用于大型地震勘探網的高精度低功耗自檢測數據采集

　　前言

　　在進行石油和天然氣地震勘探時,整個勘探網格通常會建立 2,000到30,000個用于采集地殼內巖層反射波的節點。每個節點都有一個傳感器、一套具備自檢測功能的完整數據采集系統,以及一套將數據返回中央記錄單元的遙感裝置。這種應用的要求非?？量?需要高度線性的帶寬動態范圍在0.1 - 200Hz的數據采集系統。由于整個勘探網需要大量的節點,因此每個勘探節點的功耗必須很低,而且還要保證所有勘探節點能夠保持同步運作。每個數據采集節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、一個品模數轉換器、一個多功能抽樣濾波器和一個用于校準和自檢測的高精度數模轉換器。目前,專家們已經成功設計出一種專門經過優化的低功耗高性能數據采集系統。該系統的整體性能超過112dB線性(THD),具有在500 SPS 條件下高達 123dB的動態范圍 (SNR)。數據采集部分的單個節點從5V 模擬電源獲得的功耗為105mW。

　　 圖1 單個地震數據采集系統節點方框圖

　　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的地質結構。80年代早期,地震數據采集系統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位連續漸進模數轉換器。然而,這類早期系統的動態范圍只有約70dB。此外,受實時數據所限,系統中的最大通道數量少于480個。80年代后期,通道數量增加到8000個,從而將行業地質地圖繪制水平從2D提升到了3D。

　　90年代初,隨著品轉換器的應用,數字采集分辨率從16位猛增到24位,動態范圍也相應增加到120dB。增加的動態范圍大幅改善了圖像質量,能夠顯示出過去無法看到的地質結構。

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

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

　　地震數據采集系統

　　圖1顯示了一個數據采集通道。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)與負責模數轉換的品調節器相連接。調節器的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據進行采樣和濾波,并以編程輸出率輸出24位樣本。這些輸出樣本被緩沖到8 深度數據FIFO并傳輸到系統遙感裝置中。將濾波器單元中的檢測位流(TBS)發生器與測試DAC相連接就能啟動系統自檢測功能。模擬檢測驅動差分信號從檢測DAC進入PGA的多工輸入,或直接進入差分傳感器。數字回路折返測試直接將TBS數字輸出與濾波器單元的1位數據輸出進行內部連接,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調節器