n1

Направление подхода волн определяется типом волн. Например: поверхностная волна распространяется вдоль поверхности и подходит к приемникам сбоку,

отраженная волна подходит практически вертикально снизу.

Требования к аппаратуре.

Приемно-регистрирующая сейсмическая аппаратура должна обеспечивать практически неискаженную запись колебаний с синхронизацией начала записи от момента возбуждения. Для этого динамический и частотный диапазоны аппаратуры должны быть шире диапазона принимаемых колебаний. Однако для избавления от некоторых особо интенсивных помех еще до регистрации сигналов в сейсмических усилителях применяют фильтры низких (ФНЧ) и фильтры высоких (ФВЧ) частот.

Для синхронизации начала записи с моментом возбуждения в состав аппаратуры входит специальный канал синхронизации.

Должны быть предусмотрены также средства для контроля и тестирования отдельных узлов аппаратуры до начала и в процессе регистрации.

Важную роль в аппаратуре играют и такие факторы, как удобство обслуживания,

экономичность, портативность и т. п.

Сейсморегистрирующий канал.

В сейсморазведке обычно используется многоканальная приемно-регистрирующая аппаратура, но сигналы, принимаемые по разным каналам, регистрируются индивидуально, т.е. отсутствует взаимодействие между каналами. Поэтому при анализе аппаратуры достаточно рассмотреть прохождение сигнала по одному из каналов. Блок-

схема сейсморегистрирующего канала представлена на рис.11,a.

Сейсмоприемник (СП) служит для преобразования механических колебаний

почвы ( x. п dxdtп ) в электрические колебания ( e - э.д.с. на выходе СП). На рис.11,b

представлен общий вид частотной характеристики электродинамического сейсмоприемника, определяемой по формуле ([5] ,стр. 234)

Hc ( ) U ( ) G( )

где H c ( ) - частотная характеристика СП;

U ( ) - спектр напряжения на выходе сейсмоприемника;

G( ) - спектр скорости смещения корпуса СП.

31

выпускает сейсмоприемники GS-20DX в различных вариантах [2], основные технические характеристики которых таковы:

Собственная частота, Гц ……………………………….10

Верхний предел частоты пропускания, Гц …………..250

Сопротивление катушки, Ом ………………………….395

Степень затухания с шунтом …………………………0,70

Чувствительность, В/м/с ………………………………27,6

Диаметр, мм ……………………………………………25,4

Масса, г …………………………………………………87,6

Электрические колебания от сейсмоприемников по проводам (сейсмической косе) поступают на входы усилителей (У).

Сейсмический усилитель включает в себя также частотные фильтры (ФНЧ,

ФВЧ, режекторный фильтр). Частотные фильтры характеризуются частотой среза и крутизной среза (рис. 11).

Коэффициент усиления сейсмического усилителя составляет порядка 1 – 104 ,

уровень шумов, приведенный к входу - 0,05-0,5 *10-6 В. На выходе включается усилитель мощности (УМ) для согласования усилителя с аналого-цифровым

преобразователем (АЦП).

АЦП характеризуются динамическим диапазоном – числом двоичных разрядов

(от 12 до 24, для современных АЦП) – и быстродействием – временем преобразования одного отсчета сигнала (около 1 - 10мкс, для используемых в сейсмической аппаратуре).

Для регистрации цифровых сигналов в современной сейсмической аппаратуре используется компьютер, встроенный в саму станцию, или отдельный ноутбук. Для контроля сигнал в процессе регистрации одновременно визуализируется на экране компьютера.

Выбор шага и числа разрядов квантования.

При цифровой регистрации непрерывные сигналы представляются конечным числом отсчетов (квантование по времени или дискретизация). Эти отсчеты, в свою очередь, кодируются числом цифр двоичного кода (квантование по уровню). Шаг дискретизации и число разрядов кодирования необходимо выбрать таким образом,

чтобы ошибки квантования не превышали других ошибок.

33

Шаг квантования ( tкв ) выбирается исходя из теоремы Котельникова:

где fmax - максимальная частота в спектре сигнала.

На практике мы имеем дело с сигналами конечной длительности, спектр которых бесконечен, и в радиотехнике принято характеризовать сигнал граничной частотой спектра ( f гр ) - S ( fгр ) 0.7 Smax

При этом крутизна спада спектра справа должна быть достаточно большой

Кр 50 90 дБ/окт

Если это условие не выполняется, и на вход АЦП попадают более высокочастотные сигналы, чем это требуется по условию теоремы Котельникова, то при последующем восстановлении такие сигналы преобразуются в низкочастотный шум или помеху (эффект зеркальных частот или алайсинг-эффект), который уже не может быть отфильтрован частотными фильтрами. Для того чтобы предотвратить возможность появления таких помех вне зависимости от спектра принимаемых сигналов, на выходе сейсмических усилителей перед АЦП устанавливают

антиалайсинговый фильтр – специальный фильтр низких частот с частотой среза

Число разрядов квантования выбирают исходя из требуемой точности регистрации и возможностей технической реализации. Например, если допустимая ошибка кодирования амплитуд A 0.1 %, то N = 11 разрядам. Лучшие современные сейсмостанции имеют аналого-цифровые преобразователи на 24 двоичных разряда,

перекрывая весь возможный динамический диапазон сигналов в сейсморазведке.

Однако в большинстве цифровых станций используется АЦП с числом двоичных разрядов не более 16. Это обеспечивает динамический диапазон, равный лишь 215 ~ 90

дБ, в то время как динамический диапазон сейсмических сигналов может достигать I50I70 дБ. Дальнейшее расширение динамического диапазона достигается применением

мгновенных автоматических регуляторов усиления (МАРУ) в усилителе.

Коэффициент усиления кодируется и записывается вместе с кодом сигнала. При воспроизведении и обработке восстанавливается первоначальный уровень сигнала.

34

Многоканальный прием и регистрация.

Многоканальный прием сейсмических колебаний обеспечивает: 1) повышение производительности работ; 2) возможность улучшения отношения сигнал/помеха применением пространственной фильтрации волн; 3) определение реальной геометрии отражающих и преломляющих объектов.

При построении цифровых многоканальных станций возможны такие варианты:

1)Вся схема цифрового канала (рис. 11) повторяется по количеству каналов. По такому принципу обычно делают телеметрические сейсмостанции с большим числом каналов. Причем вся усилительно-регистрирующая часть выносится ближе к сейсмоприемникам – в полевые блоки, а уже оцифрованная и временно накопленная в памяти блоков информация по единой двухпроводной линии или радиоканалу собирается в регистрирующий узел. Такая схема улучшает технологию проведения полевых работ, повышает помехоустойчивость и надежность сбора информации, но самое главное, практически снимает ограничения по канальности станции.

2)К одному цифровому каналу подключаются все аналоговые каналы станции.

При этом быстродействие АЦП должно быть такое, чтобы за время, равное шагу дискретизации, успеть закодировать отсчеты сигналов со всех каналов. Между усилителями каналов и основным усилителем ставится быстродействующий коммута-

тор, который поочередно подключает их к основному усилителю - осуществляет

мультиплексирование сигналов. Для каждого отсчета сигнала МАРУ подбирает оптимальный коэффициент усиления основного усилителя. Код коэффициента усиления регистрируется вместе с кодом АЦП. При воспроизведении программа восстанавливает динамический диапазон цифрового сигнала согласно коду МАРУ, а

также распределяет отсчеты сигналов по своим каналам, т.е. демультиплексирует их.

По такому принципу изготавливают обычно цифровые регистрирующие системы с числом каналов не более 48.

3) Существуют также комбинированные схемы, когда усилители и АЦП объединяют в один блок для некоторого числа каналов, исходя из соображений экономики и удобства эксплуатации. Например, в некоторых телеметрических станциях один полевой блок позволяет подключение к нему 4-х, а иногда и более сейсмоприемников. Станция «Лакколит», а также телеметрическая станция “SummitCompact”, имеют блочную конструкцию по 24 канала на каждый блок.

35

§ 6. Краткое описание некоторых сейсморазведочных станций.

Современная сейсморазведка решает задачи различных масштабов и сложности:

начиная от инженерно-геологических, где глубинность не превышает первых десятков метров, до глубинных исследований земной коры и мантии. Для решения этих задач разработана разнообразная аппаратура. Здесь дается краткое описание аппаратуры,

используемой на учебной практике по сейсморазведке.

1. Учебная цифровая станция МГУ.

Малоглубинная 24-х канальная станция разработана на кафедре сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ специально для обучения студентов во время учебных практик, может применяться при инженерных сейсмических исследованиях. Функциональная схема станции представлена на рис. 12.

M Усилитель-формирователь импульса запуска

Рис.12. Функциональная схема учебной цифровой сейсмостанции МГУ.

Электрические сигналы от сейсмоприемников по специальному кабелю с разъемами – сейсмической косе - поступают на входы 24-х сейсмических усилителей.

Коэффициенты усиления усилителей (K=100) и полоса пропускаемых частот (10-500

Гц) - фиксированные и оптимально подобранные для малоглубинных сейсмических исследований, как на продольных, так и на поперечных волнах. Усиленные сигналы поступают на входы АЦП с коммутатором каналов. АЦП соединяется с компьютером через двунаправленный принтерный порт или USB. Программа управления АЦП настраивается на циклический опрос заданного количества каналов (24) за каждый

36

период дискретизации сигнала (0.1 – 2 мс). Кодирование сигналов начинается лишь с момента поступления сигнала синхронизации с усилителя-формирователя импульса запуска, на вход которого подключается микрофон, устанавливаемый рядом с пунктом возбуждения. При необходимости вместо микрофона может быть подключен сейсмоприемник, устанавливаемый на землю рядом с пунктом возбуждения, или же механический контакт, закрепленный на ручке кувалды.

Программа регистрации данных в компьютере работает следующим образом:

оператор предварительно записывает в специальный файл параметров название файла данных, число регистрируемых каналов, шаг дискретизации, длину записи и для каждого канала коэффициент усиления собственного усилителя АЦП. Программа настраивает АЦП на кодирование сигналов с заданными параметрами, затем переходит в режим ожидания информации с АЦП. При поступлении импульса запуска с усилителя-формирователя АЦП начинает кодировать и передавать цифровую информацию в компьютер. Программа принимает заданное количество информации с АЦП, изображает ее на экране компьютера и ждет дальнейших команд оператора.

Оператор анализирует визуально принятую информацию и, если она удовлетворяет определенным требованиям, дает команду программе на продолжение работы.

Программа, в зависимости от заданного режима работы, записывает информацию в файл на диске и ждет ввода новых команд оператора, или, в режиме накопления, снова запускает АЦП и переходит в режим ожидания новой порции информации от АЦП.

При неудовлетворительном качестве принятой информации (высокий уровень помех,

сбой момента запуска и т.п.) оператор может дать команду программе повторить ввод.

В первоначальном варианте программы регистрации в файл данных записывалась только принятая с АЦП цифровая информация (оцифрованные дискреты сигнала), без заголовка файла и заголовков трасс. Всю информацию о методике работ и параметрах регистрации сигнала оператор должен был записывать в специальный журнал. В

настоящее время разработана версия программы регистрации с записью данных в

формате SEG-Y, и вся обязательная и вспомогательная информация может быть записана в заголовок файла и заголовки трасс в специальном формате (см. приложение

3 - описание формата SEG-Y). Однако мы все равно рекомендуем оператору основные параметры регистрации записывать в журнал, чтобы при выявлении ошибок или разночтений при последующей обработке данных их можно было дополнительно корректировать.

37

2. Сейсмостанция «Лакколит-24М».

Станция разработана в ООО «ЛОГИС» для малоглубинных сейсмических исследований. Конструктивно станция сделана в виде компактного 24-х канального модуля, подключаемого к компьютеру через сетевой порт. Это позволяет, при необходимости, наращивать число каналов станции, подключая к компьютеру 2 и

большее число модулей.

Внутри модуля находятся 24 сейсмических усилителя с фильтрами низких и высоких частот, частоты среза которых переключаются программно с компьютера согласно выбранной частоте дискретизации. Частота дискретизации определяется выбранной длительностью записи (64…2048 мс) при числе дискретов на канал 2048.

Программно устанавливаются также коэффициенты усиления усилителей (0…52 дБ).

Число двоичных разрядов АЦП – 16. Параметры станции позволяют регистрировать сигналы в достаточно широком частотном (10 – 2000 Гц) и динамическом диапазонах.

В модуле находится также схема синхронизации, включающая в себя усилитель и формирователь импульса запуска. Программно устанавливаются полярность и амплитуда импульса запуска. В качестве датчика импульса запуска могут служить:

сейсмоприемник, микрофон или механический контакт на кувалде. Имеются в модуле и средства для проверки работоспособности усилителей и сейсмоприемников. В тестовом режиме регистрации на входы усилителей подается синусоидальный сигнал от встроенного генератора, что позволяет определить их работоспособность вне зависимости от сейсмоприемников.

В программу следует вводить также параметры системы наблюдений: шаг наблюдений (расстояние между сейсмоприемниками), число регистрирующих каналов,

вынос пункта возбуждения, число накоплений в каждом пункте возбуждения. При работах по методу общей глубинной точки задается также шаг перемещения и количество пунктов возбуждений на профиле. Программа осуществляет регистрацию данных в формате SEG-Y в единый файл, заполняя соответствующие пункты заголовка файла и заголовков трасс, в соответствии с введенными оператором данными.

В режиме накопления программа производит накопление возбуждений подряд, не ожидая подтверждений оператора. С одной стороны это облегчает работу оператора и ускоряет проведение работ. Но с другой стороны, при наличии ураганных помех и сбоев запуска, резко может ухудшиться качество материала, так как повтор отдельных возбуждений в таком режиме не предусмотрен, можно только повторить весь цикл.

38

3. Телеметрическая сейсмостанция “Summit”.

Станция производится немецкой компанией Deutsche MontanTechnologie (DMT),

может применяться как для высокоразрешающих инженерных, так и глубинных исследований, а также для 3D сейсморазведки.

В телеметрической станции усилители, фильтры и АЦП максимально приближены к датчику информации – сейсмоприёмнику (полевые модули), а уже кодированная цифровая информация передаётся в центральный узел сбора и регистрации информации по единому двухпроводному цифровому кабелю или радиоканалу.

Телеметрические станции имеют ряд достоинств:

1.Для связи между каждым сейсмоприёмником и центральным узлом сбора информации не требуется индивидуальных проводов – информация со всех сейсмоприёмников собирается по единой двухпроводной линии.

2.Помехоустойчивость таких линий может быть гораздо выше, чем аналоговых линий от сейсмоприёмников.

3.Количество каналов телеметрических станций практически не ограничено

(до нескольких тысяч).

Телеметрическая станция “Summit” выпускается в нескольких вариантах.

Водном из них на каждый канал (или 2 канала) устанавливается свой полевой модуль, которые соединяются между собой и с центральным узлом сбора информации.

Вдругом варианте (“Summit Compact”) один полевой модуль позволяет подключить к нему до 24 аналоговых сейсмических каналов. К центральному узлу сбора информации может быть подключено до 20 таких модулей, позволяя наращивать общее число каналов до 480. В состав модуля входят: 24 сейсмических усилителя с программной установкой частот среза антиалайсинговых фильтров, 24-х разрядное АЦП, процессор с памятью программ и данных. Собственно усилители имеют только один фильтр низких частот с фиксированной частотой среза 16 кГц, что рассчитано на шаг дискретизации сигнала 1/128 мс. Поэтому первоначально кодирование сигналов всегда осуществляется с этим шагом. При большем шаге дискретизации, для того чтобы условие Котельникова выполнялось, первоначально записанные в память процессора данные фильтруются цифровым фильтром низких частот с соответствующей частотой среза, затем производится прореживание

(передискретизация) данных, и уже прореженные данные передаются в центральный

узел сбора информации.

39

В памяти модуля могут быть записаны трассы длиной от 512 до 16000 дискретов.

Предусмотрена также предварительная запись формы свип-сигнала в память. Это позволяет при работах методом Вибросейс вычислять коррелограммы непосредственно

вполевых модулях.

Всхемотехнику полевых модулей и программное обеспечение заложен целый ряд тестов, позволяющих уже при предварительном тестировании без производства возбуждений волн обнаруживать многие возможные неисправности – начиная от разрывов в линии до условий установки сейсмоприемников.

Достоинствами станции являются практически неограниченный динамический диапазон (24 двоичных разряда), высокая точность аналого-цифрового преобразования,

широкий частотный диапазон регистрируемых сигналов (частота среза ФНЧ может меняться от 56 Гц до 16 кГц).

Из недостатков следует отметить неудачную комплектацию станции – интерфейсная плата для центрального узла сбора информации может быть установлена только в настольный компьютер, который просто так с собой в поле не возьмешь, а

также уже устаревшее и негибкое программное обеспечение.

§ 7. Проверка и тестирование полевой сейсморазведочной

аппаратуры.

Регистрация сейсмических данных должна выполняться с высокой точностью.

Ошибки в регистрации, искажения сигналов при записи, в большинстве случаев при последующей обработке не могут быть исправлены. Повторные наблюдения удорожают полевые работы, но часто бывают и вообще невозможны. Поэтому,

оператор перед началом работ должен убедиться в работоспособности аппаратуры,

проделав необходимые тесты.

Вразных станциях тесты могут выполняться по-разному, но принципиально это подобные операции.

7.1.Проверка сейсмоприемников.

Вназемной сейсморазведке в основном используются электродинамические сейсмоприемники, электрическая цепь которых представляют собой катушку индуктивности с параллельно соединенным шунтом – омическим сопротивлением.

40