CN102288989A - 单舱球组合式宽频带海底地震仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单舱球组合式宽频带海底地震仪，涉及地震技术，用于海底天然地震观测。包括功能舱、地震计舱、脱钩机构和沉耦架。脱钩机构固定在功能舱的塑料上壳顶部与沉耦架通过耐腐蚀拉紧钢丝连接，仪器回收时，通过电腐蚀原理熔断钢丝后，功能舱和地震计舱自然上浮回收。本发明采用地震计与海底直接接触的耦合方式，优化耦合性能，减少了由于海水涌动引起的水平信号失真；可实现多用途海底地震探测。与国外多舱球的同类产品相比，结构有显著不同，在重量、体积、成本方面有显著优势。

Description

单舱球组合式宽频带海底地震仪

技术领域

本发明单舱球组合式海底地震仪涉及海底天然地震观测技术领域。

背景技术

中国科学院地质与地球物理研究所是我国研制海底地震仪的主要单位，承担了国内绝大多数的海底地震仪研制任务。十一五”期间在财政部支持的国家重大科研装备研制专项中，中国科学院地质与地球物理研究所自主研制的七通道多功能宽带海底地震仪打破了国外对我国海底宽频带地震仪的垄断，并在南海、黄海、渤海进行了成功地应用，取得了大量的宝贵的科学数据。2009年4月，利用我们自主研制的宽带海底地震仪，我国首次在深水海区(4300米)记录到天然地震数据。

目前以美国为代表的发达国家已经普遍在进行海底天然地震观测，对海底数字地震仪性能指标的要求也越来越高。经国外的长期研究发现，工作在海水环境中的海底地震仪与在地面上工作时存在较大的差异。天然地震信号的频率在0.01-10Hz之间，海底地震仪与海床的耦合情况对地震观测的数据质量有非常明显的影响，同时海水的涌动对仪器工作时记录的水平信号产生很大影响。主要表现在两个方面：

(1)海底地震仪对海床的压强越小，耦合的情况越好，换言之，仪器的密度与海水密度越接近，记录效果越好。

(2)由于海床的振动与海水的运动不一致，海底地震仪在记录信号时会受到由此产生的附加力矩的影响，仪器的高度越高等效的附加力臂越长，影响越显著。

我们前期发明的海底地震仪将地震计置于玻璃舱球内部，玻璃舱球通过塑料外罩与沉耦架耦合，沉耦架与地面耦合。通过层层耦合，海水的影响被舱壳、沉耦架等相关部件放大。很难保证足够的耦合强度，会对天然地震记录带来很大的不利影响。实际应用证实该结构具有显著的缺陷。

美国的Woods Hole Oceanogaphic Institution(WHOI)和ScrippsInstitution of Oceanography(SIO)(对大陆禁运)其姿控宽带地震计设计采用悬臂梁外挂地震计的方式，使得地震计直接工作在海床上(见图6)。为了远离锚体和浮球，悬臂梁需要一定的长度，避免外在条件对其产生扭矩影响，地震计放在一个独立的舱球中。为了提供足够的浮力必须采用多球结构(4至8个舱球)，使得其重量达到了数百公斤以上，制作成本也大大增加，单台的价格接近100万元。同时其海上投放回收的施工的难度也有所增加。

综上所述，目前国内我们前期研制的海底地震仪采用地震计安装在玻璃舱球内的一体化结构，不能很好的抵御海水流动对其的冲击，记录信号失真严重。而国外的宽带海底地震仪的结构由于重量与成本的原因，并不适合于我国目前的经济条件与观测条件。

本发明针对目前国内所使用的海底地震仪的设计缺陷进行了改进与创新，设计了地震计密封舱挂接于海底地震仪底部的连接方式，在完善仪器的性能指标方面有很大提高。我国领海中四大海区中除南海以外，渤海、黄海、东海的平均水深都小于100米，在这种浅海海底环境下进行天然地震观测尽量消除海水流动带来的不利影响是观测的最为关键的关键技术。本申请就是针对此项关键技术研制的海底地震观测装备，在我国的广阔领海具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是公开一种单舱球组合式宽频带海底地震仪，是在前期研制的宽带海底地震仪的基础上，对地震计的安装方式进行了创新与改进，地震计可以独立地与海底耦合，在完善仪器的性能指标方面有很大的提高。并且扩展了仪器的通用性和组装的互配性。工作量上有了大幅度的缩减，测试和应用的操作更加简单方便，可以满足海洋科学研究与深水油气探测的需要。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种单舱球组合式宽频带海底地震仪，包括功能舱、地震计舱、脱钩机构、沉耦架；其沉耦架为框状，中心设有刚性圆环，圆环以四根钢梁呈十字状与边框固接，钢梁和边框固接处设有导流筒；导流筒为两端开口的通筒，固接于边框上；边框上表面设有多个钢爪，每个钢爪有一拉紧螺栓；

地震计舱包括保护罩、地震计密封舱，地震计密封舱内有常平机构和地震计，钟状保护罩，开口向下，开口边缘与刚性圆环上表面连接；

功能舱下端与保护罩顶端外表面固接；地震计密封舱上端以多根线缆悬吊于保护罩顶端内表面，地震计密封舱下端掉出保护罩开口，与导流筒底端平齐；

保护罩开口直径与沉耦架中心刚性圆环直径相适配；

脱钩机构位于功能舱上端，以可熔断拉紧钢丝与沉耦架边框固接，将功能舱、保护罩定位于沉耦架中心刚性圆环上表面；

功能舱与地震计之间，以水密电缆电连接，水密电缆分别穿过功能舱、保护罩、地震计密封舱侧壁。

所述的单舱球组合式宽频带海底地震仪，其所述功能舱和保护罩之间，是由多根螺栓固接。

所述的单舱球组合式宽频带海底地震仪，其所述沉耦架的导流筒，直径120mm，高度150mm，在仪器下沉过程中对海水进行导流，使得仪器在下沉时尽量保持垂直姿态，控制下沉速度，确保仪器可以平稳着地；若海底地面为硬质地面，刚性的沉耦架可与地面很好的耦合，若海底为软质沙地，则导流筒部位因压强大，陷入到软底中，成为仪器在海底工作中很好的抗底流基座，抵御横向海水流动的冲击，而接近仪器底部的时候沉耦架的面积变大，避免了仪器整体继续下陷的可能性。

所述的单舱球组合式宽频带海底地震仪，其所述功能舱和地震计舱为独立单元，功能舱记录地震信号、监测地震计的工作状态，为海底地震仪提供释放信号，完成仪器自动上浮指令的发送和接收；地震计密封舱内部装有宽频带地震计或高频检波器等不同频带的地震计，实现不同需求的海底地震观测；两者分开组装的方式，可实现交换式组装，缩短装配时间，减少封球次数，为大规模生产海底地震仪缩短了生产周期，减少了工作量。

本发明采用地震计与海底直接接触的耦合方式，优化耦合性能，减少了由于海水涌动引起的水平信号失真；可实现多用途海底地震探测。与国外多舱球的同类产品相比，结构有显著不同，在重量、体积、成本方面有显著优势。

附图说明

图1为本发明的单舱球组合式宽频带海底地震仪剖视图；

图2为本发明的单舱球组合式宽频带海底地震仪脱钩机构示意图；

图3为本发明的单舱球组合式宽频带海底地震仪脱钩机构的熔断钢丝绕线示意图；

图4为本发明的单舱球组合式宽频带海底地震仪总结构示意图；

图5为本发明的单舱球组合式宽频带海底地震仪沉耦架示意图；

图6为国外海底地震仪结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种单舱球组合式宽频带海底地震仪，包括功能舱、地震计舱、脱钩机构和沉耦架，功能舱的玻璃舱球顶部装有水声压力传感器，内部装有组合电源、水声通讯模块、无线信标机、GPS、电子罗盘等。功能舱的玻璃舱球顶部装有水声压力传感器，内部装有组合电源、水声通讯模块、无线信标机、GPS、电子罗盘等，均可在外部调试完毕，组装一体放入玻璃舱球内，塑料舱壳分为上下半舱，通过螺栓压紧内部的玻璃舱球，玻璃舱球也分为上下半球，接缝处通过胶泥密封，外部缠有3M胶带保护胶泥，以达到密封效果，确保海底地震仪在海底长时间工作。脱钩机构固定在功能舱外部的塑料舱壳的上部与沉耦架通过耐腐蚀拉紧钢丝连接，仪器回收时，通过海水电腐蚀原理熔断钢丝后，功能舱和地震计舱自然上浮回收。其中：

所述的海底地震仪，其所述的内部结构一体化是功能舱内部的电池组通过电池组上盖的O型圈和电池组托盘的O型圈被压紧在玻璃舱球内来固定，在上下玻璃半球压紧的过程中O型圈产生一定的压缩量，并与玻璃内壁产生摩擦力，达到固定电池组的目的，使得电池组不易侧歪和松动。这种安装固定方式，避免了以往在固定内部结构时使用与玻璃球内壁用粘合剂粘接的方式，造成的玻璃球内壁破损的现象发生。电池组上盖留有螺纹孔，用于固定控制板，控制板完成对电池组的充电功能，控制板上面焊接有姿态传感器、无线信标机、罗盘等检测模块，用于监测仪器舱内地震计的工作状态。水声电路控制板固定在玻璃舱球内部顶端的螺栓下面，螺栓属原装玻璃舱球自带，用于固定水声压力传感器。电池组合和控制板均可在玻璃仪器舱球外进行组装、调试，然后将测试完成的整体器放进玻璃舱球下半球内，然后盖上玻璃舱球上半球通过玻璃舱球挤压O型圈来固定内部装置。

宽频带地震计与常平机构在舱壳外组装在一起，通过螺栓固装在地震计密封舱舱内，地震计密封舱通过三根线缆挂接在保护罩端面，这种软连接的方式使得地震计密封舱可以在海底工作时，脱离周围部件的震颤带来的不利影响。保护罩通过四根螺栓与功能舱的塑料舱壳下壳连接，电路部分通过水密电缆相连，使仪器能够记录天然地震信号和人工震源信号，并通过功能舱进行释放回收等控制功能。

所述的海底地震仪，其所述的组合式安装方式是功能舱和地震计舱作为独立单元，而不是集地震计和控制部分于一体都组装在一个玻璃球内，那样不能实现不同地震计的互换，且装配时间长，互配性差。这种组合式装配方式，其电路部分通过水密电缆相连，功能舱主要功能是记录地震信号、监测地震计的工作状态，为海底地震仪提供释放信号，完成仪器自动上浮指令的发送和接收。作为独立的功能舱，下部可以配有全姿态宽带地震计或全姿态高频检波器等不同频带的地震计，均可以实现不同需求的海底地震观测。地震计舱的保护罩通过螺栓固定在功能舱下面，组合成单舱球组合式海底地震仪，实现交换式组装，可以缩短装配时间，减少封球次数，为大规模生产海底地震仪缩短了生产周期，减少了工作量。

所述的海底地震仪，其所述沉耦架(见图5)，采用表面附着防锈漆的钢铁材料焊接制成，在沉耦架中心焊接一圆环，用于放置海底地震仪，中心镂空，使得地震计可以直接坐落在海底，与地面直接接触。仪器在海底工作过程中，沉耦架为其提供稳定的基座，减少被海底的污泥陷住的可能性。

在沉耦架的四周焊接有四个直径120mm，高度150mm的导流筒，在仪器下沉过程中对海水进行导流，使得仪器在下沉时尽量保持垂直姿态，控制下沉速度，确保仪器可以平稳着地。并为地震仪在海底工作提供稳定的基座，仪器上浮后，沉耦架丢弃在海水中。

请参阅图1～图5所示，为本发明的单舱球组合式海底地震仪结构示意图。其中，塑料上壳1、塑料下壳2、螺栓3、地震计舱上盖4、托盘5、弧形底座6、地震计7、水声压力传感器8、真空气嘴9、水声电路控制板10、频闪灯11、GPS天线12、正极13、锁紧螺母14、压丝垫片15、不锈钢镙柱16、镙杆支撑板17、脱钩滑块18、绕丝钉19、不锈钢吊钩20、绕丝固定板21、负极22、负极保护套23、熔断钢丝24、电路控制板25、O型圈26、电池组托板27、水密电缆28、电池组29、电池组上盖30、拉紧钢缆31、钢爪32、碟形母33、导流筒34、拉紧螺栓35、功能舱36、玻璃舱球37、胶泥38、常平机构39、熔断钢丝熔断点(两处)40、塑料板41、弹簧筒42、销钉43、支撑柱44、地震计舱底45、配重环46、加固板47、地震计密封舱48、保护罩49、线缆50。

本发明的单舱球组合式海底地震仪由功能舱36、地震计密封舱48、脱钩机构(见图2)和沉耦架(见图5)四部分组成。

一、功能舱：

功能舱4是海底地震仪可回收部分，它是由外部的塑料舱壳和玻璃舱球组成，我们选用VITROVEX公司生产的耐压6000米水深的17英寸玻璃舱球，在水中可以提供25KG的浮力。内部固装有组合电源、水声通讯模块、数据采集、无线信标机、GPS、电子罗盘等，内部装置总重量不超过8KG。塑料舱壳分为上下半舱，通过螺栓压紧内部的玻璃舱球；玻璃舱球也分为上下半球，接缝处通过胶泥密封，外部缠有3M胶带保护胶泥，以达到密封效果，确保海底地震仪在海底长时间工作，玻璃仪器舱球内部主要包括：

(1)水声通讯模块(请参阅专利申请：“七通道多功能海底地震仪”，申请号为200810117385.4)

接收甲板上发送的释放指令码，反馈给控制板，完成仪器上浮的控制指令发送。

(2)采集器系统(请参阅专利申请：“七通道多功能海底地震仪”，申请号为200810117385.4)

对地震计三个通道和水声压力传感器进行信号采集与存储。其功耗仅有0.2W，可以满足长期海底观测的需要。

(3)组合电源

海底地震仪电池采用锂电池，每套仪器安装12枚。内置的电源管理模块能实时地监督电池的电能储量，当能量低于某一预定值，地震仪会关闭除了水声通信之外的所有耗电设备，使地震仪在海底滞留一年以上的时间仍能正常回收。

(4)数据提取(请参阅专利申请：“七通道多功能海底地震仪”，申请号为200810117385.4)

OBS中内嵌了USB接口模块与PC机进行高速数据交换，能在不打开舱球的前提下，以较高的速度(2M字节/秒)实现OBS的数据提取。

(5)无线数传模块(请参阅专利申请：“七通道多功能海底地震仪”，申请号为200810117385.4)

无线数传模块其发射功率为1～5W，有效距离约5-10Km左右。定位精度可达数十米以内。

(6)频闪灯(请参阅专利申请：“七通道多功能海底地震仪”，申请号为200810117385.4)

当仪器上浮时，频闪灯在黑夜里能有效的指示仪器所在方位方便回收。光源采用发光效率高，穿透性较好的高亮度发光二极管。可以连续工作12小时以上。

二、脱钩机构(请参阅专利申请：“七通道多功能海底地震仪”，申请号为200810117385.4)

脱钩机构(见图2)为双层结构，包括不锈钢镙柱16、镙杆支撑板17、绕丝固定板21，其中，片状环绕丝固定板21和片状环镙杆支撑板17上下平行设置，以多数个不锈钢镙柱16将两者固接，其中两个位于直径上的镙柱16上端伸出固定板21的上表面相互连接，构成吊钩20；镙杆支撑板17内孔直径与塑料仪器舱26顶部外圆直径相适配。

一熔断钢丝24经正极13和顺序经所有的绕丝钉19绕成环，并以锁紧螺母14和绕丝钉19固紧定位，将脱钩滑块18固于固定板21上，熔断钢丝24与两负极22触接；两负极22即是两熔断点40(见图3)。

将海底地震仪置于沉耦架上，以4根拉紧钢缆31缠绕于脱钩滑块18的固接口后，用蝶形母33拉紧拉紧钢丝31，以固定海底地震仪。

在固定海底地震仪后，卸掉脱钩滑块18上的禁锢镙栓，再利用蝶形母33来拉紧钢缆31调整仪器的紧固程度；在仪器回收时利用海水特性，在两熔断点40处进行电腐蚀熔断钢丝24，脱钩滑块18被拉紧钢缆31拉脱开，仪器舱和地震计舱的组合体即利用海水浮力上浮，以便回收。

三、地震计密封舱：

(1)常平机构(请参阅专利申请：“七通道多功能海底地震仪”，申请号为200810117385.4)

设计了利用姿态传感器7和姿态调整电机3对地震计7进行姿态调整的改进方案，通过改进常平装置的结构原理，使得内部地震计的常平动作的保持不需要灌注硅油，不需要呈密封结构，且体积重量均能大大地降低，姿控调整的范围扩展为30度左右。将使海底地震仪在更为复杂的海底地形下正常的工作。最大工作倾斜角度达到了国外同类宽带海底地震仪的水平。

(2)地震计

地震计选用Trillium compact公司生产的宽频带地震计。地震计7与常平机构组装在一起通过螺栓安装于地震计舱壳48内部，通过常平机构调整工作角度，地震计筒壁外环粘接有配重环，配重环上均匀分布着螺纹孔，用于装配螺钉，配置地震计的物理重心。

地震计密封舱通过线缆50软连接挂接在保护罩顶面，保护罩安装在功能舱下面，这种组合式安装为海底地震仪在海底工作提供了很好的耦合方式，较之以往安装在玻璃球内部的地震计，由于受海底地震仪高度、密度、重量等因素的影响，水平信号失真严重，本设计所采用的地震计密度与海水差异较小，且与地面耦合好，不易受塑料舱壳等外在条件影响。

四、沉耦架：

所述沉耦架(见图5)，采用表面附着防锈漆的钢铁材料焊接制成，在沉耦架中心焊接圆环，用于放置海底地震仪，中心是镂空的，使得地震计可以直接坐落在海底。在投放前，通过四根拉紧钢缆31连接脱钩滑块18与沉耦架上的四个钢爪32，通过拉紧螺栓35调紧，从而调节海底地震仪坐落在沉耦架上的禁锢程度。

在沉耦架的四周焊接有四个直径120mm，高度150mm的导流筒，在仪器下沉过程中对海水进行导流，使得仪器在下沉时尽量保持垂直姿态，控制下沉速度，确保仪器可以平稳着地。并为地震仪在海底工作提供稳定的基座，仪器上浮后，沉耦架丢弃在海水中。

其作用还在于，若海底地面为硬质地面，那么钢铁材料制成的沉耦架可以与地面进行很好的耦合，若海底为软质沙地，则四个导流筒部位因压强较大，陷入到软底中，可以成为仪器在海底工作中很好的抗底流基座，抵御横向海水流动的冲击，而接近仪器底部的时候沉耦架的面积变大，避免了仪器整体继续下陷的可能性。

沉耦架属于不回收部分，考虑到它的工作性质，我们选择标准角铁作为主要的加工原料，不但满足了其作为工作基座的刚性和硬度，且大大降低了加工成本。

使用动态过程：

选择好投放地点和方位，把海底地震仪投放到海底，仪器着地后，可用甲板机进行声学定位准确定位。此后内部地震计和数字采集器同时进入工作状态，连续记录海底地震信号，并存储在内部存储器中。

当需要回收仪器时，在该仪器所在的位置附近海域通过声学甲板机发出回收信号，仪器接到信号后，开始熔断钢丝，约5分钟海底地震仪与沉耦架脱离，自动上浮至水面，浮出海面后通过无线发送其所在的位置信息，根据该信息或目测方式确定仪器方位，进行打捞上船。然后提取所记录的数据供分析和研究。

(1)地震计密封舱的挂接结构

与以往设计的海底地震仪不同的是地震计挂接在海底地震仪下部，而不是集控制部分统一装在玻璃舱球内部。地震计数据记录不受功能舱和沉耦架等周围部件的影响，减少了由于海水涌动引起的水平信号的严重失真。

(2)组合式结构设计

功能舱和地震计密封舱作为独立单元组装在一起，其电路部分通过水密电缆相连，功能舱主要功能是记录地震数据、监测地震计的工作状态，为海底地震仪提供释放信号，完成仪器自动上浮指令的发送和接收。作为独立的功能舱，其塑料下壳底部通过软连接的方式挂接地震计密封舱，地震计密封舱如果改装高频检波器，则可以实现主动源的海底地震观测。

这种组合式安装方式，可快速实现地震传感器的切换，缩短装配时间，减少封球次数。同时可缩短海底地震仪生产周期，减少了工作量。

(3)沉耦架的设计

用表面附着防锈漆的钢铁材料焊接制成，在沉耦架中心焊接圆环，用于放置海底地震仪，中心是镂空的，使得地震计可以直接坐落在海底。

在沉耦架的四周焊接有四个直径120mm，高度150mm的导流筒，在仪器下沉过程中对海水进行导流，使得仪器在下沉时尽量保持垂直姿态，控制下沉速度，确保仪器可以平稳着地。并为其在软质海底环境中，抵御海流的横向冲击，起到了稳定作用。

Claims (4)

1.一种单舱球组合式宽频带海底地震仪，包括功能舱、地震计舱、脱钩机构、沉耦架；其特征在于，沉耦架为框状，中心设有刚性圆环，圆环以四根钢梁呈十字状与边框固接，钢梁和边框固接处设有导流筒；导流筒为两端开口的通筒，固接于边框上；边框上表面设有多个钢爪，每个钢爪有一拉紧螺栓；

地震计舱包括保护罩、地震计密封舱，地震计密封舱内有常平机构和地震计，钟状保护罩开口向下，开口边缘与刚性圆环上表面连接；

功能舱下端与保护罩顶端外表面固接；地震计密封舱上端以多根线缆悬吊于保护罩顶端内表面，地震计密封舱下端掉出保护罩开口，与导流筒底端平齐；

保护罩开口直径与沉耦架中心刚性圆环直径相适配；

脱钩机构位于功能舱上端，以可熔断拉紧钢丝与沉耦架边框固接，将功能舱、保护罩定位于沉耦架中心刚性圆环上表面；

功能舱与地震计之间，以水密电缆电连接，水密电缆分别穿过功能舱、保护罩、地震计密封舱侧壁。

2.如权利要求1所述的单舱球组合式宽频带海底地震仪，其特征在于，所述功能舱和保护罩之间，是由多根螺栓固接。

3.如权利要求1所述的单舱球组合式宽频带海底地震仪，其特征在于，所述沉耦架的导流筒，直径120mm，高度150mm，在仪器下沉过程中对海水进行导流，使得仪器在下沉时尽量保持垂直姿态，控制下沉速度，确保仪器可以平稳着地；若海底地面为硬质地面，刚性的沉耦架可与地面很好的耦合，若海底为软质沙地，则导流筒部位因压强大，陷入到软底中，成为仪器在海底工作中很好的抗底流基座，抵御横向海水流动的冲击，而接近仪器底部的时候沉耦架的面积变大，避免了仪器整体继续下陷的可能性。

4.如权利要求1所述的单舱球组合式宽频带海底地震仪，其特征在于，所述功能舱和地震计舱为独立单元，功能舱记录地震信号、监测地震计的工作状态，为海底地震仪提供释放信号，完成仪器自动上浮指令的发送和接收；地震计密封舱内部装有宽频带地震计或高频检波器等不同频带的地震计，实现不同需求的海底地震观测；两者分开组装的方式，可实现交换式组装，缩短装配时间，减少封球次数，为大规模生产海底地震仪缩短了生产周期，减少了工作量。

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