CN102628959B - 系留气球搭载型无线遥测地震仪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种系留气球搭载型无线遥测地震仪系统，为解决复杂地表勘探难问题，其由三大部分组成：中央控制操作系统CCOS、系留气球搭载无线发射/接收站TRCB和无线采集站WAS；系留气球通过系留缆索连接到系留设施平台上，系留缆索具有铜导线作为电力供应线，给搭载在系留气球上的无线发射/接收站TRCB提供电能；在导线的空隙处嵌入光纤，作为中央控制操作系统CCOS和搭载系留气球上的无线发射/接收站TRCB之间的数据传输通道。其充分利用了高空系留气球通信技术和VHF多信道接收技术，使得与采集站WAS之间成为无障碍“可见”，提高了数据通信提供的有效覆盖范围，实现了复杂地表的无线遥测技术，并使无线遥测数字地震仪实现了在复杂地表的实时数据采集和回收。
Description
技术领域
本发明涉及一种地震仪，特别是涉及一种系留气球搭载型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。
系留气球无线电通信已有几十年的历史。限制气球技术发展的两个最大难题是氢气的危险性和没有理想的球体材料，随着高分子复合材料的研制成功和大量氦气源的开发利用，为系留气球技术的发展和应用带来了生机。测控技术、光纤通信及计算机等多项技术的合理采用，又为系留气球技术的日趋完善创造了条件。系留气球从本质上讲是一种运载工具，利用它的浮力作用可以提升长波通信天线，也可构成加载多种设备的空中平台，美、苏即使在具有航天飞机、卫星、各类航空飞行器等强大空问优势的情况下，仍没有放弃系留气球技术的研究和应用，并把系留气球视为重要的补充和应急手段.系留气球的服务领域不仅限于通信.在其它军事和民用方面均有广泛的用途，系留气球以其经济性、可靠性、灵活性、简易性等优点确立了自身的发展地位。
气球是一种无推进装置的轻于空气的航空飞行器，它靠浮升气体产生的静浮力升空。所谓系留气球即利用缆索将升空的气球及其携带的设备系留、悬停在空间一定的位置上。系留气球区别于自由式气球，后者升空后不受限制，可随风飘移。
系留气球通信系统一般由系留气球、系留缆索、系留设施、有效载荷、监测控制和后勤保障设备等若干部分组成。
系留气球囊体内充以密度比空气小的氢气或氦气，根据工作要求提供足够的浮力。球体的外型一般有球型、水滴型和飞艇型。现代的系留气球多设计成飞艇样的流线型，尾部有三或四个尾翼，也称稳定器，排列形式有“十”字型、“Y”型和倒“Y”型几种。这种流线型带尾翼的系留气球能始终迎着风向，最大限度地减小风阻，从而减小地面系留载荷。目前，国外系留气球的容积由几十至上万立方米，长度几米至七十余米，球体的最大直径一般不超过二十米，系留气球的工作空间为对流层，升高高度数百至六千米。
系留缆索的作用是栓系气球，使气球悬停在空中一定高度上并兼有传输信息和供应电力等功能。
系留设施是系统的操作、控制和维护中心。因系留设施的规模和架设要求不同，可分为固定式和移动式两种，移动式又分为车载和船载两种形式。
有效载荷指由气球携带用来执行不同任务的设备，可是各种声、光、电、磁装置，有效载荷悬挂于气球下方的防风罩内。用于通信的有效载荷主要是通信天线、收发信机和转发器等。
监测控制设备用来对气球周围气象环境、气球飞行姿态和有效载荷工作状态进行监测和控制。包括各种传感器、执行控制部件、显示记录和自动管理设备，通过有线和无线信道来实行遥测与遥控。
后勤保障设备包括电力，气源供应及维修工具等，并要求有提供气象预报和实现网内外通信联系的手段和能力。保障设备除建为固定方式外，也可全部建成运载式的，以提高系统的机动性能。
系留气球系统具有覆盖面积大、投资少、效率高、操作护方便和生存能力较强等许多优点。其作为依靠自身浮力支撑的运载工具，与飞机、飞艇、遥控飞行器等相比的突出特点是，留空时间长，可全天候执行任务，提供了一种连续工作的手段。但系留气球也存在自身的弱点和局限性，受恶劣气象和环境条件的限制，必须有可靠的补给保障，适合于在定点或机动性强的区域工作。
目前在地球物理领域还未见系留气球系统的实际应用。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种系留气球搭载型无线遥测地震仪系统。更确切是一种基于系留气球搭载发射站和接收站的无线遥测数字地震仪系统。
为实现上述目的，本发明系留气球搭载型无线遥测地震仪系统由三大部分组成：中央控制操作系统CCOS(Central Control & Operation System)、系留气球搭载无线发射/接收站TRCB(Transmitter & Receiver on Captive Balloon)和无线采集站WAS(WirelessAcquisition Station)；系留气球通过系留缆索连接到系留设施平台上，系留缆索具有铜导线作为电力供应线，给搭载在系留气球上的无线发射/接收站TRCB提供电能；在导线的空隙处嵌入光纤，作为中央控制操作系统CCOS和搭载系留气球上的无线发射/接收站TRCB之间的数据传输通道。系留气球为VHF/UHF通信提供的有效覆盖范围，可以近似地用公式S(km)＝3.57H1/2(m)来计算。工作高度600至6000m的覆盖半径为87至277km，覆盖面积则为2.4至24万平方公里。系留气球通信系统布置灵活，投资少，技术相对简单，便于维修。因为空中电波传播损耗比地面小，相对同一作用范围，系留气球上一台发射机可相当地面若干台发射机的作用。系留气球搭载无线发射/接收站TRCB传送指令无线采集站WAS，无线采集站WAS向系留气球搭载无线发射/接收站TRCB传输采集到的地震数据。
本系统的最大特点是把普通无线遥测仪器的发射站和接收站安装在高空系留气球上，使得与采集站WAS之间成为无障碍“可见”，提高了数据通信提供的有效覆盖范围。实现了复杂地表的无线遥测技术，并使无线遥测数字地震仪实现了在复杂地表的实时数据采集和回收。
作为优化，系留气球搭载的无线发射/接收站TRCB由控制模块CM、电源模块PM、无线发射机T(Transmitter)和多通道无线接收机R(Receiver)和GPS模块等组成；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T和多通道无线接收机R的控制，无线接收机R接收来自中央控制操作系统CCOS的指令和无线采集站WAS的数据，无线发射机T向无线采集站WAS发射来自中央控制操作系统CCOS的指令。GPS模块用于获得和提供定位数据。电源模块为上述负载提供供电。其中：控制模块CM分别连接电源模块PM、无线发射机T(Transmitter)和多通道无线接收机R(Receiver)和GPS模块。
作为优化，多通道无线接收机R为VHF多信道接收机。
作为优化，中央控制操作系统CCOS置于仪器车上或者置于系留设施平台上，软件和硬件相结合，控制整个数字地震仪的工作状态。即本发明装置系留气球搭载型无线遥测地震仪系统中的中央控制操作系统CCOS置于仪器车上(也可以置于系留设施平台上，如车载式的汽车平台上)，控制整个数字地震仪的工作状态。
作为优化，中央控制操作系统CCOS的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、绘图设备Plotting和GPS模块等组成，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；所述系留设施平台优选为车载式的汽车平台。其中网络交换机Switch、计算机服务器Server、GPS模块依次相连，网络交换机Switch再共同连接存储设备Storage、绘图设备Plotting、客户计算机终端PC，计算机服务器Server对外连接系留气球搭载无线发射/接收站TRCB。
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，建立与搭载系留气球上无线发射/接收站TRCB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负责整个采集站的控制和管理；无线通信设备WU提供单信道的数据接收和发送，通过系留气球搭载无线发射/接收站TRCB建立与中央控制操作系统CCOS之间的联系；地震传感器负责地震信号采集。其是控制模块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，所述系留气球为球型、水滴型和飞艇型等形状。
作为优化，所述系留气球可以配有用以保持气球位置稳定性的动力装置。
作为优化，系留缆索具有铜导线作为电力供应线，在导线的空隙处嵌入光纤作为数据传输的通道，外面包有承力纤维和引导雷电的金属网，最外层为起密封、耐磨、防老化作用的护套。
作为优化，所述系留缆索与它们连接的端部都需加装光电旋转连接器；上端连接器可使气球相对系留缆索而运动，不会将任何扭力引入缆索；下端连接器安装在系留缆索的绞盘中心轴上，使接至绞盘的缆索不因绞盘的运动产生扭转。总之，连接器的作用，必须保证系留缆索的各功能线路低损耗、高可靠的通联。
采用上述技术方案后，本发明系留气球搭载型无线遥测地震仪系统充分利用了高空系留气球通信技术和VHF多信道接收技术，使得与采集站WAS之间成为无障碍“可见”，提高了数据通信提供的有效覆盖范围，实现了复杂地表的无线遥测技术，并使无线遥测数字地震仪实现了在复杂地表的实时数据采集和回收。
附图说明
图1是本发明系留气球搭载型无线遥测地震仪系统的示意图；
图2是本发明地震仪系统中系留气球搭载的无线发射/接收站TRCB原理框图；
图3是本发明地震仪系统中的中央控制操作系统CCOS原理框图；
图4是本发明地震仪系统中的无线采集站WAS原理框图。
具体实施方式
如图所示，本发明系留气球搭载型无线遥测地震仪系统为一种基于系留气球搭载发射站和接收站的无线遥测数字地震仪系统(见图1)，其由三大部分组成：中央控制操作系统(仪器车)CCOS(Central Control & Operation System)、系留气球1搭载无线发射/接收站TRCB(Transmitter & Receiver on Captive Balloon)和无线采集站WAS(WirelessAcquisition Station)。本系统的最大特点是把普通无线遥测仪器的发射站和接收站安装在高空系留气球上，使得与采集站WAS之间成为无障碍“可见”，提高了数据通信提供的有效覆盖范围。实现了复杂地表的无线遥测技术，并使无线遥测数字地震仪实现了在复杂地表的实时数据采集和回收。
系留气球1通过系留缆索2连接到系留设施平台上(如车载式的汽车平台上)，系留缆索2具有铜导线作为电力供应线，给搭载在系留气球1上的无线发射/接收站TRCB提供电能。在导线的空隙处嵌入光纤，作为中央控制操作系统CCOS和搭载系留气球上的无线发射/接收站TRCB之间的数据传输通道。
系留气球1通信系统布置灵活，投资少，技术相对简单，便于维修。因为空中电波传播损耗比地面小，相对同一作用范围，系留气球上一台发射机可相当地面若干台发射机的作用。图中Brrier为障碍物。
所述系留气球搭载的无线发射/接收站TRCB(见图2)由控制模块CM、电源模块PM、无线发射机T(Transmitter)和多通道无线接收机R(Receiver)和GPS模块等组成。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T和多通道无线接收机R的控制，无线接收机R接收来自中央控制操作系统CCOS的指令和无线采集站WAS的数据，无线发射机T向无线采集站WAS发射来自中央控制操作系统CCOS的指令。
所述中央控制操作系统CCOS(见图3)置于仪器车上(也可以置于系留设施平台上，如车载式的汽车平台上)，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、绘图设备Plotting和GPS模块等组成，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。计算机服务器Server可以采用曙光高性能计算机。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。存储设备Storage可以采用10T的RAID5小型磁盘阵列，也可以选用IBM3590磁带机。
所述无线遥测采集站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，建立与搭载系留气球上无线发射/接收站TRCB之间的联系；GPS模块提供位置信息，也支持时间同步。
所述系留缆索具有铜导线作为电力供应线，在导线的空隙处嵌入光纤作为数据传输的通道，外面包有承力纤维和引导雷电的金属网，最外层为起密封、耐磨、防老化作用的护套。因气球在空中产生方位变化，绞盘在操作中产生旋转运动，系留缆索与它们连接的端部都需加装光电旋转连接器。上端连接器可使气球相对系留缆索而运动，不会将任何扭力引入缆索；下端连接器安装在绞盘中心轴上，使接至绞盘的缆索不因绞盘的运动产生扭转。总之，连接器的作用，必须保证系留缆索的各功能线路低损耗、高可靠的通联。系留气球可以采用杭州千野飞行器技术有限公司的CCA-D系列产品、中国航空工业第605所自行研制的“哨兵”系留飞艇和飞宇航空的C系列产品进行改装。
所述系留气球可以是球型、水滴型和飞艇型等形状，也可以具有一定的动力装置以保持气球的位置稳定性。
Claims (8)
1.一种系留气球搭载型无线遥测地震仪系统，其特征在于由三大部分组成：中央控制操作系统(CCOS)、系留气球搭载无线发射／接收站(TRCB)和无线采集站(WAS)；系留气球通过系留缆索连接到系留设施平台上，系留缆索具有铜导线作为电力供应线，给搭载在系留气球上的无线发射／接收站(TRCB)提供电能；在导线的空隙处嵌入光纤，作为中央控制操作系统(CCOS)和搭载系留气球上的无线发射／接收站(TRCB)之间的数据传输通道；
系留气球搭载的无线发射／接收站(TRCB)由控制模块(CM)、电源模块(PM)、无线发射机(T)和多通道无线接收机(R)和(GPS)模块等组成；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(T)和多通道无线接收机(R)的控制，无线接收机(R)接收来自中央控制操作系统(CCOS)的指令和无线采集站(WAS)的数据，无线发射机(T)向无线采集站(WAS)发射来自中央控制操作系统(CCOS)的指令；
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，建立与搭载系留气球上无线发射／接收站(TRCB)之间的联系；(GPS)模块提供位置信息，也支持时间同步。
2.根据权利1所述遥测地震仪系统，其特征在于多通道无线接收机(R)为VHF多信道接收机。
3.根据权利1所述遥测地震仪系统，其特征在于中央控制操作系统(CCOS)置于仪器车上或者置于系留设施平台上，软件和硬件相结合，控制整个数字地震仪的工作状态。
4.根据权利3所述遥测地震仪系统，其特征在于中央控制操作系统(CCOS)的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)、绘图设备(Plotting)和(GPS)模块组成，实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收和质量控制功能；所述系留设施平台为车载式的汽车平台。
5.根据权利1所述遥测地震仪系统，其特征在于所述系留气球为球型、水滴型和飞艇型形状。
6.根据权利1所述遥测地震仪系统，其特征在于所述系留气球可以配有用以保持气球位置稳定性的动力装置。
7.根据权利1或者2或者3或者4或者5或者6所述遥测地震仪系统，其特征在于系留缆索具有铜导线作为电力供应线，在导线的空隙处嵌入光纤作为数据传输的通道，外面包有承力纤维和引导雷电的金属网，最外层为起密封、耐磨、防老化作用的护套。
8.根据权利7所述遥测地震仪系统，其特征在于所述系留缆索与它们连接的端部都需加装光电旋转连接器；上端连接器可使气球相对系留缆索而运动，不会将任何扭力引入缆索；下端连接器安装在系留缆索的绞盘中心轴上，使接至绞盘的缆索不因绞盘的运动产生扭转。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
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Granted publication date: 20140507 Termination date: 20181025 |
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