地震勘探的分辨率由地震信号的优势频带宽度决定, 频带越宽则分辨率越高。地震信号的频带宽度受很多因素制约, 其中一个重要因素是地震仪器的动态范围。动态范围通常指地震仪器能接收的最大信号与仪器背景噪声(Floor Noise, 为电噪声)均方值比值的分贝数, 地震仪器的动态范围主要取决于模数(Analog/Digital, A/D)转换器的转换位数以及前置放大器的噪声水平[1]。A/D转换器是地震数据采集系统的重要组成部分, 其作用是把模拟地震信号转换成相应的二进制数字信号。
在过采样模数(∑-ΔA/D)转换器投入使用之前, 各类数字地震仪(包括常规数字地震仪和遥测地震仪)都采用瞬时浮点放大器和12~14位A/D转换器(即IFP+A/D), 将模拟地震数据转换成浮点二进制数据。这种浮点转换方式在理论上能扩大仪器的动态范围, 但对电路设计和工艺要求都很严格, 特别是在增加了瞬时浮点放大器后, 系统中多了一个噪声源, 限制了仪器的瞬时动态范围。
目前广泛采用的∑-ΔA/D转换器是在20世纪60年代被提出[2]、90年代开始被广泛应用的过采样转换器。它能将信号精度提高到20~24位甚至32位, 满足了地震勘探信号动态范围大(>120dB)的要求, 从根本上解决了因浮点放大器瞬时动态范围有限带来的问题, 提高了采集系统在低频强信号背景下检测弱小高频信号的能力, 进而提高了采集系统的保真度和分辨率。
国内外学者在检波器的性能参数对地震数据的影响[3-6]以及A/D转换器硬件参数的选择[7-12]等方面开展过很多研究工作。但是根据油气地震勘探中信号与噪声的机械特征以及地震仪的电噪声水平, 研究A/D转换方式以及转换位数对地震采集数据信噪比影响的报道则比较少。随着油气勘探程度的不断深入, 地震勘探的目标转向小断块、薄互储层、小砂体等精细油气藏[13-15], 如何有效提高A/D转换器动态范围、扩大地震数据的动态范围、提高弱信号识别能力等, 再次进入了地球物理学家的视野。本文根据A/D转换器的工作原理以及地震勘探中信号与噪声的相对态势等条件, 结合地震勘探中信号与噪声的机械特征, 对几种典型A/D转换模式(32位、24位定点转换, 15位浮点转换)进行了数值模拟, 分析了不同A/D转换模式对地震数据信噪比的影响。
1 模数转换器的工作原理数字地震仪曾经采用15位瞬时浮点放大器(IFP)与定点A/D转换器相结合的方式, 提高仪器的动态范围。该方式的理论动态范围可达168dB, 但是, IFP由复杂的模拟电路构成, 受电路本身噪声的影响, IFP与15位A/D转换器相结合的实际动态范围低于110dB。另外, 传统数字地震仪在体系结构、多通道、智能化等方面的不足使得它难以满足高分辨率地震勘探的要求。因此, 在20世纪90年代末, 人们研制出采用∑-ΔA/D转换器的新一代高分辨率数字地震仪, 使得记录地震信号的频率范围可达0~400Hz或更高, 幅值动态范围可达130dB左右。15位瞬时浮点A/D转换器原理如图 1所示, 定点A/D转换器原理如图 2所示。
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图 1 瞬时浮点A/D转换器原理 |
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图 2 定点A/D转换器原理 |
∑-ΔA/D转换器根据∑-Δ总和增量调制的原理, 将转换器的动态范围提高到120dB以上, 采用∑-ΔA/D转换器的采集站技术流程如图 3所示。
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图 3 以∑-ΔA/D转换器为核心的采集站技术流程 |
∑-ΔA/D转换器的特点是转换精度高, 可达24位甚至32位。它将过采样技术、噪声整形技术和数字滤波技术结合起来获得高分辨率、高信噪比地震采集数据。∑-ΔA/D转换器只需要少量关键的模拟器件, 大部分功能都在数字领域完成, 降低了对元器件匹配精度的要求。
当前地震仪普遍采用24位∑-ΔA/D转换器, 与以往“15位A/D+瞬时浮点放大器”的采集站相比, 其性能具有3个重要特点:①瞬时动态范围大, 一般可达130dB以上; ②畸变小; ③高切滤波器截止频率高, ∑-ΔA/D转换器的高切滤波器截止频率一般取0.40~0.41采样频率, 并可以做到严格的线性相位, 减少了系统的相位畸变[16-17]。
2 地震采集阶段的信号与噪声特征对于陆上地震勘探来说, 影响地震信号振幅、频率特征的因素主要包括:①大地吸收衰减效应; ②检波器组合效应; ③组内时差; ④激发子波; ⑤检波器-大地耦合效应; ⑥检波器以及地震仪的性能、参数。
对于野外采集阶段的噪声而言, 如果从与地震接收硬件系统(检波器+地震仪)的关系来看, 可以划分为两类。
1) 与接收系统无关的噪声。这种噪声独立客观存在, 它与接收系统无关。比如环境噪声、源自震源的噪声、由震源激发产生的次生噪声等, 见图 4a。
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图 4 磁带数据中信号与噪声的影响因素(振幅谱) a输入(地面机械振动); b地震检波系统(检波器+地震仪+耦合介质) |
2) 与接收系统有关的噪声。这种噪声与检波器、地震仪的性能参数以及检波器与地表介质之间的耦合关系有关。可以将这类噪声进一步划分为:①机械噪声, 包括检波器滤波效应、寄生振荡、耦合效应等产生的噪声, 决定于检波器以及检波器-大地耦合系统的机械特性; ②电噪声, 主要指地震仪前置放大器产生的噪声以及由检波器元器件产生的噪声; ③数学噪声, 主要指采样噪声以及各种模拟、数字滤波器产生的噪声, 比较微弱。前两类噪声可以归属为物理噪声。所以, 由检波器接收到的地震信号包含了有效信号与各种噪声, 如图 4b所示。
在图 4展示的各类噪声中, 如果不考虑次生噪声, 影响地震信号信噪比的噪声主要有两类:环境噪声和地震仪自身的电噪声。
环境噪声指的是与震源无关、客观存在的噪声, 表现为地表振动、独立于检波器存在的机械噪声, 且常表现为随机特征。环境随机干扰的来源是多方面的, 例如风吹草动和人为扰动。陆基孟[18]认为地震勘探中的随机干扰具有各态历经性质的平稳随机过程。李庆忠[19]认为地震记录中的随机噪声具有(空间与时间的)平稳随机性。环境噪声的强度、频带特征因不同的地区、气候、地表条件而存在巨大差异, 表现为杂乱无章的振动, 没有固定的视频率和视速度, 一般利用统计方法进行压制。
地震仪中由各种电子元件产生的、换算至入口处的电(热)噪声一般为数微伏, 低于此幅度的信号不能被地震仪记录下来, 所以入口噪声一般被称为地震信号的“绝对死亡线”。从入口噪声到A/D转换器最大量程的范围可以称为设备的“瞬时动态范围”。同时, A/D转换器噪声还与采样率有关。对于采用24位∑-ΔA/D转换器的地震仪而言, 采用不同类型检波器时执行模数转换的元器件有时并不相同[20]。以428XL系列为例, 20dx模拟检波器完成数字化的元器件是A/D转换器, 而DSU3数字检波器完成数字化的元器件是ASIC。无论是哪种器件, 只要转换位数是24位, 理论上的系统动态范围就是138dB。但是由于电噪声的影响, 在不同采样率下, 实际可以利用的“瞬时动态范围”有所不同(表 1)。
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表 1 428XL系列两种检波器在不同采样率时的瞬时动态范围 |
我们调查了东营HJ地区不同强度有效波与干扰波(主要是环境噪声和电噪声)所占据的A/D转换位数, 结果如图 5所示。由图 5可见, 环境噪声可以占据到第9位。通过后续处理, 如果可以将噪声的水平降低大约20dB, 即相当于噪声占据到“9-(20/6)≈6”位(每一个二进位对应6dB), 那么在6位以下仍然被噪声所占据。而在强噪声地区, 噪声占据的数据位数会更多。
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图 5 不同强度信号与噪声占据的A/D转换位数(23位数据位) |
从图 5的噪声调查结果以及文献[21-23]中不同作者调查的不同地区有效反射波信号与噪声的相对态势可以看出:微风环境下的野外噪声大约在AD转换器最大量程的-100~-80dB。
3 不同转换位数与转换方式的数值模拟为了验证将24位定点A/D转换模式提升为32位后是否有利于提高地震数据记录质量, 以及浮点转换方式是否更有利于记录到深层弱反射信号, 根据A/D转换器的原理, 以及地震采集阶段噪声的特征, 进行了数值模拟。
3.1 定点32位A/D转换与定点24位A/D转换的比较将一个10Hz的雷克子波分别输入24位、32位A/D转换器, 如图 6所示。若不存在噪声影响, 从图 6a和图 6b的频谱分析中可以看到, 32位A/D转换器输出的频谱更精确, 所以提高记录位数有利于高频信息的“刻画”。但是, 当加入1/10000(-80dB)噪声(信号的最大振幅为0。相较于实际数据中的噪声水平而言, 该噪声是一个非常小的量级)后, 24位与32位A/D转换器输出的频谱几乎相同(图 6c和图 6d)。此时, 32位A/D转换器与24位A/D转换器比较, 并无明显优势。
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图 6 定点24位和32位A/D转换器输出频谱对比 a无噪声时定点24位A/D转换器输出频谱; b无噪声时定点32位A/D转换器输出频谱; c有噪声时定点24位A/D转换器输出频谱; d有噪声时定点32位A/D转换器输出频谱 |
分析可知, 即使是-80dB这样非常微弱的噪声(无论是环境噪声还是电噪声), 也远远超过了采样噪声的影响; 在我们通过处理手段将噪声衰减至采样噪声水平之前, 由降低采样噪声(比如由24位采样提高为32位采样)带来的信噪比变化非常小, 几乎可以忽略不计, 其作用主要是更加精确地记录了噪声(24位记录最高可以精确到1/8388607, 32位记录最高可以精确到1/2147483647)。
3.2 浮点15位A/D转换与定点24位A/D转换的比较对于浅层强反射信号, 采用定点24位A/D转换器(1位符号位+23位数据位)记录的位数多、动态范围大。但是对于深层弱反射而言(图 7), 因信号强度小, 采用定点24位A/D转换器记录的位数也较少。在这种情况下, 如果采用浮点15位A/D转换器(1位符号位+14位数据位)的话, 则可以记录到14位, 那么是否意味着浮点15位转换器更有利于提高深层弱反射信号的动态范围呢？可以通过数值模拟来验证。
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图 7 定点24位与浮点15位A/D转换方式的差异 |
假设某深层弱反射信号可以达到定点24位A/D转换器的8位, 图 8为定点24位和浮点15位A/D转换器输出频谱。可以看出, 当没有噪声时, 浮点15位A/D转换器输出的频谱更好(图 8a和图 8b), 所以采用浮点转换器更有利于准确记录弱信号。当加入-80dB的噪声(地震仪最大量程为0, -80dB相当于微风情况下的环境噪声)后, 无论是定点24位(实际使用8位)还是浮点15位A/D转换器, 输出频谱几乎相同(图 8c和图 8d)。因为噪声相对于深层弱反射信号太强, 而采用现有的去噪手段很难将噪声去除干净, 所以提高采样位数并没有对识别弱信号有明显帮助。
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图 8 定点24位和浮点15位A/D转换器输出频谱对比 a无噪声时定点24位A/D转换器输出频谱; b无噪声时浮点15位A/D转换器输出频谱; c有噪声时定点24位A/D转换器输出频谱; d有噪声时浮点15位A/D转换器输出频谱 |
从理论上讲, 采用A/D转换位数越多, 可记录数据的动态范围越大, 越有利于精确记录振动波形。但是, 由于检波器接收到的信号中既包含有效信号又包含噪声(环境噪声、次生噪声、电噪声等), 在接收到的数据中含有太多的噪声并且难以被衰减的情况下, 采用更多的A/D转换位数对于提高信噪比、增强信号识别能力没有太大帮助。
地震设备具有更高的性能指标将有助于提高地震数据质量, 但是在实际地震数据采集中, 更高的性能指标并不能保证带来更好的、可见的地球物理效果。这是由复杂的地表和地下地质条件、参与成像的信号间的差异、采集阶段的信噪比以及处理阶段的噪声衰减能力共同作用的结果。设备的效果在很大程度上取决于噪声的特性。电学性能指标的提高必须在原始地震记录信噪比较高、去噪能力持续改进的前提下才能显现作用。在地震数据处理、地质解释环节不衔接的情况下, 单纯追求非常大的硬件动态范围等电学指标往往难以改善地震数据质量。
综上所述, 对于石油地震勘探而言, 由于其地质目标的独特性(埋深数千米下的数米空间)以及噪声强度、频带分布特征属性, 目前广泛采用的是定点24位A/D转换器, 定点32位A/D转换器和浮点15位A/D转换器对提高地震数据信噪比并无太大帮助。
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