羅洋+徐海俠

摘 要：隨著全球經(jīng)濟發(fā)展以及能源危機的加劇，全面提高油氣勘探技術(shù)，增加石油儲量已經(jīng)成為世界各國的當(dāng)務(wù)之急。地震檢波器作為油氣勘探工作的首要環(huán)節(jié)，它的發(fā)展水平已成為衡量油氣勘探能力的一個重要標(biāo)志，而光柵地震檢波器以高的地震波探測性能和強的電磁兼容性能展示出了強勁的發(fā)展前景。本文主要研究了一種數(shù)字光柵檢波器及其信號采樣。

關(guān)鍵詞：光柵檢波器 信號采樣 原理

中圖分類號：TH361 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0006-02

近年來，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，石油的需求量急劇增加。作為當(dāng)今世界最主要的能源，石油是經(jīng)濟和民生賴以運轉(zhuǎn)的血液，它在國民經(jīng)濟中占據(jù)著舉足輕重的地位，關(guān)系著國家安全與發(fā)展的大局。為了緩解我國油氣供應(yīng)不足的現(xiàn)狀，除發(fā)展新能源外，進一步尋找油氣資源已迫在眉睫[1]。

地震檢波器是地震勘探的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它決定了整個勘探系統(tǒng)的優(yōu)劣，不管在地震接收系統(tǒng)方面進行多大的改進，地震檢波器性能仍然直接影響到數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。因此，高性能的地震檢波器的研究和開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

在經(jīng)歷模擬地震檢波器之后，對模擬地震檢波器的工藝進行了改進，發(fā)展到了超級地震檢波器。隨著油氣勘探條件的變化，已有的模擬地震檢波器或超級地震檢波器在地震波探測頻率范圍、動態(tài)范圍、分辨率及保真度方面已不能完全滿足勘探的要求，進而推動了地震波探測新方法的研究，其中基于光柵測量的地震波探測方法就是一種具有發(fā)展前景的地震波探測方法[2]。

1 光柵檢波器測量原理

光柵式傳感器是基于光柵檢測裝置測量物體受力作用下結(jié)構(gòu)表面的線位移，進而轉(zhuǎn)化為其它所測量。光柵檢測裝置關(guān)鍵的部分是光柵讀數(shù)頭，如圖1所示，它一般是由光源、指示光柵、會聚透鏡、調(diào)整機構(gòu)以及光電元件等組成，本文中使用的是RENISHAW公司生產(chǎn)的RGH25型反射讀數(shù)頭。

常見的光柵都是根據(jù)莫爾條紋的形成原理來進行工作的。如下圖2所示，當(dāng)標(biāo)尺光柵與指示光柵成一角度來放置時，則必然會使得兩光柵尺上的線紋相互交叉，這時在光源的照射下，交叉點旁邊的小區(qū)域內(nèi)因為由于未產(chǎn)生線紋重疊，因此擋光效應(yīng)最弱，由于光的累積作用而使得這個區(qū)域出現(xiàn)了亮帶。與之相反，在距交叉點相對較遠的區(qū)域內(nèi)，因兩光柵尺上線紋重疊面積減小，不透明區(qū)域面積也會逐漸變大，擋光效應(yīng)變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，所以這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們見到的明暗交替的莫爾條紋[3]。

本論文所設(shè)計的光柵地震檢波器就是基于光柵莫爾條紋測量的基本原理來實現(xiàn)對振動信號的檢測。為實現(xiàn)對光柵信號的測量，將光柵系統(tǒng)中的主光柵與彈簧組合成振子（慣性體），將指示光柵與外殼固定。當(dāng)外部激勵產(chǎn)生振動時，由于慣性，主光柵與指示光柵產(chǎn)生相對運動，從而產(chǎn)生變化的莫爾條紋，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到被測對象的振動信息。

2 信號采樣

光柵摩爾條紋信號在地震波的探測頻率范圍內(nèi)以及動態(tài)范圍內(nèi)始終是等幅變化的正弦波和余弦波，為采集所需要的正余弦信號，我們針對MP426型數(shù)據(jù)采集卡進行光柵信號采集程序編寫。

MP426采集卡以DLL動態(tài)鏈接庫的方式封裝了用戶在WINDOWS環(huán)境下編程需要的函數(shù)，如設(shè)備操作函數(shù)、AD函數(shù)、開關(guān)量函數(shù)以及EEPROM函數(shù)等，動態(tài)鏈接庫可以被多種編程語言調(diào)用。本文采用VC進行編程，實現(xiàn)了對光柵數(shù)據(jù)的采集以及誤差修正，圖2為光柵數(shù)據(jù)采集程序的上位機界面。

MP426采集卡的采集頻率可達到100 kHz/通道，光柵地震檢波器輸出等幅的正弦和余弦信號，則每秒需采集20萬個點，數(shù)據(jù)量比較龐大。為驗證光柵檢波器輸出以及所采集光柵數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們隨機選取幾組不同頻率信號進行測量，對所測得的正余弦數(shù)據(jù)利用李薩如圖進行觀察比較。

通過軟件設(shè)置采集卡進行數(shù)據(jù)采集，兩路信號各采集一萬個點，分別設(shè)置振動臺振動頻率分別為20 Hz和50 Hz時，根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制的圖形如圖3所示。

3 結(jié)果與誤差分析

根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制的波形圖及李薩如圖形可知，光柵檢波器及采集卡所采集數(shù)據(jù)呈圓形。觀察發(fā)現(xiàn)，在不同振動頻率下，李薩如圖形未能呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓，數(shù)據(jù)存在一定誤差，根據(jù)實際情況分析采集數(shù)據(jù)誤差的來源包括：

實驗使用的電磁振動臺輸出波形與輸入電壓、使用環(huán)境以及振動臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有一定關(guān)系，因此，在實際使用中不可能產(chǎn)生嚴格意義上的正弦波，整個系統(tǒng)輸入存在一定誤差；光柵信號自身的幅值誤差、直流誤差和正交誤差等；由于采集卡采用多通道數(shù)據(jù)采集，采集頻率高，因此，不同通道采集時具有一定的軟件延遲；由于傳感器自身結(jié)構(gòu)缺陷以及其它因素（傳感器與振動臺貼合、光柵讀數(shù)頭與光柵尺配合等）引入的誤差。

4 結(jié)論

雖然光柵技術(shù)應(yīng)用于地震檢波器還只是一種嘗試，但正由于光柵地震檢波器具有很高的分辨率和動態(tài)范圍等特點，將會在未來高分辨率、大頻帶地震勘探任務(wù)中發(fā)揮越來越重要的作用[4]。

參考文獻

[1] 羅福龍，易碧金，羅蘭兵.地震檢波器技術(shù)及應(yīng)用[J].物探裝備，2005，15（1）：6-14.

[2] 李淑清，陶知非.未來地震檢波器理論分析[J].物探裝備，2003，13（3）：152-156.

[3] 付清鋒.地震檢波器新技術(shù)發(fā)展方向[J].石油儀器，2006，19（6）：1-4.

[4] 高華.地球物理勘探中新型地震檢波器的研究[D].天津：天津大學(xué)，2004：11-12.endprint

摘 要：隨著全球經(jīng)濟發(fā)展以及能源危機的加劇，全面提高油氣勘探技術(shù)，增加石油儲量已經(jīng)成為世界各國的當(dāng)務(wù)之急。地震檢波器作為油氣勘探工作的首要環(huán)節(jié)，它的發(fā)展水平已成為衡量油氣勘探能力的一個重要標(biāo)志，而光柵地震檢波器以高的地震波探測性能和強的電磁兼容性能展示出了強勁的發(fā)展前景。本文主要研究了一種數(shù)字光柵檢波器及其信號采樣。

關(guān)鍵詞：光柵檢波器 信號采樣 原理

中圖分類號：TH361 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0006-02

近年來，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，石油的需求量急劇增加。作為當(dāng)今世界最主要的能源，石油是經(jīng)濟和民生賴以運轉(zhuǎn)的血液，它在國民經(jīng)濟中占據(jù)著舉足輕重的地位，關(guān)系著國家安全與發(fā)展的大局。為了緩解我國油氣供應(yīng)不足的現(xiàn)狀，除發(fā)展新能源外，進一步尋找油氣資源已迫在眉睫[1]。

地震檢波器是地震勘探的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它決定了整個勘探系統(tǒng)的優(yōu)劣，不管在地震接收系統(tǒng)方面進行多大的改進，地震檢波器性能仍然直接影響到數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。因此，高性能的地震檢波器的研究和開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

在經(jīng)歷模擬地震檢波器之后，對模擬地震檢波器的工藝進行了改進，發(fā)展到了超級地震檢波器。隨著油氣勘探條件的變化，已有的模擬地震檢波器或超級地震檢波器在地震波探測頻率范圍、動態(tài)范圍、分辨率及保真度方面已不能完全滿足勘探的要求，進而推動了地震波探測新方法的研究，其中基于光柵測量的地震波探測方法就是一種具有發(fā)展前景的地震波探測方法[2]。

1 光柵檢波器測量原理

光柵式傳感器是基于光柵檢測裝置測量物體受力作用下結(jié)構(gòu)表面的線位移，進而轉(zhuǎn)化為其它所測量。光柵檢測裝置關(guān)鍵的部分是光柵讀數(shù)頭，如圖1所示，它一般是由光源、指示光柵、會聚透鏡、調(diào)整機構(gòu)以及光電元件等組成，本文中使用的是RENISHAW公司生產(chǎn)的RGH25型反射讀數(shù)頭。

常見的光柵都是根據(jù)莫爾條紋的形成原理來進行工作的。如下圖2所示，當(dāng)標(biāo)尺光柵與指示光柵成一角度來放置時，則必然會使得兩光柵尺上的線紋相互交叉，這時在光源的照射下，交叉點旁邊的小區(qū)域內(nèi)因為由于未產(chǎn)生線紋重疊，因此擋光效應(yīng)最弱，由于光的累積作用而使得這個區(qū)域出現(xiàn)了亮帶。與之相反，在距交叉點相對較遠的區(qū)域內(nèi)，因兩光柵尺上線紋重疊面積減小，不透明區(qū)域面積也會逐漸變大，擋光效應(yīng)變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，所以這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們見到的明暗交替的莫爾條紋[3]。

本論文所設(shè)計的光柵地震檢波器就是基于光柵莫爾條紋測量的基本原理來實現(xiàn)對振動信號的檢測。為實現(xiàn)對光柵信號的測量，將光柵系統(tǒng)中的主光柵與彈簧組合成振子（慣性體），將指示光柵與外殼固定。當(dāng)外部激勵產(chǎn)生振動時，由于慣性，主光柵與指示光柵產(chǎn)生相對運動，從而產(chǎn)生變化的莫爾條紋，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到被測對象的振動信息。

2 信號采樣

光柵摩爾條紋信號在地震波的探測頻率范圍內(nèi)以及動態(tài)范圍內(nèi)始終是等幅變化的正弦波和余弦波，為采集所需要的正余弦信號，我們針對MP426型數(shù)據(jù)采集卡進行光柵信號采集程序編寫。

MP426采集卡以DLL動態(tài)鏈接庫的方式封裝了用戶在WINDOWS環(huán)境下編程需要的函數(shù)，如設(shè)備操作函數(shù)、AD函數(shù)、開關(guān)量函數(shù)以及EEPROM函數(shù)等，動態(tài)鏈接庫可以被多種編程語言調(diào)用。本文采用VC進行編程，實現(xiàn)了對光柵數(shù)據(jù)的采集以及誤差修正，圖2為光柵數(shù)據(jù)采集程序的上位機界面。

MP426采集卡的采集頻率可達到100 kHz/通道，光柵地震檢波器輸出等幅的正弦和余弦信號，則每秒需采集20萬個點，數(shù)據(jù)量比較龐大。為驗證光柵檢波器輸出以及所采集光柵數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們隨機選取幾組不同頻率信號進行測量，對所測得的正余弦數(shù)據(jù)利用李薩如圖進行觀察比較。

通過軟件設(shè)置采集卡進行數(shù)據(jù)采集，兩路信號各采集一萬個點，分別設(shè)置振動臺振動頻率分別為20 Hz和50 Hz時，根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制的圖形如圖3所示。

3 結(jié)果與誤差分析

根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制的波形圖及李薩如圖形可知，光柵檢波器及采集卡所采集數(shù)據(jù)呈圓形。觀察發(fā)現(xiàn)，在不同振動頻率下，李薩如圖形未能呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓，數(shù)據(jù)存在一定誤差，根據(jù)實際情況分析采集數(shù)據(jù)誤差的來源包括：

實驗使用的電磁振動臺輸出波形與輸入電壓、使用環(huán)境以及振動臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有一定關(guān)系，因此，在實際使用中不可能產(chǎn)生嚴格意義上的正弦波，整個系統(tǒng)輸入存在一定誤差；光柵信號自身的幅值誤差、直流誤差和正交誤差等；由于采集卡采用多通道數(shù)據(jù)采集，采集頻率高，因此，不同通道采集時具有一定的軟件延遲；由于傳感器自身結(jié)構(gòu)缺陷以及其它因素（傳感器與振動臺貼合、光柵讀數(shù)頭與光柵尺配合等）引入的誤差。

4 結(jié)論

雖然光柵技術(shù)應(yīng)用于地震檢波器還只是一種嘗試，但正由于光柵地震檢波器具有很高的分辨率和動態(tài)范圍等特點，將會在未來高分辨率、大頻帶地震勘探任務(wù)中發(fā)揮越來越重要的作用[4]。

參考文獻

[1] 羅福龍，易碧金，羅蘭兵.地震檢波器技術(shù)及應(yīng)用[J].物探裝備，2005，15（1）：6-14.

[2] 李淑清，陶知非.未來地震檢波器理論分析[J].物探裝備，2003，13（3）：152-156.

[3] 付清鋒.地震檢波器新技術(shù)發(fā)展方向[J].石油儀器，2006，19（6）：1-4.

[4] 高華.地球物理勘探中新型地震檢波器的研究[D].天津：天津大學(xué)，2004：11-12.endprint

摘 要：隨著全球經(jīng)濟發(fā)展以及能源危機的加劇，全面提高油氣勘探技術(shù)，增加石油儲量已經(jīng)成為世界各國的當(dāng)務(wù)之急。地震檢波器作為油氣勘探工作的首要環(huán)節(jié)，它的發(fā)展水平已成為衡量油氣勘探能力的一個重要標(biāo)志，而光柵地震檢波器以高的地震波探測性能和強的電磁兼容性能展示出了強勁的發(fā)展前景。本文主要研究了一種數(shù)字光柵檢波器及其信號采樣。

關(guān)鍵詞：光柵檢波器 信號采樣 原理

中圖分類號：TH361 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0006-02

近年來，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，石油的需求量急劇增加。作為當(dāng)今世界最主要的能源，石油是經(jīng)濟和民生賴以運轉(zhuǎn)的血液，它在國民經(jīng)濟中占據(jù)著舉足輕重的地位，關(guān)系著國家安全與發(fā)展的大局。為了緩解我國油氣供應(yīng)不足的現(xiàn)狀，除發(fā)展新能源外，進一步尋找油氣資源已迫在眉睫[1]。

地震檢波器是地震勘探的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它決定了整個勘探系統(tǒng)的優(yōu)劣，不管在地震接收系統(tǒng)方面進行多大的改進，地震檢波器性能仍然直接影響到數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。因此，高性能的地震檢波器的研究和開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

在經(jīng)歷模擬地震檢波器之后，對模擬地震檢波器的工藝進行了改進，發(fā)展到了超級地震檢波器。隨著油氣勘探條件的變化，已有的模擬地震檢波器或超級地震檢波器在地震波探測頻率范圍、動態(tài)范圍、分辨率及保真度方面已不能完全滿足勘探的要求，進而推動了地震波探測新方法的研究，其中基于光柵測量的地震波探測方法就是一種具有發(fā)展前景的地震波探測方法[2]。

1 光柵檢波器測量原理

光柵式傳感器是基于光柵檢測裝置測量物體受力作用下結(jié)構(gòu)表面的線位移，進而轉(zhuǎn)化為其它所測量。光柵檢測裝置關(guān)鍵的部分是光柵讀數(shù)頭，如圖1所示，它一般是由光源、指示光柵、會聚透鏡、調(diào)整機構(gòu)以及光電元件等組成，本文中使用的是RENISHAW公司生產(chǎn)的RGH25型反射讀數(shù)頭。

常見的光柵都是根據(jù)莫爾條紋的形成原理來進行工作的。如下圖2所示，當(dāng)標(biāo)尺光柵與指示光柵成一角度來放置時，則必然會使得兩光柵尺上的線紋相互交叉，這時在光源的照射下，交叉點旁邊的小區(qū)域內(nèi)因為由于未產(chǎn)生線紋重疊，因此擋光效應(yīng)最弱，由于光的累積作用而使得這個區(qū)域出現(xiàn)了亮帶。與之相反，在距交叉點相對較遠的區(qū)域內(nèi)，因兩光柵尺上線紋重疊面積減小，不透明區(qū)域面積也會逐漸變大，擋光效應(yīng)變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，所以這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們見到的明暗交替的莫爾條紋[3]。

本論文所設(shè)計的光柵地震檢波器就是基于光柵莫爾條紋測量的基本原理來實現(xiàn)對振動信號的檢測。為實現(xiàn)對光柵信號的測量，將光柵系統(tǒng)中的主光柵與彈簧組合成振子（慣性體），將指示光柵與外殼固定。當(dāng)外部激勵產(chǎn)生振動時，由于慣性，主光柵與指示光柵產(chǎn)生相對運動，從而產(chǎn)生變化的莫爾條紋，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到被測對象的振動信息。

2 信號采樣

光柵摩爾條紋信號在地震波的探測頻率范圍內(nèi)以及動態(tài)范圍內(nèi)始終是等幅變化的正弦波和余弦波，為采集所需要的正余弦信號，我們針對MP426型數(shù)據(jù)采集卡進行光柵信號采集程序編寫。

MP426采集卡以DLL動態(tài)鏈接庫的方式封裝了用戶在WINDOWS環(huán)境下編程需要的函數(shù)，如設(shè)備操作函數(shù)、AD函數(shù)、開關(guān)量函數(shù)以及EEPROM函數(shù)等，動態(tài)鏈接庫可以被多種編程語言調(diào)用。本文采用VC進行編程，實現(xiàn)了對光柵數(shù)據(jù)的采集以及誤差修正，圖2為光柵數(shù)據(jù)采集程序的上位機界面。

MP426采集卡的采集頻率可達到100 kHz/通道，光柵地震檢波器輸出等幅的正弦和余弦信號，則每秒需采集20萬個點，數(shù)據(jù)量比較龐大。為驗證光柵檢波器輸出以及所采集光柵數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們隨機選取幾組不同頻率信號進行測量，對所測得的正余弦數(shù)據(jù)利用李薩如圖進行觀察比較。

通過軟件設(shè)置采集卡進行數(shù)據(jù)采集，兩路信號各采集一萬個點，分別設(shè)置振動臺振動頻率分別為20 Hz和50 Hz時，根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制的圖形如圖3所示。

3 結(jié)果與誤差分析

根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制的波形圖及李薩如圖形可知，光柵檢波器及采集卡所采集數(shù)據(jù)呈圓形。觀察發(fā)現(xiàn)，在不同振動頻率下，李薩如圖形未能呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓，數(shù)據(jù)存在一定誤差，根據(jù)實際情況分析采集數(shù)據(jù)誤差的來源包括：

實驗使用的電磁振動臺輸出波形與輸入電壓、使用環(huán)境以及振動臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有一定關(guān)系，因此，在實際使用中不可能產(chǎn)生嚴格意義上的正弦波，整個系統(tǒng)輸入存在一定誤差；光柵信號自身的幅值誤差、直流誤差和正交誤差等；由于采集卡采用多通道數(shù)據(jù)采集，采集頻率高，因此，不同通道采集時具有一定的軟件延遲；由于傳感器自身結(jié)構(gòu)缺陷以及其它因素（傳感器與振動臺貼合、光柵讀數(shù)頭與光柵尺配合等）引入的誤差。

4 結(jié)論

雖然光柵技術(shù)應(yīng)用于地震檢波器還只是一種嘗試，但正由于光柵地震檢波器具有很高的分辨率和動態(tài)范圍等特點，將會在未來高分辨率、大頻帶地震勘探任務(wù)中發(fā)揮越來越重要的作用[4]。

參考文獻

[1] 羅福龍，易碧金，羅蘭兵.地震檢波器技術(shù)及應(yīng)用[J].物探裝備，2005，15（1）：6-14.

[2] 李淑清，陶知非.未來地震檢波器理論分析[J].物探裝備，2003，13（3）：152-156.

[3] 付清鋒.地震檢波器新技術(shù)發(fā)展方向[J].石油儀器，2006，19（6）：1-4.

[4] 高華.地球物理勘探中新型地震檢波器的研究[D].天津：天津大學(xué)，2004：11-12.endprint