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(shí),整個(gè)勘探網(wǎng)格通常會建立 2,000到30,000個(gè)用于采集地殼內(nèi)巖層反射波的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)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)用的要求非常苛刻,需要高度線性的帶寬動(dòng)態(tài)范圍在0.1 - 200Hz的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于整個(gè)勘探網(wǎng)需要大量的節(jié)點(diǎn),因此每個(gè)勘探節(jié)點(diǎn)的功耗必須很低,而且還要保證所有勘探節(jié)點(diǎn)能夠保持同步運(yùn)作。每個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)都由以下元件組成：一個(gè)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(gè)可編程增益放大器、一個(gè)品模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)多功能抽樣濾波器和一個(gè)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(jì)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(dòng)態(tài)范圍 (SNR)。數(shù)據(jù)采集部分的單個(gè)節(jié)點(diǎn)從5V 模擬電源獲得的功耗為105mW。

　　 圖1 單個(gè)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)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(dòng)增益控制的瞬時(shí)“浮點(diǎn)”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(dòng)態(tài)范圍只有約70dB。此外,受實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)所限,系統(tǒng)中的最大通道數(shù)量少于480個(gè)。80年代后期,通道數(shù)量增加到8000個(gè),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(dòng)態(tài)范圍也相應(yīng)增加到120dB。增加的動(dòng)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(shí)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(gè)典型的由8個(gè)浮標(biāo)組成的水下網(wǎng)格就有7680個(gè)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(gè)系統(tǒng)突破30,000個(gè)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?cái)?shù)量。而且這些通道必須具有動(dòng)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(dú)立的要求外,每個(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)系統(tǒng)自檢測功能。模擬檢測驅(qū)動(dòng)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