基于时分采样技术的三分量数字地震检波器研制

摘要

油气资源是当今世界能源消费中的最主要组成部分，其储量水平和勘探水平直接制约着一个国家经济发展的水平。地震勘探是目前油气资源勘探中的常用且有效的方法，地震检波器的性能直接决定着地震勘探仪器的优劣，目前常规的地震勘探方法和设备已经相对较为成熟，同时也取得了丰硕的成果。但是在地质结构够极其复杂的山地地区，在不同因素的作用下，使得地震资料的采集非常困难，并且数据质量不高。因此，复杂山地的地震勘探对地震勘探的仪器和方法都提出了新的要求。
　　针对复杂山地地震勘探的需求，本文依托于国家自然科学基金重大科研仪器设备研制专项“复杂山地多波宽频带地震数据采集系统研制”和国家杰出青年基金“核地球物理勘探技术仪器开发及应用研究”，从三分量地震检波器的研制出发，以时分采样技术为基础，开展了MEMS惯性传感器在地震检波器姿态检测中的应用研究、数字硬件滤波器的研究以及检波器低纹波电源设计等几个方面的研究，论文中所涉及的主要关键技术和目前取得的成果如下:
　　(1)时分采样技术在三通道数据地震采集中的应用。利用采样频率变换技术，对采样数据进行简单的插值和抽取，然后通过相应的数字滤波器，即可对采样的序列在频率上做出相应的变化。这种方法取代了传统的三通道并行数据采集电路，减少了系统中分立器件的个数，从一定程度上提高了系统的稳定性，降低了系统的成本和功耗。
　　(2)基于MEMS惯性传感器组合的三分量检波器姿态定向技术研究。惯性传感器组内部集成低成本的三分量MEMS陀螺仪、三分量MEMS电子罗盘和三分量MEMS加速度传感器，通过简单的数据融合算法来获取检波器的姿态信息。得到检波器的姿态信息之后，不仅可以为检波器的安装提供参考，还可以为后期的数据处理提供更多的数据，采用这种方法可以取代传统能量近似估算的方法，降低后期的数据处理的难度。
　　(3)基于CS5378硬件数字滤波器的检波器采集电路研制。利用Cirrus Logic公司提供的套片方案实现地震数据的采集，相对于传统的方案，不仅在一定程度上缩短了检波器研发和测试周期，而且专用的方案在整个检波器的动态范围、噪声水平控制、功耗等方面都有传统方案不可比拟的优势。虽然，套片方案的成本偏高，但是结合时分采样技术，在提升检波器性能的同时，还能控制整个检波器的成本。
　　总体来说，本文利用时分采样技术和Cirrus Logic公司套片方案相结合的三分量检波器研制方案，不仅提升了检波器的性能，而且使其成本也和传统方案接近。同时结合MEMS惯性传感器在姿态检测领域的成功应用，将其放在检波器内部，设计成为检波器的姿态检测模块，以获取检波器的姿态信息。并且配合RS485和以太网传输接口，使得检波器可以根据情况采用不同的方式与数据采集站进行通信，提升了检波器的组网能力及其在复杂环境下的适应性。本文的研究从三分量地震检波器层面提升了地震勘探硬件设备在复杂山地环境下的适应性，并且对三分量数字检波器的设计提出了新的思路，为以后三分量数字检波器的设计提供了一定的参考。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景和研究意义

1．2 地震勘探设备的国内外研究现状

1．3 论文研究内容

1．4 论文取得的主要成果

1．5 论文结构

第2章 地震检波器相关技术及检波器设计方案

2．1 不同地震检波器的对比

2．1．1 电磁感应式地震检波器

2．1．2 压电式地震检波器

2．1．3 数字地震检波器

2．2 复杂山地条件地震勘探对检波器的要求

2．2．1 山地地质条件概述

2．2．2 山地勘探装备的特点

2．3 系统设计方案

2．4 小结

第3章 三分量检波器硬件设计

3．1 MEMS加速度传感器接口设计

3．2 信号采集电路设计

3．2．1 低噪声放大器

3．2．2 ADC及测试DAC电路设计

3．2．3 数字滤波器

3．3 姿态检测部分设计

3．3．1 惯性传感器组与检波器连接设计

3．3．2 姿态检测电路设计

3．4 微控制器部分设计

3．5 数据通信模块设计

3．5．1 以太网通信模块

3．5．2 RS485通信模块

3．6 检波器电源设计

3．6．1 总体供电方案

3．6．2 模拟电源设计

3．6．3 数字电源部分

3．7 小结

第4章 三分量检波器关键技术研究

4．1 MEMS加速度传感器原理

4．2 CS5378硬件滤波器技术

4．2．1 SINC滤波器

4．2．2 FIR滤波器

4．2．3 IIR滤波器

4．2．4 CS5378软件设计

4．3 三分量检波器定向技术

4．3．1 检波器定向方法

4．3．2 数据融合算法

4．4 三分量地震数据时分采样技术

4．4．1 数字信号采样率变换理论基础

4．4．2 时分采样数据的同步并行转换

4．4．3 实际过程误差分析

4．5 小结

第5章 检波器测试

5．1 噪声测试

5．2 增益精度测试

5．3 畸变测试

5．4 串扰测试

5．5 方位测试

5．6 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果