CN102628960A - 速度和加速度双参数数字地震检波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种速度和加速度双参数数字地震检波器，为解决现有技术勘探精度差问题，其是把MEMS加速度传感器和动圈式速度检波器结合成一体，成为一个可以同时采集同一个接收点的速度和加速度二个物理量的数字检波器。具有对同一个接收点进行速度和加速度二个参数的信号采集和接收的功能，可以使得后续数据处理和分析在速度和加速度二个描述同一个接收点位移的不同物理量领域进行，并进行对比分析。其有对同一个接收点进行速度和加速度二个参数的信号采集和接收功能，可以使得后续数据处理和分析在速度和加速度二个描述同一个接收点位移的不同物理量领域进行，并进行对比分析，能够更加精细地研究地震波的传播特性、提高勘探精度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及地震检波器，特别是涉及一种速度和加速度双参数数字地震检波器。
技术背景
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。地震勘探中用来直接拾取地震振动，并将振动转换为符合仪器记录系统需要的能量形式的仪器，称为地震检波器。地震检波器按使用环境可以分为陆上检波器、沼泽检波器、海上检波器和井下检波器等；按工作原理可以分为电磁感应式(动圈式)检波器、压电检波器、光纤检波器和MEMS检波器等；按输出信号的物理量可以分为速度检波器、加速度检波器等；按输出信号的类型可以分为模拟检波器和数字检波器。地震检波器的指标决定了地震勘探仪器的主要技术指标。
目前国内外使用最多的是动圈式地震检波器，这种检波器已经有50年的发展历史，重量从最初的几千克级发展到目前的几十克级，在地震勘探中得到了广泛使用。但由于其固有的机械特征，这种检波器灵敏度低、动态范围小(60dB左右)、频带窄(10～200Hz)、抗干扰能力差、质量和体积都较大，而目前的地震仪器已经达到了120dB的动态范围，所以不能充分发挥地震仪器的作用。但由于没有合适的替代产品，依然是目前使用最广的地震检波器。
与常规模拟动圈式检波器相比，数字MEMS检波器具有重量轻、频带宽、动态范围大、畸变小、抗干扰能力强等优点，有可能替代目前使用最广的模拟动圈式检波器。MEMS数字检波器特别适用于单检波器高密度采集技术。
动圈式地震检波器是典型的速度检波器、而MEMS检波器是典型的加速度检波器。
目前国际上还没有速度和加速度双参数数字地震检波器及类似的产品，速度和加速度双参数数字地震检波器对于更加精细地研究地震波的传播特性、提高勘探精度具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种速度和加速度双参数数字地震检波器。该检波器能够更加精细地研究地震波的传播特性、提高勘探精度。
为实现上述目的，本发明速度和加速度双参数数字地震检波器VAG是把MEMS加速度传感器和动圈式速度检波器结合成一体，成为一个可以同时采集同一个接收点的速度和加速度二个物理量的数字检波器(采集站)。其具有对同一个接收点进行速度和加速度二个参数的信号采集和接收功能，可以使得后续数据处理和分析在速度和加速度二个描述同一个接收点位移的不同物理量领域进行，并进行对比分析，能够更加精细地研究地震波的传播特性、提高勘探精度的优点。
作为优化，本发明速度和加速度双参数数字地震检波器VAG(Velocity&AccelerationGeophone)(参见图1)由七大单元组成：微机电系统地震传感器MEMS Sensor(MicroElectroMechanical Systems Sensor)、动圈式检波器CG(Coiling Geophone)、弱信号检测及反馈电路ASIC(Application Specific Integrated Circuits)、数字化单元ADU(Analogto Digital Unit)、控制电路CM(Control Module)、数据通信单元CI(Communication Interface)和供电电路PM(Power Module)；所述微机电系统地震传感器MEMS Sensor为典型的加速度传感器，它和和弱信号检测及反馈电路ASIC完成了加速度的接收和数字化功能；所述动圈式检波器CG为典型的加速度传感器，它和数字化单元ADU完成了速度的接收和数字化功能；所述数据通信单元CI提供了与地震仪器主机系统的数据通信功能；所述控制电路CM为嵌入式CPU，控制弱信号检测及反馈电路ASIC、数字化单元ADU、数据通信单元CI和供电电路PM。供电电路PM为其它电路和器件提供电源支持。
作为优化，具有对同一个接收点进行速度和加速度二个参数的信号采集和接收的功能，可以使得后续数据处理和分析在速度和加速度二个描述同一个接收点位移的不同物理量领域进行，并进行对比分析。
作为优化，利用动圈式检波器CG和微机电系统地震传感器MEMS Sensor对同一个接收点地震信号和噪音的响应特性不同，提高信噪比和检测微弱信号。即本发明速度和加速度双参数数字地震检波器VAG具有对同一个接收点速度和加速度二个参数的信号采集和接收，但由于速度传感器(动圈式检波器CG)和加速度传感器(微机电系统地震传感器MEMS Sensor)对同一个接收点地震信号和噪音的响应特性不同，换句话说，地震有效信号和各种噪音在速度和加速度这二种物理量上具有不同的表现特征，利用这种特征，更加有利于提高信噪比，检测微弱信号。
作为优化，所述弱信号检测及反馈电路ASIC采用低噪音电容信号放大和大动态范围放大技术，采用了力反馈电路提高信噪比。有利于检测弱信号成分，提高了传感器的动态范围，使得动态范围达到地震勘探的需求。
作为优化，所述微机电系统地震传感器MEMS Sensor和弱信号检测及反馈电路ASIC，直接连接并集成为一体；动圈式检波器CG和数字化单元ADU直接连接并集成为一体。这种连接避免了模拟信号在电缆上的传送，保留了弱信号的有效成分，并提高了抗干扰能力。
作为优化，微机电系统地震传感器MEMS Sensor采用中国科学院上海微系统与信息技术研究所研制的MEMS地震传感器，与按照设计进行定制的弱信号检测及反馈电路ASIC，两个器件配合后可以达到110dB的动态范围，达到了国际先进水平。
数字化单元ADU可以采用Cirrus Logic公司的A/D转换套件CS3301A、CS5373A和CS5378或TI公司的AD1282芯片，这两种芯片均为地震勘探专用芯片，广泛应用于地震勘探仪器。
作为优化，本发明的速度和加速度双参数数字地震检波器VAG，整体结构(参见图2)由上盖R1、引出电缆R2、电路板R3、微机电系统地震传感器MEMS Sensor、动圈式检波器CG、外壳R4和尾锥R5等组成。微机电系统地震传感器MEMS Sensor、弱信号检测及反馈电路ASIC、数字化单元ADU、控制电路CM、数据通信单元CI和供电电路PM集成于一块电路板R3上。电路板R3和传感器MEMS Sensor及CG由上盖封装在塑料外壳内，动圈式检波器CG引出电极连接到电路板R3上，由电路板R3引出二对电缆，其中一对负责为电路板R3供电，另一对作为数据线，尾锥安装在外壳的下端并作为接地部件。
作为优化，所述电路板R3为垂直安装或者水平安装。
采用上述技术方案后，本发明速度和加速度双参数数字地震检波器有对同一个接收点进行速度和加速度二个参数的信号采集和接收功能，可以使得后续数据处理和分析在速度和加速度二个描述同一个接收点位移的不同物理量领域进行，并进行对比分析，能够更加精细地研究地震波的传播特性、提高勘探精度的优点。可广泛应用于人工和天然地震信号采集。
附图说明
图1是本发明速度和加速度双参数数字地震检波器VAG的原理框图；
图2是本发明速度和加速度双参数数字地震检波器VAG的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图做更进一步地说明：
本发明装置速度和加速度双参数数字地震检波器VAG具有对同一个接收点进行速度和加速度二个参数的信号采集和接收功能，可以使得后续数据处理和分析在速度和加速度二个描述同一个接收点位移的不同物理量领域进行，并进行对比分析。同时由于速度传感器(动圈式检波器CG)和加速度传感器(微机电系统地震传感器MEMS Sensor)对同一个接收点地震信号和噪音的响应特性不同，换句话说，地震有效信号和各种噪音在速度和加速度这二种物理量上具有不同的表现特征，利用这种特征，更加有利于提高信噪比，检测微弱信号。
参见图1，本发明装置速度和加速度双参数数字地震检波器VAG(Velocity&Acceleration Geophone)其特征在于由七大单元组成：微机电系统地震传感器MEMSSensor(Micro ElectroMechanical Systems Sensor)、动圈式检波器CG(CoilingGeophone)、弱信号检测及反馈电路ASIC(Application Specific Integrated Circuits)、数字化单元ADU(Analog to Digital Unit)、控制电路CM(Control Module)、数据通信单元CI(Communication Interface)和供电电路PM(Power Module)。
微机电系统地震传感器MEMS Sensor采用中国科学院上海微系统与信息技术研究所研制的MEMS地震传感器，弱信号检测及反馈电路ASIC按照设计进行定制，两个器件配合后可以达到110dB的动态范围，达到了国际先进水平。数字化单元ADU可以采用Cirrus Logic公司的A/D转换套件CS3301A、CS5373A和CS5378或TI公司的AD1282芯片，这两种芯片均为地震勘探专用芯片，广泛应用于地震勘探仪器。
本发明的速度和加速度双参数数字地震检波器VAG中的微机电系统地震传感器MEMSSensor为典型的加速度传感器，它和弱信号检测及反馈电路ASIC完成了加速度的接收和数字化功能。
本发明的速度和加速度双参数数字地震检波器VAG中的动圈式检波器CG为典型的速度传感器，它和数字化单元ADU完成了速度的接收和数字化功能。
本发明装置把MEMS加速度传感器和动圈式速度检波器结合成一体，成为一个采集站(数字检波器)，从而可以同时采集同一个接收点的速度和加速度二个物理量。
本发明的速度和加速度双参数数字地震检波器VAG中的弱信号检测及反馈电路ASIC采用低噪音电容信号放大技术和大动态范围放大技术，特别采用了力反馈电路提高信噪比，有利于检测弱信号成分，提高了传感器的动态范围，使得动态范围达到地震勘探的需求。
本发明的速度和加速度双参数数字地震检波器VAG中的微机电系统地震传感器MEMSSensor和弱信号检测及反馈电路ASIC，直接连接并集成为一体；动圈式检波器CG和数字化单元ADU直接连接并集成为一体。这种连接避免了模拟信号在电缆上的传送，保留了弱信号的有效成分，并提高了抗干扰能力。
本发明的速度和加速度双参数数字地震检波器VAG中的控制电路CM为嵌入式CPU，控制弱信号检测及反馈电路ASIC、数字化单元ADU、数据通信单元CI和供电电路PM。
本发明的速度和加速度双参数数字地震检波器VAG中的数据通信单元CI提供了与地震仪器主机系统的数据通信功能。
本发明的速度和加速度双参数数字地震检波器VAG，整体结构(参见图2)由上盖R1、引出电缆R2、垂直安装的电路板R3、微机电系统地震传感器MEMS Sensor、动圈式检波器CG、外壳R4和尾锥R5等组成。微机电系统地震传感器MEMS Sensor、弱信号检测及反馈电路ASIC、数字化单元ADU、控制电路CM、数据通信单元CI和供电电路PM集成于一块电路板R3上。电路板R3和传感器MEMS Sensor及CG由上盖封装在塑料外壳内，动圈式检波器CG引出电极连接到电路板R3上，由电路板R3引出二对电缆，其中一对负责为电路板R3供电，另一对作为数据线，尾锥安装在外壳的下端并作为接地部件。
为方便起见，图2中的电路板R3也可以采用水平安装。
Claims (8)
1.一种速度和加速度双参数数字地震检波器，其特征在于是把MEMS加速度传感器和动圈式速度检波器结合成一体，成为一个可以同时采集同一个接收点的速度和加速度二个物理量的数字检波器。
2.根据权利要求1所述地震检波器，其特征在于由七大单元组成：微机电系统地震传感器MEMS Sensor、动圈式检波器CG、弱信号检测及反馈电路ASIC、数字化单元ADU、控制电路CM、数据通信单元CI和供电电路PM；所述微机电系统地震传感器MEMS Sensor和弱信号检测及反馈电路ASIC完成加速度的采集和数字化功能，所述动圈式检波器CG和数字化单元ADU完成速度的采集和数字化功能，所述数据通信单元CI提供与地震仪器主机系统的数据通信功能，所述控制电路CM为嵌入式CPU，控制弱信号检测及反馈电路ASIC、数字化单元ADU、数据通信单元CI和供电电路PM。
3.根据权利要求1或者2所述地震检波器，其特征在于具有对同一个接收点进行速度和加速度二个参数的信号采集和接收的功能，可以使得后续数据处理和分析在速度和加速度二个描述同一个接收点位移的不同物理量领域进行，并进行对比分析。
4.根据权利要求2所述地震检波器，其特征在于利用动圈式检波器CG和微机电系统地震传感器MEMS Sensor对同一个接收点地震信号和噪音的响应特性不同，提高信噪比和检测微弱信号。
5.根据权利要求2所述地震检波器，其特征在于所述弱信号检测及反馈电路ASIC采用低噪音电容信号放大和大动态范围放大技术，采用力反馈电路提高信噪比。
6.根据权利要求2所述地震检波器，其特征在于所述微机电系统地震传感器MEMSSensor和弱信号检测及反馈电路ASIC，动圈式检波器CG和数字化单元ADU分别直接连接并集成为一体。
7.根据权利要求1或者2或者4或者5或者6所述地震检波器，其特征在于整体结构由上盖R1、引出电缆R2、电路板R3、微机电系统地震传感器MEMS Sensor、动圈式检波器CG、外壳R4和尾锥R5等组成；微机电系统地震传感器MEMS Sensor、弱信号检测及反馈电路ASIC、数字化单元ADU、控制电路CM、数据通信单元CI和供电电路PM集成于一块电路板R3上；电路板R3和微机电系统地震传感器MEMS Sensor及CG由上盖封装在塑料外壳内，动圈式检波器CG引出电极连接到电路板R3上，由电路板R3引出二对电缆，其中一对负责为电路板R3供电，另一对作为数据线，尾锥安装在外壳的下端并作为接地部件。
8.根据权利要求7所述地震检波器，其特征在于所述电路板R3为垂直安装或者水平安装。
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