复杂山地多波宽频带地震数据采集关键技术研究

摘要

随着工业化水平的提升和经济的快速发展，能源问题已成为我国经济发展的重大制约因素，数据显示至2015年我国石油需求量将达5.4亿吨，对外依存度也将升至60％以上。为应对能源紧缺问题，需要加快油气资源勘探的步伐，扩大能源勘探的领域，而我国中西部主要盆地山前带勘探面积大，勘探程度低，但勘探潜力巨大，因此油气勘探面向复杂山地区域延伸是当前比较有效的解决途径。
　　作为当前油气资源勘探的主要方法，地震勘探在长期的实践应用过程中，取得了比较丰硕的成果，尤其是大规模陆上地震勘探设备性能的不断提升，使得地震勘探施工布线更为灵活，勘探效率也不断得到提升。然而在复杂山地地区，由于其地表地形条件和地下构造的复杂性，以及地理环境的特殊性，使得地震资料的采集非常困难，由此也对地震勘探技术和设备的进步与发展提出严峻的挑战。尤其是对设备的可扩展性及便携性、三分量检波器布设的随机性和不确定性、设备整体的兼容性以及在复杂条件下布设的灵活性、恶劣环境的同步问题及地震资料的现场质量控制等诸多关键问题提出了新的要求。同时地震勘探的首要问题是地震资料的科学采集问题，多波地震勘探方法尽管在技术上还有很多问题需要解决，但由于单次投入的成本就可以得到丰富的全波信息，因此纵波和转换波联合勘探代替单纯纵波勘探将成为一种趋势，尤其是其野外的可操作性和低成本特点，更适合复杂山地地震勘探。
　　针对上述山地勘探的特殊需求，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”，从提高地震数据采集质量和勘探效率角度出发，以多波地震勘探方法为主导，开展集成姿态检测的多功能检波器、便携独立式信号采集站、自适应数据传输网络及控制采集软件等几个方面的研究，论文主要关键技术及取得的成果如下:
　　(1)多功能检波器姿态检测。采用高灵敏度MEMS加速度计组合正交三分量检波器，并集成高精度陀螺仪及电子罗盘、倾角传感器等，分别用于获取微弱地震信号、检波器方位及倾角等相关信息，以便调整检波器各分量更有效地接收多种地震波成分，更有利于实现检波器各个分量方位角偏差的修正。这种方式取代了传统能量近似估计方法所存在的固有误差。其方位信息能为传感器布设的提供很好支撑，保证震源激发点与接收点的一致性。
　　(2)基于FPGA及IP软核的信号采集站开发。将多路ADC（A/D转换器）的逻辑时序完全由硬件控制，利用双缓存技术实现数据的切换式存储，以消除存储延时导致的非均匀采样问题，并以此构建严格并行采集的数据通道。完全基于IP核开发的多任务驱动，使系统的配置和调整更为灵活，更大大提升了整机的集成化程度，从而提高了采集站的便携性。
　　系统基于FPGA平台的多功能IP软核驱动方式，从硬件方面提供采集系统的集成化程度，缩小设备体积。而采用单个信号采集站挂接四路三分量检波器，方便采集通道的扩展与裁剪需求，同时配合有线无线混合组网的数据传输方法，保证系统能够结合现场勘探需求，“因地制宜”地选取合理的观测系统，从而提高地震数据采集的质量和勘探的效率。
　　(3)系统动态范围的提升和低噪声处理。采用极低失调的固定增益运放级联可编程放大器，实现微伏级信号响应水平，以此提高系统输入动态范围;而干净稳定的电源是系统低噪声的保证，为了兼顾电源效率，采用LC滤波及LDO纹波抑制电路处理电源纹波及噪声，从而降低系统噪声，提高采集系统的保真性。
　　(4)提高采集系统兼容性及适应性。实现系统前级放大、滤波功能参数的可动态配置，以此兼容多种检波器和勘探方法，在加大系统带宽的同时，更能消除假频及畸变影响。系统采取有线无线以太网混合组网的数据传输方式，使得系统的施工布线更为灵活。
　　(5)基于QT平台和OpenGL的控制采集软件开发。开发易操作的图形化控制平台，并集成控制及传输协议、预处理及分析、二维波形快速切换显示、三维姿态显示等功能;基于矩形填充技术增强波形的可读性，并采用基于双缓冲技术的QWidget自动处理二维波形显示的屏幕闪烁现象;针对三维空间显示则基于OpenGL的3D框架，配合自定义检波器立体模型来实现，实时捕捉检波器姿态。
　　总体来说，本文利用独立式采集站，采用分布式远距离遥测采集的设计思想构建地震数据采集网络，集成三分量MEMS加速度计、电子罗盘、陀螺仪、倾角等传感器组成多功能检波器，设计多路可配置信号调理模块，提高系统动态范围及带宽，配合并行采集技术构成可扩展裁剪的多路严格并行采集电路，使得采集站能兼容多种检波器，同时利用有线无线混合组网的以太网传输技术增强系统在各种复杂施工条件下的适应性，提高地震数据传输的实时性和抗干扰能力，从硬件角度提升地震数据采集的品质。从而增强地震勘探设备在复杂山地施工的适应能力，灵活构建观测系统，进一步提高地震数据采集质量和勘探效率。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 多波勘探技术现状及趋势

1．2．2 多波勘探设备现状及趋势

1．3 主要研究内容和技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 主要创新点

1．5 文章结构安排

第2章 地震勘探相关技术要点

2．1 地震数据采集基础

2．1．1 地震波特征

2．1．2 地震勘探仪器基本结构

2．1．3 地震数据采集设备关键指标要求

2．1．4 地震勘探工程应用

2．2 主流地震数据采集方法

2．2．1 组合检波

2．2．2 高密度采集

2．2．3 多波多分量地震勘探

2．2．4 多波勘探在山地施工中的优势

2．3 复杂山地勘探装备需求及技术难点

2．3．1 山地勘探复杂地质条件

2．3．2 适合山地勘探的装备特点及技术难点

2．3．3 小结

第3章 多波地震采集技术方案

3．1 仪器总体设计方案

3．1．1 仪器总体结构设计

3．1．2 仪器传输电缆接口分配方案

3．2 多功能检波器集成与姿态检测技术方案

3．2．1 姿态检测组合方案

3．2．2 主动适应环境的快速数据融合方法

3．2．3 数据快速解算及抽稀绘图方案

3．3 信号采集站技术方案

3．3．1 可动态配置信号调理模块设计

3．3．2 FPGA并行采集与双缓存技术

3．3．3 内置高速地址自适应通信方案

3．3．4 高精度电源管理方案

3．4 供电站与通信站设计方案

3．4．1供电站供电管理方案

3．4．2 通信模块设计方案

3．5 系统采集同步方案

3．5．1 同步触发装置设计

3．5．2 GPS授时同步方案

3．5．3 小结

第4章 采集系统硬件关键技术功能实现

4．1 检波器信号调理及其姿态检测

4．1．1 MEMS检波器信号特征

4．1．2 MEMS检波器信号调理

4．1．3 姿态检测传感器组合

4．1．4 姿态测量方法

4．2 地震信号采集传输

4．2．1 集成控制平台

4．2．2 多路并行采集功能实现

4．2．3 地址自适应RS485传输网络

4．2．4 多功能IP核集成

4．3 供电管理功能实现

4．3．1 供电站电源

4．3．2 采集站高精度电源实现

4．4 同步触发系统

4．4．1 采集同步功能实现

4．4．2 小结

第5章 系统控制软件开发

5．1 地震数据格式解析

5．1．1 SEG-Y格式

5．1．2 SEG-2文件格式

5．2 软件总体结构框架

5．2．1 应用程序框架分析

5．2．2 软件构成

5．3 软件功能模块实现

5．3．1 软件总体操作界面

5．3．2 信号采集模块

5．3．3 数据处理模块

5．3．4 存储与查询模块

5．3．5 二维波形显示模块

5．3．6 三维监测模块

5．3．7 硬件远程配置模块

5．3．8 小结

第6章 系统功能测试及效果分析

6．1 信号采集站性能测试

6．1．1 ADC有效位测试

6．1．2 系统内噪声测试

6．1．3 道间串音测试

6．1．4 畸变测试

6．1．5 姿态检测方位精度测试

6．1．6 采集站关键技术指标

6．2 仪器野外采集性能测试

6．2．1 仪器采集性能测试

6．2．2 仪器实际功能应用效果

6．2．3 MEMS检波器方位验证

6．2．4 稳定性测试

6．3 对比测试

6．3．1 与模拟检波器系统对比测试

6．3．2 与428XL对比测试

6．3．3 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果