地震仪器技术现状、发展方向及存在问题概述

寇海龙 石添 尹雷刚 唐春华

摘要：随着计算机、通信、电子及制造技术的发展，地球物理勘探仪器也进入了一个快速发展时代，有线仪器、无线仪器、无缆仪器、节点仪器、地震数据采集平台等具有一定特性、能够解决地球物理勘探中某些特定问题的各类仪器层出不穷。然而，随着地球物理勘探技术的不断发展和进步，特别是“两宽一高”、低成本、全地表无缝勘探的推进，地震仪器却显得有些力不从心。面对超大道数、宽频带、宽方位的全波数据采集以及高效率、低成本并能适应各种地质条件的物探作业需求，地震仪器何去何从已经成为一个极为棘手的难题。

关键词：地震仪器；技术现状；发展方向；存在问题

1地震测试仪总体构架

1.1.1主控电路

当数据采集模块和电脑主板需要进行通信或者其他的控制功能时，他们需要通过上述的主控电路进行通信，而主控电路的具体功能主要分为以下几个部分：

（1）上位机通信。以RS232串口通信模块为核心，当有命令来自上位机的控制电路时，通信模块将命令送至主控电路并分析，并将来自上位机的命令传至数据采集模块，这样最终会实现采集电路功能。

（2）數据传输。采集电路板的采集电路数据。使用低电压差分信号向主控电路传送数据，低压差分信号不仅可以有效的降低数据的误码，并且能提高数据传输的速度。随后将上述采集到的数据送至主控芯片进行处理，通过UDP用户数据报协议进行无需连接的，尽最大可能传输数据流程，将数据传送到PCo这里要稍微的介绍一下LUDS数据传输方式，这种信号传输模式是美国国家半导体公司提出的，是一种电平标准。LUDS可以获得如此高的关注是因为这种技术使用低压差分信号并可以实现高速传输信号，除此之外，它还能实现多点传输，在当今地震工程测试仪中具备极大的优势。正因为其使用低压差分信号传输数据，所以电路功耗就会很低，因为功耗与电压的平方成正比；而差分信号可以显著的降低信号传输过程中的误码率，并可以降低信号线之间的串扰。通常来说，一般采用PCB版上的铜线作为LUDS信号的传输线，除此之外，也有使用同轴电缆来传输信号。

（3）模拟触发信号。当触发信号被电源电路接收时，主控电路会向提前连接好的四块数据采集模块发送相应的数据采集信号，从这时起，数据采集模块开始监测各种地震信号。

1.1.2数据采集

通常来说，采集到的信号一般为模拟信号，而FPGA芯片只能处理数字信号，所以A/D转换模块是必须需要的，这里使用ADS1274作为模/数转换模块，ADS1274是一个具有24位的模数转换电路，当收集到模拟信号时，通常会对收集到的信号通过模数转换模块进行编码，随后再使用低压差分信号将收集到的编码传送至数据处理模块。

除了正常的收集模拟信号外，通常还会使用数模转换器进行通道自检，在这里使用CS4334数模转换电路，这个数模转换器可以输出正弦信号或者正弦信号进而传送到AD采集通道以检测设计的电路是否符合设计需要。

使用两个串口模块对上位机模块进行控制，其中串口一是控制LCD屏幕以及其他设备的输入输出状态；而串口二控制数据采集模块的工作命令及各种工作方式。除此之外，USB接口将接入输入设备。

1.2电源模块

（1）电压转换电路。由于电源为12V，而其他的芯片工作电压各不相同，比如有的芯片工作在5V，也有部分芯片工作在3V，因此需要相应的电压转换电路将12V的电源转换成合适的工作电压。（2）整形电路。电源输出的电压不可避免的会存在各种噪声和纹波，而将这些不需要的噪声去除就需要整形电路。

2目前地震仪器发展存在的问题

2.1地震信号的记录能力方面

就地震仪器而言，目前地震仪器普遍采用Δ-Σ技术的24位或32位模/数转换器，简化地震信号调理电路，降低仪器本身噪声，使地震仪器的动态范围达到了120dB以上。相对来讲数据采集的性能指标水平较高，考虑到电子产品制作工艺及地球物理勘探中地震信号的特征，特别是考虑地球对高频信号的快速衰减及高次数叠加的勘探方法，可以通过对有效信号的放大来相对降低地震仪器的噪声水平，充分利用24位ADC的特点，达到提高记录精度并且扩展频宽的目的。但如何兼顾高频小信号和低频大信号是目前地震仪器攻关的课题。

就检波器而言，目前物探行业5Hz等低频检波器与10Hz高精度检波器相比，存在灵敏度低、容差大、假频低、使用寿命短、故障率高等问题。限于结构的原因，再往低频扩展恐难适应大道数采集所需的高精度、稳定性和低成本等的要求。而采用普通动圈式检波器进行本地数字化的加速度检波器（例如GAC检波器）而言，往低频扩展的宽度有限，而且只能单点采集作业，存在目前单点采集所遇到的问题（例如信噪比问题）。数字反馈结构的MEME数字检波器理论上频率可以到DC，但目前同样存在只适用于单点采集、畸变指标大于-100dB、稳定性和故障率欠佳等问题。

2.2综合应用能力

综合应用能力主要是与影响作业效率、运营成本等应用方面的综合性能指标相关联，主要体现在施工作业部署简单、操作灵活、适应性强、稳定可靠、故障率低、作业周期短（如：尽可能快地完成数据的收集，并提交采集数据成果）等提高作业效率方面；体积小、重量轻、工作时间长（功耗低）等可以减少野外作业人员和运输的工作量，以便降低数据采集作业的运营成本和HSE风险；地震仪器设备购置成本低、工作寿命长能够直接降低勘探项目的资金投入、并且快速回收投资，将极大地推动高密度、高精度、宽方位的超大道数采集作业，毕竟当采集道数达到百万道时，其设备的直接投资成本将超过6亿人民币（按600元/道计算）。

要提高地震仪器的综合应用能力，目前重点需要考虑与大道数密切相关的以下问题：

（1）首先是如何降低设备成本：作为应用于野外的数据采集设备，除了满足数据采集的基本要求外，还需要重点考虑稳定可靠性、考虑防水、防跌落、抗干扰、重复移动应用等多种附加设计。

（2）如何降低设备功耗：野外采用电池供电的设备意味着工作时间长，在保证冗余的能力下，不仅可靠性要提高，其它如方便操作的功能却有增无减。

（3）如何进一步提高稳定可靠性：包括故障的快速定位以及降低故障的相互关联度。

（4）如何实现全地表的大面积高效作业：目前地震仪器向地震数据平台方向发展，区域式的有线、无线、节点混合采集可能是降低成本和风险的地震数据采集作业模式，但这种采集模式在实际应用中如何实现各区域数据的快速接入将是重点。

（5）各种特色传输技术优势进一步发展或提高：有线传输技术如何在低功耗下提高传输速率，并且降低对数传电缆性能的要求；无线传输技术如何在低功耗下提高传输速率和传输距离，提高抗干扰（包括多路径干扰）能力；自主采集（节点仪器）作业技术方面，如何降低地震数据采集缺失风险（例如采用状态信息监控、进一步提高采集部件稳定可靠性、形成数据风险管理机制），进一步延长节点连续工作时间、降低设备成本、加强采集设备自动化管理能力等。

总之，地震仪器的发展动力来自于物探技术的发展和社会基础技术发展的推动，也来自于对物探技术推动的愿望，并且受全球经济状况的影响。然而，地震仪器更新换代的根本却来自于技术的创新。社会基础学科或相关领域发展起来的技术都有其特定的应用条件和解决问题的针对性和局限性。只有深入了解市场、了解需求、分析问题并且结合相关前沿技术的跟踪和研究，才能开拓物探装备新的未来。

参考文献

[1]易碧金，穆群英，岩巍等.地震勘探仪器发展的机遇、挑战及研发分析与展望.物探装备，2016，26（6）：351-357.

[2]甘志强等.Hawk自主式节点仪器性能分析与探讨.物探装备，2015，25（1）：9-13，47.

[3]罗利彬等.UniQ采集系统分析.物探装备，2015，25（1）：5-8.

（作者单位：中石化石油工程地球物理有限公司南方分公司）