地震数据采集站增益精度测试方法＊

段昌平 刘益成 易碧金

(1.长江大学电信学院 湖北荆州) (2.东方地球物理公司装备事业部 河北涿州)

地震数据采集站增益精度测试方法＊

段昌平1刘益成1易碧金2

(1.长江大学电信学院 湖北荆州) (2.东方地球物理公司装备事业部 河北涿州)

增益精度是地震数据采集系统的重要性能指标,直接影响到地震数据采集的质量,它们是地震数据采集系统必须考核的指标之一。地震数据采集系统的增益主要由采集站的前放和滤波器的特性决定,通常是频率的函数。文章给出了增益精度的定义。基于模拟信号数字处理技术,探讨了增益精度的测试方法,介绍了一种有用的测试方案和测试用信号,并详细推导了增益精度的频域计算公式。

增益精度;遥测地震仪;采集站;快速傅里叶变换(FFT)

0 引 言

地震数据采集系统是以计算机为中心的大型分布式的野外数据采集系统,其数据采集工作由排列在各个采集点上的数据采集站完成。数据采集站是一种高保真度、高信噪比、高动态范围的十分精密的电子装备。采集站的性能是获得高质量的地震勘探资料的重要保证,因此地震数据采集系统中所有与采集数据质量有关的指标都由采集站决定。在评价数据采集系统的众多指标中,采集站的增益精度是其中一项关键指标,被规定为地震数据采集系统需要校正的重要指标[1～6],在仪器的年检月检和使用前都要进行相应的测试校正。地震数据采集系统的增益主要由采集站的前放和滤波器的特性决定,通常是频率的函数。本文阐述了增益与增益精度的物理意义与定义,进一步讨论它们具体的测量方法。

1 增益与增益精度的定义

图1 地震数据采集站框图

地震数据采集站实际上是一个模拟信号数字处理系统,其框图如图1所示。整个系统中包括:1)前放,用于将由地震检波器送来的微弱地震波信号按需要进行放大的前置放大器;2)高精度∑-ΔA/D转换器,用于将由地震波信号转换成数字信号;3)数字信号处理模块(DSP),对于目前的∑-ΔA/D转换器结构, DSP常包含在A/D模块中,用于将转换后的数字信号进行数字滤波处理。

从系统的角度来说,这实际上是一个输入-输出系统,它输入模拟地震信号,输出经过处理后的数字化地震数据,为了获得高保真的数字地震信号,要求信号经过前放、A/D转换和DSP处理后,在地震信号的有效频段范围内,对输入信号幅度按同一比例放大,相位不产生失真。但实际上幅度总存在误差,增益误差主要来自前放,而相位误差则主要来自于数字滤波器。本文主要研究增益精度的测试方法,有关相位的问题将另文讨论。为了讨论的方便,将图1所示采集站框图等效为图2所示的系统框图。

图2中:

图2 地震数据采集站等效系统框图

式(1)中,|H(ω)|为幅度响应,φ(ω)为相位响应。x(n),y(n)分别为输入和输出信号。

2 增益与相位误差的定义与测试原理

所谓增益指输出信号相对输入信号的放大倍数,通常用dB作单位,有0 dB,6 dB,12 dB,24 dB等。记增益为 Gain,设输入信号电平的有效值为V,输出信号电平的有效值为V ,则:

其中 G为放大倍数。设 X(ejω)和 Y(ejω)X(ω) Y(ω)分别代表输入和输出信号 x(n)和 y(n)的频谱,则 y(n)的频谱为:

输入和输出信号的幅度分别为|X(ω)|和|Y(ω)|,从频域的角度而言,它们分别代表了输入和输出信号在各个频率点ω的有效值,是频率的函数。其中:

增益精度用来测试系统增益的误差,采用相对误差。定义为系统按理论放大倍数后的电压有效值与实际测量的电压有效值之差相对理论值之比。设信号放大后的理论电压有效值为V1,由图1或图2可见,V1由输入信号的电平,前置放大器的放大倍数,以及滤波器的频率特性共同确定。实际测量的电压有效值为V2,增益误差用 DGAIN表示,其一般公式为:

例如,设在某个频率点,输入信号有效值为3 V,前放放大倍数为6 dB时,在测试频率点滤波器的幅度响应为1,输出信号被放大了2倍,则理论值为6 V,若从输出端实际测量的电压有效值为5.98 V,则增益精度为:

3 测试信号的选择与频域计算公式

按图2所示的等效框图,选取合适的输入信号 x (n),当 x(n)已知时,可以通过频谱分析求得 x(n)各个频率分量幅度有效值和相位,这就是输入信号的理论值,根据采用的滤波器性能求得在测试频率的滤波器理论相位移 PDEV,然后对输出信号 y(n)进行频谱分析求得 y(n)在各个频率分量幅度有效值和相位,再代入式(4)和(5)即可求得所需要的增益误精度。其中频谱分析可利用快速离散傅里叶变换(FFT)完成[7]。下面讨论测试信号的选择与具体的计算公式。

3.1 测试信号的选择[8～10]

在实际测量时,输入的模拟信号可采用方波脉冲信号,这样 x(n)的理论采样值就只有0和 v(1或者其它的已知幅度 v),可在计算中准确使用,如图3所示。

图3 测试用方波脉冲信号

其中 T1,T2,T3长度可根据采样频率适当选取,但作为测试用的标准信号,对信号的要求是信号的幅度值v以及宽度值T1,T2,T3要准确。样点数N可按脉冲长度与采样频率计算得到,设系统的采样频率为fs,则:

一般而言,相对于采用率而言 T2应足够长,为了便于快速离散傅里叶变换(FFT)运算,选取 T1,T2,T3使N为2的整数幂。例如,在采样频率为2 000 Hz时,可分别选取 T1=16 ms,T2=39 ms,T3=969 ms,N =2 048。

3.2 计算公式的推导

将该输入信号的理论采样值 x(n)乘以理论放大倍数 G,就得到理论放大后的输出信号 x1(n),并对x1(n)进行FFT

X21R(k)和 X21I(k)分别为 X1(k)的实部和虚部,按同样的公式对输出信号y(n)计算|Y(k)|。第p点离散频率点对应的模拟频率为

当测试频率选定后,计算所得的|X1(k)|和|Y (k)|就是分别是输出信号理论电平有效值和实际测量得到的有效值。将|X1(k)|和|Y(k)|代入(5)式就可求得相应频率点的增益精度。具体计算公式如下:

在计算增益精度时,通常要逐点计算所有测试频率,然后取最大的误差点的增益精度值作为系统的增益精度。

4 结 论

增益精度是遥测地震数据采集系统的重要指标,被规定为地震数据采集系统需要校正的重要指标之一。本文在给出了增益精度的基本定义,提出了一种结合模拟与数字信号处理技术来测量该参数的方法并给出了测试信号。按照信号处理的理论对增益精度计算公式进行了详细推导和说明。本文所述的方法已实际应用于地震仪器检测系统中,对大量现场使用的仪器进行了检测,取得了良好的效果[11]。

[1] SY/T6627—2005 数字地震仪校准方法[S]

[2] SY/T 6735-2008 ARAM-ARIES地震数据采集系统检验项目和技术指标[S]

[3] Q/CNPC 84-2003 Sercel 408遥测地震数据采集系统检验项目及技术指标[S]

[4] SY/T 5774-2004 SN388地震数据采集系统检验项目及技术指标[S]

[5] SY/T6950—2004 IMAGE地震数据采集系统检验项目及技术指标[S]

[6] SY/T5935—2000 I/O SYSTEM系列地震数据采集系统检验项目和技术指标[S]

[7] 刘益成,孙祥娥.数字信号处理[M].北京:电子工业出版社,2004

[8] 刘益成,戴得平,余厚全.高分辨率地震勘探采集站参数选择[J].石油物探,1997,36(2)

[9] 刘益成.∑-Δ转换器原理与应用[J].石油仪器,1993, 3(10)

[10] 易碧金,穆群英,罗浮龙.当前地震勘探仪器的应用技术分析[J].地球物理学进展,2004,19(4)

[11] Sercel.408UL User′s Guide.Vol.3,1,2002(资料)

P631.4+3

B

1004-9134(2010)02-0082-02

中国石油天然气集团公司《新型地震数据采集系统研制》重大科技专项(D-6G10302)

段昌平,男,1984年生,现为长江大学电信学院2008在读硕士研究生,主要从事于地球物理仪器嵌入式系统的研究与开发应用。邮编:434023

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2009-12-08 编辑:梁保江)

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