CN102466814A - 无线遥测地震仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线遥测地震仪系统，为解决现有无线遥测地震仪使用范围小和施工效率低问题，其由中央控制操作系统CCOS和通过VHF多信道载波数据接收和发送的通信方式与之相连的采集站AS组成。能多套组合后实现采集道数无限扩展。其实现了数据准实时回传，解决了常规有线地震仪器重量大、人工成本高、HSE风险大、电缆维修工作量大和施工效率低等问题，提高了无线遥测地震仪的使用范围和施工效率。主要优势：(1)解决了常规无线地震仪仪器道数限制问题；(2)延长了采集站的工作时间；(3)提高了采集灵活性和效率；(4)利用无线遥测进行采集站工作状态监测和设置，随时了解采集站的工作状态。

Description

无线遥测地震仪系统

技术领域

本发明涉及一种地震勘探与地震检测设备，特别是涉及一种无线遥测地震仪系统。 

技术背景

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。 

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。 

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System IV、Scorpion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。 

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。但这些仪器均存在由于无线数据传输带宽不足而限制了仪器道数等问题，所以较少投入实际使用。 

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同步放炮等命令，但不接收数据，不监视采集站的工作状态。 

常规无线遥测地震仪的最大缺点是数据传输速率不足，限制了地震仪器采集的数据通道，所以不能满足3D地震采集的需要，这也是目前基本没有无线遥测地震仪投入实际使用 的原因。 

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种无线遥测地震仪系统。它是克服了传统无线系统由于传输速率不足限制了数据采集道数等缺点，实现了万道级并能进行实时控制和实时采集数据回收的数字地震仪采集系统。 

为实现上述目的，本发明无线遥测地震仪系统由中央控制操作系统CCOS和通过VHF多信道载波数据接收和发送的通信方式与之相连的采集站AS组成。本发明装置无线遥测地震仪系统，由二大单元组成：中央控制操作系统CCOS和采集站AS。它充分利用连接二大单元的VHF多信道载波的数据接收和发送技术实现了地震仪的无线遥测。它是克服了传统无线系统由于传输速率不足限制了数据采集道数等缺点，实现了万道级并能进行实时控制和实时采集数据回收的数字地震仪采集系统。 

作为优化，中央控制操作系统CCOS包括网络交换机和与之级连的计算机服务器及VHF通信部件，其网络交换机再连接存储设备(或者磁盘阵列、磁带机)、显示设备(或者绘图仪)和多个并列的客户计算机终端，计算机服务器再连接GPS模块。它的硬件部分由存储设备(磁盘阵列、磁带机)、显示设备(绘图仪)、网络交换机、计算机服务器、客户计算机终端、VHF通信部件、GPS模块等组成。 

作为优化，中央控制操作系统CCOS独立配置或者配置在仪器车上；中央控制操作系统CCOS与所述硬件相结合的软件有操作系统软件和控制操作软件，用于控制整个数字地震仪的工作状态，实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收和质量控制功能。中央控制操作系统CCOS经常置于仪器车上，在复杂地区也可以采用人工搬运方式，它软件和硬件相结合，控制整个数字地震仪的工作状态。它软件由操作系统软件和控制操作软件等组成，实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收和质量控制等功能。 

VHF通信部件用于建立与采集站AS之间的控制和数据传送；在地震勘探常规采集方式下，利用VHF多信道接收和发送技术，VHF通信部件在允许时间范围内(约1分钟)可以完成1000-2500个采集站的管理和数据传送(原始数据)任务、或完成2000-10000个采集站的管理和数据传送(数据无损压缩)任务。 

作为优化，操作系统软件采用Linux和Qt，控制操作软件与硬件配套，并且共同实现下列功能： 

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：通过无线遥测实现对野外地面排列的控制和管理，包括野外各部件的识别和检测； 

3)采集同步：通过无线遥测实现激发震源与采集系统的同步； 

4)数据回收：通过无线遥测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。 

作为优化，采集站AS包括控制器和与之相连的VHF通信部件，控制器再与地震传感器、GPS模块和姿态传感器相连； 

其中VHF通信部件提供单信道的数据接收和发送，建立与中央控制操作系统CCOS之间的联系；GPS模块提供位置信息，支持时间同步；姿态传感器提供采集站的运动状态，当由于外力干扰使得采集站不在设定的埋置位置时，及时通知中央控制操作系统CCOS。 

即采集站AS由控制器、地震传感器、VHF控制部件、GPS模块和姿态传感器等组成。其中的VHF通信部件提供单信道的数据接收和发送，建立与中央控制操作系统CCOS之间的联系；GPS模块提供位置信息，有时也支持时间同步；姿态传感器提供采集站的运动状态，当由于外力干扰使得采集站不在设定的埋置位置时，及时通知中央控制操作系统CCOS，便于操作员及时进行处理。 

作为优化，控制器采用OMAP3530或OMAPL138，地震传感器采用MEMS数字地震传感器，VHF通信部件采用1PPS授时信号输出达到RMS20nS的Fastrax公司IT03 OEM GPS接收模块，姿态传感器采用ADXL345 3D MEMS姿态传感器。 

作为优化，多套并列的无线遥测地震仪系统组合后实现地震数据采集道数的无限扩展。本发明装置通过组合后可以实现地震数据采集道数的无限扩展，成为一台能适应各种复杂环境的高可靠性地震仪。 

作为优化，组合方式是各套中央控制操作系统CCOS通过有线或者无线通信方式连接在一起；或者各套中央控制操作系统CCOS通过有线或者无线通信方式共同连接一台独立的中央控制操作系统CCOS。 

作为优化，所述有线或者无线通信方式为VHF多信道载波数据接收和发送的通信方式。 

作为优化，利用无线遥测地震仪上的无线遥测模块接收和发送指令，从而实现采集站AS与中央控制操作系统CCOS之间的数据通信，实现对采集站的控制和管理，常用的控制指令和工作状态返回信息有： 

(1)开机指令，返回开机状态：CCOS发送开机指令，采集站收到开机指令后使得处于休眠状态的采集站进入记录状态，准备采集数据，并向CCOS返回开机状态，说明开机成功。 

(2)休眠指令：除保持CPU处于最低状态下和保持无线通信处于待机状态下外，关闭其他所有电路，等待开机指令。 

(3)关机指令：关机指令有时间参数T，表示除保持CPU处于待机状态下外，关闭其他所有电路，在T分钟后主动转为休眠状态，等待开机指令。 

(4)采集参数设置指令：该指令对采集站设置采集参数，包括采样率、记录长度、前置放大器增益、数据存放格式等。 

(5)数据定时同步采集指令(有两种形式)： 

①GPS时间同步采集指令：该指令有参数T，命令采集站在T时间开始，按事先设置的采样间隔和记录长度进行数据采集。T为年月时分秒格式的时间。 

②无线发送同步指令：采集站收到指令后，即开始采集，采样间隔和采集长度事先设置。 

(6)电源状态指令，返回电源状态：CCOS发送电源状态查询指令，采集站返回电源状态。当电源管理模块发现电源只能工作XXX分钟时，将自动发送电源状态到CCOS，其中XXX可以事先用指令设定。 

(7)GPS采集指令，返回GPS坐标：CCOS发送GPS坐标采集指令，所有采集站将同步采集GPS坐标，便于在室内进行多GPS站联合定位处理。 

(8)姿态传感器指令，返回状态：CCOS发送指令，当采集站位置发生明显变动时，返回GPS坐标，使操作员可以及时跟踪采集站的位置变化。 

(9)采集单元检测指令，返回采集单元状态：CCOS发送采集单元检测指令，采集站收到后完成采集单元检测，并返回采集单元状态信息。 

(10)数据传送指令：按事先设计的时间片分配安排，通知特定的采集站分批回传数据。 

无线遥测地震仪施工流程(以炸药激发地震勘探为例)： 

在决定某一区块需要进行地震勘探后，常规流程是：①根据地质要求先进行观测系统设计；②对激发和接收因素进行试验，确定最佳方案；③进行测量工作，把所有检波器和炮点位置用木桩和小旗做好标记；④布设采集设备；⑤放炮激发采集数据；⑥数据处理和分析。而无线遥测地震仪的施工流程为： 

(1)根据地质要求先进行观测系统设计：由于无线遥测地震仪没有笨重的电缆，总体重量大大减轻，而且没有电缆长度的限制，使得地震勘探观测系统的设计更加灵活。 

(2)对激发和接收因素进行试验，确定最佳方案：在实际施工中，需要激发几十甚至上百炮确定激发药量、激发井深等激发因素和检波器组合方式和埋置方式等接收因素。 

(3)测量工作：与常规地震勘探不同之处是无需把所有检波器和炮点位置用木桩和小旗做标记，只需要对控制点做标记，大部分点可以借助普通GPS进行定位，或利用控制点进行目测定位即可，精确的坐标可由采集站中的GPS确定，这将大大降低测量成本，减少工作量，提高工作效率。 

(4)布设采集设备：由于无线遥测地震仪没有笨重的电缆的限制，采集站的布设就非常简单。布设后按启动开关打开电源；采集站进行自检和GPS定位；向CCOS发送自检结果和坐标信息(向CCOS报到)；CCOS发关机指令使采集站进入关机状态，关机结束时间设定在预计布设完所有采集站的时间；所有采集站在设定的时间同时进入休眠状态，等待开机指令。 

(5)放炮激发采集数据：一旦所有采集站布设完成后(当然炸药激发等其他准备工作均已经就绪)，发送数据定时同步采集指令进行定时启动放炮，按同步时间记录数据，大大提高施工效率。 

(6)回收数据：当一张记录完成后，CCOS根据接收机的带宽容量对采集站数据按时间分片分批进行回收，回收完成后进入下一炮的准备，同时在CCOS进行数据编排，计算GPS网络系统高精度坐标，生成SPS文件。 

(7)数据处理和分析：采用与常规处理一样的数据处理和分析方法。 

本系统的最大特点是在中央控制操作系统(仪器车)CCOS引入了多信道载波的无线遥测功能，实现了数据的准实时回传。解决了常规有线地震仪器重量大、人工成本高、HSE 风险大、电缆维修工作量大和施工效率低等问题，同时也解决了常规无线地震仪数据传输速率不足限制了仪器道数的问题，大大提高了无线遥测地震仪的使用范围和施工效率。主要优势表现在：(1)利用多信道载波的无线遥测实现地震仪的控制和数据传送，实现了万道级的地震仪器采集系统，经过简单的组合还可以实现地震数据采集道数的无限扩充；(2)利用无线遥测完成无缆地震采集站开机、关机和休眠状态的转换，并可以随时了解电源工作状态，这大大降低了电源的损耗，延长了采集站的工作时间；(3)利用无线遥测完成地震数据的同步采集和数据回收，从而可以满足地震采集数据质量实时监控的要求，大大提高采集的灵活性和效率；(4)利用无线遥测进行采集站工作状态监测和设置，随时了解采集站的工作状态。 

附图说明

图1是本发明无线遥测地震仪的电路原理图； 

图2是本发明无线遥测地震仪中央控制操作系统CCOS的电路原理图； 

图3是本发明无线遥测地震仪采集站AS的电路原理图。 

具体实施方式

如图所示，本发明无线遥测地震仪(基于无线遥测的新型数字地震仪系统)引入了VHF多信道载波的数据接收和发送技术，实现了数字地震仪的无线遥测，克服了传统无线系统由于传输速率不足限制了数据采集道数等缺点。实现了万道级并能进行实时控制和实时采集数据回收的数字地震仪采集系统。本发明装置由中央控制操作系统CCOS和采集站AS二大单元组成(见图1)。更确切地说是：由中央控制操作系统CCOS和通过VHF多信道载波数据接收和发送的通信方式与之相连的采集站AS组成。 

中央控制操作系统CCOS实施方案：参见附图2，中央控制操作系统CCOS经常置于仪器车上(在复杂地区也可以采用人工搬运方式)，控制整个数字地震仪的工作状态，软件和硬件相结合。硬件部分由存储设备(磁盘阵列、磁带机)C1、显示设备(绘图仪)C2、网络交换机C3、计算机服务器C4、客户计算机终端C5、VHF通信部件C6和GPS模块C7等组成。软件由操作系统软件和控制操作软件等组成，实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收和质量控制等功能。更具体是：中央控制操作系统CCOS包括网络交换机C3和与之级连的计算机服务器C4及VHF通信部件C6，其网络交换机C3再连接存储设备C1、显示设备C2和多个并列的客户计算机终端C5，计算机服务器C4再连接GPS模块C7。 

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)C1和显示设备(绘图仪)C2根据不同的需要可以选择不同档次的产品，但要求稳定可靠，适应野外工作环境。

根据数字地震仪系统向采集站传送指令控制数据量较小，而采集数据上传数据量巨大的特点，VHF通信部件C6需要专门进行设计，采用单信道发送机广播发送指令和多信道接收机接收采集数据，从而可以完成1000-2500个采集站的管理和数据传送(准实时方式)、或完成2000-10000个采集站的管理和数据传送(包括数据无损压缩)。 

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，控制操作软件根据硬件设计而进行相应研发。并且实现下列功能： 

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：通过无线遥测实现对野外地面排列的控制和管理，包括野外各部件的识别和检测。 

3)采集同步：通过无线遥测实现激发震源与采集系统的同步。 

4)数据回收：通过无线遥测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。 

采集站AS实施方案：参见附图3，采集站AS由控制器A1、地震传感器A2、VHF通信部件C6、GPS模块C7和姿态传感器A5等组成。更确切地说：采集站AS包括控制器A1和与之相连的VHF通信部件C6，控制器A1再与地震传感器A2、GPS模块C7和姿态传感器A5相连。控制器A1可以采用OMAP3530或OMAPL138，负责整个采集站的控制和管理；地震传感器A2采用MEMS数字地震传感器、动圈式数字地震检波器或其他类型的数字地震检波器；VHF通信部件C6提供单信道的数据接收和发送，建立与中央控制操作系统CCOS之间的联系；GPS模块C7提供位置信息，有时也支持时间同步，可以选用Fastrax公司IT03 OEM GPS接收模块，特点是尺寸小(22x23x2.7mm)、功耗超低(＜95mW2.7V)、灵敏度非常高(-156dBm(跟踪))、精确的1PPS授时信号输出可以达到RMS20nS的精度和价格低廉；姿态传感器A5提供采集站的运动状态，当由于外力干扰使得采集站不在设定的埋置位置时，及时通知中央控制操作系统CCOS，便于操作员及时进行处理，可以选用ADXL345 3D MEMS姿态传感器。 

VHF通信部件C6用于建立与采集站AS之间的控制和数据传送。在地震勘探常规采集方式下，利用VHF多信道接收和发送技术，VHF通信部件C6在允许时间范围内(约1分钟)可以完成1000-2500个采集站的管理和数据传送(原始数据)、或完成2000-10000个采集站的管理和数据传送(数据无损压缩)。 

本发明无线遥测地震仪系统实施如下施工流程： 

(1)根据地质要求先进行观测系统设计：由于无线遥测地震仪没有笨重的电缆，总体重量大大减轻，而且没有电缆长度的限制，使得地震勘探观测系统的设计更加灵活。 

(2)对激发和接收因素进行试验，确定最佳方案：在实际施工中，需要激发几十甚至上百炮确定激发药量、激发井深等激发因素和检波器组合方式和埋置方式等接收因素。 

(3)测量工作：与常规地震勘探不同之处是无需把所有检波器和炮点位置用木桩和小旗做标记，只需要对控制点做标记，大部分点可以借助普通GPS进行定位，或利用控制点进行目测定位即可，精确的坐标可由采集站中的GPS确定，这将大大降低测量成本，减少工作量，提高工作效率。 

(4)布设采集设备：由于无线遥测地震仪没有笨重的电缆的限制，采集站的布设就非常简单。布设后按启动开关打开电源；采集站进行自检和GPS定位；向CCOS发送自检结果和坐标信息(向CCOS报到)；CCOS发关机指令使采集站进入关机状态，关机结束时间设定在预计布设完所有采集站的时间；所有采集站在设定的时间同时进入休眠状态，等待开机指令。 

(5)放炮激发采集数据：一旦所有采集站布设完成后，发送数据定时同步采集指令进行定时启动放炮，按同步时间记录数据，大大提高施工效率。 

(6)回收数据：当一张记录完成后，CCOS根据接收机的带宽容量对采集站数据按时间分片分批进行回收，回收完成后进入下一炮的准备，同时在CCOS进行数据编排，计算GPS网络系统高精度坐标，生成SPS文件。 

(7)数据处理和分析：采用与常规处理一样的数据处理和分析方法。 

本系统的最大特点是在中央控制操作系统(仪器车)CCOS引入了多信道载波的无线遥测功能，实现了数据的准实时回传。解决了常规有线地震仪器重量大、人工成本高、HSE风险大、电缆维修工作量大和施工效率低等缺点，同时也解决了常规无线地震仪数据传输 速率不足限制了仪器道数的问题，大大提高了无线遥测地震仪的使用范围和施工效率。实现了地震仪的无线遥测。 

Claims (10)

1.一种无线遥测地震仪系统，其特征在于由中央控制操作系统CCOS和通过VHF多信道载波数据接收和发送的通信方式与之相连的采集站AS组成。

2.根据权利要求1所述无线遥测地震仪系统，其特征在于中央控制操作系统CCOS包括网络交换机和与之级连的计算机服务器及VHF通信部件，其网络交换机再连接存储设备、显示设备和多个并列的客户计算机终端，计算机服务器再连接GPS模块。

3.根据权利要求2所述无线遥测地震仪系统，其特征在于中央控制操作系统CCOS独立配置或者配置在仪器车上；中央控制操作系统CCOS与所述硬件相结合的软件有操作系统软件和控制操作软件，用于控制整个数字地震仪的工作状态，实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收和质量控制功能；

VHF通信部件用于建立与采集站AS之间的控制和数据传送；在地震勘探常规采集方式下，利用VHF多信道接收和发送技术，VHF通信部件在允许时间范围内能完成1000-2500个采集站的管理和数据传送任务、或完成2000-10000个采集站的管理和数据传送任务。

4.根据权利要求3所述无线遥测地震仪系统，其特征在于操作系统软件采用Linux和Qt，控制操作软件与硬件配套，并且共同实现下列功能：

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：通过无线遥测实现对野外地面排列的控制和管理，包括野外各部件的识别和检测；

3)采集同步：通过无线遥测实现激发震源与采集系统的同步；

4)数据回收：通过无线遥测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。

5.根据权利要求1所述无线遥测地震仪系统，其特征在于采集站AS包括控制器和与之相连的VHF通信部件，控制器再与地震传感器、GPS模块和姿态传感器相连；

其中：控制器负责整个采集站的控制和管理；VHF通信部件提供单信道的数据接收和发送，建立与中央控制操作系统CCOS之间的联系；GPS模块提供位置信息，支持时间同步；姿态传感器提供采集站的运动状态，当由于外力干扰使得采集站不在设定的埋置位置时，及时通知中央控制操作系统CCOS。

6.根据权利要求5所述无线遥测地震仪系统，其特征在于控制器采用OMAP3530或OMAPL138，地震传感器采用MEMS数字地震传感器，VHF通信部件采用1PPS授时信号输出达到RMS20nS的Fastrax公司IT03 OEM GPS接收模块，姿态传感器采用ADXL345 3D MEMS姿态传感器。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述无线遥测地震仪系统，其特征在于多套并列的无线遥测地震仪系统组合后实现地震数据采集道数的无限扩展。

8.根据权利要求7所述无线遥测地震仪系统，其特征在于组合方式是各套中央控制操作系统CCOS通过有线或者无线通信方式连接在一起；或者各套中央控制操作系统CCOS通过有线或者无线通信方式共同连接一台独立的中央控制操作系统CCOS。

9.根据权利要求8所述无线遥测地震仪系统，其特征在于所述有线或者无线通信方式为VHF多信道载波数据接收和发送的通信方式。

10.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述无线遥测地震仪系统，其特征在于通过无线遥测模块接收和发送指令，从而实现采集站AS与中央控制操作系统CCOS之间的数据通信，实现对采集站的控制和管理，常用的控制指令和工作状态返回信息有：

(1)开机指令，返回开机状态：CCOS发送开机指令，采集站收到开机指令后使得处于休眠状态的采集站进入记录状态，准备采集数据，并向CCOS返回开机状态，说明开机成功；

(2)休眠指令：除保持CPU处于最低状态下和保持无线通信处于待机状态下外，关闭其他所有电路，等待开机指令；

(3)关机指令：关机指令有时间参数T，表示除保持CPU处于待机状态下外，关闭其他所有电路，在T分钟后主动转为休眠状态，等待开机指令；

(4)采集参数设置指令：该指令对采集站设置采集参数，包括采样率、记录长度、前置放大器增益、数据存放格式等；

(5)数据定时同步采集指令：

①GPS时间同步采集指令：该指令有参数T，命令采集站在T时间开始，按事先设置的采样间隔和记录长度进行数据采集；T为年月时分秒格式的时间；

②无线发送同步指令：采集站收到指令后，即开始采集，采样间隔和采集长度事先设置；

(6)电源状态指令，返回电源状态：CCOS发送电源状态查询指令，采集站返回电源状态。当电源管理模块发现电源只能工作XXX分钟时，将自动发送电源状态到CCOS，其中XXX可以事先用指令设定；

(7)GPS采集指令，返回GPS坐标：CCOS发送GPS坐标采集指令，所有采集站将同步采集GPS坐标，便于在室内进行多GPS站联合定位处理；

(8)姿态传感器指令，返回状态：CCOS发送指令，当采集站位置发生明显变动时，返回GPS坐标，使操作员可以及时跟踪采集站的位置变化；

(9)采集单元检测指令，返回采集单元状态：CCOS发送采集单元检测指令，采集站收到后完成采集单元检测，并返回采集单元状态信息；

(10)数据传送指令：按事先设计的时间片分配安排，通知特定的采集站分批回传数据。

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