Die rechnergestützte
Aufnahmeapparatur CFS I

Anfang Januar dieses Jahres wurde beim VIBROSEIS* Trupp Kisskalt in Italien auf demcGebiet der seismischen Feldaufnahmetechnik ein bemerkenswerter Schritt nach vorn getan, der von vielen Seismikern vor nicht allzu langer Zeit noch als Zukunftsmusik gewertet wurde:

Ein Meßwagen mit einer rechnergestützten Aufnahmeapparatur wurde in Betrieb genommen. Das neue Mitglied unserer T. I. (Texas Instruments)-Apparatur-Familie heißt CFS 1** (Computerized Field System I). Es ist ein weiteres logisches Produkt ständiger Verfeinerung in der seismischen Meßtechnik. Die älteren unter uns, die Gelegenheit hatten, die stürmische Entwicklung bei den seismischen Feldapparaturen während der letzten Jahre zu verfolgen, messen diesem Ereignis eine ähnlich einschneidende Bedeutung bei wie der Einführung der Magnetbandapparaturen während der 50er Jahre, und der Digitaltechnik gegen Mitte der 60er Jahre.

In the beginning of January 1975, a remarkable step forward was made in the field of seismic data acquisition at the VIBROSEIS* crew Kisskalt in Italy, which, not so long ago, was regarded as a dream of the future.

A recording truck, containing a computerized fjeld system was put in operation. The new member of our TI (Texas Instruments) system family is called CFS 1** (Computerized Field System I). It is a further logical product in the continuous development and sophistication of the seismic recording technique. The older people among us, who had the possibility to observe the fast development of seismic recording devices during the last years, attribute a similar significance to this event as to the introduction of the magnetic and digital recording technique during the fifth decade resp. in the middle of the sixth decade of this century.

Die Premiere fand in dichtem Nebel statt. Nach glücklicher Fahrt über die Alpenpässe traf der Meßwagen einigermaßen pünktlich am Bestimmungsort in der Po-Ebene ein. Echte Stimmung mochte jedoch unter dem frierenden Empfangskomitee, das aus einer Handvoll PRAKLASEISMOS-Männern bestand, nicht aufkommen. Der Nebel, naßkalt auch durch die dichteste Kleidung kriechend, und die Aussicht auf lange arbeitsreiche Tage (wie so oft bei der Einführung einer technischen Neuerung) verlangten zunächst einige Selbstüberwindung, die dann aber bald von gespannter Erwartung über das Verhalten des "Neulings" abgelöst wurde.

Bereits zwei Stunden nach Eintreffen des Meßwagens im Meßgebiet lagen die ersten Ergebnisse vor. Die Qualität der Aufnahmen war gut, die anfängliche Spannung wich, und man ging zur Tagesordnung über: Die Produktion seismischer Feldaufnahmen nach dem VIBROSEIS-Verfahren mit einer rechnergestützten Apparatur war bereits Routine geworden.

Bei einem Vergleich mit unseren anderen VIBROSEIS Meßanlagen, die in verschiedenen Kontinenten im Einsatz sind, stellt man fest: Auch der neue Meßwagen besteht aus Fahrzeug, Meßkabine und Stromversorgungsanlage. Die Meßkabine in einem unserer Meßwagen, die entweder mit den Apparatureinheiten DFS-II / Fixed Point ADD-IT oder DFS-IV / lnstantaneous Floating Point ADD-IT ausgerüstet sind, verwirrt den Außenstehenden zunächst durch die Vielfalt der sich schon rein äußerlich durch Größe, Form und Farbe unterscheidenden Apparaturen und Geräte. Fachleute erkennen jedoch schnell den logischen Aufbau des Systems, das im Ablaufdiagramm der Figur 1 dargestellt ist.

Das Endprodukt der VIBROSEIS-Meßanlagen herkömmlicher Art ist ein auf Magnetband aufgezeichnetes Stapelseismogramm in multiplextem Format. Die endgültige Korrelation erfolgt im Datenzentrum.

Es war naheliegend, die für das Verfahren erforderlichen Einzelapparaturen einer VIBROSEIS-Meßanlage zu einer Einheit zusammenzufassen und die Verarbeitungsoperationen durch einen geeigneten Feldcomputer ausführen zu lassen. Dieser Schritt wurde nun in der Extended CFS 1-Apparatur vollzogen, siehe Ablaufdiagramm Figur 2.

Die bereits bei den DFS-II-und DFS-IV-Apparaturen vorhandenen technischen Möglichkeiten werden bei der CFS I folgendermaßen erweitert:

The inauguration took place in dense fog. After passing the Alps, the recording truck arrived in the Po-valley on time. The reception commitee, consisting of some PRAKLA-SEISMOS people, was not in very high spirits. The cold and wet fog crept through the clothing, and the prospect of long laborious days - an inevitable consequence of introducing new equipment - at first had to overcome, but this was soon replaced by a certain curiosity about the features of the "newcomer".

Already two hours after the arrival of the recording truck in the fields the first results were at hand. The quality of the records was good, the initial tension was gone and one passed on to the order of the day: the production of seismic field records after the VIBROSEIS method with a computerized field system had already become routine.

In comparison to our other VIBROSEIS recording systems working on several continents, one must realize 'that the new recording truck consists also of vehicle, recording cabin and power supply units. The recording cabin in one of our recording trucks, which is equipped either with the system units DFS-II / Fixed Point ADD-IT or DFS-IV / lnstantaneous Floating Point ADD-IT, first confuses the outsider by the variety of systems and devices, differing already externally in size, form and colour. However, experts quickly recognize the logical lay-out of the system, which is to be seen in the flow chart of figure 1.

The final product of a common VIBROSEIS-recordingsystem is a stack seismogram in multiplexed format recorded on magnetic tape. The final correlation is done in our data center.

It was obvious to concentrate the single systems of a common VIBROSEIS-recording-system, necessary for the operations involved, to one unit and to execute the processing operations with a suitable field computer. This step was now taken in the Extended CFS-I-system, see flow chart figure 2.

The technical possibilities, already existing in the DFS 11 and DFS IV-systems, are extended in the CFS I as follows:

• Berechnung beliebiger Sweeps (vorerst nur lineare)
• Vertikale Stapelung und Korrelation mit 32-bit-Auflösung. Die Stapelung kann dabei auch gewichtet erfolgen (Diversity-Stacking)
• Aufzeichnung von Stapelseismogrammen und/oder Korrelogrammen in multiplextem und/oder demultiplextem Format.
• Wahl beliebiger SEG-(von der Society of Exploration Geophysicists festgelegt) und TIAC-(Texas Instruments Automatie Computer) Formate.
• Funktionskontrolle der Anlage durch den Computer.

• Calculation of any sweep (at present only linear)>
• Vertical stacking and correlation with 32-bit-resolution. Vertical stacking can be weighted (diversity stacking)
• Recording of stack seismograms and/or correlograms in multiplexed and/or demultiplexed format
• Selection of any SEG-(fixed by the Society of Exploration Geophysicists) and TIAC-(Texas Instruments Automatie Computer) format.
• Diagnostics of the system by the computer.

Die DFS-II und DFS-IV-Apparaturen sind Automaten, die nach einem festverdrahteten Programm (Hardware) arbeiten; lediglich einige Parameter können durch Schalterbetätigung abgeändert werden. Bei einem "Computer", wie der CFS I, kann dagegen eine Programmänderung beliebig oft durch Einlesen eines Programm-Magnetbandes (CFS-Monitor) vorgenommen werden. Das jeweilige Programm ist nicht verdrahtet, sondern abgespeichert (Software). Der Meßtechniker, bislang fast ausschließlich Hardwaremann, muß nun auch mit Software umgehen, und dazu gehört auch das Verständnis für die Erstellung neuer Programme.

Die Figur 3 zeigt ein detailliertes Ablaufdiagramm der CFS I, aus dem klar hervorgeht, daß sich die Anlage im wesentlichen aus der DFS IV, dem Basic CFS Module und den Zusatzgeräten (die zur Extended CFS I geführt haben) zusammensetzt. Der Format-Module der DFS IV ist nicht mehr vorhanden, an seine Stelle ist der Basic-CFS-Module mit dem 980-A-Computer getreten.

Wegen der besseren übersicht sind die Grundeinheiten, die Bestandteil jeder kompletten Datenverarbeitungsanlage sind, durch gestrichelte Linien eingefaßt. Es sind dies:

Die Eingabeeinheit (Input Unit) . Ausgabeeinheit (Output Unit) . Zentraleinheit mit Rechenwerk, Steuerwerk und Arbeitsspeicher (Central Processing Unit) . Externspeicher (Extern al Storage).

Wie sehr der Aufbau der Extended CFS I im Prinzip dem einer Rechenanlage in unserem Datenzentrum entspricht, zeigt die Figur 4. Die neue Apparatur ist nichts anderes als ein Rechner, an den ein Spezial-Peripherie-Gerät für die Datenerfassung angeschlossen ist, nämlich die DFS IV. Alle übrigen peripheren Einheiten der CFS I sind auch an herkömmlichen EDV-Anlagen zu finden: Bandgeräte, Konvolver (vergleichbar dem Array Transform Processor ATP), Platteneinheiten und Terminals zum Datenaustausch zwischen Zentraleinheit und Operator, z. B. über eine Konsolschreibmaschine.

Figur 5 zeigt einen Blick in das " Innere" des CFS I - Meßwagens. Von rechts nach links sind angeordnet: Verschiedene Module der DFS IV, der Basic-CFS-Module, die Konsolschreibmaschine, der Array-Transform-Processsor ATP.

Der Plattenspeicher bietet Platz für 100 Programme, die (siehe oben) über ein Magnetband eingelesen werden. Zur Zeit wird nur ein Teil dieser Kapazität ausgenutzt. Zusätzliche Programme können auch über eine Magnetband-Kassetteneinheit, die an die Konsolschreibmaschine angeschlossen ist, geladen werden. Das Auswählen der numerierten Programme erfolgt über Nummernschalter am Bedienfeld des CFS-Module oder auch über die Konsolschreibmaschine. Einzelne Parameter der Programme können ebenfalls durch Schalterbetätigung oder über die Konsolschreibmaschine geändert werden.

Ü̈ber die Konsolschreibmaschine kann sich der Meßtechniker mit dem Computer " unterhalten" . Die vorhandenen Programme können abgefragt werden, (Fehler-und Warnmeldungen erfolgen automatisch), der Status des Computers wird mitausgedruckt. Figur 6 ist ein kleiner Ausschnitt aus einer Ausdruckliste.

Die Erzeugung des gewünschten Steuersignals ist relativ einfach : Die vorgesehenen Parameter werden auf der Konsolschreibmaschine eingetippt.

Einige wichtige Prozesse werden über den Array-Transform-Processor ATP im Frequenzbereich durchgeführt (Korrelation, digitale Filterung).

Mit der Einführung der CFS I tauchten einige neue Bezeichnungen auf. So wird z. B. das Korrelationssteuersignal im Frequenzbereich "Filter" genannt.

Die z. zt. vorhandene Software enthält einen Programmteil für die Diversity-Stapelung, die in Gebieten mit starken Störschwingungen von Vorteil sein kann. Die DiversityStapelung ist eine gewichtete vertikale Stapelung, deren Prinzip folgendermaßen beschrieben werden kann:

1. Einteilung der Spuren in Zeitintervalle (Gates).

2. Berechnung von Gate-Ende-Skalenfaktoren. Der GateEnde-Skalenfaktor eines Zeitintervalles ist gleichzeitig Anfangswert des darauf folgenden Zeitintervalles. Die Skalenfaktoren sind dem Kehrwert der mittleren Leistung im Zeitintervall proportional.

3. Die Sampie innerhalb eines Zeitintervalles werden mit einem Faktor multipliziert, der linear interpoliert wird aus den Anfangs-und End-Skalenfaktoren des Zeitintervalles.

4. Die mit dem Skalenfaktor multiplizierten (skalierten) Sampie aufeinanderfolgender Aufnahmen eines Vibrationspunktes werden addiert.

5. Das resultierende Roh-Stapelseismogramm wird nun seinerseits skaliert. Die neuen Gate-Ende-Skalenfaktoren ergeben sich durch Mittelung der Gate-Ende-Skalenfaktoren aus den Einzelaufzeichnungen. Ergebnis ist das skalierte (gewichtete) Stapelseismogramm. Störimpulse (Spikes) dürften nach diesem Verfahren ohne weiteres eliminiert werden können.

Die Entwicklung weiterer (eigener) Software muß zunächst darauf gerichtet sein, die bisher im Datenzentrum durchgeführte Auswertung von Aufzeichnungen zur Funktionskontrolle der Geräte durch eine sofortige Auswertung im Gelände zu ersetzen.

Mit der CFS I können auch weiterhin, bereits bekannte, Techniken ausgeführt werden, z. B.: Das Annullieren besonders stark. gestörter Einzelaufnahmen (Rejecting) und das invertierte Vibrieren, d. h. die Unterdrückung der Oberwellen durch abwechselndes Umpolen der auszusendenden Steuersignale.

Jede beliebige Anzahl von Einzelaufnahmen (maximal 999) kann vertikal gestapelt werden, ohne dabei den Dynamikumfang zu beeinträchtigen. Bei den herkömmlichen Apparaturen wurde die Dynamik nur bei bestimmten Stapelzahlen, z. B. 16, voll ausgenutzt.

The systems DFS 11 and DFS IV are automats which work according to a hard wired prog ram (hardware), only some parameters can be alte red by switsching. However, with a 'computer' like CFS I, a change in program can be made, as often as wanted, by reading in programs from a magnetic tape (CFS monitor). The programs are not hard wired, but stored (software). The operator, until now almost exclusively a hardware-expert, now also has to deal with software ; this also comprises the knowledge of setting up new programs.

Figure 3 shows a detailed flow chart of the CFS I, where it is clearly shown, that the system mainly consists of the DFS IV, the basic CFS module and periphera!s (which have led to the Extended CFS I). The format module of the DFS IV does not exist any more, it is replaced by the basic CFS module with the 980-A-computer.

To give a better view, the basic units which are part of every complete computer system are framed with dashed lines. They are : Input unit . Output unit . Central processing unit with arithmetic unit, control unit and working memory ' external storage.

How much the construction of an Extended CFS I corresponds in principle to a computer system in our data center in shown in figure 4. The new system is nothing else but a computer to which a special peripheral device for the data acquisition is connected, i. e. the DFS IV. All the other peripheral units of CFS I are also to be found in traditional computer systems: magnetic tape units, convolver (comparable to the array transform processor ATP), disc units and terminals for data exchange between the central processing unit and the operator, for example via teleprinter.

Figure 5 shows the interior of the CFS I recording cabin. From right to left are arranged: different modules of the DFS IV, the basic CFS module, the teleprinter, the array transform processor ATP. The disc store has space for 100 programs which are read in from a magnetic tape (see above). At the moment, only apart of this capacity is used. Additional programs can also be loaded via a magnetic tape cassette unit which is connected to the teleprinter. The selection of the numbered programs is accomplished by setting numeric switches on the control panel of the CFS module or, also, by the teleprinter. Single parameters of the programs can also be changed by switching or by the teleprinter.

Via the teleprinter, the operator can "talk" with the computer. The existing programs can be called off (error-and warning-messages come automatically), the status of the computer is also printed out. Figure 6 shows a small part of such a print-out.

The generation of the desired sweep signal is relatively simple: the necessary parameters are typed in with the teleprinter.

Some important processes are executed by the array transform processor ATP in the frequency domaine (correlation, digital filtering).

With the introduction of the CFS I some new expressions appeared. For example the correlation sweep in the frequ~ncy domaine is called "filter".

The existing software contains a program for the diversity stack, which can be advantageous in areas with high ambient noise. The diversity stack is a weighted vertical stack, the principle of which can be described as folIows:

1. Sectoring of the traces into gates.

2. Calculation of gate-end-scalers. The gate-end-scaler of a certain gate is also the gate-starting-scaler of the succeeding gate. The scalers are produced inversely proportional to the ratios of the average power within agate.

3. The sampies within a gate are then multiplied by a factor which is a linear interpolation of the gate-starting and gate-end-scaler.

4. The scaled sampies of succeeding records of one vibration point are added.

5. The resulting raw stack is scaled again. The new gateend-scalers result from averaging of the gate-end-scalers of all single records which form the stack. The result is the scaled (weighted) stack.

Spikes may be eliminated by this procedure without difficulties.

The development of (own) software will at first be directed towards a replacement of test record evaluation for technical control in the data center by an "in situ" check.

With the CFS I already known techniques can also be carried out in the future, for example: the setting to zero of single records showing a particularly high noise level (manual rejecting) and the inverted stacking, i. e. suppression of the harmonics by alternating the polarity of the transmitted sweeps.

Any number of single records (maximum 999) can be stacked vertically, without affecting the dynamic range. With the traditional systems, the dynamic range was only fully exploited at certain stack numbers, for example 16.

Zum Abschluß noch einige technische Daten:

Die CFS I wurde für den Einsatz auch unter rauhen Feldbedingungen konstruiert. Die Amerikaner haben hierfür den Ausdruck "ruggedized" geprägt.

Eine zweite rechnergestützte VIBROSEIS-Apparatur soll im Mai in der Schweiz eingesetzt werden.

The CFS I system was constructed for working in rough terrain. For this, the Americans use the expression "ruggedized".

A second computerized VIBROSEIS system will start operation in Switzerland in May 1975.