地震采集技术新进展

通过大量的文献调研,系统地总结了地震采集的最新进展。这里扼要介绍了照明度分析采集设计的核心思想,说明了Teepee技术,同时给出了观测系统优化和宽方位采集技术的新进展。对于其中的激发、接收部分,则主要介绍了几项实用技术。针对地震仪器的发展过程以及应用现状,重点介绍了基于MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)的数字检波器的基本原理、性能指标和优缺点,最后对地震采集技术的发展前景进行了展望。     

基于微机电加速度计的地震烈度计

为了实现破坏性地震强度的速报,提高地震应急响应效率,指导抗震救灾,设计一种新型地震烈度计。采用性价比较高的微机电加速度计MODEL-1221作为地震传感器,利用4个通道的同步24位模数转换器ADS1274进行地震信号转换,使用32位嵌入式处理器AT91RM9200作为地震事件的判定和烈度参数计算的平台,保证仪器整体性能,能够满足地震烈度速报需要;此外,该地震烈度计具有开关量输出,可以作为地震紧急处置系统的地震开关来使用,实现一机多用,一机多能。     

基于MEMS加速度计空投浮标的波浪测量方法试验研究

针对基于MEMS加速度传感器的空投波浪浮标存在采样频率与测波精度低的问题,根据频域衰减积分算法,提出一种相应的波浪测量算法,为了验证该算法测波的准确性,开展了多功能水槽试验研究。该算法旨在将MEMS加速度传感器输出的加速度与姿态角转化为浮标运动的波形,首先将加速度与姿态角信号进行竖向处理获得竖直方向的加速度,再利用离散傅里叶变换将竖向加速度转化为频域内的加速度复数序列,然后引入控制函数减弱低频噪声,经过频域积分、离散傅里叶逆变换、时域积分获得竖直方向的位移,最后通过后处理得到最终的波形。多功能水槽试验采取10中不同波高和周期的工况,对比空投波浪测量浮标与波高仪的测量结果,试验结果表明,浮标的测量误差在10%以内,达到测波标准。     

The Bremen ocean bottom tiltmeter (OBT) – a technical article on a new instrument to monitor deep sea floor deformation and seismicity level

The Bremen ocean bottom tiltmeter is a new 6000 m-depth deep sea instrument for autonomous observation of sea floor tilt with signal periods longer than 7.5 s. The instrument also records vertical acceleration in the frequency range from DC to 1 Hz. The tiltmeter has an Applied Geomechanics Inc. 756 wide angle biaxial bubble tilt sensor with a resolution of 1.0μ rad (0.2 arc second). A Kistler Corp. MEMS accelerometer of type Servo K-Beam 8330A2.5 with about 10⁻⁵m/s² resolution is used for the acceleration measurements. An Oceanographic Embedded Systems AD24 24 bit Sigma-Delta converter, which is controlled by a low-power Persistor Inc. embedded computer system of type CF 2, samples the data. The duration of tiltmeter operation is more than one year, which is controlled by the battery life. In our design the tiltmeter does not need active leveling devices, i.e., servo motors or other moving components to adjust sensors or frame. We designed the instrument for deployments by means of a remote operated vehicle. Since May 2005 the Bremen ocean bottom tiltmeter has recorded sea floor deformation and seismicity level in the Logatchev hydrothermal vent field, Mid-Atlantic Ridge. The tiltmeter is a part of the monitoring system of project ‘Logatchev Long-Term Environmental Monitoring,’ called LOLEM, of the German research program with the name ‘Schwerpunktprogramm 1144: Vom Mantel zum Ozean.’     

基于MEMS台站的温州珊溪水库区域高密度烈度台网

以高性能机械式力平衡加速度计为主,24位数据采集、动态范围大于或等于90 dB的工业级MEMS烈度观测系统为辅,温州珊溪水库区域高密度烈度台网的建设完成使区域内强震动观测系统实现高密度、数字化、网络化覆盖,提高了该地区的地震烈度速报能力和地震观测动态范围。该台网充分利用MEMS烈度计成本低、易扩充、好管理、组网灵活方便的特点,其在浙江省地震监测中的首次成功应用将推动地震观测技术的发展。     

MEMS陀螺仪随机误差KF补偿方法的普适性验证

针对MEMS陀螺仪随机误差成为影响系统导航精度的主要因素及建模存在的普适性等问题,提出一种3次卡尔曼迭代估计的误差补偿方法。采用Allan方差对MEMS陀螺仪随机误差参数进行辨识,同时结合MEMS陀螺仪输出数据自相关与偏相关函数具备的拖尾性,设计基于时间序列ARMA的MEMS陀螺仪误差卡尔曼滤波模型。采用同型号6只MEMS陀螺仪惯性测量单元搭建测试环境,并开展导航验证实验,结果表明,经过滤波处理后的MEMS陀螺仪各项误差系数明显降低,且滤波效果随滤波次数的增加而增强。6组MEMS陀螺仪测试设备显现出的误差减弱趋势具有一致性,姿态误差对比结果也进一步验证了该方法的可行性。     

ARMA模型的MEMS陀螺随机误差卡尔曼补偿方法

针对微机械(MEMS)陀螺仪的随机误差导致其输出信噪比低的问题,该文提出一种基于ARMA模型的随机误差卡尔曼补偿方法。该方法通过对MEMS陀螺仪输出的原始信号进行均值化处理和趋势项提取后,分别采用轮次检验法和Jarque Bera检验法对随机序列平稳性和正态性进行检验,建立时间序列ARMA模型并采用卡尔曼状态方程对陀螺随机漂移进行补偿。6次卡尔曼滤波对比实验结果表明,MEMS陀螺仪信号幅度随着滤波次数增加而减小,滤波后的均值由2.454 4E-4减小到-4.830 0E-5,标准差由1.654 7减小到0.003 6,随机漂移被有效抑制。     

起伏地表检波器组合响应

在地形条件复杂、干扰波发育的地区,检波器组合接收可以大大提高资料的信噪比。这种组合就是用多个检波器同时接收地震波作为一个地震道的输入,它主要是利用有效波和干扰波传播方向的不同来压制干扰波。根据检波器组合响应的基本原理,将传统的水平面上检波器组合理论推广到起伏地表条件下,主要讨论了起伏地表检波器面积组合的响应情况,并对比了检波器组合滤波后有效波和干扰波的响应。通过分析可知,在地表倾斜的地区,随着倾斜程度的增大,沿上倾方向传来的干扰波压制程度增大,沿下倾方向传来干扰波压制程度减小。用反演方法对检波器组内距进行了优化,在已知检波器组合方向特性的情况下,得到与之匹配的组内距。数值计算表明,检波器组合滤波后的地震资料,有效波的响应明显高于干扰波的响应,信噪比得到很大提高。     

检波器数量对组合压噪能力的影响

根据组合压噪的有关理论,在其他因素不变的情况下,采用数量越多的检波器,组合压制干扰波的效果越好。这使得人们认为在施工中应该采用尽量多的检波器以提高资料的信噪比。但是通过分析组合中检波器数量对规则干扰波,随机干扰波以及耦合高频微震衰减的影响证明:在其他因素不变的情况下,线性等灵敏度组合增加到"γ_max+3"个检波器以后(其中γ_max=组合基距/最小干扰波视波长), 组合对于规则干扰波的衰减能力不再随着检波器数量的增加而显著提高。在组合基距确定的情况下,检波器数量越多,对随机干扰的衰减越明显(包括在组内距小于随机干扰相关半径的情况下);但是增加到一定数量后,衰减效果不再出现明显变化。检波器数量的多少对衰减耦合高频微震没有明显作用。同时指出,确定组合中合理的检波器数量要与组合的摆放形式相结合;组合图形不合理的情况下,增加检波器数量不会显著提高组合的压噪能力;灵敏度分布不合理,是导致组合压噪能力降低的重要原因。在线性等灵敏度组合的基础上,利用玫瑰图进行分析,可以确定工区面积组合(包括道间混波后)中使用的合理的检波器数量。     

高密度地震勘探的激发和接收技术探讨

可控震源作为一种高效、低耗、无污染的激发方式,在低频和高频端具有更宽的扫描频率,比传统炸药震源更适合高密度地震勘探。另外,由于新型可控震源的面世,使地表开阔地区的多台或单台震源在加密炮点网格作业方式时的生产效率比常规炸药激发方式提高一个数量级以上。在接收技术方面,最新的428XL系统具有很高的带道能力,其加速度数字检波器与常规地震检波器相比不但重量轻、体积小,而且在0-800Hz频带范围内没有振幅和相位畸变,动态范围更大,有利于提高地震资料的分辨率与保真度。国内多块高密度勘探实践证明:采用多台或单台可控震源高密度激发,单点数字检波器进行高密度接收,在炮点和检波点两个方面同时进行加密空间采样作业方式具有明显的优势。