程 海 馮 宏 李 萍 王有杰

（中煤科工集團(tuán)西安研究院物探儀器所，陜西西安 710074）

1 前言

地球物理勘探是一種利用地殼中巖石巖性或礦產(chǎn)物理性質(zhì)的差異來(lái)研究地質(zhì)構(gòu)造、勘查地下礦產(chǎn)的方法和理論，根據(jù)探測(cè)原理的不同，地球物理勘探方法可以分為：地震波勘探、重力勘探、磁力勘探、電法勘探等幾類，其中地震波勘探法是最為普遍的一種地球物理勘探方法。地震波勘探是通過(guò)人工激發(fā)震源產(chǎn)生的地震波在彈性不同的地層內(nèi)傳播，收集經(jīng)過(guò)反射和衰減的地震信號(hào)，并進(jìn)行分析和反演，勘探出地下的地質(zhì)情況，在金屬、非金屬礦產(chǎn)資源，以及油、氣、煤能源和地震災(zāi)害等勘測(cè)領(lǐng)域中都有著重要的應(yīng)用[1-3]。

在地震觀測(cè)中，在數(shù)據(jù)采集中保證時(shí)間同步是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，其精度將直接影響到地震數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，對(duì)后續(xù)的地震數(shù)據(jù)分析與地震反演工作有著重要的意義。現(xiàn)如今的地震勘探工程中，為了解決震源激發(fā)和數(shù)據(jù)采集的時(shí)間同步的問(wèn)題，大部分都會(huì)使用同步觸發(fā)裝置，同步觸發(fā)裝置是將發(fā)爆器的高壓信號(hào)經(jīng)過(guò)降壓轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩挠|發(fā)信號(hào)來(lái)啟動(dòng)地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作，但是傳統(tǒng)的觸發(fā)裝置所采用的降壓電路在野外地震勘探工程中存在著元器件易損壞，觸發(fā)信號(hào)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。例如，在放炮過(guò)程中同步觸發(fā)裝置的觸發(fā)信號(hào)沒(méi)有使采集設(shè)備工作，會(huì)造成廢炮；如果觸發(fā)時(shí)間不同步，相差不到一秒的時(shí)間內(nèi)就會(huì)造成對(duì)震源定位的誤差達(dá)到幾千米甚至幾十千米的距離之多。對(duì)地震資料的后處理工作造成很大的誤差。因而保證數(shù)據(jù)同步采集在地震波勘探中有著重要的意義。

本文首先分析了地震波勘探過(guò)程中數(shù)據(jù)采集時(shí)間差產(chǎn)生的原因，其次利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一種新型同步觸發(fā)裝置。最后，為了測(cè)試該同步觸發(fā)裝置的精度及可靠性，本文對(duì)設(shè)計(jì)的同步觸發(fā)裝置進(jìn)行了測(cè)試；

2 時(shí)差產(chǎn)生的原因

圖1為地震波勘探系統(tǒng)的裝置示意圖。當(dāng)發(fā)爆器按下起爆開(kāi)關(guān)后，會(huì)通過(guò)起爆線點(diǎn)燃炸藥，激發(fā)人工震源，從而產(chǎn)生地震波；同時(shí)，發(fā)爆器會(huì)即可向地震波數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，即數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)命令，亦即儀器采集啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)間是以人工震源激發(fā)的時(shí)間點(diǎn)為始端。因此，地震數(shù)據(jù)采集時(shí)差的產(chǎn)生來(lái)源主要是因?yàn)椤暗却?yàn)證時(shí)斷信號(hào)TB（又叫爆炸信號(hào)）的時(shí)間”和“采集啟動(dòng)命令到達(dá)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的時(shí)間”之間的時(shí)間差[4]。因此，在地震勘探中，需要在在發(fā)爆器和采集站之間使用一種同步觸發(fā)裝置，將發(fā)爆器產(chǎn)生的高壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成可以觸發(fā)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安全電壓信號(hào)，以達(dá)到炸藥爆炸（人工震源激發(fā)）和數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作的時(shí)間同步[5]。

圖1 地震波勘探系統(tǒng)的裝置示意圖

3 同步觸發(fā)裝置設(shè)計(jì)

在地震勘探中使用的發(fā)爆器是用來(lái)產(chǎn)生高電壓來(lái)引爆埋藏于地下的炸藥，從而產(chǎn)生人工震源，而地震數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)信號(hào)需要的是電壓在5V以下的低電壓脈沖信號(hào)，所以，同步觸發(fā)裝置需要將發(fā)爆器產(chǎn)生的高電壓脈沖轉(zhuǎn)換成低電壓脈沖信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的同步觸發(fā)裝置是利用法拉第電磁感應(yīng)定律的原理，通過(guò)磁感應(yīng)線圈來(lái)產(chǎn)生可觸發(fā)采集設(shè)備的安全電壓信號(hào)，圖2為本文設(shè)計(jì)的同步觸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 同步觸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在發(fā)爆同步觸發(fā)裝置殼體中間設(shè)置一小孔，將炮線中的任意一條線穿過(guò)該孔（脈沖互感器磁環(huán)內(nèi)孔），當(dāng)發(fā)爆器起爆時(shí)，產(chǎn)生的電流流過(guò)磁環(huán)以產(chǎn)生發(fā)爆同步感應(yīng)脈沖，通過(guò)電橋的整流以及調(diào)幅電路作用，將產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)變成安全的低電壓觸發(fā)信號(hào)輸出給采集站，從而達(dá)到發(fā)爆器和采集站之間的同步觸發(fā)。圖3為同步觸發(fā)裝置的電路設(shè)計(jì)。

圖3 同步觸發(fā)裝置的電路設(shè)計(jì)

4 測(cè)試與結(jié)果分析

為了測(cè)試該同步觸發(fā)裝置的精度及可靠性，本文對(duì)設(shè)計(jì)的同步觸發(fā)裝置進(jìn)行了測(cè)試，其實(shí)物連接圖如圖4所示：

圖4 觸發(fā)裝置與發(fā)爆器的連接實(shí)物圖

當(dāng)發(fā)爆器起爆炸藥激發(fā)人工震源時(shí)，同步觸發(fā)裝置會(huì)產(chǎn)生低電壓觸發(fā)信號(hào)輸出給采集站，以保證地震數(shù)據(jù)采集站也將同時(shí)開(kāi)始工作，示波器測(cè)試到的同步觸發(fā)信號(hào)如圖5所示。

圖5 觸發(fā)信號(hào)波形

從示波器得到的波形可以看出，電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)幅度約為4V，滿足地震勘探中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備1V～ 5V的觸發(fā)電壓范圍；此外，還可以通過(guò)波形看出該同步觸發(fā)裝置可以在1us的時(shí)間內(nèi)快速觸發(fā)，且其觸發(fā)持續(xù)時(shí)間約為0.5ms，完全可以達(dá)到地震波勘探同步采集設(shè)備的要求。由于本文設(shè)計(jì)的同步觸發(fā)裝置可以將發(fā)爆機(jī)產(chǎn)生的高壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成地震勘探中數(shù)據(jù)采集設(shè)備的可觸發(fā)安全信號(hào)，提高了裝置的穩(wěn)定性和使用壽命，能有效的應(yīng)用于地震勘探工作。并且該電路采用的是磁環(huán)線圈和放炮母線隔離的設(shè)計(jì)，避免的安全隱患，可以應(yīng)用到井下煤礦的地震勘探工程中。

5 結(jié)論

本文首先分析了地震波勘探過(guò)程中數(shù)據(jù)采集時(shí)間差產(chǎn)生的原因，其次利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一種新型同步觸發(fā)裝置。最后，為了測(cè)試該同步觸發(fā)裝置的精度及可靠性，本文對(duì)設(shè)計(jì)的同步觸發(fā)裝置進(jìn)行了測(cè)試；測(cè)試結(jié)果表明：該同步觸發(fā)裝置觸發(fā)信號(hào)幅度約為4V，響應(yīng)時(shí)間為1us，觸發(fā)持續(xù)時(shí)間約為0.5ms，完全可以達(dá)到地震波勘探同步采集設(shè)備的要求。此外，相對(duì)于傳統(tǒng)的觸發(fā)裝置，本文設(shè)計(jì)的同步觸發(fā)裝置具有更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命，能有效的應(yīng)用于地震勘探工作。

[1]滕吉文.石油地球物理勘探的發(fā)展空間與自主創(chuàng)新.石油物探，2007，46(3):213-226

[2]李錄明，李正文.地震勘探原理、方法和解釋.北京：地質(zhì)出版社.2007.1

[3]郭少斌.油氣綜合勘探方法.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社.2006.79-80

[4]陳友祥，廖聲剛，熊宗富。給地震儀輔助道增加數(shù)字驗(yàn)證時(shí)斷信號(hào)。物探設(shè)備，2003,13（4）：252～253

[5]潘中印，黃健，張忠婭，馬啟曉。地震儀器數(shù)據(jù)采集同步技術(shù)。物探設(shè)備，2006,16（3）：165～167