CN102353983A

CN102353983A - 便携式山地无线地震勘测系统

Info

Publication number: CN102353983A
Application number: CN2011101813551A
Authority: CN
Inventors: 亢俊健; 李明亮; 康辉英
Original assignee: Shijiazhuang University of Economics
Current assignee: Shijiazhuang University of Economics
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明公开了一种便携式山地无线地震勘测系统，其由上位机和与所述上位机无线通讯采集器构成；所述采集器包括检波器、数据采集模块、主控制模块、GPS模块和第一无线传输模块；所述上位机包括计算机和与所述计算机双向连接的第二无线传输模块。本发明采用上位机实现人机交互，无线网络的启动和配置，使野外采集器组成自组织网络，实现数据的传输；所述的采集器实现数据的采集、数据转换、数据存储和上传的功能。本发明所述系统体积质量小，非常适合于复杂山地的地质勘探，可以节省大量的人力物力，并能提高工作效率。

Description

便携式山地无线地震勘测系统

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术，具体应用于油、气、煤和其它矿产资源的地质勘探，能够对人工或自然地震数据进行采集、存储和传输的便携式山地无线地震勘测系统。

背景技术

地震仪是地震勘探中用人工爆炸或用其他可控震源激发地震波，并记录它在地面引起的振动位移的仪器。地震勘探法目前仍是在陆地和海洋勘探石油和天然气的主要手段，同时也是其它矿产资源的的重要勘探方法。并广泛用于研究地球内部结构、工程勘探和检测、地质灾害预测方面。当可控源产生的地震波遇到不同波阻抗的地层时将发生反射、折射等现象，此时通过地面上所安装的测量仪器接收、记录弹性波的数据并转换为高精度数字采样流，采集后用计算机分析处理，从而推断出地下的地质构造。

根据复杂山地地震采集的需求，当前盛行的地震仪系统庞大复杂，随着采集道数的增多，电缆线会变得越来越笨重，其在复杂山区因运输携带不便、布设困难等原因极大地影响了施工效率，使其采集工作难以开展。

地震仪必须具有高精度的数据采集、时间同步、记录存储等功能。

目前，地震仪采用的数据传输方式主要包括有线传输方式和无缆存储式地震仪。有线地震仪是由有线系统发送指令和传送数据。地面震动传感器（检波器）通过多芯电缆线（大线）将模拟信号传至主机系统。因模拟电压信号在电缆线中存在着幅度衰减、道间相互串扰、以及天电和工频电干扰等问题；此外，随着道数的增多，大线会变得十分笨重以至十难以实现更多采集道数，因而在应用中受到限制，尤其在复杂的山区，要付出大量的人力和物力。

无缆存储式地震仪采用采集站的形式来实现。采集站与检波器间仍采用有线的方式予以数据采集，通过采集站收集检波器的模拟信号并储存。施工完成后，采集站的数据通过有线或无线的方式传输至PC机进行处理分析。这种地震仪虽然摆脱了大线的束缚，但这种方式的实时性较差，无法监测环境质量，无法实时观察地震波的质量，若采集数据存在的误差较大，需要再次地震取样的程序较为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种体积小质量轻、灵活性好、定位准确、同步精度高、传输速度快、存储能力强、功耗低的便携式山地无线地震勘测系统，实现了上位机与采集器之间的数据传输及实时控制，能够提高勘探质量、降低野外工作的劳动强度，适合于复杂山地的石油、煤、气等地质矿产资源的勘测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种便携式山地无线地震勘测系统，其由上位机和与所述上位机无线通讯的采集器构成；

所述采集器包括检波器、数据采集模块、主控制模块、GPS模块和第一无线传输模块；

所述数据采集模块由自检模块、滤波网络、模拟开关、前置放大和A/D转换器构成；所述自检模块的相应输出端分别接检波器、滤波网络、模块开关和A/D转换器的相应输入端；检波器的输出端依次经滤波网络、模拟开关和前置放大接A/D转换器；

所述主控制模块包括ARM9模块、与ARM9模块双向连接的Flash和SDRAM；所述ARM9模块与A/D转换器双向连接；

所述GPS模块和第一无线传输模块分别与ARM9模块双向连接；

所述主控制模块还包括SD存储卡，所述SD存储卡与ARM9模块双向连接。

所述上位机包括计算机和与所述计算机双向连接的第二无线传输模块。

所述采集器还包括网路接口和USB接口，所述网路接口和USB接口分别与主控制模块双向连接。

优选的，所述检波器采用动圈式检波器。

上述技术方案中，上位机用于人机交互、存储记录及处理地震数据；人机交互包括初始化参数设置、系统状态的实时监控、地震波形实时显示、测线管理、日志记录控制和地震资料的回放管理；采集器实现地震数据的采集、数据转换、数据存储和数据上传的功能。上位机与采集器通过第一、第二无线传输模块实现无线通讯。无线传输模块主要负责网络的启动和配置，对安装在野外的采集器建立网络连接，形成自组织网络；第一无线传输模块中设置大容量存储卡，采集的地震数据存储在笔记本中，同时也保存在所述大容量存储卡里，实现数据冗余，以防数据丢失造成的不必要损失。同时存储卡里的数据可以方便携带，提高了数据共享的便利性。

采用上述技术方案产生的有益效果在于：1）在野外复杂山地利用GPS与RTC相结合的技术解决大面积采集器数据采集的同步问题，采集数据的误差很小；2）本发明每个采集器均有收发的功能，直接用采集器来实现数据的无线传输，也就是每个采集器都具备路由的功能，无线传输采用具有自组织网功能的无线传输方式来实现，网络中没有固定的路由器，每个节点都可以自由移动并以任意方式优化组网，实现了无线化的需求，使地震勘测系统小型化，便于携带；3）本发明的系统体积小、质量小，适于复杂山地的地质勘探，可以节省大量的人力物力，并能提高工作效率。

附图说明

图1是本发明的采集器的硬件连接图。

具体实施方式

参看图1，本实施例由实现人机交互、数据处理及数据收发功能的上位机和与所述上位机无线通讯的实现地震数据的采集、数据转换、数据存储和数据上传的功能的采集器构成；所述上位机包括计算机和与所述计算机双向连接的第二无线传输模块。

所述计算机如笔记本，主要用于人机交互、存储记录及处理地震数据。人机交互包括初始化参数设置、系统状态的实时监控、地震波形实时显示、测线管理、日志记录控制和地震资料的回放管理，这些功能通过编写的应用软件实现，所述应用软件的基本操作使用Vc++实现，涉及的数据库用MySQL实现。

第二无线传输模块与笔记本采用USB连接，该模块主要负责网络的启动和配置，对安装在野外的采集器建立网络连接，形成自组织网络；第二无线传输模块中设置大容量存储卡，采集的地震数据存储在笔记本中，同时也保存在所述大容量存储卡里，实现数据冗余，以防数据丢失造成的不必要损失。所述大容量存储卡里的数据可以方便携带，提高了数据共享的便利性。

所述采集器包括检波器、数据采集模块、主控制模块、GPS模块和第一无线传输模块；所述数据采集模块由自检模块、滤波网络、模拟开关、前置放大和A/D转换器构成；所述自检模块的相应输出端分别接检波器、滤波网络、模块开关和A/D转换器的相应输入端；检波器的输出端依次经滤波网络、模拟开关和前置放大接A/D转换器；

所述主控制模块包括ARM9模块、与ARM9模块双向连接的Flash、SDRAM和SD存储卡；所述ARM9模块与A/D转换器双向连接；

所述GPS模块和第一无线传输模块分别与ARM9模块双向连接。

所述第一无线传输模块和第二无线传输模块的型号均采用CC2430芯片。该芯片的尺寸只有7×7mm，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA 或25 mA；在休眠模式时仅0.9 μA 的流耗，外部的中断或RTC 能唤醒系统；在待机模式时少于0.6 μA 的流耗，外部的中断能唤醒系统。由上述片构成的无线网络没有固定的路由器，网络中的节点可随意移动并能以任意方式互相通信。可以通过采用优化的接力路由算法实现远距离、大范围的采集器与上位机中无线收发模块的快速通讯；当采集器在直接连通区域（即在无线收发信号覆盖范围内）时每个采集器可以直接和上位机通讯；当采集器在直接连通区域外时，就需要通过优化算法来选择路径进行接力传输。

所述检波器采用动圈式检波器。检波器的主要功能是将地震事件转换为电信号。采用爆炸物或可控震源激发地震波，地震波通过各种结构的地层向地层深处传播，当遇到波阻抗不同的界面时产生反射波，检波器将引起的地面震动转变为电信号，然后传输到数据采集模块。

所述数据采集模块负责完成地震数据的采集及存储，并提供必要的测试自检功能。所述自检模块的信号发生器芯片型号是AD9850；所述滤波网络是模拟滤波网络：用UAF42滤波芯片实现50Hz陷波；用运算放大器TL072、电阻、电容和开关芯片4052构成高切滤波器和低切滤波器，高切可以切掉60Hz、120Hz、240Hz、1000Hz四个档位的干扰及噪声；低切可以切掉6Hz、12Hz、24Hz、48Hz四个档位的干扰及噪声；前置放大电路选择的是CS3301A放大器；模拟开关使用芯片4052实现。 A/D转换器采用24位A/D转换芯片CS5371A，CS5371A是CirrusLogic公司专为地球物理勘探而设计的AD套片，其最大动态范围为127dB215HzBW，谐波失真为-118dB，每个通道的功耗仅为25mW，而其自身还提供功耗控制功能，在空闲时可进入低功耗模式，将功耗降为每通道1mW。所述检波器的输出信号经滤波网络去除信号中的噪声，并通过高精度仪器前置放大将有效信号放大至A/D转换器的有效范围内。模拟开关完成采集电路工作状态的设置，即正常采集或系统自检测试状态。24位A/D转换器实现有效信号的模数转换，输出送至ARM9模块的定时/计数器。自检子模块通过输入标准信号实现对环境本底、滤波网络及A/D转换器功能的检测，以保证每次采集数据的有效性。

所述主控制模块采用基于Windows CE的操作系统。其中ARM9模块型号为S3C2410AL-20，工作频率203MHz。其数据存储单元为两片SDRAM内存，型号为HY57V561620BT-H；一片NandFlash存储芯片，型号为U-K9F1208UDM-YC80；一片Nor Flash存储器芯片，型号为29VL800；一张容量为4G的SD卡。

所述主控模块分别与所述GPS模块、第一无线传输模块双向连接；无线传输模块采用动态路由的方式实现数据的无线传输。无线传输模块采用支持自组网的网络设备。自组织网络没有固定的路由，网络中的节点可以随意移动并能以任意方式互相通讯。每一个节点都能实现路由器的功能在网络中搜寻维护到另一个节点的路由。本发明用野外采集器来实现地震波的采集与无线传输的，即每个采集器都具有路由的功能。每个节点可以随意移动并能以任何方式优化组网实现相互通讯。任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性和健壮性。所述无线网络采用支持自组织网络的ZigBee技术。

系统的同步通过GPS授时与RTC结合的方式实现。

每个采集器配有GPS模块，采集器自身可以实现静态自定位，水平精度可达到厘米级，因此取代了很多地质测量工作，提高了野外施工效率，并为后续地震数据处理提供高精度的位置信息。本实施例中，GPS选用Fastrax公司IT03 OEM GPS接收模块，尺寸小（22x23x2.7mm）、超低功耗（<95mW 2.7V）、灵敏度高（-156dBm (跟踪)）、精确的1PPS授时信号输出可以达到RMS20ns的精度而且价格低廉。此外，采集器通过GPS授时和高精度实时时钟RTC相结合的技术实现野外地震数据同步采集，在GPS定位成功时，利用GPS秒脉冲同步数据采集；当GPS卫星信号失锁时，则通过校准过的RTC计时系统，获取精确时标，同步所有采集器的数据采集。

本发明还包括电源模块，所述电源模块主要由大容量锂电池、电源管理芯片、LCD显示及USB接口组成，主要是对采集器各部分提供合适的电源以及对电池的充电。电源管理芯片使用DS2438芯片，DS2438芯片完成对5V电池当前各种状态的监测，包括当前电池的充/放电状态、电压、电流、温度、剩余电量等参数的监测。5V电池到系统所需电压（1.8V、3.3V和5V）的转换通过低压差电压调节器LM1117实现。

采用上述技术方案时，首先在野外勘探区布置上位机。上位机包括笔记本电脑和一个与其用USB连接的第一无线通讯模块——无线收发存储器。在上位机中安装一套完整的地震数据采集系统测控软件，主要实现对系统状态的实时监控、地震波形实时显示、测线管理、日志记录控制和地震资料的回放管理等；同时通过软件，实现对上位机的电源管理和网络设备监控功能

然后，布置采集器。在勘探区布置多个采集器，采集器与上位机之间采用自组织网络的无线数据传输方式。

其操作主要包括：

1、测线布置，由于本系统中没有笨重的电缆，总体重量大大减轻，而且没有电缆长度的限制，非常适合复杂山地的施工布置。考虑确定激发药量、激发井深等激发因素和采集器组合方式和埋置方式等接收因素；采集器的位置坐标可用GPS确定。

2、系统自检，布设后启动开关打开电源；系统进行自检和GPS定位；向上位机发送自检结果和坐标信息；上位机发送指令使采集器进入关机状态，关机结束时间设定在预计布设完成所有采集器的时间；所有采集器在设定的时间同时进入休眠状态，等待开机指令。

3、自组织网网络组建，所有的采集器布设完成后，通过上位机将所有的采集器切换到工作状态，通过上位机与现场的所有采集器进行组网通讯。在上位机的管理软件中将可以进行监控所有的设备组网情况，当所有设备均处于正常的网络通讯状态中后，可进行下一步操作。

4、触发与采集，所有采集器布设完成后，先发送数据传送指令，设定数据传送方式；然后发送数据定时同步采集指令进行同步定时启动，按同步时间记录数据。

5、数据上传，采集完后由上位机端发送命令停止采集。如需将数据上传，可在上位机设置发送命令后自动上传所需时间段内的数据，上传完毕后自动停止传输。

6、上位机处理数据，当所有的数据上传完成之后，即可在上位机中使用软件进行地震数据的处理。

本实施实例中的主要技术指标：

1、A/D转换器：24位

2、瞬时动态范围：大于120db

3、采样率：10μs～10ms

4、共模抑制比：≥120dB

5、数据采集方式：定时、触发、连续可选

6、时间同步方式：GPS授时,RTC同步时钟

7、同步精度：±20μs

8、无线传输波段：ISM

9、无线传输距离：75米

10、工作功耗：小于300mA

11、等待功耗：20μA

12、供电方式：5VDC

13、环境温度：－20℃～80℃；环境湿度：<70%

14、采集器外形尺寸：φ58×168（mm）

15、采集器重量：1Kg

综上，采用上述技术方案产生的有益效果在于：1）采集器体积小、质量轻，方便携带、布置；2）采集器与上位机之间无线通讯，省去了大量的线缆，利于在复杂的山地环境中应用。

Claims

1.一种便携式山地无线地震勘测系统，其特征在于由上位机和与所述上位机无线通讯的采集器构成；

所述GPS模块和第一无线传输模块分别与ARM9模块双向连接；

2.根据权利要求1所述的便携式山地无线地震勘测系统，其特征在于所述主控制模块还包括SD存储卡，所述SD存储卡与ARM9模块双向连接。

3.根据权利要求1所述的便携式山地无线地震勘测系统，其特征在于所述采集器还包括网路接口和USB接口，所述网路接口和USB接口分别与ARM9模块双向连接。

4.根据权利要求2所述的便携式山地无线地震勘测系统，其特征在于所述检波器采用动圈式检波器。