[发明专利]一种高动态范围地震信号分级采集方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及地震信号数字化技术领域，特别是涉及一种高动态范围地震信号的分级采集方法及系统。

背景技术

地震数据采集系统是地震信号数字化必不可少的环节，其性能优劣直接关系到最终获得地震信号的质量，并会影响数据处理结果。地震观测的信号幅度跨度很大，即其是一种高动态范围的信号：例如地震观测中，既要接收来自几千公里之外的微弱地震、核震信号、地脉动及地球背景噪声等微弱信号，又要近场监测8级以上的大地震，总的动态范围甚至高达160dB以上。目前宽频带地震计的噪声水平小于2μV，而地震计的最大输出幅度达到或超过了±20V（单端输出）或±40V（差分输出），输出模拟电压信号动态范围可达到150dB以上。如美国Kinemetrics公司的宽频带地震计KS-2000，动态范围为155dB。在早期的16位模数转换时代，地震数据采集系统中普遍采用瞬时浮点放大器IFP（Instantaneous Floating Point Amplifier,IFP）加多路开关来提高整个系统的动态范围，这一状况一直延续了20多年。1992年美国I/O公司首次推出采用24位delta-sigma(ΔΣ)模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）的地震数据采集系统，引领了地震勘探设备的一场革命，很快，无论是有线地震数据采集系统还是无线地震数据采集系统纷纷摈弃IFP(瞬时浮点放大器)+16位模数转换器的设计模式，无一例外地都采用了24位ΔΣ模数转换器。但现代基于ΔΣAD转换技术的高性能24位数据采集器的动态范围RMS值（有效值）也只能达到130dB@250SPS，不能满足地震信号宽动态范围记录的要求。由于地震计输出信号的动态范围比地震数据采集器的大，也由此导致了数据采集器在记录地震时对微小信号分辨率不够，而在大地震时又容易使数据采集器出现限幅的现象。因此为保证仪器既能记录诸如火山体的蠕动、远程人工爆破监测、地脉动背景噪声等微震信号，又能记录大震级的天然地震，有的24位数据采集器设计增加了前置增益放大器或程控前置放大器以及可选的多级满幅信号输入范围（比如满幅输入为±10V、±20V可选），以此提高对小信号的分辨率和进行大信号的测量，使其适应实际中不同场合的需求。但这种方法并不能提高数据采集系统的真实动态范围，即在提高分辨率时降低了满幅信号值，或在增大了满幅输入范围的同时，牺牲了分辨率，只适用于信号实际动态范围不大且已知的情况，应用有限；而且还要专业人员每次根据实际的应用场合预先估测地震信号幅度范围，再进行人工设置，应用不便；此外也不适于全范围信号的记录，比如地震台站既要记录地球背景噪声、远震等微弱信号，又要监测近场的大地震。

本发明针对地震数据采集器需要记录大动态范围的地震信号的使用需求，提出了一种按信号幅度实行高动态范围地震信号的分级采集方法及系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种分级采集高动态范围地震信号的方法及系统，用于解决地震观测的信号幅度跨度很大、宽频带地震计输出信号的动态范围高的问题，以及解决24位地震数据采集器存在对小信号的分辨率不高、信噪比不高、对大信号容许度不够、容易出现大信号限幅现象等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种分级采集高动态范围地震信号的方法，包括：

步骤1，确定输入信号需要分成的级数，将要采集的高动态范围地震模拟输入信号分成相应级数的多路输入，且每一路输入信号匹配有一路24位的模数转换器；

步骤2，分别对各路输入信号依次进行过压保护、幅度匹配和电平搬移，使输入信号幅度范围与相应的模数转换器的转换范围完全匹配，再经模数转换器的转换得到各路输入信号对应的24位数字输出信号；

步骤3，读取各路数字输出信号，经数字信号处理后再合并各路数字输出信号，得到32位二进制数据格式的最终转换结果。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1中根据要采集的高动态范围地震模拟输入信号的最大电平幅度范围或具有的最大动态范围，以及单路24位的模数转换器所能达到的动态范围，确定输入信号需要分成的级数。

进一步，所述步骤2具体包括：

步骤21，根据总的输入信号的动态范围和所需分成的级数，确定各路24位的模数转换器要转换的信号电压范围；

步骤22，对各路输入信号进行过压保护，保证该路输入信号的电压范围不超过该路24位的模数转换器所能承受的正常输入电压范围；