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勘探地震数据获取系统设计

作　者: 曹平
导　师: 王砚方
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 物理电子学
关键词: 数据获取系统中国科学技术大学检波器控制系统设计数字包地震勘探海洋地震地震数据图表博士学位论文
分类号: P631.443
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

众所周知，石油和天然气是不可再生资源，是重要的战略物资，直接关系到人们生活和国家安全。地震数据获取系统是地球物理勘探最为核心的装备，有什么样的地震数据获取系统就决定了有什么样的勘探能力，也就决定了在采集装备方面的国际竞争力。综合而言，研发自主知识产权的地震数据获取系统，是利益竞争、国力竞争、价格竞争、市场竞争、人才竞争等各方面的综合需要。然而在石油物探仪器方面，长期以来我国一直处于落后的状态，国内勘探仪器基本全部依赖进口，这严重制约了我国石油地震物探事业和石油工业的发展。为了能更好地、更主动地设计勘探设备，而不盲目地设计系统，同时能够跟上国际大型地震勘探仪器的发展步伐，亟需从设计方法上对地震数据获取系统的设计进行分析和指导，为将最新发展出来的实用技术引入到地震勘探系统的设计中提供方法基础和实验方案，确立了“勘探地震数据获取系统设计方法”的博士研究课题。本文首先根据勘探地震原理，归纳和总结出地震数据获取系统的组成和特点。然后根据这些特点设计出数据获取系统的逻辑模型，该模型由前端数据采集、数据传输、后端数据处理以及分析控制系统组成，这四个子系统共同组成一种四层逻辑模型。接着分别描述采集系统、数据传输、数据处理和控制系统的设计细节。最后讲述利用该设计方法而设计成功的两个地震数据获取系统的设计实例。本文共分为八章，每章的主要内容如下：第一章：导言本章首先研究勘探地震原理和采集方式，归纳和总结出地震数据获取系统的组成和特点，接着叙述地震数据获取系统的发展现状，最后给出本论文的课题意义和主要研究内容。第二章：地震数据获取系统设计概论地震数据获取系统的设计应该采用适当的技术，满足石油勘探的需要，体现地球物理的前沿进展，而不是一味地追求新技术和高指标。本章给出地震数据获取系统的构成模型，该模型是后续各章节讨论的基础，也是实际系统设计的依据。本章最后也给出了在系统设计实现的过程中需要重点注意的几个方面。第三章：采集系统设计采集系统负责将模拟地震信号转换成数字信号，包括传感器、模拟的预处理和数字化处理电路三部分。采集系统是数据获取系统的前端模拟处理部分，决定了系统的关键指标，如动态范围和谐波失真等。本章描述了采集系统各组成部分的实现细节以及因地震勘探而提出的要求。第四章：传输系统设计数字化的地震数据获取系统采用分层架构，使用数字信号的传输方式，这就使得大覆盖面的2D／3D勘探成为可能。但当道数多时，对数据传输系统的设计提出了要求，主要包括拓扑结构和传输方式两方面的要求。本章重点分析数据传输系统流水线、总线和网络这三种拓扑结构，本章还分析了电传输、光传输和无线传输这三种传输方式，最后描述了一种适合地震应用的数据压缩算法。第五章：处理系统设计处理系统完成数据接收、格式转换和数据存储等功能。处理平台的结构直接关系到系统的最大道处理能力、系统扩展能力以及系统可靠性等。本章以海洋和VSP地震数据获取系统来讨论处理平台的设计和实现。第六章：控制系统设计针对地震勘探设计三层架构的控制系统，包括管理层、前端控制层和设备控制层。控制系统软件分成主控软件和质量控制软件。最后本章讨论了系统的同步设计。第七章：设计实例本章描述了两个地震数据获取系统的设计实例：海洋地震数据获取系统和VSP地震数据获取系统。第八章：总结与展望本章展望了地震数据获取系统的发展方向，针对这个发展方向，指出了本文中需要进一步研究内容。此外，本章还给出了本论文研究过程中所取得的创新和亮点，同时也指出了本人的工作。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-16
第一章引言  16-36
  1.1 地震数据获取系统的任务、组成和研究方法  16-17
  1.2 地震数据获取系统的特点  17-18
  1.3 地震勘探对地震数据获取系统的基本要求  18-26
    1.3.1 地震波的形成  18-19
    1.3.2 地震波的特征  19-21
    1.3.3 对地震仪器的基本要求  21-26
  1.4 地震数据采集的方式  26-32
    1.4.1 反射法  26-27
    1.4.2 折射法  27-29
    1.4.3 垂直地震剖面法  29-32
  1.5 地震数据获取系统发展现状  32-33
  1.6 课题研究意义和主要研究内容  33-36
    1.6.1 研究意义  33-34
    1.6.2 主要研究内容  34-36
第二章地震数据获取系统设计概论  36-42
  2.1 前言  36
  2.2 设计理念  36-37
  2.3 地震数据获取系统的主要组成  37
  2.4 地震数据获取系统的基本特征  37-40
    2.4.1 通道数  37-39
    2.4.2 采样率  39
    2.4.3 数据记录时间和“死”时间  39
    2.4.4 功耗  39-40
    2.4.5 实时性  40
  2.5 对地震数据获取系统的一些认识  40-42
第三章采集系统设计  42-65
  3.1 地震传感器  42-51
    3.1.1 电动式传感器  43-46
    3.1.2 压电式传感器  46-48
    3.1.3 MEMS数字式传感器  48-51
  3.2 对模拟放大电路的要求  51-55
    3.2.1 高共模抑制比  51
    3.2.2 低噪声放大  51-52
    3.2.3 输入阻抗  52-53
    3.2.4 对增益的要求  53-54
    3.2.5 动态范围  54-55
  3.3 滤波器  55-60
    3.3.1 采集系统对滤波器的要求  55-56
    3.3.2 采集滤波器参数设计和选择  56-60
  3.4 ∑-△型模数转换器  60-65
    3.4.1 过采样技术  61-62
    3.4.2 噪声成形  62
    3.4.3 ∑-△调制器原理  62-63
    3.4.4 数字滤波和抽取  63
    3.4.5 ∑-△ADC的特点  63-65
第四章传输系统设计  65-84
  4.1 拓扑结构  65-75
    4.1.1 流水线结构  65-68
    4.1.2 总线结构  68-73
    4.1.3 网络结构  73-75
  4.2 传输方式  75-81
    4.2.1 电传输  75-77
    4.2.2 光传输  77-79
    4.2.3 无线传输  79-81
  4.3 数据压缩  81-84
第五章处理系统设计  84-94
  5.1 CompactPCI处理平台  84-86
  5.2 海洋地震数据获取系统处理系统设计  86-90
  5.3 VSP地震数据获取系统处理系统设计  90-94
第六章控制系统设计  94-110
  6.1 对控制系统的要求  94-95
  6.2 控制系统总体结构  95-99
  6.3 软件设计  99-102
    6.3.1 主控软设计  99-101
    6.3.2 质量控制软件设计  101-102
  6.4 同步设计  102-110
    6.4.1 物理同步  102-103
    6.4.2 逻辑同步  103-110
第七章设计实例  110-136
  7.1 海洋地震数据获取系统  110-126
    7.1.1 系统简介  110-112
    7.1.2 室内纪录系统  112-115
    7.1.3 水下采集系统  115-119
    7.1.4 系统实物图片  119-121
    7.1.5 测试  121-126
  7.2 VSP地震数据获取系统  126-136
    7.2.1 系统简介  126-127
    7.2.2 地面数据采集与记录系统  127-130
    7.2.3 井下系统  130-132
    7.2.4 系统实物图片  132-133
    7.2.5 测试  133-136
第八章总结和展望  136-140
  8.1 发展趋势  136-138
  8.2 工作创新和展望  138-140
参考文献  140-142
攻读博士学位期间发表的文章和专利  142

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