甘志強(qiáng)

（東方地球物理公司裝備服務(wù)處儀器服務(wù)中心 河北 涿州）

0 引言

當(dāng)前，在石油天然氣勘探的各種物探方法中，地震勘探已經(jīng)成為一種最有效的方法被業(yè)界所接受。地震勘探儀器是地震勘探的關(guān)鍵設(shè)備，用于完成對(duì)野外地震數(shù)據(jù)的采集和記錄。從20世紀(jì)30年代誕生第一代模擬光點(diǎn)記錄儀開(kāi)始，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)、傳感技術(shù)以及地震勘探等技術(shù)的不斷發(fā)展，地震勘探儀器大致經(jīng)過(guò)了模擬磁帶記錄地震儀器，多道集中式數(shù)字地震儀器和遙測(cè)地震儀器幾個(gè)發(fā)展階段[1，2]，至今已發(fā)展到全數(shù)字遙測(cè)地震儀器。其中使用較多的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有Scorpion、428XL和AriesII等。本文在深入探討當(dāng)代地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，從技術(shù)性能、物理特性以及軟件系統(tǒng)特點(diǎn)三個(gè)方面對(duì)上述幾種典型代表儀器進(jìn)行對(duì)比分析，旨在更加合理高效地應(yīng)用它們。

1 當(dāng)代有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的新技術(shù)

圖1 －模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理示意圖

1.2 數(shù)據(jù)傳輸和控制技術(shù)

數(shù)據(jù)傳輸和控制技術(shù)是地震數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]，地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制方式直接決定著地震勘探施工的效率和地震儀器的擴(kuò)展?jié)摿?。隨著電子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，局域網(wǎng)通信技術(shù)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到地震勘探領(lǐng)域中。

局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）是一種將特定區(qū)域內(nèi)的各種設(shè)備互連在一起的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。目前常見(jiàn)的局域網(wǎng)類(lèi)型有：以太網(wǎng)（Ethernet）、令牌網(wǎng)（Token Ring）、FDDI網(wǎng)以及異步傳輸模式網(wǎng)（ATM）等幾類(lèi)，其中以太網(wǎng)是最為常用的局域網(wǎng)組網(wǎng)方式，也是目前地震儀器中廣泛使用的方式之一。以太網(wǎng)采用基帶（Base Band）信號(hào)調(diào)變方式，信號(hào)編碼采用曼徹斯特（Manchester）編碼方式，其基本特征是采用一種稱(chēng)為載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的通信媒體存取方法。常見(jiàn)的以太網(wǎng)是傳輸速率為10Mbps的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，更新的IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)則支持快速以太網(wǎng)（100Mbps）、千兆以太網(wǎng)（1000Mbps）和目前只能使用光纖作為傳輸介質(zhì)的10G以太網(wǎng)。

目前局域網(wǎng)使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和環(huán)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)前的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大都采用了兩種結(jié)構(gòu)——總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即在野外地震數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)使用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是因?yàn)榭偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布線不僅具有站點(diǎn)（端口用戶(hù)）失效、增刪不影響全網(wǎng)工作的特點(diǎn)，還具有費(fèi)用低廉、要求簡(jiǎn)單、擴(kuò)充容易的優(yōu)點(diǎn)；在中央控制記錄系統(tǒng)（儀器車(chē)）中使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便于集中控制、易于維護(hù)，從而滿(mǎn)足地震數(shù)據(jù)的并行處理。TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）是支持尋址、路由和流量控制等功能的協(xié)議組，而TCP/IP底層物理網(wǎng)絡(luò)多數(shù)使用以太網(wǎng)，因此，以太網(wǎng)+TCP/IP成為使用最為廣泛的一種技術(shù)，在地震勘探儀器中也廣泛應(yīng)用。

2 儀器性能分析

2.1 采集能力

隨著地震勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，帶道能力和數(shù)據(jù)傳輸速率逐漸成為衡量?jī)x器好壞的重要指標(biāo)。此外，由于不同探區(qū)的地質(zhì)條件不一定相同，為了滿(mǎn)足各種采集要求，地震勘探儀器還應(yīng)支持不同的采集因素。在野外地震數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，若采集因素選取恰當(dāng)，則地震儀器的工作狀態(tài)就能夠與有效地震信號(hào)的振幅、頻率特征相匹配，從而獲得保真效果好的地震數(shù)據(jù)，因此，采集因素也是確定儀器優(yōu)劣的重要參數(shù)。幾種主流儀器采集參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 幾種主流儀器支持采集參數(shù)[5～8]

2.2 技術(shù)性能

當(dāng)前，地震勘探數(shù)據(jù)采集的有效地震波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍在120dB左右，頻率帶寬在5Hz～500Hz或高頻部分稍高（視分辨率而定），這就要求地震勘探儀器必須具有低畸變、低噪聲、高動(dòng)態(tài)、高頻率響應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，并且這些技術(shù)指標(biāo)不隨時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境和條件的變化而變化[2～4]。

為準(zhǔn)確合理地衡量地震儀器的工作性能，地球物理勘探專(zhuān)家們提出以下幾種技術(shù)指標(biāo)：動(dòng)態(tài)范圍、諧波失真、道間串音、共模抑制比、等效輸入噪聲和差模輸入阻抗等。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

（1）動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍指的是在系統(tǒng)畸變?cè)试S范圍內(nèi)，可檢測(cè)的最大信號(hào)與最小信號(hào)（信號(hào)均方根值與噪聲相等）的比值，通常用分貝（dB）形式表示。

（2）諧波失真。諧波失真指的是電信號(hào)系統(tǒng)響應(yīng)外部激勵(lì)時(shí)而產(chǎn)生寄生頻率信號(hào)的比重。它反映系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的保真能力，并決定系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍，一般要求地震波諧波失真小于0.005%。

（3）串音隔離。道間串音指的是共用電纜或采集電路的模擬地震道信號(hào)之間相互感應(yīng)的程度，一般用“有效信號(hào)”與“感應(yīng)信號(hào)”的比值（dB）表示。單個(gè)模擬地震道不存在串音，且采集站內(nèi)地震道間“串音”也很小，多數(shù)地震儀器串音隔離能力達(dá)90dB以上。

（4）共模抑制比。地震勘探數(shù)據(jù)采集通常在野外作業(yè)，遭受共模干擾的機(jī)會(huì)相當(dāng)頻繁，所以地震儀器在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮響應(yīng)“差模”地震信號(hào)，并阻止共模干擾信號(hào)。儀器系統(tǒng)的共模抑制比是指在“共?！毙盘?hào)輸入下，折合到輸入端的輸出電壓與輸入電壓之比，通常用分貝（dB）表示，反映系統(tǒng)中模擬電路的對(duì)稱(chēng)性和一致性。

（5）等效輸入噪聲。由整個(gè)數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)引起的噪聲，折合到輸入端，作為等效輸入噪聲。在多道應(yīng)用的情況下，給出“絕對(duì)最大”噪聲電平作為等效輸入噪聲指標(biāo)。

（6）差模輸入阻抗。系統(tǒng)正常工作時(shí)，兩輸入端的電壓變化量與輸入端電流變化量的比值，包括輸入電阻和輸入電容，但在低頻時(shí)僅考慮輸入電阻，通常用dB表示。一般情況下，為了使地震波信號(hào)電壓盡可能大地傳輸?shù)讲杉ǖ狼爸梅糯笃鞯妮斎攵?，要求前放電路要有適當(dāng)高的差模輸入阻抗。一般檢波器的輸出阻抗在500左右，考慮到阻抗匹配的問(wèn)題，前放電路的差模輸入電阻應(yīng)為20 k左右（共模輸入電阻只有差模輸入電阻的25%）。

2.3 物理特性

隨著地震勘探形式的不斷嚴(yán)峻，勘探地表?xiàng)l件和環(huán)境也日趨復(fù)雜，為了滿(mǎn)足不同探區(qū)的要求，地震勘探儀器的地面電子設(shè)備不僅要具有良好的技術(shù)性能，還應(yīng)具有很好的物理特性，表3給出了幾種主流儀器的物理特性參數(shù)。

表2 當(dāng)代主流地震儀器主要技術(shù)指標(biāo)一覽表[5～8]

表3 當(dāng)代主流地震儀器地面電子設(shè)備物理特性指標(biāo)[5～8]

3 系統(tǒng)軟件性能及數(shù)據(jù)記錄格式分析

3.1 排列實(shí)時(shí)監(jiān)控

地震勘探通常要求野外采集時(shí)能夠?qū)ε帕羞M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，特別是對(duì)野外排列的干擾和放炮質(zhì)量的控制。Scorpion系統(tǒng)可以給出單個(gè)炮點(diǎn)所需排列的實(shí)時(shí)噪聲或放炮質(zhì)量的監(jiān)控結(jié)果，且可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要，隨時(shí)切換監(jiān)控炮點(diǎn)，保證采集地震資料的質(zhì)量。428XL系統(tǒng)能夠?qū)θ帕谢騿蝹€(gè)炮點(diǎn)排列進(jìn)行監(jiān)控。AriesII系統(tǒng)能夠以圖形和數(shù)值的形式給出當(dāng)前激活排列的實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果，有利于地震資料質(zhì)量的控制。

3.2 排列管理

Scorpion采用交叉站定位排列，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，通過(guò)File|Import|Snakes|SkipGaps導(dǎo)入相關(guān)文件或者采用Domain|SkipGaps和Domain|Snakes來(lái)完成排列空道、繞道以及蛇行排列的布設(shè)，滿(mǎn)足各種地形的施工需要。AriesII可通過(guò)jump按鈕完成空道、繞道以及蛇行排列的設(shè)置。428XL采用交叉站、FDU或者電源站完成排列定位，并可通過(guò)采用Detour完成繞道和蛇行排列的定義，mute實(shí)現(xiàn)空道的設(shè)置，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，每日要檢查Spread窗口相關(guān)設(shè)置。

3.3 輔助數(shù)據(jù)支持

Scorpion、AriesII以及428XL系統(tǒng)都具有很強(qiáng)的輔助數(shù)據(jù)支持能力，最明顯的表現(xiàn)就是能夠輸出電子班報(bào)和SPS文件，為生產(chǎn)質(zhì)量控制和加快地震數(shù)據(jù)處理速度和自動(dòng)化處理程度提供了必需的輔助數(shù)據(jù)。

4 資料質(zhì)量監(jiān)控和支持記錄格式

4.1 資料質(zhì)量監(jiān)控

資料的質(zhì)量監(jiān)控方式有兩種：繪圖儀回放記錄和儀器自有的質(zhì)量監(jiān)控軟件。

Scorpion儀器可以按采集道方式回放，按時(shí)序方式顯示地震資料，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)繪圖儀方式的資料監(jiān)控，目前該儀器系統(tǒng)支持V12繪圖儀，回放處理方式有Defloat、NormIndiv、NormAll、AGC、TAR，其中TAR方式能夠反映資料的真實(shí)品質(zhì)。428XL系統(tǒng)可以按采集道或按測(cè)線回放地震資料，回放處理方式有AGC、GeographicAGC、TimeExponent、Normalization以及None等。AriesII同樣也支持V12和V24繪圖儀，回放處理方式有AGC、Exponential、Mean、Fix Gain和Linear Scaling。

資料的質(zhì)量監(jiān)控軟件是另外一種重要的QC工具。Seis-QC是Scorpion自帶的集成式地震資料質(zhì)量監(jiān)控軟件，通過(guò)該軟件可以對(duì)每一炮記錄進(jìn)行顯示分析。用戶(hù)可以根據(jù)需要選取任意一段炮點(diǎn)接收道進(jìn)行頻率或能量等參數(shù)的分析，并可以查看單炮記錄的頭段或單個(gè)地震道的真值，從而方便了地震資料的質(zhì)量監(jiān)控。428XL自帶的eSQC-Pro系統(tǒng)可以通過(guò)地震數(shù)據(jù)的圖形化顯示，并可按照用戶(hù)選定的項(xiàng)目進(jìn)行分析，將分析結(jié)果以圖形方式顯示的同時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而完成不正常地震道、地震道屬性、單炮初至、信噪比、F/K等方面的分析。Aries屏幕繪圖分析軟件（AVP）能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行屏幕顯示，并可按照分析選項(xiàng)設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的分析，提供的信息可以判斷單炮地震采集數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足參數(shù)要求，可以監(jiān)控采集排列質(zhì)量、檢波器和激發(fā)源狀況。該QC系統(tǒng)具備均方根噪音（RMSNoise）、顯示記錄幅度的大小、頻譜能量分析、頻率振幅分析以及FK分析等功能。

4.2 記錄格式

記錄格式就是地震儀器將采集的地震數(shù)據(jù)和其他輔助信息保存的編排關(guān)系。Scorpion系統(tǒng)采用的記錄格式為SEG-Y。AriesII的記錄格式是SEG-D或SEGY格式。428XL系統(tǒng)記錄格式為SEG-D。SEG-D和SEG-Y都是電氣電子工程師協(xié)會(huì)公布的標(biāo)準(zhǔn)格式，采用這兩種格式一方面有利于保證數(shù)據(jù)的原始性和真實(shí)性，另一方面為數(shù)據(jù)的后續(xù)處理提供了解碼路徑和可靠算法。

5 結(jié)論

地震儀器的發(fā)展以物探技術(shù)的進(jìn)步為動(dòng)力，而物探技術(shù)的實(shí)現(xiàn)又需要依賴(lài)于地震勘探儀器。在當(dāng)前的野外地震數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，地震勘探儀器野外地面設(shè)備的數(shù)傳穩(wěn)定性、電源供電時(shí)間以及主機(jī)的帶道能力是影響生產(chǎn)效率比較關(guān)鍵的因素。Scorpion系統(tǒng)在使用全新的模擬采集單元后，降低了地面設(shè)備的整體功耗，又增加了超級(jí)高能脈沖保護(hù)，不會(huì)因?yàn)殪o電和高能脈沖而產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)，該系統(tǒng)通過(guò)采用四個(gè)以太網(wǎng)和一個(gè)千兆骨干網(wǎng)絡(luò)的方式，使得傳輸率、數(shù)據(jù)量以及穩(wěn)定性得到了很大地提高，可支持平臺(tái)處理超大道數(shù)作業(yè)、高采樣率以及復(fù)雜的震源掃描方案。AriesII系統(tǒng)采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對(duì)地震數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)差錯(cuò)檢測(cè)與回傳恢復(fù)，保證了地震數(shù)據(jù)的真實(shí)性與完整性，它具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)傳輸三種傳輸方式，可通過(guò)合理選擇高切頻率和不同數(shù)據(jù)傳輸方式來(lái)提高系統(tǒng)的帶道能力。428XL系統(tǒng)使用基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，使得交叉站在進(jìn)行路由的同時(shí)具有糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)暫存的能力，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)帶道能力也有了很大提高。通過(guò)上述分析，我們可以發(fā)現(xiàn)每種儀器都有自身的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)工區(qū)的實(shí)際情況并結(jié)合觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇儀器類(lèi)型，全面發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，從而能夠高質(zhì)量高效率地完成采集任務(wù)。

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