勘察儀器與原理第五章第一節(jié)第二節(jié)ok

勘查儀器原理教師：王旭Email：hfli@

第五章數(shù)據(jù)的記錄與顯示第四章學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)的傳輸,知道了采集數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街鳈C(jī),接下來(lái)就該記錄這些數(shù)據(jù).地震數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的作用是將野外采集到的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母袷骄幣?然后送往數(shù)字磁帶機(jī)進(jìn)行記錄。為了監(jiān)視每張地震記錄的記錄質(zhì)量,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正影響記錄質(zhì)量的因素,地震儀有一個(gè)將磁帶記錄回放顯示的電路系統(tǒng)-----監(jiān)視系統(tǒng),也就是顯示系統(tǒng)。另外,數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)既是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分,也是計(jì)算機(jī)的重要外設(shè)。隨著數(shù)據(jù)量的增大,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器都采用了分級(jí)結(jié)構(gòu):速度快,容量小的內(nèi)存儲(chǔ)器；容量大,速度慢的外存儲(chǔ)器。內(nèi)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)材料為半導(dǎo)體材料,一般為雙極型,MOS型；外存儲(chǔ)器就是就是我們常見(jiàn)的磁盤(pán)、磁帶、活動(dòng)硬盤(pán)、U盤(pán)、光盤(pán)等,它們的讀寫(xiě)速度較低,但存儲(chǔ)容量大,造價(jià)低,可脫機(jī)存儲(chǔ)。本章我們主要學(xué)習(xí)磁記錄原理,磁記錄方式,記錄格式及數(shù)據(jù)回放。第一節(jié)磁記錄原理實(shí)驗(yàn)表明，任何物質(zhì)在外磁場(chǎng)中都能夠或多或少地被磁化，只是磁化的程度不同。根據(jù)物質(zhì)在外磁場(chǎng)中表現(xiàn)出的特性，物質(zhì)可粗略地分為三類：

順磁性物質(zhì)抗磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)鐵磁性材料

及其特性：B磁滯回線剩磁矯頑磁力磁滯回線是磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）與磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）平面上的一條閉合曲線，如左圖所示，它的存在使H和B失去單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，B的大小不僅與H的即時(shí)值有關(guān)，而且與H的變化歷程和歷史有關(guān)。起始磁化曲線當(dāng)外加磁場(chǎng)H由零增加時(shí)，鐵磁性物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨H增加而增加，按0→Bs（圖中藍(lán)線）曲線上升。當(dāng)H增加到Hm時(shí)，B達(dá)到絕對(duì)值Bs。此后，即使H再增加，B值也基本不再增加，因此稱Bs為絕對(duì)磁感。如果這時(shí)減小外加磁場(chǎng)H，B并不沿著原路變化，而沿著另一曲線Bs→Br變化。0Hm

鐵磁性物質(zhì)具有良好的導(dǎo)磁性能，在外加磁場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生很強(qiáng)的與外加磁場(chǎng)同向的磁感應(yīng)強(qiáng)度；當(dāng)外加磁場(chǎng)除去后，仍保留磁性——剩磁。

當(dāng)外加磁場(chǎng)H減小到零時(shí)，鐵磁體的磁化狀態(tài)并不恢復(fù)到零，而是保留一個(gè)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br值，這種現(xiàn)象稱為磁滯現(xiàn)象。

當(dāng)B值降到零時(shí)的外加磁場(chǎng)強(qiáng)度（Hc）稱為矯頑磁場(chǎng)強(qiáng)度。（簡(jiǎn)稱矯頑磁力)硬磁性材料：剩磁和矯頑力都比較大，磁滯回線所圍的面積大。如鎢鋼，碳鋼，鋁鎳鈷合金等。適合作磁帶、磁盤(pán)等磁記錄和永久磁鐵。軟磁性材料：易磁化、易退磁。如純鐵，硅鋼坡莫合金，鐵氧體等。適宜制造電磁鐵、變壓器、交流發(fā)電機(jī)、繼電器、電機(jī)、以及各種高頻電磁元件的磁芯、磁棒、磁頭等。BHoBHo如果規(guī)定用+Br狀態(tài)表示代碼1，-Br狀態(tài)表示代碼0，那么要使磁性材料記憶1，就要加正向脈沖電流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料記憶0，則要加負(fù)向脈沖電流，使磁性材料反向磁化。磁性材料上呈現(xiàn)剩磁狀態(tài)的地方形成了一個(gè)磁化元或存儲(chǔ)元，它是記錄一個(gè)二進(jìn)制信息位的最小單位。

5.1.1磁記錄原理1、記錄介質(zhì)在磁表面存儲(chǔ)器中，信息是記錄在一薄層磁性材料的表面上，這個(gè)薄層稱為磁層。磁層與所附著的載體被稱為記錄介質(zhì)或記錄媒體。2、磁頭磁頭是磁記錄設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，它是一種電磁轉(zhuǎn)換元件，能把電脈沖表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成磁記錄介質(zhì)上的磁化狀態(tài)，即電－磁轉(zhuǎn)換；反過(guò)來(lái)，能把磁記錄介質(zhì)上的磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)換成電脈沖，即磁－電轉(zhuǎn)換。磁頭縫隙通常用玻璃等非磁性材料填充,新研制的磁頭尺寸在30～50nm范圍,是人發(fā)絲寬度的1/2000。前間隙后間隙鐵氧體線圈電流磁記錄介質(zhì)磁頭，軟磁材料導(dǎo)磁率高，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大矯頑力小，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度小磁記錄材料，硬磁材料記錄密度高，記錄信息時(shí)間長(zhǎng)輸出信號(hào)幅度大，噪聲低表面組織緊密、光滑、無(wú)麻點(diǎn)、薄厚均勻，溫度、濕度影響小3、寫(xiě)入過(guò)程在寫(xiě)磁頭線圈中通以一定方向的寫(xiě)電流，于是在磁頭下方的一個(gè)局部區(qū)域被磁化，形成一個(gè)磁化單元或稱記錄單元。當(dāng)這部分介質(zhì)移出磁頭作用區(qū)后，仍將留下足夠強(qiáng)的剩磁。在寫(xiě)磁頭中通以正、負(fù)兩個(gè)不同方向的寫(xiě)電流，就會(huì)產(chǎn)生兩種不同的剩磁狀態(tài)，正好對(duì)應(yīng)二進(jìn)制信息的“1”和“0”。寫(xiě)入：局部磁化單元載磁體寫(xiě)線圈SNI局部磁化單元寫(xiě)線圈SN鐵芯磁通磁層寫(xiě)入“0”寫(xiě)入“1”I

4、讀出過(guò)程讀出時(shí)，讀出線圈不外加電流。當(dāng)某一磁化單元運(yùn)動(dòng)到讀磁頭下方時(shí)，使得磁頭中流過(guò)的磁通有很大的變化，于是在讀出線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E經(jīng)放大、檢波、限幅、整形和選通后，獲得符合要求的信號(hào)。N讀線圈S讀線圈SN鐵芯磁通磁層運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向ssttffee讀出“0”讀出“1”讀出：寫(xiě)線圈讀線圈載磁體磁層運(yùn)動(dòng)方向S-NN-S局部磁化單元在讀寫(xiě)過(guò)程中，記錄介質(zhì)與磁頭之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一般是記錄介質(zhì)運(yùn)動(dòng)而磁頭不動(dòng)。工作縫隙磁頭鐵芯磁帶介紹:磁帶存儲(chǔ)信息采用的是離線硬拷貝方式,其存儲(chǔ)信息可靠性高,實(shí)踐證明,一盒磁帶上的數(shù)據(jù)可以保存30年以上,容量極大,如428XL所用3592磁帶機(jī),單盒磁帶記錄容量60G,若進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮,可記錄180G,甚至有的磁帶機(jī)達(dá)到900G.且,磁帶存儲(chǔ)信息成本最低,標(biāo)準(zhǔn)化程度最高,易于保存，是地震勘探野外常用的存儲(chǔ)介質(zhì)。5.1.2評(píng)價(jià)磁表面存儲(chǔ)器的主要指標(biāo)1、記錄密度記錄密度是指磁表面存儲(chǔ)器單位長(zhǎng)度或單位面積磁層表面所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量。通常以道密度和位密度表示，也可用兩者的乘積面密度來(lái)表示。⑴道密度道密度又叫橫向密度，是指垂直于磁道方向上單位長(zhǎng)度中的磁道數(shù)目，道密度的單位是道/英寸（TPI）或道/毫米（TPM）。磁道指的是磁頭寫(xiě)入磁場(chǎng)在記錄介質(zhì)表面上形成的磁化軌跡。⑵位密度位密度又叫縱向密度，是指沿磁道方向上單位長(zhǎng)度中所能記錄的二進(jìn)制信息的位數(shù)，位密度的單位為位/英寸（bpi）或位/毫米（bpm）。2、存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量是指整個(gè)磁表面存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息的總量，一般用位或字節(jié)為單位表示，它與存儲(chǔ)介質(zhì)尺寸和記錄密度直接相關(guān)。磁表面存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量有非格式化容量和格式化容量?jī)煞N指標(biāo)。非格式化容量是指磁記錄表面上可全部利用的磁化單元數(shù)；格式化容量是指用戶實(shí)際可以使用的存儲(chǔ)容量。格式化容量一般約為非格式化容量的60～70％左右。3、平均存取時(shí)間當(dāng)磁頭接到讀/寫(xiě)命令，從原來(lái)的位置移動(dòng)到指定位置，并完成讀/寫(xiě)操作的時(shí)間叫存取時(shí)間。對(duì)于磁盤(pán)存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，存取時(shí)間主要包括兩部分：一部分是指磁頭從原先位置移動(dòng)到目的磁道所需要的時(shí)間，稱為定位時(shí)間或找道時(shí)間；另一部分是指在到達(dá)目的磁道以后，等待被訪問(wèn)的記錄區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所等待的時(shí)間。平均存取時(shí)間還應(yīng)當(dāng)包括信息的讀/寫(xiě)操作時(shí)間，但這一時(shí)間相對(duì)平均找道時(shí)間和平均等待時(shí)間來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)。所以磁盤(pán)的平均存取時(shí)間Ta，由平均找道時(shí)間Ts和平均等待時(shí)間Tw組成：

4、數(shù)據(jù)傳送率磁表面存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)，稱為數(shù)據(jù)傳送率Dr，單位為位/秒或字節(jié)/秒。5、誤碼率誤碼率是衡量磁表面存儲(chǔ)器出錯(cuò)概率的參數(shù)，它等于讀出的出錯(cuò)信息位數(shù)和讀出總的信息位數(shù)之比。Ta=Ts+Tw=Tsmax+Tsmin2Twmax+Twmin2+6、編碼效率指一次磁化狀態(tài)翻轉(zhuǎn)所能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)?？捎冒俜直葋?lái)表示,即

編碼效率η=記錄1位/最大磁化翻轉(zhuǎn)次數(shù)編碼效率越高,說(shuō)明存儲(chǔ)相同數(shù)據(jù)位時(shí)磁化狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的次數(shù)越少。7、自同步能力是指從單個(gè)磁道讀出脈沖序列中提取同步時(shí)鐘的難易程度。它是衡量編碼性能的重要指標(biāo)。8、帶寬帶寬越窄的碼型抗干擾能力越強(qiáng),越易于濾波處理,電路易于實(shí)現(xiàn)。9、讀出分辨率是讀出可靠性的指標(biāo)。10、信息獨(dú)立性讀出時(shí),某一位數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤碼不會(huì)影響后續(xù)的其它位數(shù)據(jù)的正確性,即誤碼傳輸受限,檢讀時(shí)當(dāng)前信息位與前、后狀態(tài)無(wú)關(guān)。1）非破壞性讀出。2）記錄信息永久性存儲(chǔ)。3）可多次重寫(xiě)。4）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式可為順序存儲(chǔ)（磁帶），也可為直接存儲(chǔ)方式（磁盤(pán)）。5）在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中讀寫(xiě)，速度較慢。6）記錄密度高、容量大、價(jià)格低。5.1.3磁表面存儲(chǔ)器的特點(diǎn)第二節(jié)

磁記錄方式

全稱是數(shù)字磁記錄編碼方式，簡(jiǎn)稱磁記錄方式。它是一種編碼方式，指的是按照某種規(guī)律將一連串二進(jìn)制數(shù)字信息變換成存儲(chǔ)介質(zhì)磁層中的相應(yīng)磁化翻轉(zhuǎn)形式，并經(jīng)讀寫(xiě)控制電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。為什么要進(jìn)行編碼？是為了提高記錄密度和增加記錄的可靠性。在磁表面存儲(chǔ)器中，由于寫(xiě)入電流的幅度、相位、頻率變化不同，從而形成了不同的記錄方式。5.2.1直接記錄方式當(dāng)記錄密度較低時(shí)，可以不編碼，直接按記錄信息的“0”、“1”排序記錄。這類方式有：1、歸零制（RZ）特點(diǎn)：正脈沖電流表示“1”，負(fù)脈沖電流表示“0”；不論記錄“0”或“1”，在記錄下一個(gè)信息前，記錄電流恢復(fù)到零電流；簡(jiǎn)單易行，記錄密度低，改寫(xiě)磁層上的記錄比較困難，一般是先去磁后寫(xiě)入；具有自同步能力（能從磁頭讀出信號(hào)中分離并獲得同步信號(hào)）。位周期T數(shù)據(jù)序列RZ011100010零電流2、不歸零制（NRZ）在記錄信息時(shí)，磁頭線圈里如果沒(méi)有正向電流就必有反向電流，而沒(méi)有無(wú)電流的狀態(tài)，為不歸零制。特點(diǎn)是磁頭線圈中始終有電流，不是正向電流(代表1)就是反向電流(代表0)，因此不歸零制記錄方式的抗干擾性能較好。對(duì)連續(xù)記錄的“1”和“0”，寫(xiě)電流的方向是不改變的。無(wú)自同步能力。

011100010NRZ的優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單帶寬利用率高NRZ的缺點(diǎn)存有直流分量缺少同步能力零電流3、見(jiàn)“1”就翻的不歸零制(NRZI)和不歸零制一樣，記錄信息時(shí)，磁頭線圈中始終有電流通過(guò)。不同之處在于，流過(guò)磁頭的電流只有在記錄“1”時(shí)變化方向，使磁層磁化方向翻轉(zhuǎn)；記錄“0”時(shí)，電流方向不變，磁層保持原來(lái)的磁化方向。數(shù)據(jù)序列01001100011

以上各種記錄方式，目前已很少應(yīng)用，但不歸零制是編碼方式的基礎(chǔ)，無(wú)論哪一種編碼方式，只要數(shù)據(jù)序列變換成記錄序列之后，均按照NRZ-I制規(guī)則記錄到磁層上。數(shù)據(jù)序列000011111RZNRZNRZ-IT05.2.2按位編碼記錄方式這種記錄方式常用于磁帶機(jī)中。1、調(diào)相制(PM)調(diào)相制又稱相位編碼(PE)，它是利用兩個(gè)相位相差180°的磁化翻轉(zhuǎn)方向代表數(shù)據(jù)“0”和“1”。位周期TPM111110000記錄數(shù)據(jù)“0”時(shí)，規(guī)定磁化翻轉(zhuǎn)的方向由負(fù)變?yōu)檎?；記錄?shù)據(jù)“1”時(shí)從正變?yōu)樨?fù)，且每個(gè)數(shù)據(jù)位的寫(xiě)入是在它的中間位置上。當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上“1”或“0”時(shí)，為了維持上述原則，在位周期起始處也要翻轉(zhuǎn)一次。數(shù)據(jù)序列2、調(diào)頻制(FM)調(diào)頻制的記錄規(guī)則是，記錄“1”時(shí)，不僅在位周期的中心產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)，而且在位與位之間也必須翻轉(zhuǎn)。記錄“0”時(shí)，位周期中心不產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)，但位與位之間的邊界處要翻轉(zhuǎn)一次。由于記錄數(shù)據(jù)“1”時(shí)磁化翻轉(zhuǎn)的頻率為記錄數(shù)據(jù)“0”時(shí)的兩倍，因此又稱“倍頻制”。位周期T數(shù)據(jù)序列FM1011110003、改進(jìn)調(diào)頻制(MFM)這種記錄方式基本上與調(diào)頻制相同，即記錄數(shù)據(jù)“1”時(shí)在位周期中心磁化翻轉(zhuǎn)一次，記錄數(shù)據(jù)“0”時(shí)不翻轉(zhuǎn)。區(qū)別在于只有連續(xù)記錄兩個(gè)或兩個(gè)以上“0”時(shí)，才在位周期的起始位置翻轉(zhuǎn)一次，而不是在每個(gè)位周期的起始處都翻轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)序列位周期TMFM1111100004、改進(jìn)的改進(jìn)型調(diào)頻制（M2FM）M2FM制的編碼規(guī)則為：記錄“1”時(shí)，寫(xiě)電流在位周期中間改變方向，產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)；記錄獨(dú)立的一個(gè)“0”，寫(xiě)電流不改變方向，不產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)；記錄連續(xù)的兩個(gè)“0”，寫(xiě)電流在位周期邊界處改變方向，產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)；記錄連續(xù)兩個(gè)以上的“0”，寫(xiě)電流在前兩個(gè)“0”的位周期邊界處改變方向，產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)，以后每隔兩個(gè)“0”的位周期邊界處，寫(xiě)電流再改變一次方向，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)。改進(jìn)的改進(jìn)型調(diào)頻制的磁化翻轉(zhuǎn)間距有四種：T0、1.5T0、2T0、2.5T0，對(duì)應(yīng)于四種不同的頻率，所以又稱為四頻制。數(shù)據(jù)序列000011111FMMFMM2FMT0PE常用磁記錄方式波形圖NRZNRZ1PMFMMFM位信息101110001位周期RZ無(wú)電流、空白，密度低見(jiàn)變就翻見(jiàn)1就翻在每一位的起點(diǎn)電流都反轉(zhuǎn)只有在連續(xù)多個(gè)“0”時(shí)，起點(diǎn)電流才反轉(zhuǎn)，密度高。5.2.3成組編碼方式GCR(4/5制)成組編碼的原理是把數(shù)據(jù)序列按幾位編成一組，對(duì)應(yīng)每一種組成就有一種記錄序列。GCR(4/5)編碼是把數(shù)據(jù)按4位編成一組，與之對(duì)應(yīng)，再變換成5位的記錄序列，一組一組對(duì)應(yīng)，每組以及各組記錄連接后的序列中不允許出現(xiàn)兩個(gè)以上的連續(xù)0。100000000010000111010110011001011011GCR(4/5)編碼數(shù)據(jù)序列寫(xiě)入電