CN101840009B - 用于地震传感器校准的方法和系统 - Google Patents

Abstract

用于校准配置或设计用于地震信号检测的地震传感器的方法和系统。根据本发明的某些实施例，将电流注入地震传感器的动圈中，并且测量跨越动圈的电压。动圈通过注入的电流锁定，使得在测量动圈电压的同时减少环境噪声。

Description

用于地震传感器校准的方法和系统

技术领域

本公开涉及用于进行精确地震测量的技术，更具体地，涉及通过将指定量的电流施加到地震传感器的动圈(movingcoil)来校准和消除地震传感器中的噪声。

背景技术

在此呈现的技术涉及用于感测地球地层中的振动的设备(如电动力学((electrodynamic))感测设备)，包括具有放置在磁场中心位置的动圈的地音探听器(geophone)和地震检波器(seismometer)。在感测或传输操作中，本公开可应用于其它类型的振动换能器。

地震测量和/或监视检测源于地震能量源的地球的振动，其通过传感器在分立位置感测。在一些应用中，传感器的输出用于确定地下地层的结构。地震能量源可以是自然的(如地震和其它构造活动、下沉、火山活动等)或人为的(如来自地表或地下操作或来自在地表或地下的地震源的蓄意操作的声学信号)。例如，感测的地震信号可以是从通过岩层断裂或水库坍塌或蚀变(alteration)诱发的微型地震活动导出的直接信号、或从人工能量源导出的反射信号。

传感器主要分两类：水听器(hydrophone)，其感测源于地震源的压力场；或地音探听器，其感测源自地震源的质点运动。

当地球由于从源直接传播或经由地下反射器传播的地震能量而移动时，可以位于地球表面和穿入地球的钻孔的壁上的地音探听器在能量的传播方向上移动(在P波的示例中)。然而，如果地音探听器的轴与运动方向对齐，则安装在地音探听器内部的弹簧上的动圈停留在相同位置，导致线圈相对于外壳的相对运动。当线圈在磁场中移动时，在线圈中感应电压，其可以输出为信号。地音探听器的响应依赖于频率。

为了确保地音探听器的正确工作，典型地在制造后和/或在每次使用前，定期在工厂校准地音探听器。因此，地音探听器制造商和厂商通常在其地音探听器单元卖给客户前，对该地音探听器单元不执行任何校准。制造商宁可提供地音探听器单元的响应在特定温度(如室温)下在指定容许范围内的保证。然而，这种容许保证不是对地音探听器单元的正确校准的替代。因此，许多地音探听器单元的购买者在将这种单元部署在现场或在现场使用期间，对购买的地音探听器单元执行他们自己的校准测试。

然而，传统的地音探听器校准测试经常不适于确保许多如今的地震测量活动典型要求的地音探听器测量的期望精度。在用于测量动圈的DC电阻(DCR)的某些校准技术中，将电流注入线圈中，并且从跨越线圈出现的电压确定电阻。然而，因为动圈还对地音探听器的振动敏感，所以DCR测量精度依赖于环境噪声。如果地音探听器敏感度高，则测量的噪声大，并且DCR测量的精度劣化。此外，DCR值的不精确影响其他地震传感器参数，如敏感度和衰减因子，因为DCR是用于计算地音探听器参数的基本值。

因此，将意识到存在对改进传统地音探听器校准技术以便改进地震测量的精度的期望。

前面所述的传统地震传感器的限制意图不在于是穷尽性的，而只是可能减少之前已知的传感器校准技术的有效性的许多中的一些。然而，上面应足以说明过去存在的地震传感器技术将值得改进。

发明内容

在此公开的实施例提供用于地震传感器(如地音探听器和地震检波器)的方法和系统。本公开的原理贯注于用于校正由于环境噪声(如周围振动噪声)导致的DCR测量中的误差、由于内部电路导致的误差(如DC偏移和DC漂移)、由于珀耳帖(Peltier)效应和电信号噪声导致的外部误差和由于系统(如测量电路中的热量产生)导致的误差的技术。具体地，本公开的一些实施例提供用于校准地震传感器的方法和系统，其中改进了DCR测量并且减少了由于环境噪声导致的误差。这里的其他实施例贯注于对DCR上的热量产生效应进行补偿。本公开的另外的实施例提供用于校准地震传感器的系统，包括一个或多个数字信号处理器。另外的实施例贯注于用于通过在噪声频率的周期上平均测量数据来抑制测量的电压数据中的电源噪声(electricalmainsnoise)的技术。

通常，通过使用万用表、欧姆表或电阻表测量地震传感器动圈的DCR。这种测量仪器将电流注入电阻性组件并读取跨越组件的电压。该仪器显示或输出与电压和电流有关的电阻量。然而，因为注入的电流量依赖于测量仪器，所以用户不知道注入了多少电流。在地音探听器线圈电阻的情况下，动圈部分地被注入的电流浮起未知量，并且动圈还响应振动环境噪声。如果用于平均数据的测量时间相比于环境噪声的时段不是足够长，则测量不可重复。例如，如果自然频率为1Hz，则0.5秒的测量时间不够用来平均在大约1Hz的环境噪声。

测量电子器件可能具有DC偏移或DC漂移，导致确定DCR中的误差。经常一个测量仪器示出与另一个测量仪器的不同电阻值。原因部分可能是由于测量仪器的不精确，但是经常还可能是由于外部因素，如珀耳帖效应的差，一些充电效应，即，二极管效应，特别是由于金属腐蚀。因此，依赖于这种外部因素，电阻测量有时经常改变。

申请人认识到，通过施加预定电流到地震传感器，可以锁定地震传感器的动圈，使得可以最小化或消除由于传感器周围环境中的振动导致的不期望的噪声。申请人还认识到，注入来锁定动圈的电流可能产生热量并且这种热量产生可能影响DCR。申请人还认识到，期望基于DCR测量中的期望精度补偿这种热量产生。申请人还认识到，电噪声在测量的电信号中可能是普遍的，并且应当被抑制以消除测量中的误差。

在本公开的一些实施例中，一种校准地震传感器的方法包括：将电流注入地震传感器的动圈中；测量跨越动圈的电压；以及锁定线圈，使得在测量动圈电压的同时减少环境噪声。在本公开的一个可能实施例中，确定动圈的DCR。在这里的某些方面，该方法包括通过连续测量DCR随着时间的改变，对由注入地震传感器的动圈的电流产生的热量进行补偿。

本公开在一些实施例中提供通过将不同电流注入地震传感器的动圈来消除珀耳帖效应、DC偏移和DC漂移的一个或多个。可以翻转电流的极性，并且将具有翻转极性的电流注入地震传感器的动圈中。

在这里的某些方面中，一种测量地震传感器的DCR的方法包括：将第一电流注入地震传感器的动圈中；测量跨越动圈的第一电压；将第二电流注入动圈中，其中第二电流不同于第一电流；测量跨越动圈的第二电压；固定动圈，使得在测量第一和第二动圈电压的同时减少环境噪声；以及基于跨越动圈的第一电压和第二电压确定动圈的DCR。

在本公开的某些实施例中，动圈的DCR通过 $r=\frac{R}{\frac{E_{02}-E_{01}}{E_{c2}-E_{c1}}-1}$ 确定，其中r是动圈的DCR；R是串联电阻；以及E₀₁和E₀₂是电源电压，并且E_c1和E_c2分别是在不同电流量I₁和I₂的动圈电压。在本公开的其他方面，该方法包括将第二不同电流注入地震传感器的动圈中；测量跨越动圈的电压；以及确定动圈的DCR。

在本公开的一些实施例中，一种用于校准地震传感器的系统包括：电源，用于施加跨越地震传感器的动圈的电压；测量设备，用于测量跨越动圈的电压；与地震传感器通信的数字信号处理器；以及可由处理器执行的一组指令，在执行时，将电压施加给地震传感器，并且确定动圈是否已经锁定，其中该系统配置或设计为在测量动圈电压的同时减少环境噪声。该系统还可以包括通信地耦合到测量设备的接口，用于在线圈已经锁定后显示跨越线圈的电压。

在本公开的另外方面，一种校准地震传感器的方法包括：将电流注入地震传感器的动圈中；测量跨越动圈的电压；以及通过在噪声频率的周期上平均测量的数据来抑制测量的电压数据中的电源噪声。在本公开的某些实施例中，测量的数据在噪声频率的n个周期上平均，其中n是整数。在其他实施例中，电源噪声包括50Hz或60Hz电源噪声；以及测量的数据在100ms周期或100ms的任何倍数上平均。

另外的优点和新颖特征将在下面的描述中提出，并且可以通过阅读这里的材料或实践这里描述的原理被本领域技术人员学习。这里描述的一些优点可以通过权利要求中所述的部件实现。

附图说明

附图图示某些实施例并且是说明书的一部分。与下面的描述一起，附图演示和说明本发明的一些原理。

图1是传统地音探听器地震传感器的示意图；

图2A是传统地音探听器DCR测量和阶跃测试(steptest)中涉及的电路的示意图；

图2B是响应于地音探听器阶跃测试中输入的阶跃信号的地音探听器的阶跃响应的图形表示；

图3描绘在阶跃测试期间在传统DCR测量技术中普遍的噪声；

图4是描绘作为温度的函数的地音探听器线圈DCR测量的曲线图；

图5示出描绘作为温度的函数的地音探听器响应参数、固有频率f₀、开路衰减D₀和开路灵敏度S₀的曲线图；

图6是连同根据本公开的原理的电路图的一个实施例一起的地音探听器的示意图；

图7示出如这里提出的一种可能DCR测量中的改进的噪声结果；

图8A是示出当电池连接到动圈时建模的地音探听器中的珀耳帖效应的电路图，并且图8B是表示在仪器的电路中的DC漂移和DC偏移、仪器连接时的珀耳帖效应的另一电路图；

图9是通过电流注入的热消散和从地震传感器的动圈到环境温度的热对流的方块图表示；

图10A是图示随着时间由于电流注入导致的地震传感器动圈中的温度改变的曲线图；

图10B是示出由于热量产生导致的DCR中的早期改变的仿真结果的曲线图；

图11A描绘一种示例性已知滤波技术；

图11B描绘图11A中的滤波技术的频率响应(左)和时间响应(右)；

图11C示出根据本公开的平均技术的效果；

图11D示出根据本公开的一个实施例的对于50Hz和60Hz噪声的噪声减少；

图12示出用于校准部署在地表上的地震传感器的陆地地震操作中的应用；

图13示出根据本公开的系统方块图；以及

图14A-14C示出根据本公开的用于校准地震传感器的一些可能技术的流程图。

贯穿各图，相同参照标号和描述指示类似的但不必相同的元件。尽管在此描述的原理能有各种修改和替代形式，但是特定实施例已经通过附图中的示例示出并且将在这里详细描述。然而，应当理解的是，本发明意图不在于限于公开的特定形式。而是，本发明包括权利要求范围内的所有修改、等效和替代。

具体实施方式

下面描述本发明的说明性实施例和各方面。当然将意识到，在任何这种实际实施例的开发中，必须进行多个实施特定的决定以实现开发者的特定目的，如与系统有关的和业务有关的约束的兼容性，该约束对每个实现相互不同。此外，将意识到，这种开发努力可能是复杂的和耗时的，但不论如何将是从本公开受益的本领域普通技术人员的常规任务。

贯穿说明书所称“一个实施例”、“实施例”、“一些实施例”、“一个方面”或“一些方面”意味着关于实施例或方面描述的特定特征、结构、方法或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”、或“在实施例中”、或“在一些实施例中”不必全部指相同实施例。此外，特定特征、结构、方法或特性可以在一个或多个实施例中以任何适当方式组合。词语“包括”和“具有”应当与词语“包含”具有相同的含义。

此外，创造性方面少于单个公开的实施例的所有特征。因此，详细描述后的权利要求因此明确并入详细描述中，其中每个权利要求其自己表示本发明的单独的实施例。

现在转到附图，其中相似标号指示相似部分，这里的公开贯注于可用于便利和改进地震信号检测的各种技术构思。本公开预期公开的技术可应用于电动力学型传感器(如地音探听器和地震检波器)，其在地震勘探或地下水库的有源或无源监视的领域中使用。如在本申请中使用的，术语“地音探听器”意图包括传统型地音探听器(如图1所示的地音探听器)和超低频地音探听器(如地震检波器型电动学力传感器)、以及来自斯伦贝谢(Schlumberger)公司的地音探听器加速计(GAC)传感器，其例如可以配置或设计为测量比传统型地音探听器相对更宽的加速度范围。

传感器可以部署在关于垂直方向偏离的勘探和/或生产井中，并且包括用于检测沿着三个正交坐标轴接收的信号分量的多分量地音探听器。在根据本公开的方面中，地震传感器可用于有线线路(wireline)、陆地地震、海底地震、永久或其它监视、水力岩层断裂监视、生产日志记录，其中，包括用于地震监视、对水和CO₂贮存池的长期监视、核试验监视、以及类似活动的系统，这些活动要求地震数据的精确和有效获取。

本公开的一些原理还在题为“MethodsandSystemforTemperatureCompensatedTemperatureMeasurements”的、同时待审的共同拥有的美国专利申请No.12/365,889中公开，在此通过引用并入其全部内容。

如下面更详细描述的，本公开提供各种技术，其可以用于通过减少或消除在地震传感器校准期间在环境中普遍的噪声(即，环境噪声)的影响，便利和改进地震信号检测，该噪声趋于扭曲或歪曲确定的参数值，如动圈地震传感器的DCR。这里公开的技术可以用于在地震传感器的制造期间或之后的工厂测试和校准、在实验室或测试机构中、在现场、和/或在地震传感器的部署之后。

本公开提供这样的技术，其中通过适合的电流量的注入锁定地震传感器的动圈，在地震信号测量中减少或消除了环境噪声影响。此外，本公开提出这样的技术，其补偿可能由于电流注入动圈导致的热效应。此外，本公开处理可能在地震信号测量中引入误差的其它外部因素，如珀耳帖效应、DC漂移和/或DC偏移。在本公开中讨论了用于抑制电噪声的技术。

为了获得对本申请中描述的各种技术和特征的更好理解，现在将提供地音探听器测量技术的简单描述。在地震观察中，测量通过地球传播的地震波以描绘地球中的结构图像。地音探听器经常用于检测在各种位置的地震信号，如例如在地表和/或在海底的钻孔。图1中示出传统地音探听器的示例。

图1的地音探听器10包括安装在线轴上的动圈12、磁体15、具有悬挂弹簧20和外壳14的一对极片(polepiece)16。极片16和外壳14由透磁材料制成，并且形成其中悬挂动圈12的磁场。在图1的示例中，安装在线轴上的动圈12和悬挂弹簧20共同形成地音探听器的有效移动质量部分m。

如图1所示，动圈12通过一对弹簧20悬挂在磁场中。弹簧设计为控制线圈的径向运动并提供质量弹簧系统的期望的固有频率。动圈在地音探听器的外壳响应于外部振动而移动的同时试图停留在相同位置。动圈相对于外壳(具有磁通量场)的运动导致线圈产生电信号，其与动圈相对于其中附接磁体的外壳的速度成比例。

如之前提到的，地音探听器校准包括传感器的动圈的DCR的测量。如图2A所示，通过电阻将DC电压施加到线圈，并且测量跨越线圈的电压。在该示例性实施例中，E₀是电源电压，E_c是线圈电压，R是串联电阻，并且r是线圈的DCR。

当跨越线圈施加DC电压时，线圈被提起，并且线圈经历固有振荡。固有振荡的持续时间或时间可以通过调整R来最小化，使得固有频率严重衰减，如图2B所示。

在移除DC之后，从线圈的固有振荡校准地音探听器响应参数。从零交叉(crossing)计算固有频率，并且从振荡的延迟计算衰减。从施加的初始电压和响应幅度计算灵敏度。

图3示出已经设置(settle)由于电流注入导致的线圈运动(即，线圈也响应环境噪声)后的动圈电压。假设s为测量的信号。线圈电压为信号s的平均值。该信号包含恶化或劣化线圈电压的确定的噪声。从测量的信号s，线圈电压E_c和噪声电压E_n可以计算如下：

E_c＝Average(s)＝0.0484V

E_n＝rms(s-E_c)＝0.0029V

然后，信噪比SNR计算为：

SNR＝20*log(E_c/E_n)＝24dB。

如从上面数据明显的，SNR指示在测量的信号中存在过量噪声，其部分由于环境噪声引起。除了由于环境噪声导致的DCR测量中的劣化，申请人注意到地震传感器的响应参数是操作温度的函数。DCR也是温度依赖的。因此，本公开包括这样的技术，其补偿由于注入来锁定动圈的电流可能产生的热量。因为这种热量产生可能影响DCR，所以期望基于DCR测量中的期望精度补偿产生的热量。

图4示出作为温度的函数的测量的地音探听器DCR。温度计附接到地音探听器外壳，并且在以恒定温度将地音探听器保持在恒温箱中时测量DCR。恒温箱中的温度从室温改变为更高温度，然后冷却。处理重复两次。对于每次测量，在温度变稳定后测量电阻。在升高温度和冷却循环中存在一些滞后现象。这是因为地音探听器线圈没有快速响应外壳温度。如果以恒定温度将地音探听器长时间保持在恒温箱中，则可以减少差异。图4中的实线是通过使用作为工业标准定义的温度系数0.00393摄氏度仿真的电磁线(magnetwire)的电阻。

一段电磁线的电阻表示如下：

r(T)＝r(20){1+0.00393(T-20)}等式1

通过知道在20摄氏度的电阻，并且测量在使用地音探听器的温度的电阻，线的温度可以表示如下：

$T=\frac{1}{0.00393}\{\frac{r\left(T\right)}{r\left(20\right)}-1\}+20$ 等式2

注意到，地音探听器的响应与其温度有关。图5示出作为温度的函数的、地音探听器响应参数(固有频率f₀、开路衰减D₀和开路灵敏度S₀)的比较。左边绘图示出相对外壳温度绘制的地音探听器参数结果，并且右边绘图示出相对从线圈计算的温度绘制的地音探听器参数结果。如从图5明显的，从线圈得出的温度比从地音探听器外壳得出的温度显示更好的与地音探听器参数的一致性。这指示线圈的温度比外壳温度更多地表示地音探听器响应。从右边的绘图，作为温度的函数将响应确定为：

f₀(T)＝f₀(20)×(1.361×10^-7ΔT²-9.627×10^-5ΔT+1)

D₀(T)＝D₀(20)×(3.395×10^-2ΔT²-2.467×10^-3ΔT+1)

S₀(T)＝S₀(20)×(-4.921×10^-7ΔT²-3.116×10^-4ΔT+1)

其中，ΔT＝T-20摄氏度。因此，可以从由线圈的DCR确定的温度估计地音探听器响应参数。

为了处理上述缺点类型，申请人已经提出用于减少或消除地震传感器校准中的劣化的新颖的和有效的技术。在本公开的一个方面中，将预定电压施加到地震传感器，使得传感器的动圈被推倒传感器外壳的底部或顶部，如图6中的示例性实施例所示。如从图6中明显的，动圈相对外壳的底部按压，以便锁定到其并且不受环境噪声的影响。

在图6的技术中，如果注入的电流大，则电流引起热量，即，自发热效应，并且动圈的温度增加。如果注入动圈的电流过大，则线圈可能烧毁。因此，期望优化注入的电流量，使得动圈被推倒传感器外壳的顶部或底部，并且通过锁定到其变得对环境噪声不敏感，但是线圈的温度没有被不利地影响。

由电流引起的力为S₀乘以I，并且与由线圈的位移引起的弹簧力和用于移动质量(对于垂直放置的地音探听器)m的重力平衡。对于具有没有预先按压的弹簧并且垂直定位的地音探听器，

kx±mg＝S₀I等式3

其中“+”符号指示相对于重力加速度g将线圈提升到外壳的顶部。

因为质量和弹簧系统的固有角频率为：

$\frac{k}{m}={{\mathrm{\ω}}_0}^2$ 等式4

那么将移动质量位移到可移动空间的顶部或底部所需的电压为：

$E_c=\frac{\mathrm{mr}}{S_0}(x_0{{\mathrm{\ω}}_0}^2\±g)$ 等式5

其中x₀是从中心位置到最大位置的距离，并且“+”符号是将线圈提升到外壳的顶部。对于水平放置的地音探听器或具有预先按压的弹簧的垂直地音探听器，丢掉重力项。

对地音探听器假设以下参数：

F₀＝18Hz；

S₀＝78V/(m/s)；

m＝3.14gm；

r＝1500欧姆；以及

x₀＝1.5mm。

将动圈提升到顶部位置要求的电压为1.75V。因为电功率为P＝I²r，则作为热量消耗2mW。

铜线圈的比热c为380J/(kg℃)。如果将1.75V施加到线圈持续t＝1秒，则线圈温度增加：

等式6

只要测量时间保持短，这非常小，并且可能不干扰DCR测量。

本公开预想施加适当的电压，使得动圈不发热，但是该电压足够高到将动圈位移到最大锁定位置。实际电压可以是通过等式5获得的最小电压的两倍，以便确保线圈被推倒极限并且将不响应环境振动。预定电压可以依赖于地音探听器参数的公差和环境噪声的量设置。

图7描绘这样的情况，其中通过将线圈锁定在盖上没有环境噪声，而只观察到电噪声。在该测量中，

Ec＝Average(s)＝1.8729V

En＝rms(s-Ec)＝0.0016V

SNR＝20*log(Ec/En)＝56dB

上面的SNR＝56dB与如上所述在没有锁定动圈的情况下得到的SNR＝24dB相比要好。明显的，信噪比提高了32dB。

在该示例中，还将电源电压的极性翻转，以了解在测量系统中是否存在珀耳帖效应和DC偏移或DC漂移。地震传感器具有不同金属的电触点。此外，地音探听器接线到电子器件，并且连接线在印刷电路板上利用不同金属焊接到管脚。各个触点的温度不必相同，并且存在有限的温度差。在金属触点和温度的这种变化之下，可以存在导致测量中的额外电压的不同的珀耳帖效应。此外，电子器件可以具有到某个程度的DC漂移。这种珀耳帖效应和DC漂移和偏置导致DCR测量中的有限误差。

地音探听器中的珀耳帖效应可以建模为连接到线圈的电池，如图8A所示。图8B的电路还可以表示地音探听器外的珀耳帖效应、以及测量电路中的DC漂移和DC偏移。在任一情况下，电压误差E_r可以表示为：

E_c＝Ir+E_r等式7

珀耳帖效应误差和DC漂移或偏置误差可以通过施加两个不同电流来抵消，如翻转注入电流的极性。

如之前讨论的，通常，DC误差可以通过施加不同电流量I₁和I₂来抵消：

E_c1＝I₁r+E_r等式8

E_c2＝I₂r+E_r等式9

从等式9减去等式8得到：

$r=\frac{E_{c2}-E_{c1}}{I_2-I_1}$ 等式10

电流可以通过测量E₀和E_c确定，然后

$I_1=\frac{E_{01}-E_{c1}}{R}$ 等式11

$I_2=\frac{E_{02}-E_{c2}}{R}$ 等式12

通过使用等式11和12，等式10可以重写为：

$r=\frac{R}{\frac{E_{02}-E_{01}}{E_{c2}-E_{c1}}-1}$ 等式13

翻转极性是改变电压的特殊情况，并且等式13可应用于改变电压的任何情况。

在之前讨论中，暗示由于电流注入导致的热量可能小。然而，如果在如测量时间需要为长和/或需要注入大量电流以提起具有大的质量的动圈时的情况下期望补偿热量，则可以如下所述执行补偿。

图9示出通过电流注入的热消散和从线圈到周围温度的热对流。随着热量在动圈中积累，温度在时间上线性增加。热量然后传导到动圈的其他材料、到空气、到极片、磁体，并且最后到地音探听器的外壳。一旦传导到达外壳，外壳温度就上升，并且对流影响在靠近地音探听器的空气中开始，使得在时间上外壳温度到达稳定状态。如果温度梯度大，则对流可能出现在地音探听器中的空气中；然而，这种结果在传感器外壳中典型存在的小的间隙(例如，在0.1mm的量级)中不可能。图10A图示线圈的上述温度改变。

从等式6，早期的温度增加通过施加到线圈的功率P(电流乘以电压)估计为：

$T-T_0=\frac{P}{\mathrm{mc}}t$ 等式14

线圈的DCR也根据温度改变而改变。

r＝r0{1+α(T-T₀)}等式15

其中，α是电磁线的温度系数，并且对于铜等于0.00393。

图10B示出DCR改变的早期的仿真结果。可以假设温度增加小，并且传导和对流热量传送还没有开始。地音探听器参数假设为：

f₀＝20Hz；

S₀＝25V/(m/s)；

m＝20gm；

r＝1500欧姆；以及

x₀＝2mm。

弹簧没有预压缩，并且地音探听器垂直定位。动圈锁定在地音探听器的顶部。增加随机数以表示噪声。在注入电流后连续记录跨越线圈的电压20秒，并且从施加的电压E₀和线圈电压E_c计算DCR。

如下求出在初始温度T₀的电阻。首先，地音探听器暴露给恒定温度，并且建立稳定状态。通过将温度传感器放置在地音探听器外壳上而不注入电流来测量初始温度T₀，使得外壳温度表示初始动圈温度。然后，注入所需电流并且如图10B所示连续记录DCR。在t＝0，通过插值DCR时间记录评估在T₀的DCR。

图11A-11D描绘根据本公开的用于抑制电噪声的技术。如之前讨论的，可以通过施加电流到地震传感器的动圈以锁定动圈来抑制或控制环境噪声。然而，除了之前讨论的噪声，在信号E₀和E_c中存在普遍的电噪声。注意图11A。抑制电噪声的一种方式是应用如图11A所示的低通滤波器。噪声可能是50Hz或60Hz电源噪声。为了移除这种电噪声，低通滤波器的截止频率可以设置为例如5Hz。

图11B的左手侧的曲线图示出图11A所示的电路的一阶滤波器响应。滤波器将50Hz衰减20dB。滤波器的阶跃响应(stepresponse)显示在图11B的右手侧曲线图中。直到电压设置在1％误差内大约花150ms。然而，注意到，应用滤波器导致电压测量中的误差，并且必须等待直到测量误差变小。在这点上，要求的等待时间依赖于测量的精度。

因为50Hz或60Hz的电源噪声是正弦的，所以这种电噪声还可以通过在噪声频率的周期上或在“n”个周期上平均数据来移除，其中“n”是整数。在这点上，注意到精确周期上正弦噪声的平均值为0。图11C示出正弦波的平均。图11C中的实线曲线为50Hz噪声，并且虚线曲线为从时间0开始的平均值。看到当时间经过每一个周期后平均变为0。对于50Hz噪声，平均的最小长度只有20ms。

还注意到，依赖于地点，AC电源的频率可以是50Hz或60Hz。可以使用50Hz或60Hz的最小公倍数，即，100ms。只要平均超过100ms，或100ms的任何倍数，结果没有50Hz或60Hz电噪声的任何影响。注意图11D。

图12描绘用于本公开中讨论的原理的一种可能的操作环境。图12示出陆地地震操作，其中振动器206产生穿入地球并且从地下结构反射回地表的地震信号。振动器206产生连续信号，并且通过地音探听器202和装置214连续获取地震数据。然而，大多数地震能量不进入地球，并且能量的主要部分作为表面波在地表上传播。这已知为面波(groundroll)，并且它是表面噪声的主要部分。

在陆地地震操作中，通过将地音探听器和相关装置从完成获取的区域移到新的区域，建立新的获取区域。在建立新的获取区域期间，在开始新的区域中的地震数据获取之前，必须测试地音探听器和仪器。地音探听器和仪器实用卡车运输，并且通常地音探听器在具有临近劣化和恶化校准测量的面波和卡车的噪声环境中校准。例如，如在图12的示例性环境中表示的，本公开的原理提供用于处理油田地震调查中的这种需要和要求的新颖的和有效的机制。

图13描绘根据本公开的原理的用于确定DCR的系统的一个实施例。如图13所示，地音探听器连接到该系统。标称地音探听器参数(如f₀、D₀、S₀、r和m)的输入提供给该系统。如之前在上面讨论的，数字信号处理器(DSP)或处理器(CPU)计算最佳电压并调整电源电压E₀，在考虑输入参数中的任何误差后，该最佳电压足够锁定地音探听器的动圈。DSP激活S₁并等待。DSP翻转S₂并且模拟到数字转换器(ADC)采样E₀和E_c，然后DSP读取E₀和E_c数据，并且计算DCR。DSP可以通过改变E₀采样E₀和E_c两次，以便移除珀耳帖效应、DC偏移和/或DC漂移。尽管DSP知道E₀，因为其设置电压；然而，在设置和施加的实际电源之间存在任何差异的情况下，测量E₀更好。

图14A-14C是根据本公开的用于校准地震传感器的一些可能的方法的流程图。

参考图14A，放置这里描述的类型的地震传感器用于DCR测量(步骤100)。施加第一电流以锁定地震传感器的动圈(步骤102)，并且测量跨越动圈的第一电压和注入动圈的第一电流(步骤104)。根据这里描述的技术确定动圈的DCR(步骤106)。

在另一可能实施例中，图14B的技术还包括施加第二电流以锁定地震传感器的动圈(步骤108)，并且测量跨越动圈的第二电压和流入动圈的第二电流(步骤110)。

在图14C的实施例中，测量背景噪声并且施加DC以将地震传感器的动圈锁定到传感器外壳的一端。测量参考和线圈电压，并且计算SNR。施加不同的DC以将地震传感器的动圈锁定到传感器外壳的另一端，测量参考和线圈电压，并且计算SNR。如这里之前所述，通过抵消珀耳帖效应和DC偏移确定DCR。可以计算噪声的减少，并且可以从DCR得出温度。

通常，这里公开的技术可以在硬件和/或硬件和软件上实现。例如，它们可以在操作系统内核中、在分开的用户处理中、在绑入遥测和/或网络应用的库封装中、在特定构造的机器上或在网络接口卡上实现。在一个实施例中，这里公开的技术部分可以使用软件(如操作系统或在操作系统上运行的应用中)实现。

本技术的硬件或硬件/软件混合实现可以在通用可编程机器上实现，该机器通过存储在存储器中的计算机程序选择性地激活或重新配置。这种可编程机器可以在通用网络主机(如个人计算机或工作站)上实现。此为，这里公开的技术可以至少部分地在用于网络设备或通用计算设备的卡(例如接口卡)上实现。

选择和描述各实施例和方面以便最佳地说明本发明及其实践应用的原理。之前的描述意图在于使得本领域技术人员能够最佳地利用这里各个实施例中描述的原理，并且各种修改适于预期的特定使用。意图在于本发明的范围通过权利要求限定。

相关申请

本申请要求于2009年3月11日提交的美国临时专利申请序列号No.61/159,416的优先权，在此通过引用并入其全部内容用于全部目的。

Claims (12)

1.一种校准地震传感器的方法，包括：

将电流注入所述地震传感器的动圈中；

测量跨越所述动圈的电压；以及

锁定所述动圈，使得在测量动圈电压的同时减少环境噪声，

其中所述方法还包括：

确定所述动圈的DC电阻DCR，

所述动圈的DCR通过以下确定：

$r=\frac{R}{\frac{E_{02}-E_{01}}{E_{c2}-E_{c1}}-1}$

其中r是所述动圈的DCR；

R是串联电阻；以及

E₀₁和E₀₂是电源电压，并且E_c1和E_c2分别是在不同电流量I₁和I₂的动圈电压。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

对由注入所述地震传感器的所述动圈的电流产生的热量进行补偿。

3.如权利要求2所述的方法，其中

对由注入电流产生的热量进行补偿包括连续监视随着时间DCR的改变。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：

将第二不同电流注入所述地震传感器的所述动圈中；

测量跨越所述动圈的第二电压；以及

确定所述动圈的DCR。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：

通过将不同电流注入所述地震传感器的所述动圈来抵消珀耳帖效应、DC偏移和DC漂移的一个或多个。

6.如权利要求1所述的方法，还包括：

翻转电流的极性，并且将具有翻转极性的电流注入所述地震传感器的所述动圈中。

7.一种测量地震传感器的DC电阻DCR的方法，包括：

将第一电流注入所述地震传感器的动圈中；

测量跨越所述动圈的第一电压；

将第二电流注入所述动圈中，其中所述第二电流不同于所述第一电流；

测量跨越所述动圈的第二电压；

固定所述动圈，使得在测量跨越所述动圈的所述第一和第二电压的同时减少环境噪声；以及

基于跨越所述动圈的所述第一电压和第二电压确定所述动圈的DCR，

其中

所述动圈的DCR通过以下确定：

$r=\frac{R}{\frac{E_{02}-E_{01}}{E_{c2}-E_{c1}}-1}$

其中r是所述动圈的DCR；

R是串联电阻；以及

E₀₁和E₀₂是电源电压，并且E_c1和E_c2分别是在所述第一和第二电流的跨越所述动圈的所述第一和第二电压。

8.一种用于校准地震传感器的系统，包括：

电源，用于跨越地震传感器的动圈施加电压；

测量设备，用于测量跨越所述动圈的电压；

与所述地震传感器通信的数字信号处理器，

其中所述数字信号处理器执行以下处理：

将电压施加给所述地震传感器，并且确定所述动圈是否已经锁定，

其中该系统配置或设计为在测量动圈电压的同时减少环境噪声，

其中所述数字信号处理器还：

确定所述动圈的DC电阻DCR，

所述动圈的DCR通过以下确定：

$r=\frac{R}{\frac{E_{02}-E_{01}}{E_{c2}-E_{c1}}-1}$

其中r是所述动圈的DCR；

R是串联电阻；以及

E₀₁和E₀₂是电源电压，并且E_c1和E_c2分别是在不同电流量I₁和I₂的动圈电压。

9.如权利要求8所述的系统，还包括：

通信耦合到所述测量设备的接口，用于在动圈已经锁定后显示跨越动圈的电压。

10.一种校准地震传感器的方法，包括：

将电流注入所述地震传感器的动圈中；

测量跨越所述动圈的电压；以及

通过在噪声频率的周期上平均测量的数据来抑制测量的电压中的电源噪声，

其中所述方法还包括：

确定所述动圈的DC电阻DCR，

所述动圈的DCR通过以下确定：

$r=\frac{R}{\frac{E_{02}-E_{01}}{E_{c2}-E_{c1}}-1}$

其中r是所述动圈的DCR；

R是串联电阻；以及

E₀₁和E₀₂是电源电压，并且E_c1和E_c2分别是在不同电流量I₁和I₂的动圈电压。

11.如权利要求10所述的方法，其中

所述测量的数据在噪声频率的n个周期上平均，其中n是整数。

12.如权利要求10所述的方法，其中

所述电源噪声包括50Hz或60Hz电源噪声；以及

所述测量的数据在100ms周期或100ms的其它倍数上平均。