ,FP GA更适合于完成时序逻辑。换句话说 ,FPGA更适合于触发器丰富的结构 ,而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。②CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的 ,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。③在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程 ,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程 ;FP GA可在逻辑门下编程 ,而CPLD是在逻辑块下编程。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析FPGA和CPLD的特点④FPGA的集成度比CPLD高 ,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。⑤CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用E 2PROM或FASTFLASH技术 ,无需外部存储器芯片 ,使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上 ,使用方法复杂。⑥CPLD的速度比FPGA快 ,并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程 ,并且CLB之间采用分布式互联 ,而CPLD是逻辑块级编程 ,并且其逻辑块之间的互联是集总式的。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析FPGA和CPLD的特点⑦在编程方式上 ,CPLD主要是基于E 2PROM或FLASH存储器编程 ,编程次数可达 1万次 ,优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。FPGA大部分是基于SRAM编程 ,编程信息在系统断电时丢失 ,每次上电时 ,需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以编程任意次 ,可在工作中快速编程 ,从而实现板级和系统级的动态配置。⑧CPLD保密性好 ,FPGA保密性差。⑨一般情况下 ,CPLD的功耗要比FPGA大 ,且集成度越高越明显。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍典型的 现组合逻辑的部分)• 典型的 与 ” 门和一个“ 或 ” 门阵列组成,而任意一个组合逻辑都可以用 “ 与一或 ” 表达式来描述,所以, 方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍 外挂配置用的基于乘积项技术, 似艺的 • 自己的 积项技术, ,找表技术,叫作 由于基于查找表技术,要外挂配置用的法和 以很多人把 基于乘积项的 片的内部结构东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍三、地震仪器采用的先进技术分析目前地震仪器采用的新技术:与仪器发展有关的其它 (先进 )技术的发展传感技术:灵敏度、精度感应、噪声、接口技术:速度、体积电源技术:效益、体积混合电路:体积(专门)东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍内容提要 1.概述 2.地震仪结构与使用状况分析 3.常用地震仪采用的先进技术分析4. 地震仪的发展趋势展望东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍四、地震仪器的发展趋势展望地震仪器应用技术分析特点是:所有仪器电性能指标并无多大差别,差别仅在其应用的技术对环境的适应性和灵活性。使用单一技术面临的问题:道数的增加后,• 有线系统:电缆、接插件使勘探成本增高、稳定性降低• 格高、天线笨、频率资源缺乏• 网络技术方面:球物理勘探仪器及其应用技术介绍四、地震仪器的发展趋势展望勘探的发展:复杂地区、构造 来勘探需求:高保真度、宽频带导致大道数、高采样率、小道距、小线距、高性能多分量、全方位采集对未来仪器的需求:简单、轻便、低功耗、环保、适应性强、施工效益高实现途径:无线网络和有线网络的有机集成;电子、通讯、制造等技术以及新材料新工艺的应用和集成。东方公司高级仪器师技术培训-地球物理勘探仪器及其应用技术介绍四、地震仪器的发展趋势展望未来仪器的特点:系统控制和数据采集实施网络传输管理;配备自动定位装置而可任意布放排列;集传感、定位、采集、传输于一体;高度智能和自动化;无固定模式的有线与无线完全兼容的自由组合系统。2005年 11月 14日
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