雷振英黄跃米宏泽
（中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所）
1仪器整体结构
DST-3井间地震声波探测系统分为声波发生系统和声波接收系统两大部分。声波发射系统由井下声源仪和地面控制仪组成；声波接收系统主要由地面微机、井下采集仪和接收探头组成。 发射与接收的地面仪器分别安装在两部测井车内。工作时，发射系统产生的同步信号经过长电缆送到井下接收仪，启动采集系统完成数据采集工作。系统和现场工作如图1所示。
图1DST-3系统和现场工作图
2发射系统
DST-3声波发射系统是一个在单片机控制下自动将电能转换成机械能的电火花脉冲声源。
2.1发射系统的特点和技术指标
发射系统的主体部分是井下声源仪，其中包括升压电路、储能器、放电开关、控制电路和发射探头。发射系统的地面控制台采用单片机对井下声源仪实现控制和监测。 发射系统最大的特点是将电火花震源的储能器件、升压电路、和放电开关等主要部件全部移至井下探管中，使高压通过发射探头放电的距离减小到仅数十厘米，最大限度地减小了由于采用同轴电缆而造成下井放电时的线路损耗，提高了电声转换效率。
系统的控制采用时钟电路定时，可实现单次发射和多次连续发射。设计了高压监测电路，从地面发射控制台显示器上监视井下声源仪的工作状态，从而保证系统的正常工作。
发射系统的技术指标如下：
井下声源存储能量：4000—5000J；
辐射声压（水中距声中心1m处）1.14 105Pa；
发射子波频率：频谱中三个优势频率为：290Hz、980Hz、1500Hz；
井下仪器密封性能：不小于50Mpa；
工作温度：井下仪：-20°C---+118°C；
地面仪：-20°C----+40°C；
尺寸：井下声源探管：Φ89×5500mm；
井下接收探管：Φ89×1700mm；
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供电电源：交流220V、50Hz。
2.2发射系统硬件组成
地面控制台是发射系统的控制中心，CPU为8031单片机，它控制各部分工作。
键盘接口由4532键盘编码器组成，它将5个功能键编码后送入8031单片机，并向8031提出键盘中断申请。
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LCD显示器为2行16位字符型液晶显示模块LCM.在8031外围有
一可编程并行I/O接口芯片，以便给LCM送入数据和指令，选择显示方式和显示内容。
日历钟由MSM5832实时时钟芯片外接32.768KHz晶振和电源电路组成。
充电开关由固态继电器（SSR）组成，它是一种新型电子继电器，可用TTL电平直接驱动，控制简单、方便。
井下声源仪核心为10倍压升压电路和耐压为3200V、电容量为1175μF的高压储能电容，高压开关为串联的两个300A/2000V可控硅。
电压检测电路由LM331V/F转换器组成，它将高压经电阻分压后，转换成频率信号送入地面控制台。
触发控制电路由TTT04可控硅触发变压器组成，一个TTT04有两组输出控制端，可接两个可控硅。
3接收系统
抽象函数3.1接收系统特点和主要技术指标
接收系统由地面控制主机、井下数据采集系统和井下声波接收探头组成，其功能方框图如图2所示。
主控微机井下采集仪接收探头
同步信号
图2接收系统方框图
接收系统主要特点：
1）数据采集系统所有功能部件均密封、屏蔽在下井探管中，实现了井下多道数字化传输，从而有利于消除地面50Hz工频及其它各种电干扰。亲戚聚会发言图
2）仪器实现了“便携式”，体积小，重量轻。整个系统只有主控微机、串口驱动电路及井下接收探管三大组件。系统连接方便、操作简单。3）数据采集具有自同步（背景测量）、外同步、信号同步等触
发方式。
可以程控选择滤波器频段及放大倍数。设置了正负时间预延功能，能适应各种不同环境下数据采集工作需要。
4）精心选择电路结构，采用低功耗运放和CMOS芯片、使得井下数据采集器功耗非常低，每道功耗仅2.0W左右。
接收系统主要技术指标：
1）声波接收探头是一个高灵敏度的压电陶瓷换能器，其性能指标如下：
接收电压灵敏度：1000μv;
频响范围：50～40KHz(起伏±1.5dB)；
水平指向性：40KHz以下无指向性；
垂直指向性：10KHz以下无指向性；
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2）系统最大增益：112dB，程控增益66dB；
接收探头转换灵敏度：1000 V/Pa；
3）工作频带：20～3200Hz，其中：
高通滤波器分两档，截止频率分别为20Hz、100Hz；
低通滤波器分三档：截止频率分别为：3200Hz、1200Hz、450Hz；高通、低通滤波器可任意程控组合成各种带通滤波器。
4）滤波器陡度：高通：24dB/倍频程；低通：-36dB/倍频程
5）12位高速A/D转换器：转换时间10μs（包括采样保持时间）；采样率：75μs～20ms，可任意选择。
6）每道最大数据存储量：4K（12位）。
7）串口通讯波特率：数据传送时：7200、9600、14400、19200、28800程控选择；指令传送时：600bps。
3.2接收系统关键部件研制
1）前置放大器
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前置放大器选用美国模拟器件公司（AD公司）出产的单片高精度仪表放大器，为了适应各种情况下数据采集的需要，在系统中设置一拨码开关，用于选择AD524前放增益1、10或100倍。常用增益G=10。
2）巴特沃斯高通滤波器
本系统模拟通道中高低通滤波器设计均采用巴特沃斯滤波器，其特点是结构简单、调试方便、性能稳定、通带内无波动。四阶巴特沃
斯高通滤波器，它是由两个二阶高通滤波器串联而成，在阻带内，它可提供一24dB/倍频程的衰减陡度。
3）巴特沃斯低通滤波器
六阶巴特沃斯低通滤波器，它是由三个三阶低通滤波器串联而成。在阻带内，它能提供一36dB/倍频程的衰减陡度。
4）模拟开关
模拟开关选用AD公司CMOS8选1多路模拟开关AD7501。这是一种高性能的多路模拟开关，采用介质隔离技术，具有过压保护功能，导通电阻低（170Ω），泄露电流低（500PA）。
由于模拟开关在导通时，其导通电阻会随信号和温度的变化而有微小的变化，在某些情况下，可能会对信号的传递速度带来影响，因此应尽可能使负载阻抗大一些，在某个模拟开关与负载之间加上缓冲器。
5）程控放大器
程控放大器选用一片AD625和两片AD7501组成增益为1、2、4、8、16、32、64、128倍的软件可编程放大器。
AD625通过设置增益驱动和增益读出引脚，将多路模拟开关的导通电阻排除在信号电流路径之外，这样可以大大消除导通电阻误差对信号的影响。同时由于增益读出电流对共模电压不敏感，这就使得电阻编程AD625的增益误差与两个反馈电阻的失配关系不大。
128倍（42dB）程控增益对于井间声波接收系统是不够的，为此我们在高通滤波器之后设置了一程控可选的16倍增益放大器，使系统程控可变增益达2048倍（66dB）。
信号道409600倍增益（112dB）分配是：固定增益前放10倍（20dB）、高通滤波器5倍（14dB）、低
通滤波器4倍（12dB）以及程控可变增益2048倍（66dB）。
6）A/D转换器
A/D转换芯片选用美国AD公司生产的十二位工业标准高速A/D 转换器AD1674，其主要特点是：转换速度快（10μs）；芯片自带采样保持器；可直接与模拟信号相连；片内配有三态输出缓冲电路；与微处理器接口连接简单。
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