地震仪器运行技术条件讨论

罗福龙

(东方地球物理勘探有限责任公司装备服务处　河北　涿州　072751)



地震仪器运行技术条件讨论

罗福龙

(东方地球物理勘探有限责任公司装备服务处河北涿州072751)

摘要:地震仪器正常运行需要适宜的环境和技术条件做支持，而且运行的质量和成效与提供的支持条件密切相关。以提升当代先进地震仪器综合应用效果为目标，以实际工作经验为依据，系统地讨论了地震仪器运行所需的主要环境和技术条件。同时，分析了几类运行技术条件失常时的典型案例，并在此基础上提出了有效保障和规范地震仪器运行技术条件的具体措施。

关键词:地震仪器;技术条件;供电条件;接地条件;空间环境;技术标准

0　引言

地震仪器［1］是采集和记录地震信号的精密电子系统。如同计算机等通用电子设备的运行需要合适的温度、湿度等环境条件一样，地震仪器的运行也需要适宜的外部环境条件。例如，应提供电压、频率合适的外部电源和适宜的工作环境温度等。通常，将这些可用技术指标［2］或参数描述且直接影响仪器运行质量与效果的外部支持因素，统称为地震仪器运行技术条件。

以往的应用实例和经验都证明，提供的运行技术条件恰当，地震仪器的运行效果(包括稳定性、可靠性、工作质量和效率等)相对就好，而不恰当的运行技术条件常常导致仪器低效工作甚至故障。也就是说，地震仪器的运行状态和质量都直接受制于所提供的外部支撑技术条件。所以，充分地保障运行技术条件，便是地震仪器实现高质量、高效率工作的前提。

实际工作中，或许是因忽视了运行技术条件的重要性，也或许是因缺少控制运行技术条件的技能，地震仪器经常会处在不恰当的技术条件下运行，而且时常致使仪器运行效率低下甚至毁损设备。这种由于运行技术条件不当影响地震仪器应用效果的事件，不仅会牺牲生产效率，有时还会降低地震资料品质，所以最大限度地保障好地震仪器运行技术条件也是保障勘探生产成效的基础。

基于运行技术条件的重要性，以及实际工作中存在的具体问题，结合当前的勘探技术特点与时俱进地研究地震仪器运行技术条件，并由此提出规范这类条件的实施建议，对于提高地震仪器运行质量和应用效果都具有重要的现实意义。

1　运行技术条件概述

虽然地震仪器的运行技术条件多种多样，但根据保障支持运行对象的特点，可将其分为硬件运行技术条件和软件运行技术条件两类。实际工作效果证明，在这两类运行技术条件中，有些会直接影响地震仪器的运行效果，有些仅间接影响地震仪器的运行效果。那么能够直接且严重影响地震仪器运行的技术条件主要有哪些?这些条件是以什么样的机理来产生作用?实际工作中又应怎样去保障这些技术条件?只有从本质上回答了以上几个问题，才能有效地把控地震仪器的运行技术条件，进而提高地震仪器的综合应用效果。下面将结合实际工作经验，并以当前先进地震仪器为参考，着重论述几项对运行效果起关键作用的运行技术条件的物理意义和保障方法。

1.1供电条件

电源是地震仪器的工作之本，电源的状态和技术特性直接关系到地震仪器能否正常运行，所以供电条件便是最基本的也是最重要的运行技术条件。与其它精密电子设备对供电的要求类似，地震仪器对电源的技术要求也包括频率、电压、功率等指标，但鉴于地震仪器属高精度的弱电信号测量系统［3］，所以还对电源的纯洁性(畸变)、稳定性、匹配性(输出阻抗)等有严格的要求。

实际工作中，应依据特定地震仪器对供电技术条件的具体要求来选择相应技术指标的工作电源。为保证供电技术条件安全可靠，通常对舱室工作单元(如中央控制系统)都配置在线式不间断电源(UPS)，这样既可以保证持续供电还可以起到稳压和隔离输入干扰的作用。

除舱室工作单元一般采用交流供电外，地震仪器的地面设备一般普遍选用直流电源，以满足安全、方便的需要。通常，地面设备都选用标准的通用工业级可充电电池，所以此时的供电技术条件也容易满足。

1.2接地条件

对于地震仪器这种有高保真要求的弱电信号精密测量系统，“地”便是一个极端重要的技术条件。接地条件妥当与否不仅关系到地震仪器能否正常运行，而且还关系到地震信号的保真效果，有时甚至还关系到人身安全。根据“地”服务对象的不同，通常有模拟地、数字地、电源地、机壳地等。这些“地”有不尽一样的物理意义和功用，有时为防止彼此干扰还要相互隔离(如机壳地和数字地)。一般，模拟地、数字地等都固化在系统的内部电路中，不易出现差错也无需人为关注和操控，而外部的机壳地和电源地一般只预留接地点，需要通过人为操控才能实现应有的接地效果。

考虑到系统内部的“地”在电路设计时就已固化，实际工作中要关心和关注是系统的外部“地”，这也是保障接地条件的实质所在。“地”的作用是确保供电端与用电端或信号通路两端有一致的电位参考关系，以使系统能够按设定的逻辑关系正确运行。保障接地条件的基本做法是，所有的机壳地应用足够粗且尽可能短的导线互相连接，以确保任意机壳地之间没有电位差。同时，机壳地应该经接地线和接地棒直接与大地相连，确保任何时候机壳地都处于“零”电位。采用外部交流供电时还有考虑电源输入地。为确保系统和人身安全，必须把外部输入电源地直接和大地相连，并确保接地电阻足够小(一般不应大于10 Ω)。

1.3空间环境条件

为了实施地震数据采集，地震仪器一般总是布设在特定的野外和舱室空间环境下运行，那么对应空间环境的物理状态就构成地震仪器的空间环境条件。与其它户外工作的电子产品类似，构成地震仪器运行空间环境条件的因素主要包括:温度、湿度、清洁度、腐蚀性、电磁场、机械振动等。

根据工作环境特点，通常可将地震仪器分为地面(或水中)电子设备和舱室(或车载)电子设备两大部分。考虑到地面电子设备对空间环境条件(电磁场干扰除外)一般都有较好的适应性，所以下面将重点讨论舱室电子设备(如中央控制系统)的空间环境条件。

1)温湿度。众所周知，电子器件的线性工作区与环境温度和湿度密切相关，所以电子器件及电路的工作应满足特定的温度和温度条件。为保证合适的温度和湿度，通常将舱室工作设备等置于相对封闭且带有空调的环境当中。对于地面电子设备，因设计制造时就考虑了宽泛的适应性，所以一般不用关注温湿度条件。

2)清洁度。清洁度是指仪器所处空气中携带粉尘等颗粒物的浓度。清洁度主要会影响系统的通风和散热，充满尘土的环境极易堵塞风道甚至引起电信号短路。为此，要求仪器系统保持在一个相对清洁的工作环境中，并定期地清洁通风散热设施(如风扇等)。

3)腐蚀性。腐蚀性是指地震仪器所处的空间带有腐蚀性气体或液体的剂量。腐蚀性环境一般存在海上或咸水湖作业区域，其危害主要是通过电子交换将金属或电路侵蚀，严重时也会导致系统工作失常。为防止腐蚀性物质作用地震仪器，通常要求中央控制系统应保持在相对封闭的干燥舱室环境中，并及时清除舱内带有腐蚀性的物质;而地面电子设备除应及时做好清洁外，必要时还应通过加装阴极保护材料来防止腐蚀。

4)电磁场。电磁波［4］是以能量形式存在的特殊物质。虽然人不易直接感受电磁波的存在，但它却能直接作用地震仪器。地震仪器是弱电信号测量系统，其工作极易受外界电磁场的干扰，且干扰严重时会直接影响系统的运行效果和保真能力。所以，对电磁场环境条件要求高的地震仪器部件除应充分接地外，还需加装屏蔽装置。对于舱室工作系统还应特别防止电台、高频传输线等可能引入的射频干扰。对于地面电子设备［5］等也要避免靠近通信基站、高压输电设施等强电磁场环境。

5)机械振动。机械振动条件较易满足，只要地震仪器不处于强烈的振动环境下，其工作一般不受影响。

1.4软件支持条件

当代地震仪器都是以计算机为核心的智能化系统，所有的工作都是在特定程序(包括固件和软件)支持下完成。除上述提及的运行技术条件外，地震仪器的软件运行还需提供操作规范、设置合理等支持条件。通常，软件运行支持条件主要包括工作参数、选项设置、操作控制等内容。当这些条件不恰当时，轻则导致系统运行失效，重则导致系统“崩溃”或数据丢失。因此，在参数和条件设置时要遵循系统认可原则，也即不输入或设置“非法”的条件。在操作控制方面要注意合理和有效性，不应试图执行“非法”命令或不正常操作。

除上述论及的硬件、软件运行条件外，实际工作中还有技术检验、维护保养、存储运输等环节的技术条件，而且这些条件也是保障地震仪器正常运行的基础。考虑到这方面的条件相对简单明了，且一般容易满足，这里就不做更多叙述。

2　典型案例讨论

通过前面的讨论可知，地震仪器的运行技术条件不仅是地震信号保真的基础，而且是勘探生产实现优质、高效的前提。技术条件得当地震仪器运行的可靠性、稳定性、安全性就高，而不得当的技术条件轻则影响系统的运行效率，重则可能导致质量或设备事故。现就实际工作中因技术条件不当导致地震仪器运行故障的一些典型案例加以讨论，以供广大技术同仁参考，并由此进一步说明运行技术条件和地震仪器工作的密切关系。

2.1电源畸变案例

电源是地震仪器工作的基础保障，充分保证供电技术条件就是保障地震仪器正常运行的前提。实际工作中，对于因频率、电压、功率等显性条件失常引起的运行失效问题较易识别和排除，但对于畸变等隐性条件变化引起的工作失常却不易判别和解决。

所谓电源畸变(失真)是指为地震仪器提供的电源带有非标称频率信号成份的程度。电源畸变轻微时一般不影响系统的正常运行，但当电源畸变严重时就可能干扰系统的正常运行。常见的电源畸变干扰形式之一是导致所采集的地震信号规则失真(在所有地震道中引入频谱特征一致的干扰信号)，进而降低地震资料品质。这种干扰一般在系统上不会有任何提示，也很难识别，受负载变化等影响有时甚至时隐时现。识别这种干扰的有效手段是对地震道环境噪声做频谱分析，当排列上的地震道都出现规则一致的某种频谱干扰能量时，就应该属于电源畸变引起的信号失真。解决此问题的根本方法是选择畸变指标合格的供电电源，对于畸变不是特别严重的情况，可以通过改善接地(特别是电源地)条件来削弱电源畸变，也可以通过加装UPS来隔离电源畸变干扰。

2.2接地不当案例

如前所述，“地”是地震仪器正常工作的一个决定条件。接地不当将直接改变不同参考点之间的电位关系，进而影响地震仪器的运行效果，甚至导致系统无法运行或故障。

接地不当引起的问题有多种表现方式，较为常见的接地故障形式包括:系统运行时好时坏、某个或某些功能无法运行、整个系统或系统的某个组成进入“死机”状态、地震信号出现不明原因的干扰等。从本质上看，引起接地故障的内在原因是不同机箱外壳之间，或是信号发送端参考地与信号接收端参考地之间，或是外壳地和大地之间存在不应有的电位差。接地不当的实质是接地电阻过大(包括接地线连接不牢、接地线有断点、没接地线等)。判别接地故障的方法相对简单，只需要测量各个外部接地点(或金属外壳)与大地之间的电阻即可，良好的接地意味着这些电阻值应该趋于零。解决接地故障的方法也相对简单，就是通过地线确保所有外壳地、输入电源地等都与大地有效地相连，也即确保任意两个外壳“地”之间以及任意外部地与大地之间都没有电位差。

2.3电磁场干扰案例

通常地震仪器包括野外工作单元和车载(或室内)工作单元两个组成部分。对于中央控制系统(俗称主机)等车载工作单元，由于工作环境可控且一般都带有屏蔽，通常不易受外界电磁场干扰，应防范的主要是电台、天线、高频馈线等可能引入的射频干扰。防范射频干扰的有效措施包括屏蔽射频馈线、选择阻抗匹配的天线，以及发射天线尽量远离工作单元等。

对于野外工作单元，因工作环境所致遭受外界(自然界或工业界)电磁场干扰的机会就多，常见的有雷电、静电、工频等干扰。当外界电磁场足够强时，就可能经由野外工作单元影响地震仪器的运行和地震资料品质。

野外工作单元遭受电磁场干扰的表现形式主要为两类，一是干扰排列信号传输链路(俗称掉排列)，二是在地震资料中引入类似脉冲响应的干扰(俗称“串感应”)。从机理上看，野外电磁场干扰就是瞬间在不同物理位置之间形成巨大的电位差，当这个电位差恰好作用到地震仪器排列时，就会破坏排列通信链路的电气平衡关系，由此干扰排列信息传输并在地震道中引入电磁干扰信号。电磁场干扰的排除比较困难，最有效的方法是规避(也即当遇有强电磁场时停止工作或远离干扰源)。辅助的方法尽量将野外工作单元的外壳充分接地，也可以通过无线中继方式物理分隔排列的长度，这样也能减弱甚至消除部分电磁场干扰。

2.4“非法”操作案例

“非法”操作案例主要包括参数设置不当、条件选择不当、命令操控不当等不正确操作。由于这些不当操作一般只影响程序(软件)的运行，所以属于软件运行支持类条件。参数设置(或条件选择)不当可分两类，一是系统不可接收的设置，此时系统有相应的提示，只要按提示修改设置即可;另一类是系统可接收的设置，但所做的设置不符合技术设计要求。对于不符合技术设计要求的设置，虽然系统可正常运行但却不能获得预期效果的地震资料。例如，技术设计记录长度为7 s，但在地震仪器上却误设为6 s，那么严格意义上所采集的地震资料就是废品。所以，为防止关键技术参数设置不当，应该在每次完成设置后都与技术设计进行比对，确保设计的和设置的完全一致。命令操控不当的案例也是屡见不鲜，如操控动作过快、任务分发过多就是常见的例子。操控不当的后果是极易造成系统“死机”，轻则耽误有效工作时间重则导致系统故障。为避免操控不当，就应该严格按技术规程和程序允许步骤管控地震仪器。

除以上几项常见案例外，在防水、防腐、高温等方面也可能因技术条件不当导致系统失常。考虑到这种情况较少发生，且一旦发生也容易识别和解决，此处就不再一一列举。

3　认识与建议

通过对地震仪器运行技术条件的讨论，充分说明了保障运行技术条件的重要性，以及这些条件失衡的危害性。作为讨论地震仪器运行技术条件的体会和提高地震仪器运行质量、应用效果的方法探索，现就在实际工作中形成的几点认识和建议概述如下。

1)技术条件极端重要

适宜的技术条件不仅是地震仪器可靠、稳定、高效运行的前提，而且也是保证地震资料品质、提高生产效率、降低生产成本的保证。所以实际工作中高度重视并充分满足地震仪器运行技术条件，便是提高地震仪器综合应用成效和实现“高速、高效、优质、降本”勘探生产的必然需要。

2)规范技术条件意义重大

随着科学技术的进步，地震仪器的技术性能也得到了空前的提高，相应的运行技术条件也发展了本质的变化，致使以往针对地震仪器有效运行制订的有关技术规范已经不能满足和适应现实的需要。为此，应以当代国际先进地震仪器为对象，并根据实际应用经验在全行业内制订全新的地震仪器运行技术条件规范，由此保障和助推地震仪器综合应用效果的提升。

3)开发技术条件自动识别功能

当前的地震仪器一般只从技术指标上给出正常运行所需要的外部支持条件，如工作温度范围、输入电压范围等，却不能自动识别这些外部支持条件是否满足技术要求。这就要求用户(地震仪器操作人员)必须实时地识别和操控地震仪器的运行技术条件状态，进而增加了用户的负担和技术风险。为了做到自动识别运行技术条件状态，最大限度地减少因技术条件不当带来的风险，那么在地震仪器内开发运行技术条件自动识别功能，实时提示不合格的技术条件，就具有很强的现实意义。

4)提高操作技能

鉴于地震仪器的精密性和先进性，以及其运行技术条件的复杂性和重要性，就需要高技术水平和强责任心的工程技术人员才能保证地震仪器的运行条件和应用效果。所以提高操作技能、规范操作流程，同样是保障运行技术条件的重要内容。为此，加强操作技能培训、广泛交流实践经验、严格操作流程，也是提高地震仪器综合应用能力的必然需要。

需要强调的是，地震仪器的运行技术条件与地震仪器的技术特性、工作方式、先进程度等密切相关。实际工作中，应根据具体情况与时俱进地提供相应运行技术条件，并从本质内涵去理解和操纵运行技术条件，只有这样才能从根本上保障地震仪器的运行环境。

应该说地震仪器的运行技术条件是多种多样的，也是错综复杂的，而且仪器类型不同相应的运行条件也不尽相同。这里讨论的是相对重要且普适性较强的技术条件，不妥之处，敬请广大同仁批评指正。

参考文献

［1］孙传友，高光贵.遥测地震仪器原理［M］.北京:石油工业出版社，1992: 12－287.

［2］王喜双.物探监督［M］.北京:石油工业出版社，2012: 122 －167.

［3］易碧金.地震数据采集站原理与测试［M］.北京:电子工业出版社，2010: 140－174.

［4］张三慧.大学物理(电磁学)［M］.北京:清华大学出版社，1999: 17－55.

［5］苏振华.地震数据采集系统基础［M］.北京:电子工业出版社，2012: 261－295.

·开发设计·

Discussion on the Seismic Instrument Running Technical Conditions

LUO Fulong
(BGP Equipment，Zhuozhou，Hebei 072750，China)

Abstract:The seismic instrument's normal running needs the proper environment and technical condition to support，and the running quality and result depend on the technical condition provided.Aimed at the promotion of the comprehensive application effect of modern advanced seismic instrument，the main environment and technical conditions were discussed systematically based on the practical working experience which seismic instrument running needed.At the same time，several typical cases of the abnormal running technical conditions were analyzed.Then，some specific measures to help the seismic instrument running technical conditions to be proper and effective were proposed.

Key words:seismic instrument; technical condition; power condition; ground condition; space environment; technical standard

(收稿日期:2015－09－06编辑:姜婷)

第一作者简介:罗福龙，男，1961年生，教授级高工，1984年毕业于江汉石油学院仪器专业，现在东方地球物理公司装备服务处从事技术工作。E-mail: loufulong@ cnpc.com.cn

中图法分类号:P631.4

文献标识码:A

文章编号:2096－0077(2016)01－0010－04