易碧金，仲明惟，郭延偉，藺大祿，于圣惠

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司 河北 涿州 072750)

0 引 言

隨著電子、通信、計算機及制造技術(shù)的發(fā)展，地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(以下簡稱地震儀)進入了一個快速發(fā)展時代，有線地震儀、無線地震儀、無纜地震儀、節(jié)點地震儀、地震數(shù)據(jù)采集平臺等各類能夠滿足地球物理勘探中某些特定需求的地震儀層出不窮。然而，由于受制造成本影響，以及為滿足特定操作和特定環(huán)境等特殊需求，各種地震儀的技術(shù)性能指標卻參差不齊。由于物探面臨的地表、地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，超大道數(shù)、寬頻帶、寬方位的全波場的地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)致所需的設(shè)備數(shù)量急劇增加，為了降低勘探的設(shè)備采購成本及設(shè)備應(yīng)用的成本，技術(shù)性能指標各異的各類地震儀開始占據(jù)物探市場。但地震儀技術(shù)性能指標眾多，針對具體的勘探任務(wù)，如何合理地選擇合適的地震儀，并在保證地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量、降低勘探成本的前提下，如何選擇最佳的工作參數(shù)等成為物探工作者關(guān)注的重要問題。

1 影響高精度數(shù)據(jù)采集的主要參數(shù)

按照石油地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范，地震儀性能涵蓋工作方式和參數(shù)、地震信號響應(yīng)指標、觀測能力指標和常規(guī)物理指標四個方面[1]。地震信號響應(yīng)指標與地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量直接相關(guān),特別是噪聲、失真度(畸變)和頻率響應(yīng)范圍尤其重要。而地震儀的工作方式和參數(shù)、觀測能力指標和常規(guī)物理指標則更多的與地震儀的操作、適用地質(zhì)和地表環(huán)境、應(yīng)用或作業(yè)效益等相關(guān)聯(lián)。

1.1 直流漂移與等效輸入噪聲

地震信號響應(yīng)指標中直流漂移與等效輸入噪聲是地震儀最為關(guān)鍵的兩個指標，需要記錄的地震信號只有大于儀器噪聲信號值才能被地震儀采集記錄下來，因此地震儀的噪聲值就是地震信號進入記錄的門檻。

直流漂移(簡稱零漂)是所有電子電路中較為常見的重要參數(shù)。電子設(shè)備在工作過程中由于環(huán)境溫度變化、電源電壓不穩(wěn)、元器件參數(shù)改變(元件的老化、半導(dǎo)體元件參數(shù)隨溫度變化而產(chǎn)生變化)等多種因素影響而使電路輸出電壓漂移(輸出端不為零)。地震儀為了接收弱小、振幅較寬的模擬地震信號，離不開信號調(diào)理電路(前放)和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，即使地震道在輸入短路和沒有任何信號輸入時，地震道輸出端也要產(chǎn)生直流漂移。另外，由于不同類型的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)在數(shù)字化過程中，采用了不同的濾波方法，也是目前地震儀產(chǎn)生直流漂移的主要原因，特別是當前的地震儀大部分采用Δ-Σ結(jié)構(gòu)的ADC,需要采用數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)進行多級抽取濾波的方法來進行直流漂移校正，才能在較寬的動態(tài)范圍內(nèi)進行有效的數(shù)據(jù)采集[2-3]。目前地震儀都具有不同程度的自動校正直流漂移能力，其算法大多是求出每一道的平均直流分量，然后從每一個樣點中減去此值。直流漂移的測試一般與地震儀的噪聲測試一起進行，計算方法參考公式(1)[4]。

(1)

式中，dc為模擬信號的直流漂移；N為樣點數(shù)；Xi為第i個樣點幅度。

等效輸入噪聲是地震儀內(nèi)部固有噪聲的一種表示方式。地震儀的等效輸入噪聲采用等效輸入噪聲電壓表示。其定義為在地震儀沒有任何輸入信號時或地震道輸入端短路或輸入端接等效信號源內(nèi)阻的情況下，在地震道的輸出端所能觀測到的電壓折合到輸入端的電平[4]。地震儀等效輸入噪聲的測試方法一般采用相當于源電阻(500 Ω)的低噪聲電阻作為輸入終端，采集樣點數(shù)不少于1 024，按公式(1)至(3)計算相應(yīng)噪聲值[4]。

(2)

式中，RMS為總有效值；N為樣點數(shù)；Xi為第i個樣點幅度。

(3)

式中，AC為去掉漂移的信號有效值；RMS為總有效值；dc為模擬信號的直流漂移。

1.2 總諧波畸變與動態(tài)范圍

畸變又稱失真,是輸入信號與輸出信號在幅度比例關(guān)系、相位變化關(guān)系及波形形狀產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。失真有多種表現(xiàn)形式，而地震儀的失真一般涵蓋電失真(電路引起的諧波失真、互調(diào)失真、瞬態(tài)失真等)和數(shù)碼失真(數(shù)字化過程中由于調(diào)制、濾波、轉(zhuǎn)換速率等引起的失真)，采用失真度或總諧波畸變或總諧波失真來表示(Total Harmonic Distortion,簡稱THD)。通常的測試方法是采集地震道輸入端已知正弦信號、以最佳窗口函數(shù)的FFT運算來計算預(yù)期的基波和諧波的相對振幅AN以及總諧波畸變THD。具體計算參考公式(4)。

(4)

式中，THD為總諧波畸變；AN為第N次諧波的振幅。

動態(tài)范圍一般定義為可變化信號最大值和最小值的比值。事實上，這一性能指標與THD、ADC的信噪比都有及其緊密的關(guān)聯(lián)。地震儀的動態(tài)范圍定義為地震儀在系統(tǒng)畸變允許范圍內(nèi)可接收的最大信號和最小信號的比值。由于地震儀接收信號的范圍與地震儀的本底噪聲、ADC的精度、前放增益等諸多因素或應(yīng)用條件直接相關(guān)，所以演變出了總動態(tài)范圍、記錄動態(tài)范圍、瞬時動態(tài)范圍等多種表述方式，測試計算方法也稍有差別。目前地震儀動態(tài)范圍的測試方法是在儀器通道的輸入端連接近似于檢波器或電纜阻抗的500 Ω電阻，以一個信號源驅(qū)動儀器通道，產(chǎn)生最大可接受的輸出電平，在所有采樣率和前放增益條件下至少采集1 024樣點；按公式(5)計算。

(5)

式中，DR為動態(tài)范圍；E為最大輸出信號(RMS)；n為無驅(qū)動信號時的噪音(RMS)。

1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器及精度

ADC是數(shù)據(jù)采集設(shè)備最為重要的環(huán)節(jié)，而衡量ADC性能的諸多指標中，采樣率、分辨率(位數(shù))、精度(ENOB)或信噪比(SNR)是高精度數(shù)據(jù)采集中最為重要的指標。在一定的采集電壓范圍內(nèi),位數(shù)越高，那么可采集到的電壓就越小，例如采集電壓為0～2.5 V時，16位ADC的最小刻度為2.5 V/216=0.038 mV，而24位ADC的最小刻度卻達到2.5 V/224=0.149 μV。這里的分辨率代表ADC的最小刻度，間接衡量ADC采樣的準確性。精度或信噪比是在ADC最小刻度基礎(chǔ)上疊加各種誤差的參數(shù)，代表ADC的集散誤差，可直接衡量ADC采樣的精準性。信噪比定義為基頻幅值與所有噪聲頻率的RMS和之比。對于轉(zhuǎn)換位數(shù)為N的ADC，其信噪比可按公式(6)計算。

SNR=6.02 N+1.76 dB

(6)

提高傳統(tǒng)ADC的信噪比，就必須提高位數(shù)。然而，對于傳統(tǒng)的例如逐位比較型的ADC,提高轉(zhuǎn)換位數(shù)除了將帶來噪聲、轉(zhuǎn)換精度降低等技術(shù)難度外，還會帶來成本的急劇上升。目前在采集速率要求不高的地震勘探領(lǐng)域普遍采用了Δ- Σ型的24位ADC, 這種基于1位模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)流的ADC采用了Δ-Σ調(diào)制、過采樣、噪聲整形、數(shù)字濾波以及抽樣等技術(shù)簡化模擬電路、降低量化噪聲。這種ADC的轉(zhuǎn)換位數(shù)并不直接代表其關(guān)鍵指標-信噪比，其真正的動態(tài)范圍取決于其采用的過采樣率、高價調(diào)制器而實現(xiàn)真正意義上的有效轉(zhuǎn)換位數(shù)(ENOB或精確度)，Δ-Σ型ADC的有效動態(tài)范圍(信噪比)與過采樣率和高階調(diào)制的關(guān)系如圖1[5]所示。

圖1 Δ-Σ型ADC信噪比與過采樣率和多階調(diào)制的關(guān)系

圖1所示中可以看出，SNR直接受益于過采樣率的提高和高價調(diào)制，過采樣因子每提高4，SNR增大6 dB，相當于增加1位(參考公式6)。如果1位ADC的過采樣為24倍，則達到4位的分辨率；噪聲整形Σ-Δ調(diào)制與數(shù)字濾波器相結(jié)合(能夠濾除比簡單過采樣更多的噪聲)的1階調(diào)制器，能夠使采樣率每增加一倍就使SNR增加9 dB。采用256 kbps的過采樣率和四階調(diào)制濾波技術(shù)，其動態(tài)范圍將達到144 dB。正是由于Σ-Δ型ADC中數(shù)據(jù)輸出率、分辨率、功耗三者之間的密切關(guān)系，可以通過對過采樣率和高價調(diào)制器的選擇來對分辨率進行編程，從而使單個器件能滿足多個不同信噪比場合的信號采集需求，并且滿足不同商業(yè)(成本)層次的選擇。例如降低過采樣率換取低功耗、采用低階調(diào)制器降低制造難度進而降低成本等。由于Σ-Δ型ADC較傳統(tǒng)的SAR ADC而言，模擬電路簡單、具有較高分辨率、較小的體積、低功耗以及較低成本，并且位數(shù)或精度可以變化而使其廣泛應(yīng)用于不同場合的數(shù)據(jù)采集。

1.4 物理性能指標

地震儀器物理性能指標大部分僅和應(yīng)用相關(guān)聯(lián)，即使是外殼的設(shè)計(包括結(jié)構(gòu)、形狀、材料等)除了考慮抗感應(yīng)(抗干擾)等與數(shù)據(jù)采集關(guān)聯(lián)的次要因素外，更多的是考慮密封、天線的接收靈敏度與干擾(如果配備了天線的話，例如GPS、電臺及其它WiFi等無線通信器件)、重量、環(huán)境的實用性和操作的方便性(包括無線電充電)等系列代表儀器先進性的綜合性能指標。這些指標直接影響地震儀使用過程中的適用環(huán)境、施工效率，在正常工作條件下(例如漏電、干擾等滿足設(shè)計要求的情況下)對地震數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響甚微。

2 提高地震儀數(shù)據(jù)采集精度的措施

地震儀服務(wù)于地球物理勘探的最終目的是在可接受的應(yīng)用成本范圍內(nèi)采集盡量高保真的地震數(shù)據(jù)，進而獲得較好的地質(zhì)成像(勘探)效果。因此，地震儀的發(fā)展是在成本的許可范圍內(nèi)最大限度地提升地震信號的采集記錄能力。這里的成本包括設(shè)備的制造成本和應(yīng)用成本，更多的可能與地震儀的結(jié)構(gòu)或運行原理、物理性能指標、產(chǎn)品的易操作性、穩(wěn)定性等綜合性能指標相關(guān)聯(lián)；而采集記錄能力則主要包括與地震數(shù)據(jù)采集相關(guān)的信號畸變(保真度)、信號的幅度范圍、信號的頻率響應(yīng)范圍、采集能力(道數(shù)、速度、實時性、效率)等。為滿足地球物理勘探開發(fā)對高保真、寬頻地震數(shù)據(jù)采集的要求，地震儀的改進將主要在以下幾方面進行。

2.1 降低系統(tǒng)噪聲

系統(tǒng)噪聲反映數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體噪聲水平，它是確定地震儀最小分辨率最為關(guān)鍵的因素，地震儀噪聲是地震信號能否進入地震儀器采集記錄范圍的最低門檻，地震儀的噪聲越低越有利于記錄弱小的地震信號。因此降低地震儀的噪聲是提高地震儀記錄微小地震信號能力的直接方法。地震儀的系統(tǒng)噪聲來自于地震儀器設(shè)計、制造及應(yīng)用(或測試環(huán)境條件)的方方面面，包括電路設(shè)計、印刷電路板設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件設(shè)計(時序控制、信號模型、數(shù)字濾波等等)、元器件及材料的選擇等等。系統(tǒng)性地把握好地震儀的設(shè)計、制造、應(yīng)用的每一個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制才能降低地震儀的系統(tǒng)噪聲。盡管地震儀的噪聲一般遠小于環(huán)境噪聲，且目前要求地震儀等效輸入噪聲在0 dB前放增益、1 ms采樣率時不大于3.00 μV，見表1[1]，國內(nèi)較好的測試場地環(huán)境噪聲在3.2 μV左右，但對于24位樣點精度的分辨能力而言(24位分辨率在0～2.5 V的范圍內(nèi)可識別的最小信號達到0.149 μV)仍有較大的改進空間。

表1 地震儀部分等效輸入噪聲要求

2.2 改善調(diào)理電路和ADC電路降低直流漂移、降低諧波失真

直流漂移反映系統(tǒng)的直流平衡和隔離能力，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的直流漂移是影響數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵因素之一。對于地震儀而言，直流漂移卻直接影響地震勘探頻率范圍和微小信號的記錄。地震儀采集的地震信號為交流信號，直流漂移將會在地震信號采集記錄中產(chǎn)生多余的直流分量，淹沒幅度較少的地震信號或使近于滿刻度的地震信號溢出而影響地震儀對寬頻、高精度地震信號的采集，因此期望該量值越低越好。目前要求地震儀的THD不大于0.001%(中國石油行業(yè)標準對地震儀THD的要求，見表2[1])。

表2 地震儀部分地震信號響應(yīng)指標

THD反映一個輸出信號波形相對于輸入正弦波形而言的失真程度。從技術(shù)的角度來講，地震儀的THD在一定程度上等同于動態(tài)范圍，地震儀的THD越小動態(tài)范圍越大,那么地震信號的保真度就越好。目前要求地震儀的動態(tài)范圍不小于95 dB。

2.3 改善數(shù)字濾波器特性，采用高性能的ADC

地震數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和帶寬取決于采集通道中信號調(diào)理(放大)、模數(shù)轉(zhuǎn)換等模擬電路這些影響信號保真度的薄弱環(huán)節(jié)，為了彌補這些影響，地震儀基本上全采用了基于Δ-Σ技術(shù)的24位或32位ADC,以數(shù)字濾波器代替模擬濾波器，以簡化模擬電路、降低量化噪聲。地震儀模擬電路的簡化，使這種基于輸出一位碼速率的ADC在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時所產(chǎn)生的噪聲和直流漂移(取決于過采樣率和濾波方式，如圖1所示，成為了當前地震儀噪聲和直流漂移最為主要的來源，其SNR或有效轉(zhuǎn)換位數(shù)(ENOB)在某種意義上直接代表了儀器系統(tǒng)的動態(tài)范圍。由于這種Δ- Σ架構(gòu)的ADC,可以根據(jù)實際的應(yīng)用/采集場景不同，對數(shù)據(jù)輸出率、分辨率、功耗三者之間的密切關(guān)系進行靈活選擇，例如犧牲分辨率來換取速度，或同時折衷換取速度及功耗。正是這種位數(shù)或精度可以變化的靈活應(yīng)用方式，使目前市場上20位以上樣點精度的Δ-Σ型ADC特點不一、種類繁多。針對地球物理寬頻、高精度勘探需要采集的地震信號頻率較低、幅度非常小等特點，在適當?shù)牟蓸勇?500 Hz～2 kHz)下，較高的SNR要求顯得最為重要。因此應(yīng)優(yōu)先選擇較高SNR的低噪聲ADC，這些高端的ADC大都采用了不低于256 kbps的過采樣率、4階或以上調(diào)制器、配合DSP處理技術(shù)進行4級或以上抽樣濾波使動態(tài)范圍達到120 dB以上(1 ms采樣)，并且輸出采樣率能夠達到4 kHz(0.25 ms)。即使考慮電池供電、采集設(shè)備(特別是節(jié)點地震儀)的工作時長與效率對功耗的需求，高分辨率勘探時也不應(yīng)當以犧牲有效動態(tài)范圍為代價。因此對于Δ- Σ型ADC，應(yīng)當更加關(guān)注該器件的ENOB。例如地震儀常用的24位ADC,CS5321/CS5322、CS5372/5376等采用了256 kbps的過采樣率、四階調(diào)制及多級數(shù)字抽樣濾波等技術(shù)，使其瞬時動態(tài)范圍達到144 dB[6-7]。TI公司生產(chǎn)的多種32位Δ- Σ型ADC中，ADS1282的等效輸入噪聲為0.84 μVRMS、動態(tài)范圍為127 dB(相當于ENOB為21.0位)、功耗為25 mW，而ADS1287的等效輸入噪聲為2.7 μVRMS、動態(tài)范圍為116 dB(ENOB為19.3位)、功耗僅為4 mW。

2.4 采用失真小、漂移小的前置放大器，并且增大前放增益

前置放大電路/器是目前地震儀器中地震信號的唯一通路，也是影響模擬信號帶寬、導(dǎo)致模擬信號失真、產(chǎn)生噪聲的主要原因之一。低質(zhì)量的放大器不僅產(chǎn)生嚴重的諧波失真，而且導(dǎo)致不同頻率的信號分量的放大倍數(shù)與延遲時間不同。特征頻率高、噪聲系數(shù)小和線性好的高性能放大器不僅能夠使噪聲水平處于一個較低的范圍內(nèi)，還能夠改善其線性和非線性失真，避免對通帶信號產(chǎn)生畸變。

地震激發(fā)使檢波器檢測輸出的地震信號幅度在微伏至毫伏級，這些幅度弱小的地震信號直接進行ADC時將導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換精度低、浪費24位分辨率資源外(信號整體幅度小，ADC輸出高位均為0)，還將損失相當部分的小信號(被噪聲淹沒)，降低了采集信號的動態(tài)范圍?？梢酝ㄟ^對有效信號的放大來相對降低地震儀的噪聲水平，在使信號不溢出的情況下選擇較大的前放增益對高頻小信號進行放大,使ADC輸入信號的最大幅度略小于滿標稱幅度值(目前地震儀ADC的參考電壓一般為2.5～4.5 V)，或采取更為先進的可變增益方式，就能夠充分利用24位樣點精度最大限度地保證所記錄信號的動態(tài)范圍(ADC動態(tài)范圍應(yīng)匹配需要轉(zhuǎn)換信號的最大振幅，才能使ADC轉(zhuǎn)換精度最大化)，達到提高記錄精度和擴展頻寬的目的[8]。地震儀器的前放增益的配置要求見表3[1]。

表3 地震儀部分工作方式和參數(shù)要求

2.5 根據(jù)施工目的和采集區(qū)域的實際地質(zhì)條件合理選擇工作參數(shù)

考慮到地震儀為最大限度地滿足地球物理各種勘探任務(wù)的需求，除了盡量提高儀器的技術(shù)性能指標外，還設(shè)計了供地球物理工作者根據(jù)不同環(huán)境、不同方法和不同信號采集的具體作業(yè)條件而靈活選擇的多種參數(shù)和范圍(地震儀的部分工作方式和參數(shù)配置要求見表3)。事實上，地震儀的各項指標都有一定的關(guān)聯(lián)性并對應(yīng)一定的測試條件，例如不同采樣率、前放增益條件下對應(yīng)不同的等效輸入噪聲和不同的動態(tài)范圍。一般情況下，較大的前放增益對應(yīng)較小的等效輸入噪聲，能夠提高弱小信號的記錄能力，但降低了最大輸入信號的幅度(瞬時動態(tài)范圍減小)。反之，選擇的前放增益越小，則儀器的最大輸入信號幅度增寬(瞬時動態(tài)范圍加大)。對于Δ-Σ型ADC儀器其采樣間隔越大，信噪比越高，采樣間隔越小，信噪比越低。因此根據(jù)工區(qū)具體的地質(zhì)條件選擇合適的施工參數(shù)(例如采樣率、增益)也能夠有效地增強勘探效果。實際上地震信號的有效頻率范圍覆蓋較高頻率的反射波和較低頻率的面波，其幅度在μV級至mV級之間，對于復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域，設(shè)置一種增益很難兼顧低頻大信號和高頻小信號，采用變增益方式以及多通道不同增益同時采集同一信號(后期分時處理)的地震數(shù)據(jù)采集方法，雖然增加采集成本但也是擴展頻寬的有效折衷方法。

3 結(jié)束語

地震儀的各項性能指標分別代表其在進行地震數(shù)據(jù)采集作業(yè)時某一環(huán)節(jié)所處的狀況、技術(shù)水平或能力，因此每項參數(shù)都有其存在價值和考慮的必要性。在進行高精度地震勘探時，應(yīng)根據(jù)勘探實際情況對種類各異的地震儀進行評價，并且科學(xué)地分析地震儀的性能指標和參數(shù)，選擇適合勘探目標的地震儀并采用合適的參數(shù)組合，不僅能夠有效地提高地球物理勘探的精度，而且能夠部分降低對地震采集設(shè)備的技術(shù)要求，進而降低勘探成本。