專利名稱：帶寬增大的地震采集系統(tǒng)中的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的方法，具體地說涉及一種具有使系統(tǒng)有效帶寬增大的電路系統(tǒng)的地球物理領(lǐng)域的采集系統(tǒng)中的方法，更具體地說本發(fā)明涉及一種具有電路系統(tǒng)的地球物理采集系統(tǒng)，該電路系統(tǒng)可利用在探測地震的工作過程中的操作者的控制來構(gòu)成，以增大地球組合體的有效帶寬，地球組合體對地震信號及地球物理采集系統(tǒng)來說起有濾波器的作用，本發(fā)明給出了這樣系統(tǒng)中的頻譜形成方法和使用該系統(tǒng)的方法。
把現(xiàn)場工作中獲取得地球物理數(shù)據(jù)永久地記錄在尤其是磁帶上的記錄系統(tǒng)廣為人知。出于公開本申請的目的，術(shù)語“地球物理數(shù)據(jù)”包括在探測器可以是地震儀器、地震檢波器或其它類型的探測器的條件下的地質(zhì)勘探環(huán)境中獲取的數(shù)據(jù)，和在探測器可以是水聽器等的情況下海洋勘探環(huán)境中獲取的數(shù)據(jù)。在美國專利第3，819，864中公開了一種典型的數(shù)據(jù)現(xiàn)場記錄系統(tǒng)。
存在有各種設(shè)計(jì)的地球物理采集系統(tǒng)(也稱之為地震儀和現(xiàn)場采集系統(tǒng))，最簡單的是固定系統(tǒng)，此時(shí)放大器的放大增益預(yù)定並且固定。這類先有技術(shù)系統(tǒng)具有預(yù)放大器級、模擬增益級、低截止濾波器、陷波濾波器和各通道的高截止抗混濾波器。多路變換器按順序把數(shù)據(jù)通道轉(zhuǎn)換到模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器輸出一個(gè)與輸入電壓成比例的二進(jìn)制信號。
這種地球物理探測系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)是其動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍定義為在可被處理和記錄的最大輸入信號(即其幅值剛好低于會(huì)引起系統(tǒng)某個(gè)元件飽和的幅值的信號)與可被系統(tǒng)適當(dāng)處理和記錄的最小信號(通常認(rèn)為是信噪比為1的信號)這二個(gè)信號的dB之差。動(dòng)態(tài)范圍一般表達(dá)為最大與最小信號的比率，典型情況下用分貝或dB表達(dá)。
A/D轉(zhuǎn)換器碎分信號的級數(shù)決定了系統(tǒng)的精度。若分成12位，則系統(tǒng)比分成8位時(shí)精度更高。A/D轉(zhuǎn)換器用來接受某一最大電壓。重要的是，在加到A/D轉(zhuǎn)換器上的最大電壓盡可能靠近(但不大于)所述某一最大電壓之前，對地震信號(地球物理數(shù)據(jù))進(jìn)行放大。利用數(shù)字盡可能多的位增加了其意義。數(shù)字的意義與高于系統(tǒng)噪聲電平記錄的位數(shù)目有關(guān)。換句話說，為了充分利用地球物理采集系統(tǒng)，從“意義”的觀點(diǎn)考慮，在A/D放大器增益達(dá)到盡可能高而又未使電子線路飽和之前，必須對信號進(jìn)行放大。當(dāng)加于A/D轉(zhuǎn)換器上的最大電壓對于轉(zhuǎn)換器最大限度來說太大時(shí)，電子線路便變成飽和。
在達(dá)到任何具體增益時(shí)，數(shù)字系統(tǒng)可僅工作在限定的輸入電壓范圍內(nèi)，而既不使信號低于噪聲電平又不至于引起飽和。最低可檢測的電壓大于最小意義位的門限電壓或系統(tǒng)噪聲電平。最大可檢測電壓是這樣一個(gè)電平，處于該電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器變成飽和，並輸出其最大可能的數(shù)字?jǐn)?shù)目。高于最高電平的信號在其模擬狀態(tài)時(shí)或在轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式之后被截去。
供石油勘探特殊之用的系統(tǒng)用來根據(jù)輸入信號自動(dòng)地調(diào)節(jié)其增益，還用來記錄達(dá)到的增益。有許多浮點(diǎn)系統(tǒng)，其中數(shù)目是以指數(shù)-對數(shù)尾數(shù)的科學(xué)方法來記錄的。A/D轉(zhuǎn)換器的輸出是對數(shù)尾數(shù)，達(dá)到的增益是指數(shù)。二進(jìn)位制增益系統(tǒng)是這些系統(tǒng)中的第一代系統(tǒng);實(shí)例是Texas Instruments生產(chǎn)的DFSⅢ，該系統(tǒng)增益范圍在6dB的增量內(nèi)(單個(gè)的位移位)。數(shù)字的數(shù)目記錄為15位的字，增益用4位的指數(shù)記錄。利用二進(jìn)制增益系統(tǒng)，在增益增大之前需要有幾個(gè)(從15-60)要移位的呼叫。單個(gè)呼叫需用來減小增益。
下一代增益放大器記錄系統(tǒng)是瞬時(shí)浮點(diǎn)(IFP)系統(tǒng)。僅需用一個(gè)呼叫來以任何量增大增益。Texas InstrumentS的DESⅣ和DFSⅤ是這類儀器的實(shí)例。這些儀器的增益的增量是12dB(2位的移位)，但可以有其它級的比率，如2∶1(6dB)和8∶1(18dB)等等。
當(dāng)數(shù)字信號處理利用數(shù)字濾波器等得以完成時(shí)，從最大意義的觀點(diǎn)考慮可被記錄的信號其有效動(dòng)態(tài)范圍小于加在A/D轉(zhuǎn)換器上的信號的實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍。對于16位A/D轉(zhuǎn)換器(15位的尾數(shù)，1位的符號)，A/D轉(zhuǎn)換器的有效動(dòng)態(tài)范圍和系統(tǒng)的數(shù)字處理碼元在40至50dB之間。
當(dāng)爆炸源產(chǎn)生一個(gè)地震信號進(jìn)入地球時(shí)，該信號實(shí)際上是許多不同振蕩信號或波的組合信號或總和，這些不同的振蕩信號或波向地球內(nèi)傳播，並被反射或折射回地球物理采集系統(tǒng)的地震檢波器。所產(chǎn)生信號的頻譜取決于爆炸的當(dāng)量及類型、爆炸的形狀及其周圍材料。在典型地震探測中，所產(chǎn)生頻譜中的能量峰值在10-30Hz的范圍內(nèi)，典型值是15Hz。在高于峰值的頻率處，能量每倍頻程約減小6dB。壓縮空氣裝置(“空氣槍”)及質(zhì)量碰撞裝置的所產(chǎn)生的能譜的形狀與爆炸源的形狀相似。
可利用非線性掃描來控制振動(dòng)源(如商標(biāo)為Conoco，Inc.的地震振動(dòng)器(Vibroseis))的譜。所得源的地震信號的高頻能量能夠增大。
對于由上述源之一輸入地球的地震波的能譜，地球起著衰減濾波器的作用。多重頻率地震波的頻率成分含有傳播速度，該傳播速度對任何頻率來說大致相同，但組合波的每一頻率在其每個(gè)波長上大約衰減0.5dB。對于波的每種成分的衰減分貝數(shù)隨每個(gè)信頻而加倍，用dB數(shù)測得的衰減信頻等于衰減的指數(shù)增量。因此，作為頻率的函數(shù)，地震波(具有產(chǎn)生的能譜)隨著頻率的增大而呈指數(shù)衰減。
通過地球傳播的波還作為時(shí)間的函數(shù)呈指數(shù)衰減。結(jié)果，地球(看作為信號濾波器)的衰減譜隨時(shí)間和頻率呈指數(shù)變化。在任何特定時(shí)刻，回返波的能譜依靠“地球?yàn)V波器”和傳感器而起作用，該能譜在從10至40Hz的頻率范圍內(nèi)達(dá)到最大值，然后隨頻率呈指數(shù)衰減。考慮到彈性波的傳播速度是眾所周知的，考慮所產(chǎn)生的頻譜在源被引發(fā)后的任何特定時(shí)刻依靠“地球?yàn)V波器”和探測器而起作用，就如同從地球的某一深度給回返波的能量成分“拍快照”一樣。拍快照的時(shí)刻越遲，對形成的“觀察”就越深。
從現(xiàn)代地球物理采集系統(tǒng)的數(shù)字處理系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換器的“有效動(dòng)態(tài)范圍”看，地震采集系統(tǒng)和“地球?yàn)V波器”的組合體的“系統(tǒng)有效帶寬”可以是近似的。在地震能量施加到地球上之后任何時(shí)刻，譜的最大信號幅度是確定的，這是因?yàn)榭紤]到設(shè)定增益范圍放大器的增益，以向A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)靠近最大值的信號電平。然后，有效動(dòng)態(tài)范圍(以dB表示)便從以dB表示的最大信號電平的電平中減去，以產(chǎn)生一個(gè)以dB表示的、低于最大信號電平的信號電平，建立地球-采集系統(tǒng)的衰減電平，低于該衰減電平，就不能如前所述那樣具有最大“意義”地測量信號。然后，那個(gè)較低的電平(或意義電平)便使得有效地球-采集系統(tǒng)的帶寬得以確定，該系統(tǒng)的帶寬被定義為可以具有最大意義地被記錄收地震信號帶。如此定義的有效帶寬在地震信號產(chǎn)生並輸入到地球中后隨每次拍快照或時(shí)間而變化。
重要的是，地球-采集系統(tǒng)的有效帶寬要盡可能地寬，這樣可以分辨出相對厚度較小的地層。可以這樣來限定分辨率的限度，即在該限度時(shí)可以從一種地勢的效應(yīng)辨別出二種地勢。簡單地增大了地球-采集系統(tǒng)的有效帶寬的采集系統(tǒng)與具有較小有效帶寬的采集系統(tǒng)相比，具有更強(qiáng)的地層辨別能力。
在先有技術(shù)中已采用低截止濾波器來增大有效系統(tǒng)帶寬。Knapp和Stepples在“地球物理學(xué)，Vo.51，No.2(1986年2月)”第288頁上描述了一種在使地球物理采集系統(tǒng)數(shù)字化之前用的截止頻率為80Hz，每一倍頻程24dB的低截止濾波器。Knapp和Steeples建議濾波器的截止頻率不應(yīng)這么高，下降邊不要這么陡，以至于濾去所有信號，但重要的還有該截止頻率要高到足以使可能掩沒低幅度信號的高幅度、低頻信號和低頻噪聲衰減。
本發(fā)明總的目的是提供一種增大用于記錄回返自地球的地震信號的地球物理數(shù)據(jù)采統(tǒng)有效帶寬的方法。
本發(fā)明的地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中提供了一種低截止濾波器，它能增大系統(tǒng)有效帶寬，但同時(shí)又能記錄回返自地球深處的低頻信號。
本發(fā)明的地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中提供了一種衰減限定的低截止濾波器，它具有一個(gè)操作者可選擇的截止頻率，和低頻時(shí)最大衰減電平以增大系統(tǒng)有效帶寬。
本發(fā)明的地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中提供了一種濾波器，它具有低于截止頻率且基本不變的增益、高于截止頻率且隨躍變帶中頻率增大而增大的增益，和高于躍變帶上限的固定增益。
本發(fā)明的地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中提供了一種頻譜定形濾波器，它置于系統(tǒng)的輸入極中，以使系統(tǒng)輸入噪聲最小，同時(shí)增大系統(tǒng)有效帶寬。
本發(fā)明的地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中提供了一種頻譜定形濾波器，它具有操作者可選擇的低截止頻率、跟隨在該低截止頻率之后的增益上升，以增大地球/采集系統(tǒng)的有效帶寬。
本發(fā)明的再一目的是提供一種地球物理現(xiàn)場工作的方法，利用該方法，現(xiàn)場工作專家可以確定地球頻譜特性，調(diào)節(jié)衰減限定的低截止濾波器參數(shù)和頻譜定形濾波器參數(shù);以便增強(qiáng)地球探測系統(tǒng)針對回返自具體能源和地球位置處的信號的頻譜特性，由此提高所獲信號的分辨率。
利用一種具有帶有頻譜定形濾波器的輸入級的地球物理采集系統(tǒng)可以達(dá)到本發(fā)明前述目的及其它優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。該系統(tǒng)還包括一個(gè)衰減限定的低截止濾波器，頻譜定形濾波器具有可選擇的低截止頻率和可選擇的且跟隨在低截止頻率之后的增益上升。低頻時(shí)的衰減和低斷濾波器的截止頻率也是操作者可選擇的。
在使用本發(fā)明地球物理采集系統(tǒng)中，地球物理采集專家或操作者首先要在無系統(tǒng)影響的情況下，用低截止濾波器和頻譜定形濾波器，進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)記錄，以確定在產(chǎn)生地震信號的一個(gè)或幾個(gè)時(shí)刻處從地球回返的波譜峰值。截止頻率、衰減限定的截止濾波器及頻譜定形濾波器的衰減或增益被操作者選擇為試驗(yàn)頻譜峰值的頻率的函數(shù)。
通過參考附圖，本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)將會(huì)變得更加明了，附圖中相同的標(biāo)號表示相同的部分，附圖中示出了本發(fā)明最佳實(shí)施例。


圖1是先有技術(shù)典型的地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方框圖;
圖2是本發(fā)明地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方框圖，該系統(tǒng)采用了一個(gè)具有頻譜定形濾波器的輸入級，頻譜定形濾波器跟隨有衰減限定的低截止濾波器;
圖3A是采用了單個(gè)終結(jié)頻譜定形濾波器的輸入級的實(shí)施例，其特征在于低截止頻率和高于該低截止頻率的增益上升;
圖3B是采用了單個(gè)終結(jié)頻譜定形濾波器的輸入級的實(shí)施例，其特征在于操作者可以選擇的低截止頻率和高于該頻率的增益上升;
圖4A采用了頻譜定形濾波器的差分輸入級的實(shí)施例，其特征在于操作者可以選擇的低截止頻率和高于該頻率的且操作者可以選擇的增益上升;
圖4B是圖2地球物理采集系統(tǒng)差分輸入級最佳實(shí)施例的示意圖，包括一個(gè)頻譜定形濾波器，特征在于操作者可以選擇的低截止頻率和高于該頻率的增益上升;
圖5是具有操作者可選擇的低截止頻率和增益上升的頻譜定形濾波器增益與對數(shù)頻率之間的關(guān)系曲線;
圖6是隨地震信號產(chǎn)生之后若干時(shí)刻處地球和探測器的衰減頻譜的示例，該示例示出了頻譜定形濾波器系統(tǒng)有效帶寬的增大;
圖7A是一種衰減限定的低斷濾波器的實(shí)施例，其特征在于截止頻率和在低于該截止頻率的低頻處衰減的固定電平;
圖7B是衰減與對數(shù)頻率之間的關(guān)系曲線，它示出了圖7A電路的頻率響應(yīng);
圖7C是圖7A所示包括二級濾波器的地球物理采集系統(tǒng)的衰減限定的濾波器最佳實(shí)施例的示意圖，該實(shí)施例特征在于操作者可選定的低截止頻率和在低頻處的衰減電平;
圖8是隨地震信號產(chǎn)生后在若干時(shí)刻處，地球和探測器的衰減頻譜的示例，該示例示出了在這些時(shí)刻的某一時(shí)刻處衰減限定的低截止濾波器的系統(tǒng)有效帶寬的增大。
圖1是典型的、先有技術(shù)的地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方框圖。通常用一條內(nèi)含多對雙鉸線的信號導(dǎo)體的電纜向這樣的一個(gè)系統(tǒng)提供輸入。在海底地震探測的情況下，每對雙絞線在某一遙遠(yuǎn)測位連接到地震檢波器或地震檢波器組。在海底地震探測的情況下，雙絞線對裝在一個(gè)飄帶內(nèi)，該飄帶涉拖在一只探測船的后面，這些線對在遙遠(yuǎn)測位連接到水下地震檢波器或水下地震檢波器組。在任一情況中，多條數(shù)據(jù)信道可由數(shù)據(jù)吸集系統(tǒng)予以記錄。每對雙絞線提供一個(gè)差分信號，該差分信號與地面無關(guān)。
參照圖1，由引線1、2將一個(gè)這樣的信號耦合到該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的一個(gè)信道的輸入級或前置放大器25。該信號進(jìn)入差分放大器3，然后由差分放大器3在線5、6上向差分放大器7提供一個(gè)差分輸出。設(shè)計(jì)放大器7來提供高的共模抑制，并將該差分信號轉(zhuǎn)換為線8上的單端信號。放大器3和放大器7組成輸入級或前置放大器25。放大器3應(yīng)該盡可能地具有較低的等效輸入噪聲和高的增益。高增益可使收到的信號放大到足夠高的電平，以使隨后器件提供的噪聲與放大器3提供的噪聲相比無足輕重。放大器7通常具有趨于1的增益。
用以將電纜的信號耦合到該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的其它裝置是公知的，已在第3，778，759和3，972，020號美國專利文件中公開。
該前置放大器的輸出端由引線8連接到低截止濾波器9，低截止濾波器9的功能是衰減低頻信號。該低截止濾波器9的輸出由線10耦合到高截止濾波器11，高截止濾波器衰減高頻信號，并且通常具有每倍頻程72分貝的斜率。由于模擬信號要在該系統(tǒng)內(nèi)以后的一點(diǎn)上取樣與量化，因此高截止濾波器11用來確保高于1/2取樣頻率的頻率都被衰減掉，以防止有影響的頻率折返。
高截止濾波器11的輸出端由引線12連接到陷波濾波器13，陷波濾波器13的拒斥頻帶以電源(線)頻率為中心，以衰減從電源線附近拾取的任何信號。高截止濾波器和陷波濾波器在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)是公知的，不需在此贅述。在一些系統(tǒng)中的陷波濾波器先于高截止濾波器，或者高截止濾波器先于低截止濾波器也是公知的。
該陷波濾波器13的輸出端由引線14連接到低漂移直流放大器15的輸入端。放大器15通常具有趨于1的增益和低輸出阻抗。低漂移的要求起因于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的余量是直流耦合的。放大器15的輸出端由引線16連接到多路開關(guān)17，多路開關(guān)17通常是一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，該開關(guān)在極短的時(shí)段內(nèi)閉合，以便通過引線18向增益范圍放大器19的輸入端提供所說明的信道的數(shù)據(jù)樣值。
到所述點(diǎn)的該數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的那部分，即輸入信號與線18之間的信道，對于該系統(tǒng)予以記錄的輸入數(shù)據(jù)的各信道而言都是雙彎的。諸如多路開關(guān)17的各種不同的倍增器開關(guān)在短時(shí)段內(nèi)接連閉合，于是在引線18上提供來自不同數(shù)據(jù)信道的連續(xù)順序的模擬樣值。
這些不同的樣值在由放大器19放大之后由線21饋送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器20。數(shù)字輸出信號由引線23饋送到記錄器22。在最佳實(shí)施例中該記錄器22包括一臺(tái)磁帶錄音機(jī)。如上概述的地球物理數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)在磁帶上提供了從該電纜上接收的多信道模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字化樣值。
當(dāng)前使用的最高質(zhì)量的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器具有80～90分貝的動(dòng)態(tài)范圍，但可以超過120分貝。增益范圍放大器19能夠在引線18上收到樣值時(shí)針對每個(gè)計(jì)數(shù)據(jù)樣值自動(dòng)地調(diào)節(jié)其增益。該增益得到調(diào)整，以保證在引線21上呈現(xiàn)的放大信號一定落入該模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的容許范圍之內(nèi)。放大器19的實(shí)際增益定位由線25提供給記錄器22，以便和線23上的相應(yīng)的數(shù)字化樣值一起記錄。一種適用的增益范圍放大器的一個(gè)實(shí)例已在第3，684，968號美國專利文件上公開。圖1所示的各種部件的具體實(shí)施例都呈現(xiàn)在得克薩斯州達(dá)拉斯的得克薩斯儀器公司(Texas Instruments Incorporated of Dallas)提供的數(shù)字場(field)系統(tǒng)中，商標(biāo)為DFS V。
圖2是本發(fā)明的地球物理采集系統(tǒng)的方框圖，它與圖1的方框圖相似，但它含有包括頻譜定形截止濾波器的輸入級30，還含有衰減限定的低截止濾波器級35。圖2的系統(tǒng)含有一個(gè)高行拾波抑制器電路40，該電路將模擬信息經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器42反饋到增益范圍放大器19′，高行拾波抑制器40排除了對先有技術(shù)的陷波濾波器的需要，它在未決的美國專利申請835，140中已予描述，該申請已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。其工作情況不在此描述，但它被列出以供參考。在該信道內(nèi)提供了一個(gè)附加的低截止濾波器13′以濾掉極低的頻率。
圖3A是帶有差分放大器43和其點(diǎn)的頻譜定形截止濾波器50單端實(shí)施例的輸入級30的原理圖。圖5是增益與對數(shù)頻率的關(guān)系曲線圖，該圖概括地繪出圖3A的頻譜定形截止電路50以及圖3A、3B、4A和4B的電路的增益與頻率特性。輸入級30最好在直流頻率時(shí)增益為G1，直流頻率即下截止頻率f1，在f1以后，增益隨著頻率的升高而增大，直到在截止頻率f2時(shí)到達(dá)提升的增益G2時(shí)為止。在增益(或衰減)與對數(shù)頻率關(guān)系曲線圖上，在此，截止頻率規(guī)定3分貝以上或以下的直線逼近的增益(或衰減)響應(yīng)。
本發(fā)明的一個(gè)重要特點(diǎn)就是在輸入級30中配置了頻譜定形截止電路50。通常，輸入級的增益越高，該系統(tǒng)的等效輸入噪聲就越低，在輸入級中配置頻譜定形截止電路50提供了增益的提高，該電路放在任一較高噪聲電路之前要比它在該系統(tǒng)中放在輸入級之后造成的等效系統(tǒng)噪聲要低。
從地球返回的地震信號從傳感器，例如地震檢波器，送到引線1、2(圖3A)，即送到差分放大器43，該放大器43的增益為4或大于4。引線44上的輸出加到頻譜定形截止濾波器電路50的運(yùn)算放大器51的正輸入端。電路50包括阻容(RC)反饋網(wǎng)絡(luò)，該反饋網(wǎng)絡(luò)把引線55上的輸出信號經(jīng)過引線56加到運(yùn)算放大器51的負(fù)輸入端。頻譜定形截止電路50的直流增益G1取決于R1與R1、R2、R5之和的比值。高頻增益G2是電阻R1、R2、R3和R5的函數(shù)。截止頻率f1和f2之間的增益以近似6分貝/倍頻程(20分貝/十進(jìn)制)速率升高。下截止頻率f1是電容C1和電阻R1、R2、R3和R5的函數(shù)。選定下截止頻率f1，直流增益G1和增益差(或增益提升)(G2-G1)(其單位為分貝)就可確定R1、R2、R3、R5和C1的適應(yīng)數(shù)值。
圖3B的輸入級與圖3A的輸入級的形式相同，只是圖3B的電路中的、類似于圖3A電路的電阻值和電容值可以利用開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5改變其數(shù)值。電容器C1在電路中通過閉合開關(guān)S4或S5或同時(shí)閉合S4、S5可得到3個(gè)數(shù)值。R3的4個(gè)數(shù)值的1個(gè)可以通過打開或閉合開關(guān)S2、S3，使與R3′并聯(lián)的R3″或R3″接入或不接入來得到。開關(guān)S1可以閉合在多個(gè)不同的點(diǎn)(201～204)上，以改變輸出引線55上的輸出信號值，該信號值經(jīng)引線56反饋到運(yùn)算放大器51的負(fù)輸入端。圖3B的電阻和電容的典型值見表1所示。
表1R187ΩR2′ 261ΩR2″ 1044ΩR2″′ 4176ΩR525056ΩR3′ 1516ΩR3″ 1129ΩR3″′ 566ΩC1′ 1μFC1″ 1.625μF從表1所示的電阻值和電容值可以明顯地看出，開關(guān)S1控制該電路的直流增益C1。
若開關(guān)S1接在位置201、202、203或204上，則等效于圖3A中的R1和R2的圖3B中的R1有效值(R1eff)和R2有效值(R2eff)以及電路50的電流增益都列入表2中。
表2開關(guān)位置直流增益 R1eff R2eff201 5.5 5568 0202 22 1392 4176203 88 384 5220204 352 87 5481開關(guān)S2和S3控制該電路高于直流增益G1的提升增益(G2-G1)，單位為分貝。
由于R3的標(biāo)注對照著與電容器C1′或C1″串聯(lián)連接的電阻的數(shù)值，從直流增益提升的增益量列入表3中。
表3開關(guān)S2和S3約提升約提升 R3的開關(guān)位置 (分貝) (增益)S2和S3都打開 12 4.01 1516S2閉合 18 8.0 647S2和S3都閉合 24 16.01 302S3閉合(不使用)開關(guān)S4和S5控制該電路的下截止頻率f1，標(biāo)注C1作為與電阻R3′、R3″和R3的組合相串聯(lián)的電容的電容量，對于S4和S5的各種開關(guān)位置將下截止頻率f1列于表4中，其上截止頻率f2也列入該表中。
表2、3、4示明在場運(yùn)行期間，在操作者的控制下，通過適當(dāng)?shù)乜刂崎_關(guān)S1～S5就可以設(shè)定直流增益G1、下截止頻率f1和圖3B中電路50(和電路30)所增加的提升增益(G2-G1)，其單位為分貝。
圖4A示出了在直接接受引線1、2上的差分輸入信號的一個(gè)實(shí)施例電路中的頻譜定形截止輸入級30。放大器60、61可以是兩個(gè)晶體管，引線1、2與其基極連接。放大器60、61的集電極C的輸出由引線64、65差分地加到運(yùn)算放大器70，運(yùn)算放大器70的輸出(即圖4A實(shí)施例的頻譜定形截止輸入級30的輸出)經(jīng)過與圖3B所示反饋網(wǎng)絡(luò)功能相同的反饋網(wǎng)絡(luò)加到放大器60和61的正輸入端(或發(fā)射極)。開關(guān)S1和S1′聯(lián)動(dòng)，以保證由R1加R2′與R2″加R2″的適當(dāng)比值所選定的直流增益相同。截止頻率f1用圖3B相同的方法選定，即選擇開關(guān)S4和S5的位置使C1″/2，或C1′/2，或C1′/2加C1″/2接入電路的方法。通過將開關(guān)S2和S3定位使2R3″與2R3′并聯(lián)，或使2R3″與2R3′并聯(lián)，或使2R3″和2R3″都與2R3′并聯(lián)，頻譜提升(單位為分貝)，即高頻增益G2減去低頻增益G1，是可以選定的。表1中的電阻值和電容值與圖4A所示的那些電阻和電容相對應(yīng)。
在1兆歐的電阻R8和R9之間的P點(diǎn)處呈現(xiàn)的共模信號經(jīng)過運(yùn)算放大器71、再經(jīng)過電阻R10和R11加到晶體管放大器60和61的發(fā)射極。圖4A的電阻R10和R11最好是2087歐姆。晶體管60和61是市場上可以買到的雙晶體管色MAT-01的一半，運(yùn)算放大器70是市場上可以買到的電路LT1008。
圖4B示出圖4A的頻譜定形截止輸入級的最佳實(shí)施例。晶體管60和61是市場上買到的包MAT-01的每個(gè)半邊，15伏電源通過100千歐姆的電阻R12和R13加到晶體管(的集電極)。運(yùn)算放大器70是市場上買到的電路LT1008。共模運(yùn)算放大器71是市場上買到的電路LF442的一半，10伏參考電源加到它的正輸入端。
開關(guān)S1和S1′與圖4A的開關(guān)S1和S1′相對應(yīng)，是電壓控制場效應(yīng)管(FET)。分別加到引線80～83上的電壓使相應(yīng)的FET導(dǎo)通，由此，將晶體管61和60的發(fā)射極連接到電阻R1、R2′、R2″、R2″以及R5之間。
開關(guān)S2和S3相應(yīng)于圖4A的開關(guān)S2和S3，是電壓控制FET，分別或同時(shí)加到引線90和91上的電壓使開關(guān)S2和S3閉合。開關(guān)S4和S5相應(yīng)于圖4A的開關(guān)S4和S5，也都是電壓控制FET，分別或同時(shí)加到引線92和93上的電壓使EFT開關(guān)S4和S5閉合。
加在引線80～83上的電壓用以調(diào)整輸入級30的增益G1(增益G1和G2以及下截止頻率f1在圖5中示意性地予以定義)。加在引線80上的電壓付之以“低增益G1”;加在引線81上的電壓付之以“中低增益G1”;加在引線82上的電壓付之以“中高增益G1”;以及加在引線83上的電壓付之以“高增益G1”。
加在引線92上的電壓將下截止頻率f1調(diào)整到較高值(見上述的表4)，加在引線93上的電壓提供下截止頻率f1，加在引線92和93上的電壓提供更低的截止頻率。在引線90或91上不加電壓可提供從增益G1到G2的低增益提升，加到引線91上的電壓可提供從增益G1到G2的中等的增益提升，加在引線90和91上的電壓可提供高的增益提升。在引線80～83和90～93上施加的電壓最好是由操作者控制下的數(shù)字計(jì)算器供電。
圖6示出地震發(fā)生之后地球典型區(qū)間的衰減頻譜，它是時(shí)間的函數(shù)。虛線所示的曲線表示地球?qū)Φ卣鸩ǖ乃p，這是時(shí)間和頻率的函數(shù)。時(shí)間可視為一個(gè)盡參，這樣可把每個(gè)時(shí)間衰減曲線可認(rèn)為是地球頻率衰減的瞬時(shí)衰減曲線。每條曲線的最大點(diǎn)都注上了A1、A2、…在圖2的系統(tǒng)中，增益范圍放大器19′可自動(dòng)地調(diào)節(jié)其增益，因而最大幅度的復(fù)合地震信號并不大于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器70′所確認(rèn)的最大信號。對于圖6的每條時(shí)間曲線而言，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器70′和該模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所遵循的數(shù)字處理步驟的動(dòng)態(tài)范圍取為48分貝，從而確定了有效的系統(tǒng)帶寬(當(dāng)然，48分貝只是一個(gè)例子，用以解釋本發(fā)明有使用權(quán)的方面)。例如從最大點(diǎn)A2測量的T＝1秒的頻譜延伸到約為127赫芝的P1點(diǎn)產(chǎn)生線301。對于地震發(fā)生之后1秒收到的、返回的地震波而言，地球的帶寬約為127赫芝(把圖2的地震采集系統(tǒng)在感興趣的頻率上被認(rèn)為是平的帶寬形狀)。
在每條地球和傳感器頻譜曲線(虛線)上面的實(shí)線曲線表示應(yīng)用圖3B或4B電路的頻譜提升的結(jié)果。例如，下截止頻率設(shè)定在20赫芝左右，得到的頻譜提升為24分貝。可以看到，對于T＝1秒的頻譜，頻譜提升產(chǎn)生約33赫芝的附加帶寬。還可以得到地震發(fā)生后的時(shí)刻各頻譜的增加帶寬，然而有效的地球采集系統(tǒng)帶寬的增加是按比例變小的。在T＝3秒時(shí)的有效地球采集系統(tǒng)帶寬從51赫芝左右增大到54赫芝左右，即增加3赫芝。
在運(yùn)行中，地震探測專家先制造一個(gè)測試沖擊，記錄從地球返回的地震信號，然后確定在地震發(fā)生之后的某一時(shí)刻例如T＝1.0或2.0秒時(shí)頻譜峰點(diǎn)發(fā)生處的頻率，這樣的頻譜峰點(diǎn)可以用快的傅里葉變換技術(shù)來確定。圖3B或4B電路的下截止頻率f1應(yīng)該設(shè)定在被確定的頻譜峰點(diǎn)頻率相同的或大于它的頻率處，然后選定提升增益量，對于感興趣的具體深度，最佳地提高有效的系統(tǒng)帶寬。
現(xiàn)在參照圖7A，予以描述最佳的電路100，該電路體現(xiàn)在低截止濾波器35的雙套輸入級(圖7)中。圖7A電路是一個(gè)修改的第二階低截止濾波器，該濾波器具有如圖7B所示的衰減與對數(shù)頻率響應(yīng)關(guān)系曲線。該電路的響應(yīng)與普通的低截止濾波器相似，在截止頻率fc以下，隨著頻率的下降，衰減增大，然而在截止頻率fc以下，在頻率fA最大時(shí)達(dá)到最大衰減A最大以后，在直流頻率(即零頻率)時(shí)到達(dá)衰減限點(diǎn)A(以dB計(jì))。
雖然在圖7A和7C中示出了本發(fā)明的衰減限定的低截止濾波器并在圖7B中示出了它的頻率響應(yīng)，但是其它的衰減限定的低截止濾波器也可以采用。其它的這種濾波器必須具有這樣的頻率響應(yīng)，即其特征在于在低頻時(shí)具有基本恒定的衰減，在頻率高于相應(yīng)于圖7B的頻率fA最大的頻率時(shí)，衰減減小。
參照圖7A的電路100，調(diào)節(jié)可變電阻RB以確定所需的停止頻段最低衰減限點(diǎn)A，調(diào)節(jié)可變電阻R2A和R4A以設(shè)定低截止頻率fc。下面的表5示出由圖7A的各種開關(guān)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的截止頻率和衰減限制(分貝)?？勺冸娮鑂2A的開關(guān)S20～S60與可變電阻R4A的開關(guān)S20′～S60′聯(lián)動(dòng)。表5假設(shè)下列電阻值和電容值，表5中“1”表示開關(guān)閉合;“0”表示開關(guān)打開。
R5＝1KΩ C639＝0.15μfR10＝249088Ω C638＝0.15μfR20＝296716Ω RB1＝29698ΩR30＝129625Ω RB2＝13887ΩR40＝62585ΩR50＝30016ΩR60＝13905Ω2R5＝2000Ω2R10＝498176Ω等等。
正如表5所示，可以改變該衰減限制的低截止濾波器，以產(chǎn)生三個(gè)不同的衰減限度A和從大約3HZ到104HZ改變的多個(gè)截止頻率fc。如圖7B的曲線所示，最大衰減的頻率fAmax與截止頻率fc的關(guān)系是因子K。因子K是最大衰減頻率fAmax與電路的正常截止頻率fc之比。表6建立了衰減限度A與因子K、倍頻程比(在fc之下fAmax出現(xiàn)之處的倍頻程數(shù))和以分貝表示的最大衰減Amax的關(guān)系。
表6A(db) K 倍頻程比 Amax(db)-15.2 2.22 1.15 -20-18 3.22 1.56 -24-24 3.67 1.88 -33圖7C表示圖2的衰減限制的低截止濾波器35的一種最佳實(shí)施方案。將圖7A所示的由上述表5和6確定的兩個(gè)相同的電路100串聯(lián)。開關(guān)S20-S60、S20′-S60′、S80和S90是如圖4B的那些壓控場效應(yīng)晶體管。加到5根導(dǎo)線L1-L5和每個(gè)電路100的可變電阻R2A和R4A上的電壓控制開關(guān)S20-S60和S20′-S60′。每個(gè)電路100的兩根導(dǎo)線L7和L8控制開關(guān)S80和S90。旁路開關(guān)S100由導(dǎo)線L6控制，運(yùn)算放大器106最好用市場上可得到的LT1012運(yùn)算放大器。
圖8與圖6一樣，表示作為從地震產(chǎn)生起的時(shí)間的函數(shù)的典型地剖面的衰減譜，虛曲線代表作為時(shí)間和頻率的函數(shù)的對于地震波的地衰減。如圖6所示，把時(shí)間看作一個(gè)參數(shù)，于是可把每時(shí)的衰減曲線看作為地的頻率衰減的“瞬態(tài)”。T＝2.0的曲線表示地的最小衰減(最大點(diǎn)A4)發(fā)生在16HZ。A/D轉(zhuǎn)換器/數(shù)學(xué)處理系統(tǒng)的48db的有效動(dòng)態(tài)范圍導(dǎo)致了在P3點(diǎn)的大約74HZ的有效系統(tǒng)帶寬。
通過插入圖7C的衰減限制的低截止濾波器電路35，綜合地衰減、傳感器衰減和衰減限制的低截止濾波器(為了表示的目的假設(shè)沒有頻譜增強(qiáng)電路30)就產(chǎn)生了衰減曲線500。其最大信號強(qiáng)度點(diǎn)發(fā)生在大約8HZ的點(diǎn)A7。綜合曲線500降到點(diǎn)A7之下48db的頻率是大約98HZ的點(diǎn)P4。對于T＝2秒的有效系統(tǒng)帶寬的增加是大約24HZ。在比較早的瞬間有效系統(tǒng)帶寬的增加較大;對較晚的時(shí)刻的瞬態(tài)3(即T＝3.0秒)，由于低頻上的衰減有效系統(tǒng)帶寬的增加略有減小。
在工作中，地震勘探專家通過把數(shù)字控制電壓加到導(dǎo)線21-28有效地控制開關(guān)S20-S60、S20′-S60′、S80、S90和S100，通過調(diào)整電路35(圖7C)的電路100的衰減和截止頻率，來控制曲線500的形狀。
由于能源產(chǎn)生的源譜和上面描述的地衰減，震動(dòng)源具有一個(gè)低頻的過剩量。通過檢查測試地區(qū)的FFT(快速付里葉變換)曲線圖專家確定頻譜峰值的頻率，然后設(shè)定衰減限制的低截止濾波器的參數(shù)，以便在大約測試頻譜的峰值提供最大的衰減(即圖7B的Amax)。然后根據(jù)下面的關(guān)系設(shè)定衰減限制低截止濾波器的頻率fc
fc＝K·測試頻譜峰值的頻率這里K參照上述表6來確定。根據(jù)以增加的分辨率要繪制的地層的深度來選擇衰減極限(以分貝表示的A)。在衰減極限上的低頻損失減小了能夠獲取低頻反射的最大深度，最大的衰減產(chǎn)生最大的帶寬增加最好的薄層分辨率，但把深的低頻反射衰減了。
震動(dòng)源(比如震動(dòng)設(shè)備)把它的主要能量轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘退傺氐乇韨鞑サ谋砻娌ǎ⑴c來自感興趣的埋層的反射相干涉，通常通過源陣(在一個(gè)線上多個(gè)振子)和企圖抑制橫傳輸波的接收陣的結(jié)合來控制這些橫傳輸波，由于陣中的高度不同以及由于在一個(gè)角上所到達(dá)的反射這些長陣有涂抹這些反射的傾向，這種涂抹起到一個(gè)高頻濾波器的作用，如果把陣減小，則干涉表面波將占用動(dòng)態(tài)記錄范圍的大部分。
可以把本發(fā)明的衰減限制低截止濾波器用于減小這種表面波的振幅。采用確定該干涉的視在到達(dá)速度和到達(dá)時(shí)間的噪聲分析可以很好地分析這種表面波問題。這些波期間的詳細(xì)檢查給出了頻譜峰值的粗略近視。更精確的頻譜峰值確定方法是對感興趣干涉波的到達(dá)時(shí)間和偏移作FFT分析。一旦確定了頻譜峰值，則濾波器的選擇與對震動(dòng)源的描述一樣。
當(dāng)然，如上所述，電路30的頻譜形成濾波器和電路35的衰減限制低截止濾波器100可以設(shè)置他們的參數(shù)，以增進(jìn)地采集系統(tǒng)帶寬，從而增加了對于地的埋層區(qū)的高分辨率的有效系統(tǒng)帶寬。
對于所述方法的多種修改和改變對于上述領(lǐng)域的技術(shù)人員來說都是顯然的，它們都不能脫離本發(fā)明的精神。因此，這些變化都包括在權(quán)利要求書之中。僅有權(quán)利要求書是對本發(fā)明的限定。所用的提出實(shí)施例的描述方式應(yīng)理解為一種說明而不是限定。
表5增益開關(guān)S20-S60 和 S20′-S60′S60 S50 S40 S30 S20S60′ S50′ S40′ S30′ S20′ fc標(biāo)稱值0 0 0 0 0 3.00 0 0 0 1 5.50 0 0 1 0 8.70 0 0 1 1 11.20 0 1 0 0 14.70 0 1 0 1 17.10 0 1 1 0 20.20 0 1 1 1 22.60 1 0 0 0 27.00 1 0 0 1 29.30 1 0 1 0 32.30 1 0 1 1 34.60 1 1 0 0 38.00 1 1 0 1 40.20 1 1 1 0 43.20 1 1 1 1 45.41 0 0 0 0 52.91 0 0 0 1 55.11 0 0 1 0 57.91 0 0 1 1 60.11 0 1 0 0 63.21 0 1 0 1 65.31 0 1 1 0 68.01 0 1 1 1 70.11 1 0 0 0 73.91 1 0 0 1 75.91 1 0 1 0 78.61 1 0 1 1 80.61 1 1 0 0 83.51 1 1 0 1 85.51 1 1 1 0 88.01 1 1 1 1 90.0開關(guān) S80和 S90 衰減 截止頻率S80 S90 A0 0 無限 fc標(biāo)稱值1 0 24 dB 1.06 fc0 1 -18 dB 1.12 fc1 1 -15.2 dB 1.15 fc
權(quán)利要求
1.一種在地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中頻譜成形方法，其地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有至少一個(gè)通道，用于記錄與地震動(dòng)成比例的信號，該方法包括步驟在低頻以第一增益放大所述信號；在高頻以第二增益放大所述信號；對于低截止頻率和高截止頻率之間的頻率以一個(gè)增大的增益放大所述信號；從而增大了所述系統(tǒng)的有效帶寬。
2.一種在地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的頻譜形成方法，該系統(tǒng)具有至少一個(gè)信道，用于記錄與地震動(dòng)成比例的信號，該方法包括步驟在低頻以基本恒定的衰減量衰減所述信號;對于低固定頻率之上的頻率詳供一個(gè)增大的衰減;從而增大了所述系統(tǒng)的有效帶寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括一個(gè)在截止頻率fc之上的頻率終止所述增大衰減的步驟。
4.一種運(yùn)用改進(jìn)的地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)具有至少一個(gè)數(shù)據(jù)信道，用于記錄與地震動(dòng)成比例的電信號，所述的系統(tǒng)在所述的信道中具有一個(gè)頻譜成形電路，其特征在于，在低頻操作員可選擇第一增益，操作員可選擇低截止頻率f1，并可選擇增大的增益，該方法包括步驟記錄來自測試記錄的與地震動(dòng)成比例的電信號;從所述信號的衰減-頻率譜確定這種信號的峰值振幅的近似頻率;把輸入級的低截止頻率f1設(shè)置得基本上與所述峰值振幅的頻率相同;把增大的增益量設(shè)定一個(gè)值，以改善有效系統(tǒng)帶寬特性。
5.一種運(yùn)用改進(jìn)的地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法，所述系統(tǒng)具有至少一個(gè)數(shù)據(jù)通道，用于記錄與地震動(dòng)成比例的電信號，所述的系統(tǒng)在所述通道中有一個(gè)低截止濾波器，其衰減-頻響應(yīng)特征在于，操作員可選擇截止頻率fc，在趨近于零頻和所述截止頻率之下的最大衰減量的區(qū)域附近的低頻操作員可選擇有限的衰減量，所述的最大衰減量大于或等于所述的有限衰減，該方法包括步驟以設(shè)定為零的系統(tǒng)增大的增益，記錄來自測試記錄的與地震動(dòng)成比例的電信號;從所述信號的衰減-頻率譜確定所述信號的峰值振幅的頻率;把所述低截止濾波器的最大衰減的頻率設(shè)定在近似為由所述測試記錄確定的頻譜峰值的頻率;確定所述衰減限制截止濾波器的有限衰減量，以改善有效系統(tǒng)帶寬特性。
全文摘要
為了改進(jìn)低頻高振幅高頻低振幅的頻譜特性地震信號有效系統(tǒng)帶寬，一種改進(jìn)的地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用了低頻端具有限定衰減的低截止濾波器，使來自地內(nèi)深處低頻信號包含在輸出信號之中。增益區(qū)化放大器自動(dòng)提高信道增益，放大頻譜的低振幅高頻端。高頻增強(qiáng)濾波器把地震信號的高頻分量相對放大，信道有效帶寬因此得到增大。為使系統(tǒng)輸入噪聲最小，把增強(qiáng)濾波器放在系統(tǒng)的輸入級。本發(fā)明涉及該系統(tǒng)中的頻譜形成方法和使用該系統(tǒng)的方法。
文檔編號G01V1/26GK1052197SQ9010997
公開日1991年6月12日 申請日期1988年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月9日
發(fā)明者保羅·E·卡羅爾, 羅伊·W·詹姆斯, 查爾斯·K·鮑恩, 吉爾蘭·C·史密特 申請人:輸入輸出公司