CN101639539B - 存储式地震信号连续采集系统 - Google Patents

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宋祁真
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Abstract

本发明涉及一种存储式地震信号连续采集系统,为解决现有地震仪采集系统动态范围窄、抗干扰能力差问题,其包括基站和数字检波器,由基站通过数据传输接口和电缆与多个并列的数字检波器相连;基站与数字检波器之间采用数据传输模块传送指令和采集数据;基站是存储式地震信号连续采集系统的控制和存储中心,控制数据传输接口和数字检波器完成地震数据的接收,并把数据存放于其内置的存储器中;数据传输接口用于完成指令的发送和采集数据的接收;数字检波器用于完成采集模拟信号并转换成数据,然后由其数据传输接口完成数据的传送。因此,具有动态范围宽、抗干扰能力强,成本低,能支持几年甚至几万道检波器采集的优点。

Description

存储式地震信号连续采集系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种地震仪的地震信号采集系统,特别是涉及一种存储式地震信号连 续采集系统。

技术背景

[0002] 高精度数字地震仪是用来记录人工或天然地震信号,然后根据这些地震信号的记 录来寻找油、气、煤和其他矿产资源的地质勘探仪器,并可用于探测地球内部结构、进行工 程及地质灾害预测等。

[0003] 地震勘探法目前仍然是在陆地和海洋勘探石油和天然气的主要手段,同时也是其 他矿产资源的重要勘探方法,并广泛应用于研究地球内部结构、工程勘探和检测、地质灾害 预测等等方面。用于矿产资源地球物理勘探的数字地震仪按照数据传输方式可以分为三 类:有线遥测地震仪、无线遥测地震仪、无缆存储式地震仪。

[0004] 有线遥测地震仪的特征是完全由有线系统发送指令和传送采集数据。在目前的 野外实际应用中占有主导地位,占据世界地震仪市场的绝大部分份额,常用的有krcel公 司的408/4¾系列、ION公司的System IV、korpion和Aries II系统、德国DMT公司的 Summit系统、美国WesternGeco公司的Uni Q系统等。目前在我国石油和天然气勘探行业 使用的仪器极大部分是从国外进口的有线遥测地震仪。

[0005] 利用无线系统发送指令和传送采集数据的仪器称为无线遥测地震仪,一般用于特 殊地表条件下施工,也占有一定市场。Fairfield公司的BOX系统和Wireless Seismic公 司的Wireless Seismic系统均为无线遥测数字地震仪。

[0006] 无缆存储式地震仪是一种特殊类型的地震仪,其特征是:没有大线,没有地震数据 传输;每个采集站接收放炮数据后自动存储,再用专门的数据回收系统把所有放炮数据从 采集站中取出来。有部分仪器利用无线系统对所用的采集站发送发炮等命令,但不接收数 据,不监视采集站的工作状态。

[0007] 天然地震台站的观测均采用无缆式记录系统(早期用纸剖面直接记录),在 地震勘探领域,最早的无缆系统是七十年代由Amoco公司研制的SGR (¾i smic Group Recorder)。美国 ION公司(原 1/0 公司)在 I"9 年推出了 RSR(Remote Seismic Recorder) 远程地震信号记录仪,能实现6个模拟检波器通道的地震数据采集。RSR系统能与ION公 司的IMAGE系统兼容,二者可以组成有线无线混合采集系统。ION公司在2002年将RSR系 统升级到 Vectoi^eis SYSTEM IV 系统的远程记录仪,称为 VRSR2。VectorSeis SYSTEM IV 中央控制系统有控制单元(称为V2)、射频天线、中央收发器和中央收发器控制器构成。V2 通过射频天线与所有的VRSR2构成射频遥测系统,通过采集指令启动VRSR2采集站的数据 采集,检测VRSR2的状态。与RSR的功能和结构基本相同,但不再支持模拟检波器,而是采 用了三分量的MEMS数字检波器。

[0008] 无缆存储式地震采集站由于没有实时监视记录和常用的现场质量监控手段,所以 还不能被工业界普遍接受,在我国使用也存在不符合地震作业规范等问题,到目前为止,还没有无缆存储式地震采集站在我国进行实际地震勘探作业。但由于地震勘探的精度要求使 得地震仪器的道数越来越多,据国内外专家估计,随着地震勘探精度的需求,油气工业界很 快就需要30000道到50000道的仪器,到2025年,也许我们需要25万道的地震采集仪器。 而对于50000道以上的有线采集仪器,电缆的管理和维护是非常困难的,也需要花费大量 的成本。所以目前很多专家预测无缆存储式地震采集站将是下一步地震勘探仪器的发展方 向。

[0009]目前,中国所有的大型地震勘探仪器均依赖于从美国、法国等发达国家进口。由于 无缆存储式地震采集站还没有被我国地球物理勘探界所接受,目前还没有国内的企业采购 这种地震仪。国产的无缆存储式地震仪器也处于研制阶段,还没有正式的产品问世。

发明内容

[0010] 本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷,提供一种动态范围宽、抗干扰能力强, 能支持几年甚至几万道采集的存储式地震信号连续采集系统。

[0011] 为实现上述目的,本发明存储式地震信号连续采集系统包括与中心站没有连接和 数据通信的基站和数字检波器,其特别之处在于由基站通过数据传输接口和电缆与多个并 列的数字检波器相连;基站与数字检波器之间采用数据传输模块传送指令和采集数据;基 站是存储式地震信号连续采集系统的控制和存储中心,控制数据传输接口和数字检波器完 成地震数据的接收,并把数据存放于其内置的存储器中;数据传输接口用于完成指令的发 送和采集数据的接收;数字检波器用于完成采集模拟信号并转换成数据,然后由其数据传 输接口完成数据的传送。本发明存储式地震信号连续采集系统是一种基站型无缆存储式地 震仪,其可用于人工和天然地震信号采集,由基站、数据传输接口和数字检波器等组成。其 均在模拟地震检波器或MEMS传感器处直接进行了数字化改造,成为数字地震检波器,这种 紧密连接方式(数字检波器直接用于完成采集模拟信号并转换成数据)避免了模拟信号在 电缆上的传送,保留了弱信号的有效成分,有利于数字化单元检测到弱信号,提高了检波器 的动态范围,并提高了抗干扰能力。其单个基站可以连接120〜240个通道的数字检波器, 这意味着单个基站可以作为单台地震仪使用,也可以把若干个基站组合成为几千道甚至几 万道的三维地震勘探仪器使用,并且有利于采集数据的管理和野外布设。

[0012] 本发明存储式地震信号连续采集系统折中了有线地震仪器的集中式存储方式 (存储方式相对简单、但需要庞大的数据传送网络)和无缆存储式地震仪分散式存储方式 (不需要数据的传送,但需要在每个采集站(或采集点)安置一套存储单元和供电电源), 而采用基站式相对集中存储方式,并采用了基站式供电模式,是一种低成本地震勘探仪器。

[0013] 总之,其采用数字地震检波器,并利用数传模块完成数据传送,提高了检波器的动 态范围和抗干扰能力;单个基站可以连接120〜240道的数字检波器,可以作为单台地震仪 使用,也可以把若干个基站组合成为几千道甚至几万道的三维地震勘探仪器使用,有利于 采集数据的管理和野外布设。其特别适用于高密度单检波器采集技术。具有动态范围宽、 抗干扰能力强,成本低,能支持几年甚至几万道检波器采集的优点。

[0014] 作为优化,基站由主控单元以及与之相连的GPS单元、存储单元、电源管理单元和 数据传输接口组成;GPS单元用于授时同步;存储单元使用大容量存储器;主控单元由ARM 系列CPU、SDRAM存储器、USB接口和以太网接口组成,还提供串口与GPS单元连接,并通过

4总线连接存储单元;电源管理单元把12V电源转换成相应电压支持GPS单元、存储单元、主 控单元和数据传输接口 ;数据传输接口与外部数据传输接口为对称结构,通过鬼对供电技 术进行远程供电,构成数据传送通道。如此设计,即基站由GPS单元、存储单元、主控单元、 电源管理单元和数据传输接口等组成。GPS单元用于授时同步,授时型GPS接收机可以提 供Ipps授时信号输出,可以达到RMS20nS的精度,足以满足仪器要求的同步精度;存储单元 选用大容量存储器,如SD卡、电子硬盘等,要求满足存储地震数据的需要;主控单元可以由 ARM系列CPU (根据不同的道数采用不同的型号,原则是够用就行以降低功耗)、SDRAM存储 器、USB接口和以太网接口(用于回收数据)等组成,还提供串口与GPS单元连接,通过总 线连接存储单元;电源管理单元把12V电源转换成相应电压支持GPS单元、存储单元、主控 单元;对外部数据传输接口和数字检波器的供电比较特殊,为了增强供电能力,电源管理单 元把12V电源转换成士24V并通过鬼对方式为外部数据传输接口和数字检波器供电;数据 传输接口与外部数据传输接口构成数据传送通道。

[0015] 作为优化,数据传输接口由FPGA、晶振、通信隔离和鬼对供电变压器组成,FPGA和 晶振提供通信支持,变压器提供通信匹配和隔离,并作为鬼对供电变压器实现远程供电;外 部数据传输接口相互串接组成数据传输通道,每个外部数据传输接口连接30〜60个通道 的数字检波器,而每个基站提供4个或者4个以上的偶数个本部数据传输接口,每个基站连 接120〜数百个通道的数字检波器。如此设计,数据传输接口相互串接组成数据传输通道, 每个数据传输接口可以连接30〜60个通道的数字检波器,所以每个基站可以连接120〜 240个通道的数字检波器。

[0016] 作为优化,所述数字检波器一种为A型,是模拟检波器依次通过前置放大模块、A/ D转换模块连接控制模块,控制模块再连接数据传输接口、GPS模块和通过D/A转换模块连 接前置放大模块;另一种为D型,是MEMS传感器通过ASIC集成电路连接控制模块,控制模 块再连接数据传输接口和GPS模块。即数字检波器分为A型和D型二种类型,A型数字检 波器为连接模拟检波器,由控制模块、A/D转换模块、前置放大模块、检波器、D/A转换模块 和GPS模块等组成;D型数字检波器为连接MEMS传感器,由控制模块、ASIC、MEMS传感器和 GPS模块等组成;这两种数字检波器均连接到数据传输接口传送数据。

[0017] 作为优化,所述数字检波器在结构上由上盖、引出电缆、数字化板、数据传输接口 板、检波器芯体、外壳和尾锥组成;数字化板、数据传输接口板和检波器芯体由上盖封装在 塑料外壳内,检波器芯体引出电极连接到数字化板上,数字化板与数据传输接口板并行排 列并连接,数据传输接口板引出二组电缆,进行数据传送和供电串接,尾锥安装在外壳的下 端。如此设计,即本发明装置存储式地震信号连续采集系统中的数据传输接口和数字检波 器采用一体化封装,整体结构由上盖、引出电缆、数字化板、数据传输接口板、检波器芯体、 外壳和尾锥等组成。数字化板、数据传输接口板和检波器芯体由上盖封装在塑料外壳内,检 波器芯体引出电极连接到数字化板上,数字化板与数据传输接口板并行排列并连接,数据 传输接口板引出二组电缆,进行数据传送和供电串接,尾锥安装在外壳的下端。

[0018] 作为优化,所述基站还配有太阳能发供电装置。如此设计,当基站进一步还配有太 阳能发供电装置时,通过光照能及时补充电能,随时解决电能不足问题,能大大提高电源可 靠性,更好地支持大规模长时间地震探测。

[0019] 本发明存储式地震信号连续采集系统的特点:1.每个基站可以连接120〜240个通道的数字检波器,这意味著单个基站可以作为工程应用上的一台地震仪器使用(工程作 业一般要求有M〜240道的地震仪就可以满足要求),完成工程作业项目,也可以把若干个 基站组合成为几千道甚至几万道的三维地震勘探仪器满足大型油气田勘探、煤田勘探、矿 产勘探或大型工程勘察等的需要;2.本发明均在模拟地震检波器或MEMS传感器处直接进 行了数字化改造,成为地震数字检波器,这种紧密连接方式避免了模拟信号在电缆上的传 送,保留了弱信号的有效成分,有利于数字化单元检测到弱信号,提高了检波器的的动态范 围,并提高了抗干扰能力。3.所有目前商用的无缆存储式地震采集站一般只有4个以下通 道,而本发明装置单个基站可以连接120〜240个通道的数字检波器,有利于采集数据的管 理和野外布设,特别适用于高密度单检波器采集技术。4.由于采用了存储式架构,与有线地 震仪器相比成本明显降低。与常规无缆存储式地震仪相比,由于采用了基站式的相对集中 存储方式和相对集中供电方式,仪器整体成本也有明显下降。

[0020] 采用上述技术方案后,本发明存储式地震信号连续采集系统具有动态范围宽、抗 干扰能力强,成本低,能支持几年甚至几万道检波器采集的优点。

附图说明

[0021] 图1是本发明存储式地震信号连续采集系统的电路原理图;

[0022] 图2是本发明存储式地震信号连续采集系统的基站电路原理图;

[0023] 图3是本发明存储式地震信号连续采集系统的数据传输接口电路原理图;

[0024] 图4-5是本发明存储式地震信号连续采集系统的两种数字检波器电路原理图;

[0025] 图6是本发明存储式地震信号连续采集系统的数字检波器和数据传输接口一体 封装后的整体结构示意图;

[0026] 图7是本发明存储式地震信号连续采集系统的三维地震勘探测线布设示意图。 具体实施方式

[0027] 如图所示,本发明存储式地震信号连续采集系统包括与中心站没有连接和数据通 信的基站1和数字检波器3,由基站1通过数据传输接口 2和电缆4与多个并列的数字检波 器3相连;基站与数字检波器之间采用数据传输模块传送指令和采集数据;基站是存储式 地震信号连续采集系统的控制和存储中心,控制数据传输接口和数字检波器完成地震数据 的接收,并把数据存放于其内置的存储器中;数据传输接口用于完成指令的发送和采集数 据的接收;数字检波器用于完成采集模拟信号并转换成数据,然后由其数据传输接口完成 数据的传送。其采用数字地震检波器,并利用数传模块完成数据传送,提高了检波器的动态 范围和抗干扰能力;单个基站可以连接120〜MO道的数字检波器,可以作为单台地震仪使 用,也可以把若干个基站组合成为几千道甚至几万道的三维地震勘探仪器使用,有利于采 集数据的管理和野外布设,特别适用于高密度单检波器采集技术。

[0028] 基站1由主控单元13以及与之相连的GPS单元11、存储单元12、电源管理单元14 和数据传输接口 2组成;其中:

[0029] UGPS单元11用于授时同步,选用Fastrax公司IT03 OEM GPS接收模块,特点是 尺寸小(22x23x2. 7mm)、功耗超低(< 95mW@2. 7V)、灵敏度非常高[_156dBm(跟踪)]、精确 的IPPS授时信号输出可以达到RMS20nS的精度和价格低廉,足以满足仪器要求的同步精[0030] 2、存储单元12选用大容量存储器,如32G的SD卡或120G的电子硬盘等,以满足 存储120道〜240道地震数据的需要。

[0031] 3、主控单元13可以由ARM系列CPU(根据不同的道数采用不同的型号,原则是够 用就行以降低功耗)、SDRAM存储器、USB接口和以太网接口等组成,其中USB接口和以太 网接口用于数据回收,主控单元13还提供串口与GPS单元连接11,通过总线连接存储单元 12。

[0032] 4、电源管理单元14把12V电池电压转换为5V,3. 3V,2. 7V,1. 8V等相应电压供给 GPS单元11、存储单元12、主控单元13、对外部数据传输接口 2、数字检波器3。数字检波器 3的供电比较特殊,为了增强供电能力,电源管理单元14把12V电源转换成士 24V并通过鬼 对方式为外部数据传输接口 2和数字检波器3供电。电源管理单元14随时根据主控模块 的指令关闭和开启各单元的供电,检测电源剩余容量并及时报警。

[0033] 5、内部数据传输接口 2与外部数据传输接口 2构成数据传送通道。数据传输接口 与外部数据传输接口为对称结构,通过鬼对供电技术进行远程供电,构成数据传送通道。

[0034] 数据传输接口 2由FPGA、晶振、通信隔离和鬼对供电变压器等组成,FPGA和晶振提 供通信支持,变压器提供通信匹配和隔离,并作为鬼对供电变压器实现远程供电;外部数据 传输接口 2相互串接组成数据传输通道,每个外部数据传输接口 2连接30〜60个通道的 数字检波器3,而每个基站1提供4个本部数据传输接口 2,每个基站连接120〜240个通 道的数字检波器。

[0035] 数字检波器3分为A型和D型二种类型,其中:

[0036] 1、A型数字检波器为连接模拟检波器(可以为动圈式检波器、压电检波器和磁悬 浮检波器等),由控制模块31、A/D转换模块32、前置放大模块33、模拟检波器34、D/A转 换模块35和GPS模块36等组成;是模拟检波器34依次通过前置放大模块33、A/D转换 模块32连接控制模块31,控制模块31再连接数据传输接口 2、GPS模块36通过D/A转换 模块35连接前置放大模块33。其中控制模块31由C51嵌入式CPU和FPGA等组成,前置 放大模块33、A/D转换模块32,D/A转换模块35分别采用Cirrus Logic公司的CS3301A/ CS3302A、CS5371A 和 CS5376A 等模数转换套片,可以程序设置 0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、 30dB或36dB的前放增益,实现M位模数转换,并提供4、2、1、0. 5、或0. 25的采样率。

[0037] 2、D型数字检波器为连接MEMS传感器,由控制模块31、ASIC集成电路37、MEMS传 感器38和GPS模块36等组成。是MEMS传感器38通过ASIC集成电路37连接控制模块 31,控制模块31再连接数据传输接口 2和GPS模块36。

[0038] 这两种数字检波器3均连接到数据传输接口 2传送数据。GPS模块36同样选用 Fastrax公司IT03 OEM GPS接收模块,由于GPS单点定位精度较低,一般为士 10m,而地震 勘探的定位精度要求在分米级,所以用单个GPS定位不能满足定位要求。而地震勘探的优 势是几十或几百平方公里的范围内,可以布设几百甚至几万个GPS站点进行测量,从而形 成大型GPS站点网络,利用这个大型GPS网络进行测量误差消除后,可以达到厘米级的定位 精度。

[0039] 所述数字检波器3和数据传输接口采用一体化封装,整体结构由上盖Rl、引出电 缆4、数字化板R3、数据传输接口板R4、检波器芯体R5、外壳R6和尾锥R7组成;数字化板R3、数据传输接口板R4和检波器芯体R5由上盖Rl封装在塑料外壳R6内,检波器芯体R5 引出电极连接到数字化板R4上,数字化板R3与数据传输接口板R4并行排列并连接,数据 传输接口板R4引出二组电缆4,进行数据传送和供电串接,尾锥R7安装在外壳R6的下端。 [0040] 如图7所示的三维地震勘探测线布设实例:设高密度单检波器勘探,要求地面 采集密度为IOmX 20m,单次采集面积约为10,OOOmX 10,000m。设每个基站的采集道数为 4X60道,则在测线方向需要9个基站组成1080道,测线长度为10790m。纵向需要250基 站组成500道,宽度为9980m。总共需要2250个基站,合计270,000道。从目前来看,27万 道的仪器成本还太高,还无法实现商用,但这也正是发展低成本仪器的动力。 [0041 ] 所述基站还可以进一步配有太阳能发供电装置。

Claims (2)

1. 一种存储式地震信号连续采集系统,包括与中心站没有连接和数据通信的基站和数 字检波器,其特征在于由基站通过数据传输接口和电缆与多个并列的数字检波器相连;基 站与数字检波器之间采用数据传输模块传送指令和采集数据;基站是存储式地震信号连续 采集系统的控制和存储中心,控制数据传输接口和数字检波器完成地震数据的接收,并把 数据存放于其内置的存储器中;数据传输接口用于完成指令的发送和采集数据的接收;数 字检波器用于完成采集模拟信号并转换成数据,然后由其数据传输接口完成数据的传送;基站由主控单元以及与之相连的GPS单元、存储单元、电源管理单元和数据传输接 口组成;GPS单元用于授时同步;存储单元使用大容量存储器;主控单元由ARM系列CPU、 SDRAM存储器、USB接口和以太网接口组成,还提供串口与GPS单元连接,并通过总线连接存 储单元;电源管理单元把12V电源转换成相应电压支持GPS单元、存储单元、主控单元和数 据传输接口 ;数据传输接口与外部数据传输接口为对称结构,通过鬼对供电技术进行远程 供电,构成数据传送通道;数据传输接口由FPGA、晶振、通信隔离和鬼对供电变压器组成,FPGA和晶振提供通信 支持,变压器提供通信匹配和隔离,并作为鬼对供电变压器实现远程供电;外部数据传输接 口相互串接组成数据传输通道,每个外部数据传输接口连接30〜60个通道的数字检波器, 而每个基站提供4个或者4个以上的偶数个本部数据传输接口,每个基站连接120〜240 个通道的数字检波器;所述数字检波器一种为A型,是模拟检波器依次通过前置放大模块、A/D转换模块连 接控制模块,控制模块再连接数据传输接口、GPS模块和通过D/A转换模块连接前置放大模 块;另一种为D型,是MEMS传感器通过ASIC集成电路连接控制模块,控制模块再连接数据 传输接口和GPS模块;所述数字检波器在结构上由上盖、引出电缆、数字化板、数据传输接口板、检波器芯体、 外壳和尾锥组成;数字化板、数据传输接口板和检波器芯体由上盖封装在塑料外壳内,检波 器芯体引出电极连接到数字化板上,数字化板与数据传输接口板并行排列并连接,数据传 输接口板引出二组电缆,进行数据传送和供电串接,尾锥安装在外壳的下端。
2.根据权利要求1所述存储式地震信号连续采集系统,其特征在于所述基站还配有太 阳能发供电装置。
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