CN102628958A - 有线、无线和无缆三合一数字地震仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有线、无线和无缆三合一数字地震仪，为解决现有地震仪不适宜各种复杂地表和地形的问题，其是把有线遥测数字地震仪、无线遥测数字地震仪和无缆数字地震仪三种仪器进行优化和组合，分为四大部分：中央控制操作系统CCOS、有线遥测采集站AS、无线遥测采集站WAS和无缆采集站CAS；中央控制操作系统CCOS通过网线分别与有线通信根节点RU、无线通信根节点WRU和无缆数据回收单元CDU连接；并通过有线通信根节点RU控制和连接有线遥测采集站，通过无线通信根节点WRU控制和连接无线遥测采集站，通过无缆数据回收单元CDU回收无缆采集站的数据。其充分利用了有线遥测、无线遥测和无缆的优势，能够适用于各种复杂地表和地形，达到了地震勘探测量的施工方案和成本的最佳优化。
Description
技术领域
本发明涉及一种地震仪，特别是涉及一种有线、无线和无缆三合一数字地震仪。
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。这种仪器的特点是重量相对较轻、布设简单，但由于没有数据的实时回收，不能实时对数据质量进行监控，还不能被工业界普遍接受。这类仪器的另一个缺点是每道需要单独供电，意味着需要大量的电池管理工作量。目前主要有东方地球物理公司的GPS授时地震仪、中国科学院地质与地球物理研究所的海底地震仪和金属矿勘探无缆存储式地震仪、吉林大学地球探测科学与技术学院的无缆遥测地震仪、美国ION公司的FireFly无缆地震采集系统、法国Sercel公司的Unite系统、美国Ascend Geo公司的Ultra无缆陆地地震采集系统、美国OYO Geospace公司的GSR系统、美国Fairfield公司的Z系统、美国Seismic Source公司的SIGMA系统。
由于油气和矿产勘探的精度要求越来越高、勘探的地表和地下地质构造条件越来越复杂，勘探的面积也越来越大、要求地震仪器的道数越来越多，用上述单一的有线、无线或无缆地震勘探仪器均不能满足复杂地区的油气地震勘探要求。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种有线、无线和无缆三合一数字地震仪。所以我们需要研制有线、无线和无缆“三合一”的数字地震仪器系统。
为实现上述目标，本发明有线、无线和无缆三合一数字地震仪是把有线遥测数字地震仪、无线遥测数字地震仪和无缆数字地震仪三种仪器进行优化和组合，构成了一种全新的数字地震仪系统，分为四大部分：中央控制操作系统(仪器车)CCOS(Central ControlOperation System)以及与其配用的有线遥测采集站AS(Acquisition Station)、无线遥测采集站WAS(Wireless Acquisition Station)和无缆采集站CAS(Cable-less Acquisition Station)。中央控制操作系统CCOS通过网线分别与有线通信根节点RU(Root Unit)、无线通信根节点WRU(Wireless Root Unit)和无缆数据回收单元CDU(Cable-less Data Unit)连接；并通过有线通信根节点RU控制和连接有线遥测采集站，通过无线通信根节点WRU控制和连接无线遥测采集站，通过无缆数据回收单元CDU回收无缆采集站的数据。
本发明为一种基于有线遥测、无线遥测和无缆“三合一”的新型数字地震仪系统，把有线遥测数字地震仪、无线遥测数字地震仪和无缆数字地震仪三种地震仪进行了优化和组合。充分利用了有线遥测、无线遥测和无缆的优势，使得新型数字地震仪系统适用于各种复杂地表和地形，达到了地震勘探测量的施工方案和成本的最佳优化。
作为优化，所述中央控制操作系统CCOS是整个仪器的控制中心和数据回收中心，实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收、质量控制等功能。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，硬件部分由计算机服务器Server、网络交换机Switch、客户计算机终端PC、存储设备Storage device和绘图设备Plotting equipment等组成。软件由操作系统软件和控制操作软件等组成。中央控制操作系统CCOS通过网线分别与有线通信根节点RU(Root Unit)、无线通信根节点WRU(Wireless Root Unit)和无缆数据回收单元CDU(Cable-less Data Unit)连接；并通过有线通信根节点RU控制和连接有线遥测采集站，通过无线通信根节点WRU控制和连接无线遥测采集站，通过无缆数据回收单元CDU回收无缆采集站的数据。
作为优化，所述有线通信根节点RU由高速交换模块SM(Switch module)、控制模块CM、电源模块PM和GPS模块等组成。根节点RU通过网线与中央控制操作系统CCOS连接，并根据仪器容量的要求提供光缆接口或专用通信接口与采集站等野外地面设备连接。高速交换模块SM提供数据交换功能；控制模块CM根据中央控制操作系统CCOS的指令实现对高速交换模块SM的控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。GPS模块提供位置信息，也支持时间同步。
作为优化，所述无线通信根节点WRU由控制模块CM、电源模块PM、无线发射机Transmitter和无线接收机Receiver和GPS模块等组成；无线通信根节点WRU通过网线与中央控制操作系统CCOS连接，利用单通道无线发射机Transmitter向无线采集站发送控制命令，利用多通道无线接收机Receiver接收无线采集站的数据；控制模块CM根据中央控制操作系统CCOS的指令实现对无线发射机Transmitter和无线接收机Receiver的控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。GPS模块提供位置信息，也支持时间同步。
作为优化，所述无缆数据回收单元CDU由高速交换模块SM、控制模块CM、电源模块PM和数据接口Interface等组成。无缆数据回收单元CDU通过网线与中央控制操作系统CCOS连接，并提供数据接口Interface回收无缆采集站CAS的数据，数据接口Interface可以有多种方式，如以太网、USB、WiFi、蓝牙等。高速交换模块SM、控制模块CM、电源模块PM依次相连，高速交换模块SM连接相互串接(或者级连)的SM数据接口Interface，高速交换模块SM还向外连接中央控制操作系统CCOS。
作为优化，所述有线遥测采集站AS由控制模块CM(Control module)、电源模块PM(Power Module)、(数字)地震传感器Sensor和GPS模块等组成。控制模块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集站AS，具有一个专用接口连接常规检波器或MEMS等传感器Sensor；其中有一个或若干个采集站AS与有线通信根节点RU直接连接，建立有线遥测的通信通道。控制模块CM分别连接电源模块PM(Power Module)、(数字)地震传感器Sensor和GPS模块，控制模块CM还用于串接其它有线遥测采集站AS。
作为优化，所述无线遥测采集站WAS由控制模块CM、电源模块PM、地震传感器Sensor、无线通信设备WU(Wireless Unit)和GPS模块等组成。其中的无线通信设备WU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，也支持时间同步。控制模块CM分别连接电源模块PM、地震传感器Sensor、无线通信设备WU(Wireless Unit)和GPS模块。
作为优化，所述无缆采集站CAS由控制模块CM、电源模块PM、地震传感器Sensor和GPS模块等组成。与无线遥测采集站WAS相比，只是少了无线通信设备WU。
作为优化，所述无线遥测采集站WAS和无缆采集站CAS，我们可以把他们设计为一体，即按无线遥测采集站WAS进行设计和安装，当无线遥测采集站WAS中的无线通信设备WU无法与中央控制操作系统CCOS通信时，自动关闭无线通信设备WU部件，作为无缆采集站CAS采集和接收数据。
作为优化，采用中央控制操作系统CCOS统一进行GPS授时同步，然后在无线遥测采集站WAS和无缆采集站CAS上采用GPS授时进行同步，而在有线遥测采集站AS上(或者有线遥测仪器部分)采用二种同步方案：一是采用GPS授时同步；二是采用IEEE1588协议和利用预算时差进行同步。
采用上述技术方案后，本发明有线、无线和无缆三合一数字地震仪把有线遥测数字地震仪、无线遥测数字地震仪和无缆数字地震仪三种地震仪进行了优化和组合，充分利用了有线遥测、无线遥测和无缆的优势，使得新型数字地震仪系统适用于各种复杂地表和地形，达到了地震勘探测量的施工方案和成本的最佳优化。可广泛用于石油、天然气和煤田等能源勘探和资源矿产勘探、地质工程勘察、地质灾害监测等方面。
附图说明
图1是本发明有线、无线和无缆三合一数字地震仪的原理框图；
图2是本发明数字地震仪的中央控制操作系统CCOS原理框图；
图3是本发明数字地震仪中有线采集站AS原理框图；
图4是本发明数字地震仪中无线采集站WAS和无缆采集站CAS原理框图；
图5是本发明数字地震仪中有线通信根节点RU原理框图；
图6是本发明数字地震仪中无线通信根节点WRU原理框图；
图7是本发明数字地震仪中无缆数据回收单元CDU原理框图。
具体实施方式
如图所示，本发明有线、无线和无缆三合一数字地震仪更确切地说是有线遥测、无线遥测和无缆“三合一”的新型数字地震仪系统，是把有线遥测数字地震仪、无线遥测数字地震仪和无缆数字地震仪三种仪器进行了优化和组合。本系统的最大特点是充分利用了有线遥测、无线遥测和无缆的优势，使得新型数字地震仪系统适用于各种复杂地表和地形，达到了地震勘探施工方案和成本的最佳优化。系统可以分为四大部分(图1)：中央控制操作系统(仪器车)CCOS、有线遥测采集站AS(Acquisition Station)、无线遥测采集站WAS(Wireless Acquisition Station)和无缆采集站CAS(Cable-less AcquisitionStation)。
本发明数字地震仪系统中中央控制操作系统CCOS(见图2)是整个仪器的控制中心和数据回收中心，实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收、质量控制等功能。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，硬件部分由计算机服务器Server、网络交换机Switch、客户计算机终端PC、存储设备Storage device和绘图设备Plotting equipment等组成。软件由操作系统软件和控制操作软件等组成。计算机服务器Server可以采用曙光PHPC200高性能计算机，标配拥有PHPC200计算模块5套，10个多核CPU，160G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Switch选用12口的高性能网络交换机，客户计算机终端PC选用工业控制级计算机，采用24时液晶屏。磁盘阵列采用10T的RAID5小型磁盘阵列，磁带机可以选用IBM3590磁带机。
本发明数字地震仪系统中中央控制操作系统CCOS通过网线分别与有线通信根节点RU(Root Unit)、无线通信根节点WRU(Wireless Root Unit)和无缆数据回收单元CDU(Cable-less Data Unit)连接。并通过有线通信根节点RU控制和连接有线遥测采集站，通过无线通信根节点WRU控制和连接无线遥测采集站，通过无缆数据回收单元CDU回收无缆采集站的数据。
本发明数字地震仪系统中有线遥测采集站AS(图3)由控制模块CM(Control module)、电源模块PM(Power Module)、地震传感器Sensor和GPS模块等组成。控制模块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集站AS，具有一个专用接口连接常规检波器或MEMS等传感器Sensor。其中有一个或若干个采集站AS与有线通信根节点RU直接连接(见图1)，建立有线遥测的通信通道。
本发明数字地震仪系统中无线遥测采集站WAS(见图4)由控制模块CM、电源模块PM、地震传感器Sensor、无线通信设备WU(Wireless Unit)和GPS模块等组成。其中的无线通信设备WU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，也支持时间同步。
本发明数字地震仪系统中无缆采集站CAS(见图4)由控制模块CM、电源模块PM、地震传感器Sensor和GPS模块等组成。与无线遥测采集站WAS相比，只是少了无线通信设备WU。所以对于无线遥测采集站WAS和无缆采集站CAS，我们可以把他们设计为一体，即按无线遥测采集站WAS进行设计和安装，当无线遥测采集站WAS中的无线通信设备WU无法与中央控制操作系统CCOS通信时，自动关闭无线通信设备WU部件，作为无缆采集站CAS采集和接收数据。
本发明数字地震仪系统中有线通信根节点RU(见图5)由高速交换模块SM(Switchmodule)、控制模块CM、电源模块PM和GPS模块等组成。根节点RU通过网线与中央控制操作系统CCOS连接，并根据仪器容量的要求提供光缆接口(或专用通信接口)与采集站等野外地面设备连接。高速交换模块SM提供数据交换功能；控制模块CM根据中央控制操作系统CCOS的指令实现对高速交换模块SM的控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。
本发明数字地震仪系统中无线通信根节点WRU(见图6)由控制模块CM、电源模块PM、无线发射机Transmitter和无线接收机Receiver和GPS模块等组成。无线通信根节点WRU通过网线与中央控制操作系统CCOS连接，利用单通道无线发射机Transmitter向无线采集站发送控制命令，利用多通道无线接收机Receiver接收无线采集站的数据。控制模块CM根据中央控制操作系统CCOS的指令实现对无线发射机Transmitter和无线接收机Receiver的控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。
本发明数字地震仪系统中无缆数据回收单元CDU(见图7)由高速交换模块SM、控制模块CM、电源模块PM和数据接口Interface等组成。无缆数据回收单元CDU通过网线与中央控制操作系统CCOS连接，并提供数据接口Interface回收无缆采集站CAS的数据，数据接口Interface可以有多种方式，如以太网、USB、WiFi、蓝牙等。
本发明有线遥测、无线遥测和无缆“三合一”的新型数字地震仪系统采用中央控制操作系统CCOS统一进行GPS授时同步，然后在无线遥测采集站WAS和无缆采集站CAS上采用GPS授时进行同步，而在有线遥测仪器采用二种同步方案：一是采用GPS授时同步；二是采用IEEE1588协议和利用预算时差进行同步。
Claims (10)
1.一种有线、无线和无缆三合一数字地震仪，其特征在于是把有线遥测数字地震仪、无线遥测数字地震仪和无缆数字地震仪三种仪器进行优化和组合，分为四大部分：中央控制操作系统CCOS、有线遥测采集站AS、无线遥测采集站WAS和无缆采集站CAS；中央控制操作系统CCOS通过网线分别与有线通信根节点RU、无线通信根节点WRU和无缆数据回收单元CDU连接；并通过有线通信根节点RU控制和连接有线遥测采集站，通过无线通信根节点WRU控制和连接无线遥测采集站，通过无缆数据回收单元CDU回收无缆采集站的数据。
2.根据权利要求1所述地震仪，其特征在于所述中央控制操作系统CCOS是整个仪器的控制中心和数据回收中心，实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收、质量控制等功能；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；中央控制操作系统CCOS通过网线分别与有线通信根节点RU、无线通信根节点WRU和无缆数据回收单元CDU连接；并通过有线通信根节点RU控制和连接有线遥测采集站，通过无线通信根节点WRU控制和连接无线遥测采集站，通过无缆数据回收单元CDU回收无缆采集站的数据。
3.根据权利要求1所述地震仪，其特征在于所述有线通信根节点RU由高速交换模块SM、控制模块CM、电源模块PM和GPS模块等组成；根节点RU通过网线与中央控制操作系统CCOS连接，并根据仪器容量的要求提供光缆接口或专用通信接口、与采集站等野外地面设备连接；高速交换模块SM提供数据交换功能；控制模块CM根据中央控制操作系统CCOS的指令实现对高速交换模块SM的控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。
4.根据权利要求1所述地震仪，其特征在于所述无线通信根节点WRU由控制模块CM、电源模块PM、无线发射机Transmitter和无线接收机Receiver和GPS模块等组成；无线通信根节点WRU通过网线与中央控制操作系统CCOS连接，利用单通道无线发射机Transmitter向无线采集站发送控制命令，利用多通道无线接收机Receiver接收无线采集站的数据；控制模块CM根据中央控制操作系统CCOS的指令实现对无线发射机Transmitter和无线接收机Receiver的控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。
5.根据权利要求1所述地震仪，其特征在于所述的无缆数据回收单元CDU由高速交换模块SM、控制模块CM、电源模块PM和数据接口Interface等组成；无缆数据回收单元CDU通过网线与中央控制操作系统CCOS连接，并提供数据接口Interface回收无缆采集站CAS的数据，数据接口Interface包括以太网、USB、WiFi、蓝牙等。
6.根据权利要求1所述地震仪，其特征在于所述有线遥测采集站AS由控制模块CM、电源模块PM、地震传感器Sensor和GPS模块等组成；控制模块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集站AS，具有一个专用接口连接常规检波器或MEMS等传感器Sensor；其中有一个或若干个采集站AS与有线通信根节点RU直接连接，建立有线遥测的通信通道。
7.根据权利要求1所述地震仪，其特征在于所述无线遥测采集站WAS由控制模块CM、电源模块PM、地震传感器Sensor、无线通信设备WU和GPS模块等组成；其中的无线通信设备WU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，也支持时间同步。
8.根据权利要求1所述地震仪，其特征在于所述无缆采集站CAS由控制模块CM、电源模块PM、地震传感器Sensor和GPS模块等组成。与无线遥测采集站WAS相比，只是少了无线通信设备WU。
9.根据权利要求1所述地震仪，其特征在于所述无线遥测采集站WAS和无缆采集站CAS设计为一体，即按无线遥测采集站WAS进行设计和安装，当无线遥测采集站WAS中的无线通信设备WU无法与中央控制操作系统CCOS通信时，自动关闭无线通信设备WU部件，作为无缆采集站CAS采集和接收数据。
10.根据权利要求1或者2或者3或者4或者5或者6或者7或者8或者9所述地震仪，其特征在于采用中央控制操作系统CCOS统一进行GPS授时同步，然后在无线遥测采集站WAS和无缆采集站CAS上采用GPS授时进行同步，而在有线遥测采集站AS上采用二种同步方案：一是采用GPS授时同步；二是采用IEEE1588协议和利用预算时差进行同步。
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