用于大型地震勘探網(wǎng)的高精度低功耗自檢測數(shù)據(jù)采集

　　前言

　　在進(jìn)行石油和天然氣地震勘探時,整個勘探網(wǎng)格通常會建立 2,000到30,000個用于采集地殼內(nèi)巖層反射波的節(jié)點。每個節(jié)點都有一個傳感器、一套具備自檢測功能的完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以及一套將數(shù)據(jù)返回中央記錄單元的遙感裝置。這種應(yīng)用的要求非?？量?需要高度線性的帶寬動態(tài)范圍在0.1 - 200Hz的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于整個勘探網(wǎng)需要大量的節(jié)點,因此每個勘探節(jié)點的功耗必須很低,而且還要保證所有勘探節(jié)點能夠保持同步運作。每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點都由以下元件組成：一個地震檢波器或水下聽診器(分別用于陸地勘探和水下勘探)、一個可編程增益放大器、一個品模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個多功能抽樣濾波器和一個用于校準(zhǔn)和自檢測的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器。目前,專家們已經(jīng)成功設(shè)計出一種專門經(jīng)過優(yōu)化的低功耗高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)的整體性能超過112dB線性(THD),具有在500 SPS 條件下高達(dá) 123dB的動態(tài)范圍 (SNR)。數(shù)據(jù)采集部分的單個節(jié)點從5V 模擬電源獲得的功耗為105mW。

　　 圖1 單個地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)節(jié)點方框圖

　　在天然氣和石油地震勘探中,陸地勘探需要用爆破方式或地震波聲源車,水下勘探則需要使用氣炮制造地震波;勘探人員通過采集從地殼巖層反射回來的地震波就能繪制出該地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。80年代早期,地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用一種帶有自動增益控制的瞬時“浮點”放大器和若干12位到16位連續(xù)漸進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。然而,這類早期系統(tǒng)的動態(tài)范圍只有約70dB。此外,受實時數(shù)據(jù)所限,系統(tǒng)中的最大通道數(shù)量少于480個。80年代后期,通道數(shù)量增加到8000個,從而將行業(yè)地質(zhì)地圖繪制水平從2D提升到了3D。

　　90年代初,隨著品轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用,數(shù)字采集分辨率從16位猛增到24位,動態(tài)范圍也相應(yīng)增加到120dB。增加的動態(tài)范圍大幅改善了圖像質(zhì)量,能夠顯示出過去無法看到的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

　　配置了傳感器的地表區(qū)域稱為網(wǎng)格。隨著時間的推移,網(wǎng)格大小和通道數(shù)量也得到了穩(wěn)步的提升。如今,陸地網(wǎng)格的覆蓋范圍已超過數(shù)平方公里,而水下網(wǎng)格在距離上已經(jīng)突破了10公里。例如,一個典型的由8個浮標(biāo)組成的水下網(wǎng)格就有7680個采集通道,長達(dá)12公里。水下和陸地勘探的通道數(shù)量和通道密度也有提升。未來的趨勢正向著每個系統(tǒng)突破30,000個通道發(fā)展。

　　由于多數(shù)勘探工作是在極度惡劣的環(huán)境下進(jìn)行的,這就需要極低功耗的數(shù)據(jù)采集通道,以減少所需使用的電池數(shù)量。而且這些通道必須具有動態(tài)范圍大、高線性及采集前自檢測等功能,以確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的完整性。除了這些獨立的要求外,每個通道還必須具有校準(zhǔn)功能,并與系統(tǒng)中的其他部分保持同步,以滿足其他系統(tǒng)在精確增益和相位精度方面的要求。

　　地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　圖1顯示了一個數(shù)據(jù)采集通道。差分傳感器(分別是陸地勘探用地震檢波器和水下勘探用水下聽診器)通過一個可編程增益儀器放大器(PGIA)與負(fù)責(zé)模數(shù)轉(zhuǎn)換的品調(diào)節(jié)器相連接。調(diào)節(jié)器的1位輸出與多用途濾波器相連,濾波器對大量待采樣的品數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和濾波,并以編程輸出率輸出24位樣本。這些輸出樣本被緩沖到8 深度數(shù)據(jù)FIFO并傳輸?shù)较到y(tǒng)遙感裝置中。將濾波器單元中的檢測位流(TBS)發(fā)生器與測試DAC相連接就能啟動系統(tǒng)自檢測功能。模擬檢測驅(qū)動差分信號從檢測DAC進(jìn)入PGA的多工輸入,或直接進(jìn)入差分傳感器。數(shù)字回路折返測試直接將TBS數(shù)字輸出與濾波器單元的1位數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行內(nèi)部連接,以檢查濾波器功能的完整性。

　 　圖 2 PGA方框圖 圖3 單位4階DS調(diào)節(jié)器