CN102213768B - 基于计算机网络的数字地震仪 - Google Patents

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郭建
刘光鼎
罗维炳
宋祁真
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中国科学院地质与地球物理研究所
北京吉奥菲斯科技有限责任公司
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Abstract

本发明涉及一种基于计算机网络的数字地震仪,为解决现有地震仪成本、功耗高,功能弱问题,其由中央控制操作系统、根节点、主节点、基站、为采集链供电的电源站、采集链、光缆、大线电缆单元组成。中央控制操作系统通过多条绑定的千兆网线与根节点连接;根节点通过多条光缆与主节点和其它野外地面设备连接;多个主节点之间用千兆光缆连接成主干网;主节点通过大线电缆连接基站;基站之间用百兆大线电缆连接成次干网;基站提供多个专用同步传送接口连接采集链和电源站;采集链由多个采集站组成;基站具有电源站功能为采集链供电。其采用千兆光纤完成数据主干网的数据传送,采用百兆电缆完成数据次干网的数据传送,采用类令牌网实现数据采集链的实时数据传送,具有成本、功耗低,功能强大,能以可靠方式实现十万道级数字地震仪数据传输的优点。

Description

基于计算机网络的数字地震仪
技术领域
[0001] 本发明涉及一种地震仪,特别是涉及一种基于计算机网络的数字地震仪。
[0002] 技术背景
[0003] 1、地震仪器现状
[0004] 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。
[0005] 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。其基本方法是在勘探靶区的地面上埋放数千乃至上万只地震波传感器(即地震检波器),在海上则是用海洋勘探船拖放数根l_2km长的海上漂缆(漂缆每隔数十米包裹一个地震检波器),然后用炸药或可控震源(在陆地)或高压空气枪(在海上)激发人工地震。地震波向地下深处传播,遇到不同性质地层的分界面就会产生反射,地震检波器拾取到反射波并将其转换成模拟电信号,然后由高精度的数字地震仪把这些模拟电信号转换成数字信号记录下来。野外勘探接收到的大量数据通过室内用高速计算机进行复杂的信号处理和反演计算,才能得到清晰可靠的地下结构图像,最终确定矿产资源的位置和深度。
[0006]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。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Sercel公司的408/428系列、ION公司的SystemlV、Scorpion和Aries II系统、德国DMT公司的Summit系统、美国Seismic Instrument公司的SI系统和美国WesternGeco公司的Uni Q系统等。
[0007] 地震采集系统可分为地震信号的拾取(地震检波器)、地震信号的传输、地震信号的记录与存储三部分。地震采集仪器的发展大约经历下面的过程:(I)全模拟地震仪器系统——第一代电子管仪器和第二代晶体管仪器;(2)主机系统数字记录的实现——第三代数字地震仪;(3)地震电缆数字传输系统——第四代早期遥测地震仪;(4)多种数据传输方式一第五代24位遥测地震仪,国内外主要24位遥测地震仪可分为三类:有线遥测地震仪、无线遥测地震仪、存储式数据回收遥控地震仪。这三类遥测地震仪中,有线遥测地震仪仍占主导地位,占据世界市场的绝大部分份额。这一时代地震仪器的主要特征是在采集系统最重要的部分——采集站中使用了 Λ-Σ 24位ADC技术;在地震采集排列的布置和遥测数据传输方面出现了网络遥测技术和其它一些先进技术;系统具有更完善、快捷、自动化程度高的故障检测和状态测试功能;系统具有较为强大的实时数据分析处理和现场QA/QC功能;整个系统的硬件结构、软件结构,以及系统内部的数据、命令、地址等信息的组织、管理、运行等全面实现了计算机化。如果单纯从数据传输的性质和特点来看,这一代地震仪器主流传输技术仍然以地震电缆的数字传输为特点,但数据传输结构和理论发生了变化,即由普通数据传输发展到网络数据传输。另外,无线数据传输理论与技术也大大向前发展。同时,又出现了新的数据传输类型,即数据存储后人工回收方式、无线蜂窝技术等等。以上都是出现在地面站单元直到主机这一过程中的地震数据传输方式与技术,而另一方面,即检波器的地面振动拾取与信号输出和检波器电缆(小线)中的信号传输仍与第四代遥测地震仪一样,也是模拟信号传输。(5)全数字地震数据传输与记录系统——第六代全数字遥测地震仪,仪器系统结构有重大改变。在全数字遥测地震仪系统中,采集站的概念实际上没有了。原来采集站中地震道部分的电路(包括Λ-Σ 24位ADC和DSP电路等)已分离出来,微化集成到数字地震传感器中,与振动拾取部分(MEMS)传感器紧密结合在一起。因此,传感器本身输出的信号已经是24位数字信号,采集站只保留数据传输、整形、存储,并增加了新型地震传感器的供电、检测、管理等功能。在全数字遥测地震仪系统中,包括各种地震电缆在内的全部地震数据传输环节传输的都是数字信号,不再有模拟地震数据传输。美国I/O公司投入巨额资金,经过十几年的研究,于1999年前后率先推出用于石油地震勘探的数字传感器——VectorSeis三分量数字地震传感器,到2002年又推出了数字地震传感器的
应用平台-主机系统,至此宣告了全数字遥测地震仪-1/O System Four的诞生。法
国Sercel公司于1999年前后率先推出数字地震传感器的应用平台——408UL主机系统,到2002年前后又推出了数字地震传感器——DSU单元。408UL主机系统是法国Sercel公司面向第六代全数字遥测地震仪设计的系统平台,它同时可兼容传统模拟检波器构成当前我们大量使用的408UL24位遥测地震仪系统。美国I/O System Four和法国Sercel 408UL-DSU全数字遥测地震仪的诞生,标志着世界地震勘探仪器的发展开始进入新的一代——第六代。
[0008] 法国Sercel公司是CGG控股从事地震仪器研制的专业公司,具有五十多年的地震仪器制造经验。典型的陆上地震仪器有:SN338、SN368、SN388和目前广泛使用的400系列。
[0009] 408U是Sercel公司九十年代末期推向勘探市场的网络地震仪,采用采集链结构形式使采集站和电缆成为一体。408UL系统率先引入了地震区域网络的概念,其核心思想是把计算机网络节点概念引入到遥测地震仪系统中,从而将遥测仪器系统作为一个计算机网络。主机记录系统、LAUL、LAUX作为网络节点,配合系统软件完成控制和管理。408UL大线数传速率为8.192MHz,交叉线教传速率为16.384MHz,2ms采样率下大线实时传输1000道,交叉线实时传输2000道。与408UL相比,428XL的主机系统和数据传输结构有重大改进,主机结构采用服务器/客户机模式,其大线数传速率为16.384MHz,单线道能力达到了 2000道/2ms,三维实时道能力为10000道/2ms。
[0010] 美国I/O司也是国际知名的地震仪器、可控震源、地震检波器、激发源同步系统等地球物理装备制造商。上世纪八十年代开始涉足地震仪器制造,当时推出的系统-1和系统-1I仪器深受用户欢迎。I/O公司非常重视产品的超前研究,近年来率先推出24位A/D地震仪器,Vectorseis数字检波器(MEMS),使地震仪器两次发生革命性的进步。但其在跟踪用户需求,开发适用性产品方面落后于Sercel公司。I/O公司生产的陆上地震仪器主要包括系统IV, Scorpion和Aries II系统。
[0011] 上世纪90年代随着采用24位模数转换技术地震仪的出现,国内仪器厂组织研发了 GYZ4000、SK-1006等类型的24位高精度遥测地震仪,但在可靠性方面与国外同类仪器相比存在一定的差距,而且功能也没有得到完善,因此没有推广应用。
[0012] 发明内容[0013] 本发明目的在于提供一种能充分发挥现代计算机网络和数字地震仪优势,成本低、功耗低和功能强大的基于计算机网络的数字地震仪。
[0014] 为实现上述目的,本发明基于计算机网络的数字地震仪硬件部分由包括下列八大单元组成:中央控制操作系统、根节点、主节点、基站、电源站、采集链、光缆、大线电缆;中央控制操作系统通过多条绑定的千兆网线与根节点连接;根节点通过多条光缆与主节点连接,并与激发控制器和辅助道连接;多个主节点之间用千兆光缆连接,形成数据传输主干网;主节点通过大线电缆连接基站;基站之间用百兆大线电缆连接,形成数据传输次干网;基站提供多个专用同步传送接口连接采集链和电源站;采集链由多个采集站组成;电源站为采集链供电,实现电源远供;基站具有电源站功能为采集链供电。
[0015] 本发明新型数字地震仪的特点是充分考虑了十万道级数字地震仪的数据传输特点,可以利用了不同的计算机网络满足不同的数据传输要求,能采用千兆光纤完成数据主干网的数据传送,能采用百兆电缆完成数据次干网的数据传送,采能用类令牌网实现数据采集链的实时数据传送,达到了低成本、低功耗,强大功能的最佳配置,能以可靠方式实现十万道级数字地震仪数据传输。与国内外目前地震仪的不同之处是充分利用了计算机网络实现了 一种特有的十万道级的地震采集仪器构架。
[0016] 作为优化,所述中央控制操作系统置于仪器车上,是整个数字地震仪中软件和硬件相结合的主要控制单元,硬件部分由计算机服务器、网络交换机、客户计算机终端、存储设备、显示设备和GPS模块组成;网络交换机连接存储设备、显示设备、GPS模块、计算机服务器和客户终端,计算机服务器再连接根接点。
[0017] 作为优化,中央控制操作系统实现下列功能:
[0018] I)人机交互:运行软件系统,实现人机交互功能,满足操作人员对采集系统的控
制和管理。
[0019] 2)排列控制:通过根节点实现对野外地面排列的控制和管理,包括野外部件的识别和检测。
[0020] 3)采集同步:通过根节点实现激发震源与采集系统的同步采集。
[0021] 4)数据回收:通过根节点实现对野外地面部件采集数据的回收、预处理和存储。
[0022] 5)质量控制:通过绘图仪和屏幕绘图实现质量控制。
[0023] 作为优化,所述根节点由高速数据交换模块、控制模块、激发源控制接口模块、电源模块、辅助道接口模块和GPS模块组成;高速数据交换模块为8 口千兆交换机模块,4 口为RJ45接口,提供两条或四条绑定的千兆网线与中央控制操作系统连接,4 口为光缆接口,提供2条或4条光缆接口与主节点MU和其它野外地面设备连接;控制模块通过中央控制操作系统的指令实现控制高速数据交换模块、激发源控制接口模块和辅助道接口模块;激发源控制接口模块提供与激发源控制器的通信接口 ;电源模块为各模块提供电源支持。
[0024]中央控制操作系统通过两条或四条绑定的千兆网线与根节点连接。根节点的功能与标准的千兆网交换机功能相似,但是增加特有的了智能控制、辅助道接口和同步激发控制接口。
[0025] 作为优化,所述主节点由高速数据交换模块、控制模块、电源模块和GPS模块组成;高速数据交换模块为4 口百兆/千兆交换机模块,2 口为千兆光缆接口,分别连接上一级主节点、根节点和下一级主节点,2 口为百兆RJ45接口分别连接左右两条大线电缆;控制模块根据中央控制操作系统的指令控制高速数据交换模块;电源模块为各模块提供电源支持。主节点之间用千兆光缆连接,形成数据传输主干网。
[0026] 作为优化,所述基站由数据交换模块、控制模块、电源模块、数据接口模块和GPS模块组成;
[0027] 数据交换模块为PowerPC8313CPU内置的2 口百兆交换机模块,为百兆RJ45接口,分别连接上一级基站、主节点和下一级基站;控制模块选用PowerPC8313CPU,根据中央控制操作系统的指令控制数据交换模块和数据接口模块;电源模块为各模块提供电源支持;数据接口模块提供2或4个高速同步传送接口连接采集链和电源站;GPS模块连接控制模块。基站之间用百兆大线电缆连接,形成数据传输次干网。
[0028] 所述基站把12V电压升压48V为采集链供电,实现电源远供,左右两边各供60〜240个采集站;电源站PS把12V电压升压48V为采集链供电,实现电源远供,一个电源站可以左右两边各供30〜60个采集站。即基站具有电源站功能,把12V电压升压48V为采集链供电,实现电源远供,左右两边各供60〜240个采集站。所述电源站把12V电压升压48V为采集链供电,实现电源远供,一个电源站可以左右两边各供30〜60个采集站。
[0029] 作为优化,所述数据接口模块为专用高速同步传送接口由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;所述接口相互串接组成数据传输通道,每个数据传输接口连接30〜120个通道的数字检波器,所以每个基站连接120〜480个通道的数字检波器。
[0030] 作为优化,所述采集链由6个〜12个采集站组成,采集站分为A型和D型二种类型:
[0031] A型采集站为连接模拟检波器,由通信接口、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模块组成;检波器依次连接前置放大模块、A/D转换模块、控制模块和通信接口,控制模块连接GPS模块,并通过D/A转换模块连接前置放大模块;其中控制模块、A/D转换模块、前置放大模块和D/A转换模块组成数字化单元;
[0032] D型采集站为连接MEMS数字检波器,由通信接口、控制模块、ASIC集成电路、MEMS传感器和GPS模块组成;MEMS传感器通过ASIC集成电路连接控制模块,控制模块再连接通信接口和GPS模块;其中控制模块和ASIC集成电路组成数字化单元;
[0033] 采集链之间采用高速同步传送方式进行通信和数据传送。
[0034] 作为优化,所述采集站整体结构由上盖、引出电缆、数字化单元式数字化板、GPS模块、数传接口板、检波器芯体、外壳和尾锥组成;数字化板、数传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,数传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。
[0035] 作为优化,时间同步方式:在网络传输方式,采用GPS授时或用IEEE1588协议实现时间同步;在高速同步传送方式时,采用计算延迟时间方式进行时间同步;
[0036] 采用千兆光纤完成数据主干网的数据传送,采用百兆电缆完成数据次干网的数据传送,采用类令牌网实现数据采集链的实时数据传送。
[0037] 本发明新型数字地震仪的特点是充分考虑了十万道级数字地震仪的数据传输特点,利用了不同的计算机网络满足不同的数据传输要求,采用千兆光纤完成数据主干网的数据传送,采用百兆电缆完成数据次干网的数据传送,采用类令牌网实现数据采集链的实时数据传送,达到了低成本、低功耗,强大功能的最佳配置,能以可靠方式实现十万道级数字地震仪数据传输。与国内外目前地震仪的不同之处是充分利用了计算机网络实现了一种特有的十万道级的地震采集仪器构架。本发明另一大特色是利用多GPS站联合定位技术实现厘米级定位精度。由于GPS单点定位精度较低,一般为± 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。本发明新型地震仪在仪器车和所有野外部件上安装了 GPS模块,更便于进行实时管理和监控。
附图说明
[0038] 图1是本发明基于计算机网络的数字地震仪的电路原理图;
[0039] 图2是本发明基于计算机网络的数字地震仪的中央控制操作系统CCOS电路原理图;
[0040] 图3是本发明基于计算机网络的数字地震仪的根节点RU电路原理图;
[0041] 图4是本发明基于计算机网络的数字地震仪的主节点MU电路原理图;
[0042] 图5是本发明基于计算机网络的数字地震仪的基站BS电路原理图;
[0043] 图6-7是本发明基于计算机网络的数字地震仪的A型和D型两种采集站AS电路原理图;
[0044] 图8是本发明基于计算机网络的数字地震仪的采集站AS结构示意图;
[0045] 图9-10是本发明基于计算机网络的数字地震仪的两种三维采集方式示意图。
[0046] 具体实施方式
[0047] 本发明装置基于计算机网络的数字地震仪的特点是充分考虑了十万道级数字地震仪的数据传输特点,利用了不同的计算机网络满足不同的数据传输要求,采用千兆光纤完成数据主干网的数据传送,采用百兆电缆完成数据次干网的数据传送,采用类令牌网实现数据采集链的实时数据传送,达到了低成本、低功耗、功能强大的最佳配置。与国内外目前地震仪的不同之处是充分利用了计算机网络实现了一种特有的十万道级的地震采集仪器构架。
[0048] 如图1所示,本发明基于计算机网络的数字地震仪由八大单元:中央控制操作系统(仪器车)CC0S、根节点RU、主节点MU、基站BS、电源站PS、采集链AS、光缆FL、大线L组成。中央控制操作系统CCOS通过多条绑定的千兆网线与根节点RU连接;根节点RU通过多条光缆FL与主节点MU和其它野外地面设备连接;多个主节点MU之间用千兆光缆FL连接,形成数据传输主干网;主节点MU通过大线电缆L连接基站BS ;基站BS之间用百兆大线电缆L连接,形成数据传输次干网;基站提供多个专用同步传送接口连接采集链AS和电源站PS ;采集链AS由多个采集站TSU组成;电源站PS为采集链AS供电,实现电源远供;基站BS具有电源站功能为采集链AS供电。
[0049] 如图2所示,所述中央控制操作系统CCOS置于仪器车上,是整个数字地震仪的主要控制单元,软件和硬件相结合。其硬件部分由计算机服务器C4、网络交换机C3、客户计算机终端C5、存储设备(磁盘阵列、磁带机)Cl、显示设备(绘图仪)C2和GPS模块C6组成。计算机服务器C4可以采用曙光PHPC100高性能计算机,标配拥有PHPC100计算模块5套,10个CPU,40G内存,5块146G SAS硬盘,并可以实现3+1冗余电源配置。网络交换机C3选用12 口的高性能网络交换机。客户计算机终端C5选用工业控制级计算机,采用24时液晶屏。磁盘阵列采用5T的RAID5小型磁盘阵列,磁带机可以选用IBM3590磁带机。网络交换机连接存储设备、显示设备、GPS模块、计算机服务器和客户终端,计算机服务器再连接根接点。
[0050] 软件由操作系统软件和控制操作软件等组成。操作系统软件采用Linux和Qt。
[0051] 中央控制操作系统CCOS实现下列功能:
[0052] I)人机交互:运行软件系统,实现人机交互功能,满足操作人员对采集系统的控
制和管理。
[0053] 2)排列控制:通过根节点RU实现对野外地面排列的控制和管理,包括野外部件的识别和检测。
[0054] 3)采集同步:通过根节点RU实现激发震源与采集系统的同步采集。
[0055] 4)数据回收:通过根节点RU实现对野外地面部件采集数据的回收、预处理和存储。
[0056] 5)质量控制:通过绘图仪和屏幕绘图实现质量控制。
[0057] 如图3所示,中央控制操作系统CCOS通过两条或四条绑定的千兆网线与根节点RU连接。根节点RU置于仪器车上,由高速数据交换模块RU1、控制模块RU2、激发源控制接口模块RU3、电源模块RU4、辅助道接口模块RU5和GPS模块C6组成。高速数据交换模块RUl为8 口千兆交换机模块,4 口为RJ45接口,提供两条(或四条)绑定的千兆网线与中央控制操作系统CCOS连接,4 口为光缆接口,提供2条或4条光缆与主节点MU等野外地面设备连接;控制模块RU2选用PowerPC8313CPU,根据中央控制操作系统CCOS的指令控制高速数据交换模块RU1、激发源控制接口模块RU3和辅助道接口模块RU5 ;激发源控制接口模块RU3提供与激发源控制器的通信接口 ;电源模块RU4为各模块提供电源支持。根节点RU的功能与标准的千兆网交换机功能相似,但是多了智能控制、辅助道接口和同步激发控制接口。
[0058] 如图4所示,主节点MU由高速数据交换模块RUl、控制模块RU2、电源模块RU4和GPS模块C6组成,高速数据交换模块RUl为4 口百兆/千兆交换机模块,2 口为千兆光缆接口,分别连接上一级主节点MU(也可以是根节点RU)和下一级主节点MU,2 口为百兆RJ45接口分别连接左右两条大线电缆L ;控制模块RU2选用PowerPC8313CPU,根据中央控制操作系统CCOS的指令控制高速数据交换模块RUl ;电源模块RU4为各模块提供电源支持。主节点MU之间用千兆光缆连接,形成数据传输主干网。
[0059] 如图5所示,基站BS由数据交换模块RUl、控制模块RU2、电源模块RU4、数据接口模块BS4和GPS模块C6组成。
[0060] 控制模块RU2选用PowerPC8313CPU,根据中央控制操作系统CCOS的指令控制数据交换模块RUl和数据接口模块BS4 ;数据交换模块RUl利用PowerPC8313CPU内置的2 口交换机模块,分别连接上一级基站BS (也可以是主节点MU)和下一级基站BS ;电源模块RU4为各模块提供电源支持;数据接口模块BS4提供2或4个专用高速同步传送接口连接采集链AS和电源站PS。GPS模块连接控制模块。
[0061] 所述数据接口模块为专用高速同步传送接口由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。所述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30〜120个通道的数字检波器,所以每个基站可以连接120〜480个通道的数字检波器。基站之间用百兆大线电缆连接,形成数据传输次干网。
[0062] 电源站把12V电压升压48V为采集链供电,实现电源远供。一个电源站可以左右两边各供60〜240个采集站。所述基站还可把12V电压升压48V为采集链供电,左右两边各供40〜60个采集站。
[0063] 如图6-7所示,所述采集链AS由若干个出个〜12个)采集站组成,采集站分为A型和D型二种类型:
[0064] A型采集站为连接模拟检波器,由通信接口 Al、控制模块RU2、A/D转换模块A3、前置放大模块A4、检波器A5、D/A转换模块A6和GPS模块C6组成。其中通信接口 Al与基站BS中的专用高速同步传送接口相对应;控制模块RU2有C51嵌入式CPU和FPGA等组成;前置放大模块A4、A/D转换模块A3和D/A转换模块A6分别采用Cirrus Logic公司的CS3301A/CS3302A、CS5373A 和 CS5378A 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24位模数转换,并提供4、2、1、0.5、或0.25的采样率。检波器依次连接前置放大模块、前置放大模块、控制模块,控制模块再连接通信接口、GPS模块和通过D/A转换模块连接前置放大模块。其中控制模块、A/D转换模块、前置放大模块和D/A转换模块组成数字化单元。
[0065] D型采集站为连接MEMS数字检波器,由通信接口 Al、控制模块RU2、ASIC集成电路D3、MEMS传感器D4和GPS模块C6组成。采集链(站)(AS)之间采用专用高速同步传送方式进行通信和数据传送。MEMS传感器通过ASIC集成电路连接控制模块,控制模块再连接通信接口和GPS模块;其中控制模块和ASIC集成电路组成数字化单元。
[0066] 如图8所示,采集站整体结构由上盖R1、引出电缆R2、数字化单元式数字化板R3、GPS模块C6、数传接口板R5、检波器芯体R6、外壳R7和尾锥R8组成。数字化板、数传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,数传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。
[0067] 由于GPS单点定位精度较低,一般为± 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。本新型地震仪在仪器车和所有野外部件上安装了 GPS模块,便于进行实时管理和监控。
[0068] 中央控制操作系统CCOS、根节点RU、主节点MU、基站BS和采集站中的GPS模块选用Fastrax公司IT03 OEM GPS接收模块,特点是尺寸小(22x23x2.7mm)、功耗超低(< 95mffi2.7V)、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。
[0069] 根节点RU、主节点MU和基站BS中的控制模块均选用PowerPC8313CPU,一方面是选用同样的CPU有利于开发和成本控制,另一方面PowerPC8313 CPU符合IEEE1588协议,有利于采用IEEE1588协议实现时间同步。
[0070] 时间同步方式:在网络传输方式,采用GPS授时或用IEEE1588协议实现时间同步;在高速同步传送方式时,采用计算延迟时间方式进行时间同步。[0071] 如图9所示,三维地震勘探测线布设实例1:设高密度单检波器勘探,要求测线方向为1000道检波器,检波器间距为10m,共有100条测线,共计参与采集的检波器道数为10万道。设每个基站的采集道数为2X 180道,则在测线方向需要3个基站组成1080道,测线长度为10790m。纵向需要100条测线,总共需要3000个基站和6000个电源站。
[0072] 如图10所示,三维地震勘探测线布设实例2:设高密度单检波器勘探,要求测线方向为1000道检波器,检波器间距为10m,共有100条测线,共计参与采集的检波器道数为10万道。设每个基站的采集道数为8X60道,则在测线方向需要17个基站组成1020道,测线长度为10190m。纵向需要100条测线,总共需要425个基站。
[0073] 由于充分考虑了十万道级数字地震仪的数据传输特点,利用了不同的计算机网络满足不同的数据传输要求,整个架构设计非常灵活,还可以设计出很多种三维地震勘探测线布设方案。

Claims (10)

1.一种基于计算机网络的数字地震仪,其特征在于硬件部分由包括下列八大单元组成:中央控制操作系统、根节点、主节点、基站、电源站、采集链、光缆、大线电缆;中央控制操作系统通过多条绑定的千兆网线与根节点连接;根节点通过多条光缆与主节点连接,并与激发源控制器和辅助道连接;多个主节点之间用千兆光缆连接,形成数据传输主干网;主节点通过大线电缆连接基站;基站之间用百兆大线电缆连接,形成数据传输次干网;基站提供多个专用同步传送接口连接采集链和电源站;采集链由多个采集站组成;电源站为采集链供电,实现电源远供;基站具有电源站功能为采集链供电。
2.根据权利要求1所述基于计算机网络的数字地震仪,其特征在于所述中央控制操作系统置于仪器车上,是整个数字地震仪中软件和硬件相结合的主要控制单元,硬件部分由计算机服务器、网络交换机、客户计算机终端、存储设备、显示设备和GPS模块组成;网络交换机连接存储设备、显示设备、GPS模块、计算机服务器和客户计算机终端,计算机服务器再连接根接点。
3.根据权利要求2所述基于计算机网络的数字地震仪,其特征在于中央控制操作系统实现下列功能: 1)人机交互:运行软件系统,实现人机交互功能,满足操作人员对采集系统的控制和管理; 2)排列控制:通过根节点实现对野外地面排列的控制和管理,包括野外部件的识别和检测; 3)采集同步:通过根节点实现激发源与采集系统的同步采集; 4)数据回收:通过根节点实现对野外地面部件采集数据的回收、预处理和存储; 5)质量控制:通过绘图 仪和屏幕绘图实现质量控制。
4.根据权利要求1所述基于计算机网络的数字地震仪,其特征在于所述根节点由高速数据交换模块、控制模块、激发源控制接口模块、电源模块、辅助道接口模块和GPS模块组成;高速数据交换模块为8 口千兆交换机模块,4 口为RJ45接口,提供两条或四条绑定的千兆网线与中央控制操作系统连接,4 口为光缆接口,提供2条或4条光缆接口与主节点和其它野外地面设备连接;控制模块通过中央控制操作系统的指令实现控制高速数据交换模块、激发源控制接口模块和辅助道接口模块;激发源控制接口模块提供与激发源控制器的通信接口 ;电源模块为各模块提供电源支持。
5.根据权利要求1所述基于计算机网络的数字地震仪,其特征在于所述主节点由高速数据交换模块、控制模块、电源模块和GPS模块组成;高速数据交换模块为4 口百兆/千兆交换机模块,2 口为千兆光缆接口,分别连接上一级主节点、根节点和下一级主节点,2 口为百兆RJ45接口分别连接左右两条大线电缆;控制模块根据中央控制操作系统的指令控制高速数据交换模块;电源模块为各模块提供电源支持。
6.根据权利要求1所述基于计算机网络的数字地震仪,其特征在于所述基站由数据交换模块、控制模块、电源模块、数据接口模块和GPS模块组成; 数据交换模块为PowerPC8313CPU内置的2 口百兆交换机模块,为百兆RJ45接口,分别连接上一级基站、主节点和下一级基站;控制模块选用PowerPC8313CPU,根据中央控制操作系统的指令控制数据交换模块和数据接口模块;电源模块为各模块提供电源支持;数据接口模块提供2或4个高速同步传送接口连接采集链和电源站;GPS模块连接控制模块;所述基站把12V电压升压48V为采集链供电,实现电源远供,左右两边各供60〜240个采集站;电源站把12V电压升压48V为采集链供电,实现电源远供,一个电源站可以左右两边各供30〜60个采集站。
7.根据权利要求6所述基于计算机网络的数字地震仪,其特征在于所述数据接口模块为专用高速同步传送接口由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,鬼对供电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;所述专用高速同步传送接口相互串接组成数据传输通道,每个专用高速同步传送接口连接30〜120个通道的数字检波器,所以每个基站连接120〜480个通道的数字检波器。
8.根据权利要求1所述基于计算机网络的数字地震仪,其特征在于所述采集链由6个〜12个采集站组成,采集站分为A型和D型二种类型: A型采集站为连接模拟检波器,由通信接口、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模块组成;检波器依次连接前置放大模块、A/D转换模块、控制模块和通信接口,控制模块连接GPS模块,并通过D/A转换模块连接前置放大模块;其中控制模块、A/D转换模块、前置放大模块和D/A转换模块组成数字化单元; D型采集站为连接MEMS数字检波器,由通信接口、控制模块、ASIC集成电路、MEMS传感器和GPS模块组成;MEMS传感器通过ASIC集成电路连接控制模块,控制模块再连接通信接口和GPS模块;其中控制模块和ASIC集成电路组成数字化单元; 采集链之间采用高速同步传送方式进行通信和数据传送。
9.根据权利要求1所述基于计算机网络的数字地震仪,其特征在于所述采集站整体结构由上盖、引出电缆、数字化单元式数字化板、GPS模块、数传接口板、检波器芯体、外壳和尾锥组成;数字化板、数传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,数传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。
10.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述基于计算机网络的数字地震仪,其特征在于时间同步方式:在网络传输方式,采用GPS授时或用IEEE1588协议实现时间同步;在高速同步传送方式时,采用计算延迟时间方式进行时间同步; 采用千兆光纤完成数据主干网的数据传送,采用百兆电缆完成数据次干网的数据传送,采用类令牌网实现数据采集链的实时数据传送。
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