1、第四章 地震数据采集,第四章 地震数据采集,第一节 采集系统的基本组成,数字地震仅的采集系统指的是用于对检波器送来的地震模拟信号进行放大、滤波和数字转换的所有电路。基本组成和工作原理基本相同。,其基本组成大体相同,常规地震仪的采集系统,与遥测地震仪的采集系统区别,第二节 前放电路,一、对前放电路的要求,1 . 高共摸抑制比,前放的两个输入端的电压包括两部分：一部分是检波器送来的地震信号电压，此信号电压绍由两根连线加至前放的两个输入端之间，故称为差模信号电压。（很小 很微弱。）,另一部分是干扰电压。天地间，工业，环境,这些干扰电压以两种方式存在；一种方式是同时存在于两根连线之间，称为差模干扰；另
2、一种方式是同时存在于两根连线与地之间，称为共模干扰。,对前放的最基本要求一 :,2低噪音放大,由于电路内部有这样或那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍输出一定幅度的被动电压，这就是电路的输出噪声。总噪音,如果不设置前置放大器的话，虽然可减小输出躁声，但等效输入噪声则变为：,要求二：,前放的增益K1必须大于1，即具有放大能力，而且它的输入噪声必须低于后级的输入噪声，也就是说它必是低噪声放大器。（-大小）同样用比较的方法还可证明低噪声放大器必须前置即设置在采集电路前端才能降低输入噪声。 （位置）设置低噪声前置放大器后虽然会增大总的输出噪声，但却降低了总的等效输入噪声，增强了仪器接收
3、弱信号的能力。 （结果） 考虑到在不同情况下，地层信号强弱不同，低噪声前置放大器的增益还应该分几档以供选择。,要求三：,输入阻抗匹配,二、前放电路的基本类型,1.差动放大器2变压器输入单端放大器3.大线滤波器输入电路,1.差动放大器,图46为Opseis地震仪采用的前放电路，它是一种双端输入单端输出的高输入阻抗差动放大器。为实现高共模抑制，要求图中A1和A2采用双运算放大器，而且对称电阻严格相等R1R2RFO，R3R4Rf，R5R6Rf，该电路的差核增益为：,INA128实际电路,INA128,2变压器输入单端放大器,图47为SN338、SN348、SN368等型号地震仪的前放电路，由一个变压
4、比为1:N的升压变压器和一个单端输入单端输出的同相比例运算放大器构成。检波器的两根输出线分别连在变压器初级绕组的两端。由于变压据次级电压只与初级两端电位之差成正比，而初级两端存在的共模电压几乎不能在变压器次级形成干扰。因此变压器的共模抑制比非常大。该电路的差模增益为：,3.大线滤波器输入电路,图48为DFS-V、SDZ-120、WAVE-II、SK-3等地震仪前放电路框图。图中共模滤波器用于滤除共模干扰VNC，差模滤波器用于滤除差模干扰VND差动放大器用于提供高共模抑制比CMRR和前放增益K1,三、地震仪动态范围的计算,地震仪允许输入的幅度范围称为地震仪的动态范围LI，通常用其最大允许输入幅度
5、VIMAX与最小允许插入幅度VIMIN之比的分贝数表示：,1、最小允许输人幅度,当检波器送来的地震信号比采集系统的等效输入噪声还低时，那么，这个地震信号就势必被采集系统内部吸声所淹没。因此通常把采集系统的等效输入噪声定为地震仪的最小允许输入幅度即 VIMINVIN,由以上计算可见，采集系统前放增益K1越高，等效输入噪声越小，地震仪接收深层弱信号的能力就越强。,2最大允许输入幅度,3 地震仪的动态范围,四、前放增益的设计和选择,1前放增益的设计A 离震源的远近B 检波器组合的灵敏度G会因使用的检波器型号及组合方式不同而不同。 因此采集系统固定增益Kg应分为几档.,2前放增益的选择,地震仪的固定增
6、益有好几档供仪器操作员选择，那么实际使用时，究竞选高档好还是选低档好,为了提高地震记录的信噪比，就应尽可能选用较高的前放增益,为了提高地震记录的信噪比和保真度，我们应该在不使模数转换器溢出的前提下尽可能选用高的前放增益。,第三节 滤波器,滤波器定义：通常意义下，滤波器是指一种能允许一些频率的信号通过而阻止另一些频率的信号通过的装置。根据滤波器的频率选择特性，常见的滤波器可以分为低通(高切)滤波器、高通(低切）滤波器、带通滤被器和带阻滤波器。,1滤波器的传输函数,2 .逼近方式,幅频特性呈矩形的理想滤波器是不能用一个实际网络来实现的用一个实际的滤波特性来遇近它。主要指标通频带内最大衰减Ac 阻带
7、内的最小衰减As，截止频率fc滤波陡度(或通带与阻带之间过渡区的大小)等来表示实际特性与理想特性的通近程度。,根据不同的逼近准则可以得到不同的幅频待性从而形成不同类型的滤波器。A 巴特沃斯滤波器，其特点是在通带和阻带内幅频持性都没有起伏变化B 切比雪夫滤波器，其特点是幅频特性在通领带内里等波纹起伏，而在阻带内则呈单调下降 C 反切比雪夫滤波器，其特点是幅频 特性在阻带内呈等波纹起伏，而在通带内 则没有起伏变化。D 考尔滤波器，其特点是通带和阻带内幅频特性都呈等波纹起伏变化。,后三种滤波器的频率响应的特点是通带或阻带内等波纹起伏的峰点数和谷点数总和等于滤波器的阶数。,3.实现方式,实际的滤被器实
8、现有两种方式；一种是采用数字运算的方式，通过数字电子计算机来实现，称为数字滤波，另一种是用模拟电路对连续电信号进行滤波，称为电滤波。在地震仪的采集系统和监视系统中，频率滤波是采用电滤波，而在地震资料的数字处理阶段，频率滤波则采用数字滤波。,4.滤波参数,图4-10中所给出的Ac、As、fc、fs四个参数是设计滤波器时必须知道的几项技术指标，只要知道了这些指标和选用的滤被器类型，就可用查表或套公式的办法计算出满足这些指标的滤波器的各个元件值。 一般，高低通滤波器的截止频率和陡度两个参数而且截止频率通常规定为幅颠特性曲线下降至最大值的3dB处频率。 截止频率被认为是通领带的边界频率。若两个频率f1
9、和f2满足以下关系；,则我们称这两个频率之间为m0个倍频程。倍频程的英文缩写为oct对数幅额特性曲线：(地震仪产品说明书上)横坐标表示频率，也采用对数刻度，即以倍频程为刻度。那么用这样的坐标表示的波器的幅频特性，则称为对数幅频特性。,在通频带之外幅颠特性曲线的下降速率称为陡度,将(428)式代入上式，可计算得n阶巴特沃斯滤波器陡度为6ndB倍频程。1、可见，巴特沃斯滤波器的陡度为一恒定常数。（）2、切比雪夫滤波器的阻带特性也是单调下降的。切比雪夫型n价低通(或高通)滤波器的陡也为6ndB倍频程，但切比雪夫滤波器在阻带内的衰减量比相同阶数的巴持沃斯滤波器要高约6(n1)倍。3、可见考尔滤波器的阻
10、带持性呈现起伏，其陡度不是一个恒定常数，因此其阻带特性应该用它的极点数(阶数)和零点数来描述。,二、采集系统对滤波器的要求,1、采集系统输入电压的频谱分折采集系统输入电压包含三部分：差模信号电压VSd、差模干扰电压VNd、共模干扰电压VNC。其中共模干扰电压基本上被前放电路抑制掉了。前放后面的滤波器主要用来抑制差模干扰电压 VNd,有效波与干扰波的频谱,二、对采集滤波器和回放滤波器的不同要求,我们把地震仪采集系统中的波滤器（称做采集滤波器） 监视系统中的滤波器（称做回放滤波器）二者电路结构虽然相同或相近，但设计要求却是不一样的。对回放滤波器的要求是：低截频和高强频都要多分几档，以便仪器操作员根
11、据回放需要随意选择并根据回放效果灵活改变。采集滤波器滤掉了的话，在磁带记录上也就不复存在，今后资料处理时也不可能被恢复。,三、采集滤波器参数设计和选择,1、陷波为了防止弱信号因面波和交流电干扰过强而记不下来采集系统中就必须设置高通滤波器和50Hz陷波器。,2、高通滤波器,设置高通滤波器的目的主要是为了抑制低频面波干扰低频面波干扰太强的危害包括两方面：1、是由于浮点放大器的弊端 2、由于采集系统存在一定的非线性，使得幅度强的低频面波进入采集系统后产生很多谐波干扰。 高通滤波器的截频和陡度应提出什么样的技术要求？,高通滤波器对面波的压制效果,3、低通滤波器,采集电路中设置低通滤器的目的是为了让所需
12、要记录的地震信号频率全部通过而且不受采样产生的假藏干扰。低通滤波器又称为去假频滤波器。,假频现象,截频和陡度应满足的技术要求,1、在采样周期不变即不增加数据采集和处理工作量的情况下，选取较小的截频系数q可设计截频fh较高的去假频滤波器 ，这有利于提高勘探分辨率。2、滤波器陡度取得太大，就会使薄层反射的分辨率降低。70dB/oct3、假频衰减D可选取在70dB左右。4、地震仪的采样周期和去假频滤波器截频fh都应分为几档供选择。,第三节 滤波器,滤波器定义：通常意义下，滤波器是指一种能允许一些频率的信号通过而阻止另一些频率的信号通过的装置。根据滤波器的频率选择特性，常见的滤波器可以分为低通(高切)
13、滤波器、高通(低切）滤波器、带通滤被器和带阻滤波器。,1滤波器的传输函数,2 .逼近方式,幅频特性呈矩形的理想滤波器是不能用一个实际网络来实现的用一个实际的滤波特性来遇近它。主要指标通频带内最大衰减Ac 阻带内的最小衰减As，截止频率fc滤波陡度(或通带与阻带之间过渡区的大小)等来表示实际特性与理想特性的通近程度。,根据不同的逼近准则可以得到不同的幅频待性从而形成不同类型的滤波器。A 巴特沃斯滤波器，其特点是在通带和阻带内幅频持性都没有起伏变化B 切比雪夫滤波器，其特点是幅频特性在通领带内里等波纹起伏，而在阻带内则呈单调下降 C 反切比雪夫滤波器，其特点是幅频 特性在阻带内呈等波纹起伏，而在通
14、带内 则没有起伏变化。D 考尔滤波器，其特点是通带和阻带内幅频特性都呈等波纹起伏变化。,后三种滤波器的频率响应的特点是通带或阻带内等波纹起伏的峰点数和谷点数总和等于滤波器的阶数。,3.实现方式,实际的滤被器实现有两种方式；一种是采用数字运算的方式，通过数字电子计算机来实现，称为数字滤波，另一种是用模拟电路对连续电信号进行滤波，称为电滤波。在地震仪的采集系统和监视系统中，频率滤波是采用电滤波，而在地震资料的数字处理阶段，频率滤波则采用数字滤波。,4.滤波参数,图4-10中所给出的Ac、As、fc、fs四个参数是设计滤波器时必须知道的几项技术指标，只要知道了这些指标和选用的滤被器类型，就可用查表或
15、套公式的办法计算出满足这些指标的滤波器的各个元件值。 一般，高低通滤波器的截止频率和陡度两个参数而且截止频率通常规定为幅颠特性曲线下降至最大值的3dB处频率。 截止频率被认为是通领带的边界频率。若两个频率f1和f2满足以下关系；,则我们称这两个颠率之间为m0个倍频程。倍频程的英文缩写为oct对数幅额特性曲线：(地震仪产品说明书上)横坐标表示频率，也采用对数刻度，即以倍频程为刻度。那么用这样的坐标表示的波器的幅频特性，则称为对数幅频特性。,在通频带之外幅颠特性曲线的下降速率称为陡度,将(428)式代入上式，可计算得n阶巴特沃斯滤波器陡度为6ndB倍频程。1、可见，巴特沃斯滤波器的陡度为一恒定常数
16、。（）2、切比雪夫滤波器的阻带特性也是单调下降的。切比雪夫型n价低通(或高通)滤波器的陡也为6ndB倍频程，但切比雪夫滤波器在阻带内的衰减量比相同阶数的巴持沃斯滤波器要高约6(n1)倍。3、可见考尔滤波器的阻带持性呈现起伏，其陡度不是一个恒定常数，因此其阻带特性应该用它的极点数(阶数)和零点数来描述。,二、采集系统对滤波器的要求,1、采集系统输入电压的频谱分折采集系统输入电压包含三部分：差模信号电压VSd、差模干扰电压VNd、共模干扰电压VNC。其中共模干扰电压基本上被前放电路抑制掉了。前放后面的滤波器主要用来抑制差模干扰电压 VNd,有效波与干扰波的频谱,二、对采集滤波器和回放滤波器的不同要
17、求,我们把地震仪采集系统中的波滤器（称做采集滤波器） 监视系统中的滤波器（称做回放滤波器）二者电路结构虽然相同或相近，但设计要求却是不一样的。对回放滤波器的要求是：低截频和高强频都要多分几档，以便仪器操作员根据回放需要随意选择并根据回放效果灵活改变。采集滤波器滤掉了的话，在磁带记录上也就不复存在，今后资料处理时也不可能被恢复。因此，为了在磁带记录上尽可能多地保留地震信息，采集滤波器的通频带应该尽可能宽一些，这样做虽然会使一部分干扰的频率成份也被记录下来，但是在今后资料处理时可以利用数字领串滤波或其它一些措施来处理它们。,三、采集滤波器参数设计和选择,1、陷波为了防止弱信号因面波和交流电干扰过强
18、而记不下来采集系统中就必须设置高通滤波器和50Hz陷波器。,2、高通滤波器,设置高通滤波器的目的主要是为了抑制低频面波干扰低频面波干扰太强的危害包括两方面：1、是由于浮点放大器的弊端 2、由于采集系统存在一定的非线性，使得幅度强的低频面波进入采集系统后产生很多谐波干扰。 高通滤波器的截频和陡度应提出什么样的技术要求？,高通滤波器对面波的压制效果,3、低通滤波器,采集电路中设置低通滤器的目的是为了让所需要记录的地震信号频率全部通过而且不受采样产生的假藏干扰。低通滤波器又称为去假频滤波器。,假频现象,截频和陡度应满足的技术要求,1、在采样周期不变即不增加数据采集和处理工作量的情况下，选取较小的截频
19、系数q可设计截频fh较高的去假频滤波器 ，这有利于提高勘探分辨率。2、滤波器陡度取得太大，就会使薄层反射的分辨率降低。70dB/oct3、假频衰减D可选取在70dB左右。4、地震仪的采样周期和去假频滤波器截频fh都应分为几档供选择。,四、采集系统中常见的滤波电路,在无线电设备的高频电路中，经常采用的是电感和电容构成的LC滤波器。但是在地震信号的低频场合，考虑到体积和价格，通常不采用LC滤波器，而采用由电阻、电容和运算放大器构成的“有源RC滤波器”。最大优点是：这种滤滤波器因为不合电感，故抗电磁干扰能力强。有源AC滤被器的其输出阻抗极低。它后面直接串接一个有源RC滤波器后，其传输函数并不会发生大
20、变化。,采集系统中常见的低阶滤波器单元电路,1、高通滤波器2、低通滤波器3、陷波器,1、高通滤波器,三阶高通滤波器,其陡度为18dB/OCT。在SN368遥测地震仪采集站中，采用将两节相同的三阶巴持沃斯高通滤波捕串接起来的办法来实现36dB/OCT的陡度。据(434)式，这样串接后总幅额特性截止核率为,2低通滤波器,采集站的低通滤被器要求的陡度比较大，电路的形式也较多，最常见的有以下两种：,巴持沃斯低通滤波器,地震仅采集站的低通滤波器是一个12阶巴特沃斯滤被器，其幅频特性,第四节 多路转换开关,能够按照控制指令对模拟电压或电源进行通断控制的器件称为模拟开关。 具有公共输出端的多个模拟开关的集合
21、称为多路开关(MUX)。最简单的一种MUX，其开关组态如图424多路转换开关,二、道间一致性与道间串音问题,前，各地震道信号所通过的电路(称为地震道)是彼此分离的，而在多路开关之后的电路则是各道公用的。由于大多数采集系统的道数都不只一道而是多道， 考虑道间一致性和道间串音这两个多道系统特有的向题。,1、道间一致性,2道间串音,各地震道电路本来是被此分离的，但是因为某些原因还是会出现某一道的地震信号串漏到别的地震道中去的现象，这种现象称为道间串音。就象我们打电话时听到别的通话线路上也在说话一样形成的原因：集中采集型地震仪的大线电缆芯线又多又长，而且还靠紧在一起、各道检波器连线间相互感应容易造成串音。此外，采集系统中各道采样开关的输出端并接在一起，也是一个原因。,三、串音产生的原因,我们就来分析一下多路转换开关中中音产生的机理和减少串音的措施。,四、减小串音的措施,1、减少每个采集系统的道数2、减小每路开关前级即滤波器的输出电阻3、增设回零开关,结束！谢谢！,
