Кузнецов О.Л., Никитин А.А., Черемисина Е.Н. Геоинформатика и геоинформационные системы

Подождите немного. Документ загружается.

Сопротивления R

подбираются пропорционально весам цифр двоич-

ного числа или, что то же самое, пропорционально степеням двойки. Для

цепи, приведенной на рис. 2,б можно записать равенство

),12(

...

221

110

−=+++=

−

∑

RRRRR

(2.8)

где R

=R/2

; E

и Е

– два источника напряжения; П

, П

,…, П

n-1

– переклю-

чатели (реле, триггеры), R

, R

, …, R

n-1

– весовые сопротивления. В началь-

ный момент при коде "0" во всех разрядах двоичного числа переключатели

находятся на нижнем контакте и, следовательно, все весовые сопротивления

присоединены к источнику Е

Как только на преобразователь подается двоичное число

∑

−

в j-ых разрядах которого находятся коды единиц, а в k-ых разрядах – коды

нулей, j-ые переключатели присоединят j-ые весовые сопротивления к ис-

точнику Е

, а k-ые переключатели присоединяют другие k-ые весовые со-

противления к источнику E

(см. рис.2.2б).

Для верхней группы, подключенной параллельно к источнику Е

со-

противлений R

имеем Σ(1/R

) = Σ2

/R = (1/R)Σ2

, а так как Σ2

=Σx

= x, то

сумма Σ(1/R

) пропорциональна преобразуемому числу x.

2.1.4. Многоканальная цифровая регистрация

Аэрогеофизические, сейсморазведочные, электроразведочные и каро-

тажные станции – это многоканальные системы цифровой регистрации с

возможностью визуализации результатов измерений, т.е. они совмещают в

себе преобразователи аналог – код и код – аналог. В то же время всем этим

системам присуща многоканальность с регистрацией либо однородной ин-

формации (сейсмостанции), либо различных физических полей (аэрогеофи-

зические и каротажные станции). Однако принципиальная схема для всех

указанных систем по существу одинакова (рис. 2.3). От источников регист-

рации информации СП (сейсмоприёмники в сейсморазведке, датчики в виде

заземленных диполей, статических магнитометров и многовитковой петли в

электроразведке, зонды различных конструкций в каротаже) сигналы посту-

пают в тракт регистрации, началом которого являются, как правило, широ-

кополосные аналоговые предварительные усилители У с фильтрами. Далее

выходы усилителей подаются на коммутатор каналов КК (мультиплексор),

обеспечивающий квантование сигналов по времени путем последовательно-

го циклического опроса всех каналов с определенной частотой и произво-

дящий их подключение к преобразователю аналог – код (ПАК).

Рис.2.3. Система цифровой мнгоканальной регистрации.

Так, например, для 24-канальной сейсмостанции в течение 0,002 с

коммутатор каналов производит опрос и дискретизацию по времени всех 24

каналов. В большинстве современных сейсморегистрирующих систем ПАК

имеет 15 двоичных разрядов, включая знак. Полученный на выходе ПАК

код мантиссы и код характеристики каждой выборки сигнала с сигналами

синхронизации передаются в форматер Ф, предназначенный для формиро-

вания цифрового кода в принятом для данной системы формата записи с це-

лью дальнейшей её записи на магнитную ленту или твердотельную память

(ЦМР – цифровой магнитный регистр)через буферный накопитель БН.

Для визуализации регистрируемых сигналов имеется тракт контроль-

ного воспроизведения, включающий преобразователь код – аналог (ПКА) и

шлейфовый осциллограф ШО. В этом тракте, считанные с ленты импульс-

ные сигналы усиливаются, формируются многоразрядные слова (в сейсмо-

разведке обычно 20 бит – для формата SEG-B), а соответствующие двоич-

ные разряды этих слов передаются в ПКА. ПКА формирует аналоговые сиг-

налы. Все цифровые системы (геофизические станции) обычно содержат

контрольно-измерительные устройства, обеспечивающие проверку входных

датчиков, отдельных устройств, а также систему контрольно-защитной ав-

томатики и диагностики неисправностей.

2.2. Цифровые системы многоканальной регистрации

Геофизическую информацию получают с трех уровней наблюдения:

воздух, земля – море и скважина. По сравнению с другими видами геоин-

формации она характеризуется существенно большими числами измерений

и необходимостью высокой скорости её передачи. Поэтому с самого начала

появления магнитной записи велась разработка аналоговых систем регист-

рации, а с появлением ЭВМ – цифровых регистрирующих систем. Большин-

ство регистрирующих систем – многоканальные, что обусловлено либо

комплексностью (геофизические исследования скважин, аэрогеофизика),

либо многоканальностью измерительных устройств (сейсморазведка, элек-

троразведка).

2.2.1 Цифровые системы регистрации в сейсморазведке

Отечественные цифровые сейсмостанции ССЦ-3,4, «Волжанка»,

«Прогресс», «Горизонт» наиболее информационно-емкие в разведочной

геофизике. Сейсмическую информацию отличают большой динамический

диапазон (до 170 – 180 дБ), широкий частотный состав [от единиц герц

(ГСЗ, КМПВ) до 250 – 400 Гц (высокочастотная сейсморазведка)], сто («Го-

ризонт») и тысячи (зарубежные сейсмостанции) каналов, высокая скорость

передачи информации (до 10

бод и более).

Для оценки динамического диапазона исходят из уровня микро-

сейсм (6 – 2 мкВ), на фоне которых необходимо выделять слабые сигналы, а

также величины аппаратного шума (0,2 мкВ). Кроме того, максимальные

сигналы, регистрируемые на входе сейсмостанций МОВ, достигают 0,5 – 2

В, т.е. x

min

=0,2 мкВ, а x

max

= 2В. Отношение x

max

min

равно 10

. Динамиче-

ский диапазон определяется величиной D=20lg(x

max

min

)=20lg2

=20n lg2=6n

дБ, где n – число двоичных разрядов; x

max

и x

min

– соответственно макси-

мальное и минимальное значения входного сигнала.

В современных сейсмостанциях используют 15-разрядный ПАК,

(большое число разрядов осуществить технически сложно), обеспечивая ди-

намический диапазон в 90 дБ, что недостаточно для выделения слабых сиг-

налов, так как D=20lg10

=140 дБ. Заметим, что на самом деле 15-ти разряд-

ный преобразователь включает 14 разрядов на выборку (слова) и один раз-

ряд на знак, т.е. обеспечивает динамический диапазон в 84 дБ. Для увеличе-

ния динамического диапазона используются усилители с мгновенной авто-

матической регулировкой усиления (МАРУ), благодаря которым аналого-

вые сигналы со всех каналов подключаются к одному высокопрецизионно-

му усилителю (на выходе коммутатора), имеющему дискретные переклю-

чаемые ступени с усилением от 2

до 2

(полное усиление достигает 4096 и

более). При подаче очередной выборки этот усилитель оценивает значение и

устанавливает усиление таким образом, чтобы усиленная выборка сигнала

кодировалась практически полной шкалой ПАК. Это и позволяет расширить

динамический диапазон с 90 дБ до 162 дБ (15дв. разрядов ПАК+12дв. разря-

дов МАРУ) и более.

В начале 90-х годов ХХ века в США был реализован принципиально

новый «дельта-сигма» преобразователь – 23-разрядный ПАК. Его использо-

вание позволяет отказаться от системы МАРУ, что повышает надежность и

разрешающую способность сейсмической аппаратуры.

Частотный состав регистрируемых сигналов определяется геоло-

гическими задачами.

Скорость передачи сигналов можно найти исходя из объема сейс-

мической информации, регистрируемой на одной сейсмограмме в 1с. Если

принять, что дискретность записи составляет 0,002 с, то в 1 с содержится

500 слов (чисел). При 15-разрядном ПАК скорость передачи информации

будет равна 500×15=7500 дв. разрядов/с, соответственно для 24 каналов

180 000 дв. разрядов/с, для 96 каналов («Горизонт») – 720 000 дв. разрядов/с

(бод). Скорость передачи возрастает в 2 раза при шаге дискретизации по

времени в 0,001 с.

Современный рынок сейсморегистрирующей аппаратуры представ-

лен системами с линейным разделением каналов и телеметрическими стан-

циями, отличающимися прежде всего способом передачи сейсмических

сигналов от точек приёма к записывающему устройству. В одном случае

сигнал передается в аналоговом виде по системе многожильных кабелей

(сейсмической косе), во втором – в цифровом виде по 2 – 6 жильному кабе-

лю или по радио. При передаче сигнала в аналоговой форме в линиях пере-

дачи происходит его ослабление и искажение – потеря высокочастотных со-

ставляющих сигнала. Кроме того, наличие в системе передачи громоздких

сейсмических кос затрудняет реализацию на практике сложных систем на-

блюдений, например, таких, которые используются при широкоугольных

наблюдениях. Указанных недостатков лишены телеметрические стации,

лучшие из которых с характеристиками их основных параметров (аналого-

цифровых преобразователей – АЦП параллельного сравнения, коэффициен-

та нелинейных искажений – КНИ, максимального динамического диапазона

– МДД), представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Типы современных телеметрических станций.

Модель, фирма изго-

товитель

(разработчик)

АЦП КНИ (%) МДД (дБ)

Потребляемая

мощность, Вт

СТС-24, СНИИИМС

0.0005

120

300

System-2, In-

put/Output

24 0.0005 120 450

SN-388, Sersel

0.0005

120

240

GAPS-4, JAPEX

0.0005

120

350

В принципе каждая из этих станций способна работать с практически

неограниченным количеством регистрирующих каналов и может быть ре-

комендовано к использованию при реализации совмещенных систем наблю-

дения МОГТ – КМПВ – ГСЗ.

2.2.2. Цифровые электроразведочные системы

Эти системы реализованы в цифровых электроразведочных станциях

ЦЭС-1, ЦЭС-2, ЦЭС-3, аппаратуре ДЭФ-1, предназначенных для исследова-

ний методами частотного зондирования (ЧЗ), зондированием становлением

поля в ближней и дальней зоне (ЗС), магнитотеллурическими методами

(МТЗ), а также методами сопротивлений и вызванной поляризации (ВП), т.е.

методами, использующими искусственные электромагнитные поля в диапа-

зоне 0 – 20 Гц (ЦЭС-2). Обычно эти пятиканальные станции с регистрацией

электрических (Е

, E

) и магнитных (H

, H

) составляющих, а также ∂

∂

t В качестве датчиков измерения информации используются электриче-

ские заземленные диполи (для Е

, E

), статические магнитометры (для H

, H

) и многовитковая петля (для

∂

t).

Результаты измерения регистрируются в цифровой форме на магнит-

ной ленте шириной 6,25 мм с помощью последовательно расположенных

кодов компонент магнитного поля. Принципиальная схема цифровой систе-

мы аналогична схеме на рис. 2.3. В точке измерения датчики СП преобра-

зуют компоненты поля в электрические сигналы, поступающие на усилите-

ли У. Усиленные сигналы с помощью коммутатора каналов КК поочередно

подаются на усилитель мощности и далее в форматтер Ф и ПАК и, наконец,

на цифровой магнитный регистратор ЦМР. В магнитном регистраторе запи-

сываются 11-разрядные двоичные колы (слова), обеспечивая динамический

диапазон в 66 дБ (с учетом автокомпенсации – 96 дБ), а также 5-разрядный

код служебной информации (код участка записи, код зоны записи, код но-

мера канала, код смены уровня автокомпенсации, код конца слова – для раз-

деления разрядов соседних, последовательно записываемых, машинных

слов). Поскольку 16-разрдные слова занимают мало места на магнитной

ленте, то используется последовательная кодовая запись по двум дорожкам,

по одной – машинные слова, по второй – сигналы синхронизации. Скорость

передачи информации пропорциональна частоте кодирования и изменяется

в широких пределах. Обычно используются три скорости записи (12; 47,6 и

190 мм/с). Нужная скорость выбирается так, чтобы плотность записи не

превышала допустимого значения 20 двоичных разрядов/мм.

В аппаратуре ДЭФ-1 (Венгрия) запись производится 12-разрядными

словами с интервалов времени 0,25; 0,5; 1; 2; 4; …, 2048 мс. Цифровые узлы

аппаратуры способствуют увеличению предельных частот измерения до

1000 Гц.

В станциях ЦЭС-3 и ЦЭС-МГД для метода ЗС используется 8 и 48

каналов соответственно, что позволяет осуществить пространственные на-

блюдения одной или нескольких компонент по площади съёмки. Частотный

диапазон измерения – от 0 до 100 Гц. В зарубежных электроразведочных

станциях МТЗ «ФЭНИКС» (Канада) регистрация электрических компонент

производится на винчестер с расширением динамического диапазона до 24

бит на слово и частотного диапазона до 10 000 Гц.

Таким образом, современные геологоразведочные станции представ-

ляют достаточно информационно-ёмкие цифровые системы сбора и регист-

рации данных по изучению геоэлектрических разрезов средней и большой

мощности (0,5 – 10 км) и проводимости (50 – 10000 См).

В последние годы начато использование телеметрической электро-

разведочной станции «ТЭС-24», изданной в СКБ «Специальные геофизиче-

ские системы» г. Саратова. Информация с датчиков поля поступает на вы-

носные электроразведочные блоки сбора данных, оцифровывается в них, а

затем по телеметрическому каналу в цифровом виде передается на борт

станции.

Зарубежным прообразом ТЭС – 24 является система TEAMEX - 90

(Германия).

Граничные частоты в ТЭС – 24 могут изменяться от 8 до 88 Гц с ин-

тервалом в 4 Гц для фильтра верхних частот и от 62,5 до 320 Гц для фильтра

нижних частот. Интервал дискретизации сигналов 1; 1,25; 2; 2,5; 4; 8; 10; 16;

20 мс. Число разрядов аналого-цифрового преобразователя 15, включая

знак.

2. 2. 3 Цифровые системы регистрации данных геофизически

исследований скважин.

Сбор экспериментальных данных при геофизических исследованиях

скважин включает: преобразование аналоговых записей с каротажных зон-

дов в цифровую форму и их регистрацию на магнитную ленту; передачу

информации от каротажной партии в вычислительные центры экспедиции;

контроль цифровых данных и обеспечение их ввода в ЭВМ.

Ввиду широкой распространенности аналоговой регистрации данных

геофизических исследований скважин преобразования аналог – код и кол –

аналог нередко производятся раздельно на специально изданных с этой це-

лью технических средствах, но в современных цифровых каротажных стан-

циях (лабораториях) типа ЛКС, Кедр эти операции совмещены подобно ре-

гистрирующих систем в сейсморазведке и электроразведке.

Шаг квантования по глубине определяется с учетом частотного со-

става конкретных сигналов для различных типов зондов и составляет в неф-

тегазовой геофизике 0.1 – 0.2 и более метров, в рудной геофизике (уголь и

твердые полезные ис5опаемые) – 0,025 – 0,05м.

Для преобразования старых записей вышедших из эксплуатации ана-

логовых станций в цифровую форму до сих пор используются одноканаль-

ные преобразователи Ф001, Ф014, Ф018 со скоростью от 1м/ч и более при

ручной оцифровке и при автоматическом сканировании записей (Ф018). От-

клонение кривой от её нулевой линии (в мм) преобразуется в восьмиразряд-

ное двоичное число (48 дБ). Это число, его масштаб, выражаемый еще дву-

мя разрядами, и служебная информация записываются на магнитную ленту.

В качестве многоканальных цифровых регистраторов еще находят

применение автоматические преобразователи ПЛК – 6 (преобразователь

ленточный, каротажный, шестиканальный), «Триас» (15 каналов), НО78 (8

каналов), НО90 и его прототип «Пласт» (16 каналов). Они обеспечивают

многоканальную цифровую регистрацию данных, для которых, наряду с ме-

тодами электрического каротажа, получают волновые картины акустическо-

го каротажа, многозондового нейтронного каротажа, гамма – гамма карота-

жа, а также измерения в различных временных «окнах» импульсного ней-

трон – нейтронного каротажа.

Цифровая информация далее поступает на входы преобразователя

код – аналог и преобразуется в аналоговые сигналы на осциллографе

НО28А для визуального просмотра.

Современный цифровой каротажный регистратор ПВК-3 (полевой

вычислительный комплекс) используется в составе каротажной станции

АКС7-02. ПВК-3 обеспечивает дискретность записи от 1см по девяти кана-

лам и получение волновых картин акустического каротажа по 16 мультип-

лексным во времени каналам, осуществляя параллельную 32-разрядную на

входе и 8-разрядную на выводе регистрацию на жестких дисках. Зарегист-

рированные параметры выдаются в масштабе глубины или масштабе време-

ни. Вычислительный блок ПВК-3 является IBM PC-совместимой ЭВМ (не

ниже 486 DX4) со всеми необходимыми узлами (монитор, накопители на

дисках) и измерительными платами. Устройство печати в общем случае

представлено принтером LX-300. Дискретность записи по глубине в 10см

обеспечивается временем между снятиями отсчета, которое составляет 1с

при скорости каротажа 100 – 400м/ч, 0,5с – при скорости 400 – 600 м/с и 0,2

при скорости 600 – 1200м/ч.

В ПВК-3 используется программа трансформации, предназначенная

для преобразования файлов измерений в LAS-формат, АКК-формат или

ТАВ – формат.

LAS-формат наиболее широко распространен в отечественных и за-

рубежных системах обработки каротажных данных.

В настоящее время предприятие «Геофизмаш» (г. Саратов) выпускает

компьютеризированные геофизические лаборатории (станции) «Кедр-02»

для комплексных геофизических исследований скважин методами ЭК, АК,

ГК, ГГК-П, НК-Т, термометрии, инклинометрии и др.

Использование в лабораториях сетевого протокола Ethernet обеспе-

чивает высокую скорость передачи данных между лабораторией и ЭВМ.

Лаборатории семейства «Кедр-02» выпускаются в различных моди-

фикациях, включая самоходный и вертолётный варианты. Геофизический

блок лабораторий обеспечивает непрерывный автоматический сбор теле-

метрической информации от скважинных приборов и её декодирование, вы-

полняет также измерение глубины и её коррекции по магнитным меткам ка-

беля. Входные аналоговые записи оцифровываются 14-разрядным (84 дБ)

преобразователем аналог – код, затем они формируются и передаются на

компьютер.

Представление результатов измерений и обработки данных в виде

каротажных диаграмм обеспечивает термоплоттер с записью на бумаге ши-

риной 210мм, с разрешающей способностью 200 точек/дюйм и скоростью

вывода 0,8м/мин.

2.3. Геолого-геофизические исследования

со спутниковой навигацией

Спутниковые, аэрогеофизические и морские съемки любого мас-

штаба проводятся в движении.

Соответствующая аппаратура является многоканальной. При этом

требуется высокая надежность и точность геодезической привязки измере-

ний геофизических полей для соотношения (привязки) измеряемых пара-