地震数据的数字记录系统简介
国家地震台网中心已经建立技术比较先进、功能比较齐全、基本能够满足不同用户需求的地震数据管理与服务系统，用户可以通过网站下载国家数字地震台网、各区域数字地震台网的地震事件波形数据、地震目录、震相数据、震源机制解等数据。为了确保国家地震台网中心的数据安全，在中国地震局地球物理研究所建立了国家地震台网数据备份中心，对国家地震台网中心所汇集的实时数据、准实时数据进行在线数据备份，并依托地球物理研究所地震学和地球内部物理学学科优势，通过系统集成构建高性能、高可靠性的地震数据平台和计算平台，实现面向地震科学研究、面向国家各个行业需求的科学研究产品开发与计算能力。
油气勘探是石油工业的最初阶段，也是发展石油工业的决定性阶段。油气勘探包括地震勘探技术，以电法勘探、电磁勘探、磁法勘探、重力勘探和放射性勘探为代表的非震勘探技术，测井技术以及综合勘探技术等。地震勘探是用人工方法激发地震波，研究地震波在地层中传播的规律，以查明地下的地质情况，为寻找油气田或其它勘探目的服务的一种基本物探方法。
本文中，采集的专利申请的优先权日晚于1990年1月1日，本文重点对德温特世界专利索引WPI数据库和中国专利CPRS数据库中的地震勘探数据采集、处理、解释领域的专利申请数据进行简要分析。截至到2011年12月31日共检索到涉及地震勘探领域的专利申请量为1.2005万件，合并聚族为3869项专利技术。对于数据库中以一族(这里的“族”指的是同族专利中的“族”)数据的形式出现的一系列专利文献，计算为“1项”。
从图1所示可以看出这20年间地震勘探领域专利技术的发展情况，地震勘探专利技术的发展呈波浪式上升趋势，直至2009年达到最高峰372项(2010、2011年数据尚有部分未公开，暂无法统计)，期间年申请量维持在200项左右。总体趋势为：项数基本稳定，件数上升相对明显。预计在未来相当长的一段时间内，地震勘探专利技术还将保持平稳发展的上升趋势。
为了研究地震勘探领域专利技术国家或地区分布情况，笔者对所采集的数据按照专利族最早优先权国别进行了统计。从图2可以看出，地震勘探领域的主要首次申请国家和地区是美国(2128项，53%)，其次是中国(747项，19%)，法国、英国、俄罗斯、挪威分别占2%至8%。其它国家或地区总和不超过7%。由此可见，地震勘探领域的发明创造主要在美国完成，中国、法国、英国、俄罗斯、挪威在此领域也有一定的创新能力。
根据地震勘探行业的分类习惯，按照地震勘探的结构和方法特征将其划分成采集、处理和解释三个技术分支。在地震勘探技术领域，有高达2167项专利申请涉及采集，1166项专利申请涉及处理，645项专利申请涉及解释。采集方面的申请高居榜首。
经检索，地震勘探采集、处理、解释领域共有中国专利申请997件，国内申请为727件，占73%，国外来华申请为270件，占27%。国内申请量已经超过了国外来华申请量。值得注意的是，在地震勘探领域，全球3142项专利申请仅有270项进入我国申请专利，86%以上的专利技术并没有进入我国，说明国外申请人还没有将国内申请人视为重要的竞争对手，这也为我国申请人加快地震勘探技术研发留下了一定的时间和空间。
从图3所示地震勘探技术国内和国外来华历年专利申请变化情况可以看出，在1991年至2000年的这一阶段中地震勘探研发基础薄弱，国内申请长期维持在年申请量10件以下的低水平。而且国外申请量也徘徊在20件以下的低水平，反映出，虽国外技术处于快速发展阶段，但出于当时的各种考虑，在我国没有进行相应的专利战略布局。我国相关行业的跟踪研发也没能跟上世界地震勘探技术的发展步伐，大量设备依靠进口，对地震勘探技术的重视程度和研发力度与国外同行差距甚大。从2001年开始，国内申请出现快速增长，专利申请量稳步增加，目前保持强势上升态势。国外来华历年专利申请量在1990年至2002年之间保持基本稳定。2001年以后，随着国内申请量的快速增长，国外来华申请量也缓慢上升。数据表明，国外技术研发起步早、研究水平高，国外来华申请已进行长期专利布局。
野外数据采集占整个地震勘探成本的80%以上，是勘探工程的基础。采集阶段几个技术分支中，震源(204件，占34%)和检波器(133件，占22%)所占比重最大，接收元件的配置为129件(占21%)，信号传输为72件(占12%)，数据记录27件(占4%)以及地震仪占17件(各3%)，其它部件占27件(占4%)。
地震数据处理方面，筛选出与地震数据处理密切相关的专利申请307件，其中涉及预处理的是25件，常规处理128件，成像处理68件，其他94件。可见，地震数据处理首先集中于常规处理，占申请总量的一半，其次是成像处理
根据检索结果，筛选出与地震数据解释密切相关的专利申请120件，涉及构造解释24件，沉积解释9件，岩性解释69件，可见地震数据解释集中于岩性解释，占据了申请量的58%。
在地震勘探领域，申请量居前5位的申请人分别为斯伦贝谢(52件)，PGS(47件)，埃克森美孚(26件)，道达尔(18件)，CGG公司(16件)，这5家公司拥有海洋和陆地勘探的核心技术。
地震勘探的数据采集和处理是斯伦贝谢公司的研发重点，斯伦贝谢公司的分公司遍布全球，从专利申请量、覆盖面、专利水平等各方面来看，它的领先地位无可撼动。斯伦贝谢公司是全球在地震勘探领域专利当之无愧的巨头，震源、无线信号传输和多波多分量的处理方面是斯伦贝谢公司的研发热点。
目前CGGVeritas
是世界上最大的地球物理服务公司。CGG公司在机械震源、海洋拖缆和地震信号无线传输方面掌握了核心技术，我国市场上大量使用的检波器、地震仪和海洋拖缆等关键设备均购自CGG旗下的瑟塞尔公司，CGG是目前我国3大石油公司的主要供货商和服务商。其MEMS数字检波器和数字地震仪等核心技术均处于保密阶段，对于我国现阶段的跟踪研发极为不利。
中国石油作为我国在地震勘探领域的主要申请人，占据了国内绝对的申请量，近年来，随着中石油走出国门，拓展海外市场，中石油也开始采取并购方式，逐步进行全球战略布局，这是非常可喜的一面。中国石油在采集方面的专利申请为111件。
掌握核心科技的国外公司法国石油、格库、瑟塞尔已经在中国进行专利布局，无线信号传输方面专利壁垒森严。在海洋拖缆控制及制造方面，PGS、瑟塞尔、施鲁博格、斯塔特等国外公司已经在我国申请了大量专利，国外来华申请基本围绕海洋勘探领域，而国内申请基本围绕陆上勘探领域。国外几大油气公司在海洋拖缆控制及其制造、无线信号传输、海洋滤波等方面均拥有重点专利乃至核心专利，并结合系列申请，其专利布局意图明显。而我国的海洋勘探刚刚起步，与国际水平还有很大差距。海洋勘探领域还存在重大专利风险。
1965年出现地震信号的数字记录，到1975年初西方国家开始普及。数字记录系统通常装在称为记录站的专用汽车上，由前置放大器、模拟滤波器、多路采样开关、增益控制放大器、模数转换器、格式编排器、磁带机、回放系统组成(图3-15)。
图3-15 数字地震仪的方框图
1.前置放大器和模拟滤波器
前置放大器每道一个，它的主要作用是在信号离散化之前提高信噪比，除了放大弱信号外，有时地震放大器还要适当地对信号进行限幅。通常采用固体电路使之体积很小。与地震检波器电缆相连接的是平衡电路，它可减小与高压线的耦合因而降低工业交流电噪声的影响。然后是低截止滤波器，用于滤除强面波等低频干扰，并防止使第一放大级过载和引入畸变。还有高截止滤波器或除假频滤波器，用于滤除多路采样开关可能产生假频的高频成分，截止频率为采样频率的1/4。例如，对于2ms采样率，合适的除假频截止频率是125Hz。滤波陡度高达每倍频70dB。
由于初至波对地表校正有重要用途，所以，应该清楚的观测到初至波，为此，前置放大器要有可选的固定增益。使记录的开始部分强信号到达时具有低的放大倍数，干扰波几乎觉察不到。
2.多路采样开关
其功能是按照选定的采样间隔将多道连续信号离散为一个时间序列。即按规定的时间间隔依次接通不同的地震道，并将其送到唯一的一个输出道。
3.瞬时浮点增益放大器
瞬时浮点增益放大器简称主放，其作用是不畸变地放大120dB以上的高动态范围的信号，它具有增益能自动变化、高速、高精度的特点。瞬时浮点增益控制以二进制增益方式控制为基础，后者的增益变化为6dB阶跃跳变，从一个增益变化的瞬间到下一个变化的瞬间放大器的增益保持不变，当放大器输出高于或者低于某个规定的水平(记录器的满程电压)时，放大器增益突然变为原来值的两倍或一半。同时用一定位数记录增益值，有了这种记录信息，就能够恢复原始信号振幅。瞬时浮点增益控制是在二进制增益控制基础上发展起来的。它对每个输入信号子样很快地控制增益变化，以调节放大器对该子样本身达到合适的增益，增益调节的速度达微秒级，所以可以认为是瞬时实现的。其增益调节也不限于6dB，最大可达10μs内变化90dB，增益的变化按2的整数次幂跳变，其增益码与数字技术中的浮点表示法的阶码相对应，故称瞬时浮点增益控制。
4.模数转换器(A/D)
模数转换装置把从放大系统接收到的模拟信号转化为数字形式。每个数字站通常装备一个模数装置做所有地震道和辅助道的转换。一个模数转换装置与许多道输入之间的协调是利用多路采样装置来实现的。
多路采样开关是依次把A/D装置与工作道连接的电子开关。对每一道的连接持续一个短的时间间隔，但这段时间足以使A/D装置读取信号振幅并把它转化为二进制字，这是由设在多路转换器和A/D装置之间的采样保持器完成的。
举一个例子来说明多路采样开关的工作速率，如果是50道的仪器，多路采样开关在第一个循环时从第1道开始至第50道结束依次连接这些道，第二个循环时重复第1道到第50道，余类推。这就是说，每一道以一次循环的时间作为采样周期进行采样，对于4ms采样周期而言，道与道的转换时间是1/10ms以内。
A/D装置的输出是一系列用二进制数表示的采样值，它们在送入记录系统之前，每个二进制字的各个位被按照规定的格式排列。数据的格式编排之所以必须，是为了使所记录的数据能够被计算机读取。格式编排处理包括把每个二进制字的各位分配在磁带上若干个规定的信息轨上。地震数字记录中普遍格式是:对半英寸磁带来说用7轨或9轨，对一英寸磁带用21轨。
格式编排装置除了做各个位的编排外，还产生错误检测位，称为奇偶检测处理。它能够提供两种检验:垂向奇偶检验和纵向奇偶检验。在第一种检验的情况下，格式编排装置根据横向写在磁带上的1的总个数是偶数还是奇数而把1或0的数字放在一定轨道上。在纵向奇偶检验的情况下，则对整个记录长度计算包含在每个轨(7或9或21轨)中的1的总个数。在回放过程中，如果所记录的磁带漏掉了一个位，奇偶检验位就会指示出来。在奇偶错误的情况下，用一个专门指令给处理器就可能消除错误的二进制字。
5.磁记录器
格式编排装置的输出送到磁记录系统，按照格式编排装置控制的预先确定的位-轨关系把每个二进制字记录在磁带上。
数字记录器通常装有写后读装置，由放在写磁头之后的专门读磁头读取所记录的数据，从读磁头出来的数字被反多路转换，然后转换为模拟信号供照相装置显示。
数字地震站的发展趋势是更精密、更迅速的增益控制和更大的总体动态范围。
为了便于三维数据采集、提高分辨率和更好的压制噪声，20世纪80年代初，出现了多达几百到上千道的记录系统。但是，这样的系统使用普通所使用的电缆是困难的，因此开始使用遥测系统。遥测记录系统沿着排列安置许多数字化单元装置，在检波器附近由这些数字化单元完成多路采样和模数转换。在陆地勘探中，数字化单元有时用无线电传送到记录车，全部操作由中央处理器控制。这样的系统不需要电缆，因而也避免了工业电干扰。
最近，市场上出现了光学纤维电缆，它可以传送密度很高的数据，并且也可免除电干扰。
6.数据的显示
图3-16 地震数据的显示方式
地震记录站使每个检波器组输入其自己对应的放大器至磁头(或检流计)回路，除了每道有自己的磁头外，还有几个磁头供记录爆炸信号、井口时间、计时信号等之用，它们叫做辅助道。爆炸信号以尖锐脉冲的形式标记在记录上，作为t=0的位置。使用炸药震源时，放在炮井井口的井口检波器的输出信号与爆炸信号的时间间隔称为井口时间，它表示从爆炸点到地面的垂向传播时间，供静校正之用。
通过回放所记录的磁带或者直接从放大器输出的信号，可以进行照相显示。照相装置利用电压变化使检流计偏转的原理，通过某些光学装置把检流计的偏转记录在照相纸上。输出一般是波形记录，在记录上附加有垂向的计时线(图3-16)。
地震数据的数字记录系统简介
答：1965年出现地震信号的数字记录，到1975年初西方国家开始普及。数字记录系统通常装在称为记录站的专用汽车上，由前置放大器、模拟滤波器、多路采样开关、增益控制放大器、模数转换器、格式编排器、磁带机、回放系统组成(图3-15)。图3-15 数字地震仪的方框图 1.前置放大器和模拟滤波器 前置放大器每道一...
地震仪记录系统功能简介
答：磁记录器是将数字信号通过磁头记录在磁带上，它可直接将记在带上的原始数据输入计算机。
地震数据数字记录系统
答：1965年出现地震信号的数字记录，到1975年初西方国家开始普及。数字记录系统通常装在称为记录站的专用汽车上，由前置放大器、模拟滤波器、多路采样开关、增益控制放大器、模数转换器、格式编排器、磁带机、回放系统组成。其方框图见图3-4-4。图3-4-4 数字地震仪的结构方框图 1.前置放大器和模拟滤波器 ...
地震勘探野外数据采集系统简介
答：地震勘探数据采集系统可把接收到的地面振动转换为电信号，记录这种信号就称为地震记录。数据采集系统主要由地震检波器和数字地震仪组成。2.1.2.1 地震检波器 检波器是安置在地面、水中或井下以拾取大地振动的地震探测器或接收器，它实质是将机械振动转换为电信号的一种传感器。现代地震检波器几乎完全是动...
海底地震的数据记录器
答：海底地震数据记录器是一种大动态、宽频带数字仪器,能用于海底或陆地边远地区记录地震数据. 它体积小、重量轻、操作简单,采用两个缓存存储器控制PC/104嵌入式计算机,能在低功耗、长时间连续记录地震数据. 记录器的关键部件是PC/104嵌入式计算机,能保证记录器工作可靠. 它使用硬盘存储数据,2GB的硬盘能容纳1...
数字地震仪的组成
答：数字地震仪的结构框图如图3-3-1所示。它主要由记录系统、回放系统两大部分组成。记录系统主要包括：检波器、前放滤波电路、多路转换开关、主放、采样保持器、模数转换器和磁记录器等。回放系统是记录系统的逆过程，主要包括：回放输入编排器、数字自动增益控制、数模转换器、反多路转换开关、回放滤波器和...
数字地震仪的基本工作原理简介
答：SEG先后制定过多种记录格式,如SEG-A、SEG-B、SEG-C、SEG-D、SEG-2和SEG-y格式等,其中SEG-A格式、SEG-B格式、SEG-C格式已淘汰。目前数字地震勘探仪器中使用最多的是SEG-D格式、SEG-y格式和SEG-2格式(多用于浅层勘探地震仪器)。因SEG-D格式较为通用,下面给予详细介绍。 SEG-D格式有多种子格式,按记录...
地震仪回放系统功能简介
答：如记录系统中有多路转换开关，模数转换器，则回放系统就有反多路转换开关，数模转换器等。有关回放系统的功能在此不多论述了。随着科学技术的发展，地震仪器也在不断地改进，道数已从以往的24道扩展到1024道甚至更多。信号的传输也出现了新的技术，采用无线电数据传输和无线电遥控技术，地震勘探中已出现...
地震勘探仪器概述
答：另外与地震记录系统相配套的有地震回放显示系统、质量监控系统及测试系统。 (三)地震勘探记录仪器类型简介 地震勘探记录仪器种类很多,能源勘探使用的大型数字地震仪可归纳为三大类型,分别为:集中式逻辑控制型数字地震仪;集中式数控型数字地震仪;分布式遥测型数字地震仪。如图4-7-1所示。 图4-7-1 集中式数控型地震...
地震勘探仪器的记录方式
答：记录在磁带上。其动态范围为120～170分贝﹐频带宽为3～250赫兹以上﹐记录的振幅精度高达0.1～0.01%。第四代早期遥测地震仪。遥测地震仪由许多分离的野外地震数据采集站和中央控制记录系统组成。第五代为多种数据传输模式。全数字化地震数据传输与记录系统标志着第六代全数字遥测地震仪的出现。
