节点式地震数据采集及其降噪算法研究

发布时间：2020-04-21 04:39

【摘要】：随着地震勘探技术日益向精细采集、多元高效采集、高密度采集和多波多分量采集方向发展,地震数据量级急剧增长,有线无线融合的分布式地震数据采集系统已难以适应这些变化。而节点地震仪以其无缆、适应复杂勘探环境以及布设方式的多样性正好适应地震数据量级增加这种变化。因此,本课题针对无缆节点式地震数据采集系统进行研究,针对国内外部分节点式地震仪采集分辨率低,采集效率低下,时钟精度不高,采得的地震数据信噪比不高等问题展开研究,研制出一套半盲采的节点式地震数据采集系统。本课题在i.mx6平台Linux系统上开发了节点式地震数据采集系统,主要集成了信号调理、三分量高精度ADS1282采集单元、基于STM32的GPS/BD独立时标单元、数据存储与指令传输单元以及上位机数据处理单元等功能模块。本课题的主要工作重点集中以下在三个方面:第一,研制出高分辨率、高精度、低噪声、高工作效率的三分量高精度采集单元。针对目前国内外部分节点地震仪分辨率不高,工作效率低下的问题展开研究。硬件上,采用三路高精度32位Σ-Δ型ADS1282 ADC利用过采样技术进行采样,提高微弱地震信号的分辨能力,实现低噪声采样。i.mx6主控通过一路SPI时分复用采集数据,提高工作效率。软件上,采用Linux内核模块方式动态加载ADS1282采集设备和驱动,运行相关进程实现设备控制。并与应用层驱动对比了系统调用和采集效率方面的参数,内核采集驱动避免了应用层驱动的大量系统调用造成系统资源的占用与浪费,并将实时操作与非实时操作分离实现,提高采集的实时性,提升采集系统工作效率。第二,研制出基于STM32的具有微秒级时钟同步精度的GPS/BD独立时标单元。针对对Linux系统进行系统授时实现时间标记的方案存在几十毫秒级的误差的问题,提出以STM32作为副MCU解析时间信息,i.mx6作为主CPU进行采集活动并向副MCU发硬件中断请求时间信息。GPS/BD接收机接收高精度全局卫星时钟信号,再由STM32通过串口接收解析出UTC时间,同时利用本地晶振对PPS脉冲进行秒间计数获取微秒时间,并追加到UTC时间字符串后返回给发过时间请求中断的i.mx6,可以较好地避免对i.mx6上的Linux系统直接进行系统授时,避免由于系统调用、进程调度与控制带来的几十毫秒级延时,降低时间精度。第三,对低频地震数据预处理单元的小波阈值降噪算法提出改进,提高信噪比,放大了低频有效信号。针对传统的一维地震数据预处理过程中不能有效进行高频噪声压制的问题以及常规地震反演软件中的增益调节功能以观察地震波传播趋势的需求展开研究,提出一种带增益调节的改进小波阈值去噪算法,实现在噪声处理过程中对低频有效地震信号直接进行增益调节。利用小波多尺度分解算法、阈值处理方法实现对地震数据的噪声压制,并对比分析几种阈值函数在小波阈值去噪算法中的去噪效果。本文改进小波阈值降噪算法可靠性高,有效地实现地震信号的增益调节和噪声压制,提高了地震资料的信噪比。实验结果表明:本文的节点式地震数据采集系统满足设计要求,也达到了预期的研究目标,并根据课题实际提出了一些创新性的改进方法。首先,采集系统的内噪声低、信号畸变率低、道间隔离性好、串扰小,能够采集微弱地震信号、精度高、噪声小且工作效率高;其次,时标单元的时间精度能够达到0.1us级别,时标单元间的同步精度优于20us;最后,改进的小波阈值去噪算法在标准含噪Doppler信号和实际含噪地震信号的去噪处理中应用效果良好,且能够对有效信号进行增益调节控制。但是,节点系统由于采用嵌入式Linux系统架构,系统功耗目前仍然较高,降噪算法在弱信噪比地震资料的应用上存在一些不足,有待深入研究。希望通过本课题对节点式地震数据采集系统的研究,可以进一步推动节点式地震仪器的进步与发展。
【图文】：

频谱,地震勘探,频谱范围,激发条件

波(R 波)和勒夫波(L 波)两种形式[31]。R 波主要在弹性介质的深入介质内部，且质点在弹性介质中按椭圆轨迹作逆进运动，播方向和表面层法向构成的平面上，其频率低，周期长，振幅生膨胀与切变且衰减慢[31]。L 波主要在半无限层状岩体表面传播方向与表面介质的切向向量组成的平面内运动，主要沿介质穿透介质内部[31]。上述对各种类型的波的性质及形成原因简介可知，纵波波长长强，但其振幅小，因此纵波勘探主要针对深部地层地震勘探，为了成像隐蔽油气藏信息。而横波波速慢，波长短，能量强，探，，而面波从其形成原因分析可知其适用于近地表地震勘探。震波的频谱纵波勘探而言，横波、声波和面波均是地震资料中的噪声；而，主要关注水平偏振横波，其他类型的波均属于干扰杂波。如与地震勘探有关的波的频谱范围[30][31]。面波的频率范围为 10的主频为 30~50Hz，深层反射波频率更低，声波的频率一般在干扰集中在 50Hz 或 60Hz 附近。

示意图,噪声分布,过采样,过程

BWfs/2图 2-3 过采样过程噪声分布示意开分析，一个 n 位 ADC 的量化噪声噪声功率谱密度 /12 sPSD qKf 的原始信号，滤出了带外噪声。进行声信号的总功率不变，功率谱密度变量至 /2sKf 更宽频带范围内，经过数带外噪声。BW 带宽内，相当于噪声在同等 ADC 条件下提高了 ADC 的分失真的前提下，尽量采用远高于原始震资料信噪比。率同样参考国内外先进节点地震仪指PS 和 4000 SPS 可配置。进节点地震仪的设计指标，提出地震
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.4

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