CN101285891A - 海洋电磁式浅层地震可控震源系统 - Google Patents

海洋电磁式浅层地震可控震源系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海洋地球物理勘探可控震源装置，尤其是海洋电磁式浅层地震可控震源系统。是由主控机和激震器阵列构成，主控机是由CPU、地震仪同步触发单元、参数模块、电平转换模块、信号产生模块、功率放大模块构成，激震器阵列是由固定基板固定在钢架上，固定支架、磁钢、磁极板、铁芯均与壳体钢性连接，动圈固定在激震器中轴上，激震器中轴连接动基板，动圈铝合连接承重弹簧上，承重弹簧通过铆钉固定在壳体上，支撑弹簧通过螺栓与动基板连接，支撑弹簧通过螺栓固定在钢架上。具有信号的扫描频率段较高，达到1～1500Hz，信号重复性好，激震器能量输出最优化，满足海洋浅层高分辩率地震勘探的要求，解决了海洋地震勘探载体对震源的影响。

Description

海洋电磁式浅层地震可控震源系统
技术领域：
本发明涉及一种海洋地球物理勘探可控震源装置，尤其是海洋电磁式浅层地震可控震源系统。
背景技术：
海洋震源应用在海洋地震勘探领域，现有的海洋地球物理勘探震源包括炸药震源、气枪震源和电火花震源等，炸药震源由于具有很大的危险性目前已经很少有人使用；气枪震源在使用过程中对海洋生物和海洋环境具有破坏性，而且气枪震源具有探测深度和地震子波频带宽度(分辨率)之间的矛盾，最主要是气枪震源信号具有一致性不可控的难题，对地震勘探分辩率有较大的影响；电火花震源的能量较弱，探测深度有限，在海洋浅层高分辨率地震勘探中对勘探结果会有很大影响，难以满足海底高分辨率的要求，电火花震源所激发的压力波形受许多因素的影响，如震源储能、电极与边界的距离、水的矿化度、放电电极间的距离等，现有海洋震源的破坏性和信号一致性不可控等难题。可控震源目前主要应用在陆地地震勘探中。如ZL 200410010711.3公开的“相控阵列式可控震源系统”，是采用波束定向的方式将能量集中向地下传递，但是在海洋地震勘探过程中，由于地震勘探载体等条件约束，无法实现陆地地震勘探方式，无法采用相控阵列式可控震源系统进行勘探。
发明内容：
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种海洋电磁式浅层地震可控震源系统。
本发明的目的是通过下述方式实现的：
海洋电磁式浅层地震可控震源系统，是由主控机和激震器阵列构成：
——主控机是由CPU 9[P 3.3]与地震仪同步触发单元5连接，[P3.4]与主控机状态显示8连接，[P2.7/2.8]与参数模块14连接，[P0]经电平转换模块6、信号产生模块2、信号滤波3、功率放大模块4和激震器阵列11连接，CPU(9)通过数据端口与液晶显示模块10连接，与液晶显示屏12连接，CPU 9[P1]与键盘输入模块13连接；
——激振器阵列11是由固定基板31通过固定支架32固定在钢架30上，固定支架32、磁钢35、磁极板37、铁芯39均与壳体38钢性连接，动圈36是由线圈缠绕成圆环放置于铁芯39和磁极板37之间的工作气隙中，固定在激震器中轴上，通过激震器中轴连接传动部件40和动基板41，动圈36通过一组铝合金支架34连接到承重弹簧33上，支撑动圈36的承重弹簧33通过铆钉固定在壳体38上，支撑弹簧42通过螺栓与动基板41连接，支撑弹簧42通过螺栓固定在钢架30上。
——激震器阵列11是由固定基板31通过固定支架32固定在钢架30上，固定支架32、磁钢35、磁极板37、铁芯39均与壳体38钢性连接，动圈36是由线圈缠绕成圆环放置于铁芯39和磁极板37之间的工作气隙中，固定在激震器中轴上，通过激震器中轴连接传动部件40和动基板41，动圈36通过一组铝合金支架34连接到承重弹簧33上，支撑动圈36的承重弹簧33通过铆钉固定在壳体38上，支撑弹簧42通过螺栓与动基板41连接，支撑弹簧42通过螺栓固定在钢架30上。
本发明的目的还可以是通过下述方式实现：
功率放大模块4是由信号调理级23经功率推动级24、功放输出级25，功放输出级25与激震器阵列11连接，功放输出级2经功放保护模块22、功放控制逻辑21与功放状态指示20连接。
主控机通过电缆控制三个或三个以上可控震源激震器，主控机是由液晶显示模块10和键盘输入模块13通过CPU 9实现人机交互，文字显示，CPU 9为89C58单片机，CPU9通过数据端口与液晶显示模块10的数据端口相连，并以控制端口连接液晶显示模块10的片选地址和数据/地址选择命令地址，键盘输入模块13采用4*4的行列扫描方式，由CPU9的控制端口做为行列扫描线，通过键盘输入模块13对主控机进行操作，CPU9的普通输入/输出端口分别与地震仪同步触发单元5和主控机状态显示18相连，CPU9通过电平转换模块6与信号产生模块2相连，晶振时钟1通过时钟输入端送入到信号产生模块2中，信号产生模块2根据CPU9的指令产生扫描信号，扫描信号经过信号滤波3送入到功率放大模块4中，功率放大模块4是由信号调离级23经功率推动级24、功放输出级25、功放保护模块22、功放控制逻辑21与功放状态显示20连接，功放输出级25与激震器阵列11连接，扫描信号经过功率放大模块4后送入到激振器阵列11中，信号经过功率放大模块4放大后使激震器按扫描波形产生震动。
激震器模块利用电磁驱动原理，采用双自由度工作方式将可控震源能量经海水传输到海底，固定支架32、磁钢35、磁极板37、铁芯39均与壳体38钢性相连，构成激震器的不可动部分，激震器的不可动部分通过与固定基板31、固定支架32固定在钢架30之上，动圈36是由线圈缠绕成圆环放置于铁芯39和磁极板37之间的工作气隙中，固定在激震器中轴上，通过激震器中轴连接传动部件40、动基板41，以上构成激振器的可动部分，动圈36通过一组铝合金支架34连接到承重弹簧33上，支撑动圈36的承重弹簧33通过铆钉固定在壳体38上，保证可动部分静态时处于平衡状态，同时也保证动圈36在受到外力时对于激震器不可动部分有相对位移，动基板41采用的是双自由度方式，使得能量向海水传输最大化，支撑弹簧42将动基板41稳定在静态平衡点位置。
当功率放大器供给动圈36可变频率电流时，由电磁感应定律，在动圈36周围便会产生对应的交变磁场，此磁场与恒定的磁极板37磁场相互作用，促使动圈36按给定的信号震动，在电磁场推动动圈36上下震动的同时，动圈36带动激震器中轴通过传动部件40对激震器动基板41产生一个作用力使其连续的“推拉”海水界面，即产生地震波，通过基板与海水界面将产生的地震波传递到海底。
有益效果：本系统具有信号的扫描频率段较高，达到1～1500Hz，信号重复性好，激震器能量输出最优化，满足海洋浅层高分辩率地震勘探的要求，解决了海洋地震勘探载体对震源的影响。
附图说明：
图1海洋电磁式浅层地震可控震源系统结构框图
图2为功率放大模块4结构框图
图3激震器结构图
1时钟晶振，2信号产生模块，3信号滤波，4功率放大模块，5地震仪同步触发单元，6电平转换模块，7液晶亮度模块，8主控机状态显示，9CPU，10液晶显示模块，11激振器阵列，12液晶显示屏，13键盘输入模块，14参数模块；20功放状态指示，21功放控制逻辑，22功放保护模块，23信号调理级，24功率推动级，25功放输出级；30激振器模块包括钢架[，31固定基板，32固定支架，33承重弹簧，34铝合金支架，35磁钢，36动圈，37磁极板，38壳体，39铁芯，40传动部件，41动基板，42支撑弹簧。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例作进一步详细说明：
海洋电磁式浅层地震可控震源系统，是由主控机和激震器阵列构成：
——主控机是由CPU 9[P 3.3]与地震仪同步触发单元5连接，[P3.4]与主控机状态显示8连接，[P2.7/2.8]与参数模块14连接，[P0]经电平转换模块6、信号产生模块2、信号滤波3、功率放大模块4和激震器阵列11连接，CPU(9)通过数据端口与液晶显示模块10连接，与液晶显示屏12连接，CPU 9[P1]与键盘输入模块13连接；
——激振器阵列11是由固定基板31通过固定支架32固定在钢架30上，固定支架32、磁钢35、磁极板37、铁芯39均与壳体38钢性连接，动圈36是由线圈缠绕成圆环放置于铁芯39和磁极板37之间的工作气隙中，固定在激震器中轴上，通过激震器中轴连接传动部件40和动基板41，动圈36通过一组铝合金支架34连接到承重弹簧33上，支撑动圈36的承重弹簧33通过铆钉固定在壳体38上，支撑弹簧42通过螺栓与动基板41连接，支撑弹簧42通过螺栓固定在钢架30上。
——激震器阵列11是由固定基板31通过固定支架32固定在钢架30上，固定支架32、磁钢35、磁极板37、铁芯39均与壳体38钢性连接，动圈36是由线圈缠绕成圆环放置于铁芯39和磁极板37之间的工作气隙中，固定在激震器中轴上，通过激震器中轴连接传动部件40和动基板41，动圈36通过一组铝合金支架34连接到承重弹簧33上，支撑动圈36的承重弹簧33通过铆钉固定在壳体38上，支撑弹簧42通过螺栓与动基板41连接，支撑弹簧42通过螺栓固定在钢架30上。
功率放大模块4是由信号调理级23经功率推动级24、功放输出级25，功放输出级25与激震器阵列11连接，功放输出级2经功放保护模块22、功放控制逻辑21与功放状态指示20连接。
主控机通过电缆控制三个可控震源进行扫描，液晶显示模块10和键盘输入模块13通过CPU9实现人机交互，文字显示，CPU 9通过数据端口与液晶显示模块10的数据端口相连，并以控制端口连接液晶显示模块10的片选地址和数据/地址选择命令地址，键盘输入模块13采用4*4的行列扫描方式，由CPU 9的控制端口做为行列扫描线，通过键盘输入模块13对主控机进行操作，CPU 9的普通输入/输出端口分别与地震仪同步触发单元5和主控机状态显示18相连，CPU9通过电平转换模块6与信号产生模块2相连，晶振时钟[1]通过时钟输入端送入到信号产生模块2中，信号产生模块2根据CPU 9的指令产生扫描信号，扫描信号经过信号滤波3送入到功率放大模块4中，功率放大模块4包括信号调理23，功率推动24，功放输出25，功放保护模块22，功放控制逻辑21，功放状态显示20，扫描信号经过功率放大模块4后送入到激震器阵列11中，信号经过功率放大模块4放大后使激震器阵列按扫描波形产生震动。
主控机中CPU 9控制液晶显示模块10人机交互界面的显示，同时又通过对键盘输入模块13和液晶显示屏15的控制完成人机交互，键盘输入模块13设置的扫描参数存入参数模块14液晶显示模块10和键盘输入模块13负责人机交互，文字显示，通过在CPU 9的存储区中建立字库实现，参数模块14采用了I2C总线的E2PROM，负责参数的及时存取.
CPU 9通过控制信号产生模块2实现扫描波形的输出，根据CPU 9中的扫描编码，信号产生模块2的三片DDS芯片分别产生不同频率段的扫描信号，并送入功率放大模块4进行放大，最终送入到激震器阵列11中，在扫描开始时CPU 9控制地震仪同步触发单元5，向地震波接收仪器提供有效的同步触发协议，在扫描期间，CPU 9控制主控机状态显示18指示当前的工作状态，在扫描过程中，CPU 9根据参数对信号产生模块2进行过程控制，产生需要的扫描波形，经过信号滤波3后送入到功放输入23，功放驱动24和功放输出25后再送入到激震器阵列11中产生地震波.
晶振时钟[1]通过时钟输入端将时钟信号送入到信号产生模块2中，CPU 9通过电平转换模块6对控制信号产生模块2进行操作，由信号产生模块2产生线性扫描信号和多种非线性扫描信号，扫描信号的幅度，频率，相位均可编程，可根据需要设计各种复杂扫描波形.
扫描信号经过信号滤波3送入到功率放大模块4中，功率放大模块4包括信号调理23，功率推动24，功放输出25，功放保护模块22，功放控制逻辑21，功放状态指示4，信号调理23由三片低零漂放大器构成3级放大电路来实现，有效地克服零点漂移，并且使静态时中点电压稳定在0V；功放驱动级8由三级管组成互补式共基极放大电路，并且通过附加电容与分压电阻并联设计，使驱动级反馈网络变成一个相位超前网络，保证了反馈放大器的稳定性；功放输出25由一系列三级管组成，采用两类四级复合管结构，提高了三级管的电流放大系数，扩大了输出功率。扫描信号通过功率放大模块4对信号产生模块2的扫描信号进行放大，达到对激振器阵列11的足够驱动力，同时为保证整个功放系统安全、可靠的工作，采用了多种保护措施，在仅有信号扫描输出时才由继电器接通电源，扫描结束后及时切断电源，确保功率放大模块4安全，当电源异常、功放工作异常以及功率管工作异常而瞬间发热时通过温度传感器及有关电路实施过热保护，同时切断功放电源，并由功放状态指示4显示功放状态。
激振器阵列11包含有三个激震器，如图3所示，激振器利用电磁驱动原理，实现可控震源能量向海水的最佳传输，钢架30通过固定基板31和固定支架32采用焊接和铆钉连接方式与三个激震器模块固定于同一平面，使三个激震器摆放在一个三角平面内，在工作时以相同高度向海底传送地震波，固定支架32、磁钢35、磁极板37、铁芯39均与壳体38通过铆钉相连，构成激震器的不可动部分，激震器的不可动部分通过与固定基板31、固定支架32固定在钢架30上，动圈36是由线圈缠绕成圆形放置于铁芯39和磁极板37之间的工作气隙中，固定在激震器中轴上，通过激震器中轴连接传动部件40、动基板41，以上构成激振器的可动部分，动圈36通过一组铝合金支架34连接到承重弹簧33上，支撑动圈36的承重弹簧[33]通过铆钉固定在壳体38上，保证可动部分静态时处于平衡状态，同时也保证动圈36在受到外力时对于激震器不可动部分有相对位移，动基板41采用的是双自由度方式，使得能量向海水传输最大化，支撑弹簧[42]将动基板[41]稳定在静态平衡点位置，当功率放大模块[4]向动圈[36]送入可变频率电流时，根据电磁感应定律，在动圈[36]周围便会产生对应的交变磁场，
根据电磁感应定律，可以得到：
F＝0.102BLI×10-4      (1)
F0＝0.102BLI0×10-4    (2)
式中：F为电磁感应力(牛顿)，即通常所谓的激振力；
F0为激振力F的幅值(牛顿)，即所谓的最大激振力；
B为工作气隙中平均磁感应强度(高斯)；
I为功率放大器供给的电流瞬时值(安培)；
I0为电流I的幅值(安培)；
L为切割磁力线的线圈的导线的有效长度(米)。
由(1)(2)可得到
α＝F/I＝F0/I0＝0.102BL×10-4        (3)
对于激振器而言，B、L均为常数，故α即为定值，通常称α为激振器的力常数。
此时在动圈36周围便会产生对应的交变磁场与恒定的磁极板37磁场相互作用，根据式(1)(2)产生相应的作用力，在电磁场推动动圈36上下震动的同时，动圈36通过激震器中轴带动传动部件40使得激震器动基板41产生一个作用力使其连续的“推拉”海水界面，即产生地震波，通过动基板41与海水界面之间相互耦合将产生的地震波传递到海底，实现了电能和机械能之间的转化

Claims (2)

1、一种海洋电磁式浅层地震可控震源系统，其特征在于，是由主控机和激震器阵列构成：
——主控机是由CPU(9)[P 3.3]与地震仪同步触发单元(5)连接，[P3.4]与主控机状态显示(8)连接，[P2.7/2.8]与参数模块(14)连接，CPU(9)[P0]经电平转换模块(6)、信号产生模块(2)、信号滤波(3)、功率放大模块(4)和激震器阵列(11)连接，CPU(9)通过数据端口与液晶显示模块(10)连接，与液晶显示屏(12)连接，CPU(9)[P1]与键盘输入模块(13)连接；
——激振器阵列(11)是由固定基板(31)通过固定支架(32)固定在钢架(30)上，固定支架(32)、磁钢(35)、磁极板(37)、铁芯(39)均与壳体(38)钢性连接，动圈(36)是由线圈缠绕成圆环放置于铁芯(39)和磁极板(37)之间的工作气隙中，固定在激震器中轴上，通过激震器中轴连接传动部件(40)和动基板(41)，动圈(36)通过一组铝合金支架(34)连接到承重弹簧(33)上，支撑动圈(36)的承重弹簧(33)通过铆钉固定在壳体(38)上，支撑弹簧(42)通过螺栓与动基板(41)连接，支撑弹簧(42)通过螺栓固定在钢架(30)上。
2、按照权利要求1所述的海洋电磁式浅层地震可控震源系统，其特征在于：功率放大模块(4)是由信号调理级(23)经功率推动级(24)、功放输出级(25)、功放输出级(25)与激震器阵列(11)连接，功放输出级(25)经功放保护模块(22)、功放控制逻辑(21)与功放状态指示(20)连接。
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