§ 5. Прием и регистрация сейсмических колебаний.

Характеристики сейсмических колебаний.

Динамический диапазон - это отношение амплитуд самого сильного и самого слабого сигналов, которые нужно принять и зарегистрировать при данных исследованиях. Снизу динамический диапазон ограничивается уровнем шумовых колебаний почвы - микросейсм, амплитуда которых обычно не менее 10^-9 – 10^-10м (10^-5 – 10^-7 В на выходе сейсмоприемников типа СB). Колебания максимальной амплитуды воспринимаются приемниками вблизи пункта взрыва и могут доходить до 10^-4 м (0,1 В на выходе сейсмоприемника). Таким образом, динамический диапазон при сейсмических исследованиях может доходить до 120 дб и выше, хотя при некоторых видах работ не превышает 20-40 дб.

Частотный состав колебаний, в зависимости от глубинности исследований и методов сейсморазведки, меняется от первых герц до десятков килогерц. Например: при глубинных сейсмических зондированиях (ГСЗ) используются колебания в диапазоне от первых герц до 10 – 20 Гц, а при акустическом каротаже скважин (АК) и акустическом профилировании на акваториях (АП) – до десятков килогерц.

Направление подхода волн определяется типом волн. Например: поверхностная волна распространяется вдоль поверхности и подходит к приемникам сбоку, отраженная волна подходит практически вертикально снизу.

Требования к аппаратуре.

Приемно-регистрирующая сейсмическая аппаратура должна обеспе­чивать практически неискаженную запись колебаний с синхронизацией начала записи от момента возбуждения. Для этого динамический и частотный диапазоны ап­паратуры должны быть шире диапазона принимаемых колебаний. Однако для избавления от некоторых особо интенсивных помех еще до регистрации сигналов в сейсмических усилителях применяют фильтры низких (ФНЧ) и фильтры высоких (ФВЧ) частот.

Для синхронизации начала записи с моментом возбуждения в состав аппаратуры входит специальный канал синхронизации.

Должны быть предусмотрены также средства для контроля и тестирования отдельных узлов аппаратуры до начала и в процессе регистрации.

Важную роль в аппаратуре играют и такие факторы, как удобство обслуживания, экономичность, портативность и т. п.

Сейсморегистрирующий канал.

В сейсморазведке обычно используется многоканальная приемно-регистрирующая аппаратура, но сигналы, принимаемые по разным кана­лам, регистрируются индивидуально, т.е. отсутствует взаимодействие между каналами. Поэтому при анализе аппара­туры достаточно рассмотреть прохождение сигнала по одному из каналов. Блок-схема сейсморегистрирующего канала представлена на рис.11,a.

Сейсмоприемник (СП) служит для преобразования механических колебаний почвы ( ) в электрические колебания ( - э.д.с. на выходе СП). На рис.11,b представлен общий вид частотной ха­рактеристики электродинамического сейсмоприемника, определяемой по формуле ([5] ,стр. 234)

где - частотная характеристика СП;

- спектр напряжения на выходе сейсмоприемника;

- спектр скорости смещения корпуса СП.

Рис.11.

Сейсмоприемник с оптимальным затуханием представляет собой фильтр высоких частот, граничная частота которого равна частоте собственных колебаний сейсмоприемника . В полосе пропус­кания его чувствительность практически равна

где - коэффициент электромеханической связи (КЭМС);

и - активные сопротивления катушки приемника и шунта.

Раньше наиболее распространенными отечественными сейсмоприемниками были СB-30, СВ-20, СВ-10, СВ-5, СГ-10 (С – сейсмоприемник; В – вертикальный; Г – горизонтальный; 30 - собст­венная частота в герцах). КЭМС = 0,1-0,2 В/см/с. В настоящее время совместное предприятие «ОЙО-ГЕО Импульс Интернейшнл» выпускает сейсмоприемники GS-20DX в различных вариантах [2], основные технические характеристики которых таковы:

Собственная частота, Гц ……………………………….10

Верхний предел частоты пропускания, Гц …………..250

Сопротивление катушки, Ом ………………………….395

Степень затухания с шунтом …………………………0,70

Чувствительность, В/м/с ………………………………27,6

Диаметр, мм ……………………………………………25,4

Масса, г …………………………………………………87,6

Электрические колебания от сейсмоприемников по проводам (сейсмической косе) поступают на входы усилителей (У).

Сейсмический усилитель включает в себя также частотные фильт­ры (ФНЧ, ФВЧ, режекторный фильтр). Частотные фильтры характеризуются частотой среза и крутизной среза (рис. 11).

Коэффициент усиления сейсмического усилителя составляет порядка 1 – 10⁴ , уровень шумов, приведенный к входу - 0,05-0,5 *10^-6 В. На выходе включается усилитель мощности (УМ) для согласования усилителя с аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

АЦП характеризуются динамическим диапазоном – числом двоичных разрядов (от 12 до 24, для современных АЦП) – и быстродействием – временем преобразования одного отсчета сигнала (около 1 - 10мкс, для используемых в сейсмической аппаратуре).

Для регистрации цифровых сигналов в современной сейсмической аппаратуре используется компьютер, встроенный в саму станцию, или отдельный ноутбук. Для контроля сигнал в процессе регистрации одновременно визуализируется на экране компьютера.

Выбор шага и числа разрядов квантования.

При цифровой регистрации непрерывные сигналы представляются конечным числом отсчетов (квантование по времени или дискретиза­ция). Эти отсчеты, в свою очередь, кодируются числом цифр двоично­го кода (квантование по уровню). Шаг дискретизации и чис­ло разрядов кодирования необходимо выбрать таким образом, чтобы ошибки квантования не превышали других ошибок.

Шаг квантования ( ) выбирается исходя из теоремы Котельникова:

где - максимальная частота в спектре сигнала.

На практике мы имеем дело с сигналами конечной длительности, спектр которых бесконечен, и в радиотехнике принято характеризовать сигнал граничной частотой спектра ( ) -

Поэтому обычно выбирают

При этом крутизна спада спектра справа должна быть достаточно большой

дБ/окт

Если это условие не выполняется, и на вход АЦП попадают более высокочастотные сигналы, чем это требуется по условию теоремы Котельникова, то при последующем восстановлении такие сигналы преобразуются в низкочастотный шум или помеху (эффект зеркальных частот или алайсинг-эффект), который уже не может быть отфильтрован частотными фильтрами. Для того чтобы предотвратить возможность появления таких помех вне зависимости от спектра принимаемых сигналов, на выходе сейсмических усилителей перед АЦП устанавливают антиалайсинговый фильтр – специальный фильтр низких частот с частотой среза и крутизной дБ/окт.

Число разрядов квантования выбирают исходя из требуемой точ­ности регистрации и возможностей технической реализации. Например, если допустимая ошибка кодирования амплитуд %, то N = 11 разрядам. Лучшие современные сейсмостанции имеют аналого-цифровые преобразователи на 24 двоичных разряда, перекрывая весь возможный динамический диапазон сигналов в сейсморазведке.

Однако в большинстве цифровых станций используется АЦП с числом двоичных разрядов не более 16. Это обеспечивает динамический диапазон, равный лишь 2¹⁵ ~ 90 дБ, в то время как динамический диапазон сейсмических сигналов может достигать I50-I70 дБ. Дальнейшее расширение динамического диапазона дости­гается применением мгновенных автоматических регуляторов усиления (МАРУ) в усилителе. Коэффициент усиления кодируется и записывает­ся вместе с кодом сигнала. При воспроизведении и обработке восста­навливается первоначальный уровень сигнала.