CN103033845B - 单分量垂向组合式海底地震采集系统 - Google Patents

Abstract

一种单分量垂向组合式海底地震采集系统，包括单分量垂向海底地震采集节点、浮球、释放器、锚系；多个单分量垂向海底地震采集节点通过一根绳索串联固接在释放器顶端的挂钩上，另一端系有浮球，整套潜标系统呈垂直漂浮状态工作于海中。单分量垂向海底地震采集节点的外壳采用钛合金材质，耐压超过2000米水深，水听计固装于外壳顶部，外壳内部装有数字采集器、组合电源。数字采集器集装有三分量加速度计，可对采集的数据做校正处理。由于本发明采用了独立数据采集系统，实现了多个单分量垂向海底地震采集节点通过绳索串联在一起，组成了单分量垂向组合式海底地震采集系统。

Description

单分量垂向组合式海底地震采集系统

技术领域

本发明涉及地球物理勘测中的海洋勘探领域，具体为海洋地震观测技术领域和水下声学传播技术，特别涉及一种单分量垂向组合式海底地震采集系统。

背景技术

中国科学院地质与地球物理研究所是我国研制海底地震仪的主要单位，承担了国内绝大多数的海底地震仪研制任务。2009年4月，利用我们自主研制的宽带海底地震仪，我国首次在深水海区(4300米)记录到天然地震数据。

随着油气勘探向深水和海洋残留盆地发展的进程以及对天然气水合物的勘探研究需求，对海底数字地震仪性能指标的要求也越来越高，海底地震仪需要具有易操作和长时间的连续工作等能力。其中，垂向组合式海底地震采集系统特别是具有独立采集功能，组合式操作模式的易用型海底勘测仪器越来越被很多国家和地球科学研究单位所重视。已有的垂向海底地震采集系统使用的是充油式电缆连接水听计，一台采集器最多可连接6个水听计，采集器集中将水听计的模拟信号进行模数转换和数据存储。采集节点的数量和间距都受到局限，以及存在电缆易损坏的风险。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，解决现实难题，本发明提供一种单分量垂向组合式海底地震采集系统；本发明采用独立采集系统集成在每台单分量垂向海底地震采集器内部，使得垂向组合式海底地震采集系统不受采集通道的数量限制，也没有了水下电缆易损坏的风险，同时可以调节采集系统的采集密度。该单分量垂向组合式海底地震采集系统是在已有海底地震仪的基础上，通过对国外产品技术的消化吸收改进而成，其提高了性能指标，可以更好的满足海洋科学研究与海洋油气探测的需要。

为达到上述目的，依据本发明的第一方面，提供一种单分量垂向组合式海底地震采集系统，包括单分量地震采集节点、浮球、释放器、锚系架；多个单分量地震采集节点通过一根绳索串联固接在释放器的顶端的挂钩上，另一端系有浮球；整套系统呈垂直漂浮状态工作于海水中。单分量地震采集节点外壳采用钛合金材质，耐压超过2000米水深，水听计固装于单分量地震采集节点外壳顶部，单分量地震采集节点内部装有数字采集器和组合电源，数字采集器固装在单分量地震采集节点外壳内，组合电源与数字采集器并排固定在单分量地震采集节点外壳的密封壳内以及为数字采集器提供所需电量的需求；数字采集器集装有三分量加速度计，三分量加速度计集成焊接在数字采集器上，可在后期数据处理时根据三分量加速度计采集的数据估计采集系统在水中的姿态，从而对采集的地震数据作校正处理，钛合金外壳通过挤压O型圈来实现密封效果。

其中，每个单分量地震采集节点内部都装有独立的数字采集器，多个单分量地震采集节点通过绳索而非电缆串联在一起，单分量垂向组合式海底地震采集系统中的每一个单分量地震采集节点均具有独立数据采集和存储的功能，无需通过电缆连接到一台采集器上。单分量垂向海底地震采集器的串联数量能够任意组合，仪器摆放密度根据测试需求自行设定。

优选地，采用释放器依靠锚系以及释放器自身的重力作用将用绳索串联的单分量地震采集节点沉入海水中进行工作。当需要回收单分量地震采集节点时，通过甲板上发送释放码给释放器，释放器接到指令后完成机械脱钩动作，单分量地震采集节点便一起上浮，回收到甲板上。

进一步地，单分量垂向组合式海底地震采集系统的释放器采用OCEANO2500s-light型号的水下声学释放器。所有的单分量地震采集节点通过凯夫拉材质耐拉力绳索串接。

优选地，单分量垂向海底地震采集器包含数字采集器、组合电源；在采集器系统的前放电路中在信号输入端加配一阶无源LC低通抗混叠滤波器，采集器系统采用温补晶振构成的振荡电路作为内部时钟；电源采用10AH锂电池。

依据本发明的第二方面，提供使用上述单分量垂向组合式海底地震采集系统进行数据采集的方法，其包括步骤：

1)选择好投放地点和方位，作业船行驶到指定地点；

2)用绳索把多个单分量地震采集节点串联在一起，一端与浮球连接，一端与释放器连接，然后将释放器与锚系挂接上

3)通过采集节点底部的水密插头设置单分量地震采集节点的采集参数；

4)把锚系带释放器首先投入海中，靠重力作用，带着一串单分量地震采集节点下放到海中，靠浮球的作用，多个单分量地震采集节点串联的垂向组合式海底地震采集系统在海水中呈垂向状态工作；

5)当需要回收垂向组合式海底地震采集系统时，在该垂向组合式海底地震采集系统所在的位置附近海域发出回收信号，垂向组合式海底地震采集系统接到信号后，开始启动释放器脱钩，约1～2分钟释放器与锚系脱离，垂向组合式海底地震采集系统自动上浮至水面；

6)单分量地震采集节点浮出海面后，根据浮球的位置找到单分量地震采集节点，按照绳索顺序收起仪器舱。然后提取所记录的数据供分析和研究。

在本发明中，单分量垂向组合式海底地震采集系统采用无线蓝牙技术进行现场检测，内部集成独立的采集系统，通过一根绳索串联多个单分量地震采集节点，实现多密度，多数量的海上地震观测作业。

单分量垂向组合式海底地震采集系统具有以下特点：

(1)单分量地震采集节点采用钛合金外壳作为水下密封容器，具有耐压强，密封性能好的优点。

(2)可以根据勘测需求选择单分量地震采集节点的串联数量和工作密度；

(3)单分量地震采集节点的串联绳索采用凯夫拉特制线缆，耐拉强度高，不易断，耐腐蚀。

(4)采用的独立采集系统集成在每台单分量地震采集节点内部，使得垂向组合式海底地震采集系统不受采集节点的数量限制，也没有了水下电缆易损坏的风险，同时可以任意调节采集节点的密度。

附图说明

图1为本发明的单分量垂向组合式海底地震采集系统的整体结构图；

图2为本发明的单分量垂向组合式海底地震采集系统脱钩机构示意图；

图3为本发明的单分量垂向组合式海底地震采集系统的单分量垂向海底地震采集器结构示意图；

图4为本发明的单分量垂向组合式海底地震采集系统的锚系外观结构图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，单分量垂向组合式海底地震采集系统，包括单分量地震采集节点、浮球、释放器、锚系；多个单分量地震采集节点通过一根绳索串联固接在释放器顶端的挂钩上，另一端系有浮球，整套系统呈垂直漂浮状态工作于海水中。单分量地震采集节点的外壳采用钛合金材质，耐压超过2000米水深，水听计固装于外壳顶部，外壳内部装有数字采集器、组合电源。数字采集器集装有三分量加速度计，可对采集的数据做校正处理。

具体地，请参阅图1～图4所示，为本发明的单分量垂向组合式海底地震采集系统结构示意图。其中各个附图标记指示如下：单分量地震采集节点1、水听计2、绳索3、挂钩4、释放器5、锚系6、浮球7、脱钩8、转杆9、调整螺母10、螺栓11、密封盖12、采集系统13、加速度计14、密封底15、吊环16、支撑住17、圆盘18、十字架19、拉紧钩20、组合电源21、固定槽22、电感23、挂钩底座24。

本发明的单分量垂向组合式海底地震采集系统由单分量地震采集节点1、浮球7、释放器5、锚系6组成。

下面参考附图结合各个部件，对本发明进行更加详尽的说明。

一、单分量地震采集节点：

单分量地震采集节点是单分量垂向组合式海底地震采集系统可回收部分，它的外壳采用钛合金材质加工而成，内部装有采集系统和组合电源，主要包括：

(1)采集器系统

a)前放电路采用厂家推荐的放大电路形式，在信号输入端加配一阶无源LC低通抗混叠滤波器，采用极低噪音精密双运算放大器构成实时传输多功能海底地震仪的放大电路，增益为30dB，放大电路噪音折合到输入端为0.4μV(峰-峰值)。具有很高的抗干扰能力。

b)单分量垂向海底地震采集器采用温补晶振构成的振荡电路作为内部时钟，在0℃至4℃温度范围内其精度优于5×10^-8。影响石英晶体振荡频率精度的主要是温度因素，而海底的温度相对恒定，在2000米深的海底，温度的年变化仅在0.5度，所以时钟精度能有效地保证。为减小线路板的噪音，系统所需的所有不同频率的时钟(主要是模数转换时钟和单片机时钟)采用对同一时钟分频获得。

c)数据存储采用SD(Secure Digital)卡，量可到32G。

d)采集器的A/D转换采用4阶∑-Δ型ADS1251增量调制器，AD时钟由单片机LPC2103分频输出，数字滤波的功能采用软件编程完成。AD每完成一次转换，触发单片机产生一次中断，单片机的中断程序将AD数据读入内存。控制模块采用ARM7内核高性能单片机，在完成A/D转换数字滤波的同时控制存储、通讯等其它模块工作。单片机工作在空闲模式(idlemode)，中断驱动模式。

(2)单分量垂向海底地震采集器的组合电源21

单分量垂向海底地震采集器电池采用10AH锂电池，，每套单分量地震采集节点组合电源21安装2枚。每个锂电池单独带保护器，电池背靠在采集系统13，在钛合金外壳内部的一侧，单分量地震采集节点通过单片机对每个电池的充放电状态和电压进行检测，并能通过交互界面显示。

(3)数据提取方式

为了保证海上的多次作业顺利进行，数据提取模块必须操作方便并且需要较快的传输速度。OBS中内嵌了USB接口模块与PC机进行高速数据交换，能在不打开舱球的前提下，以较高的速度(2M字节/秒)实现OBS的数据提取。USB接口采用A型USB插头和A型USB插座

数据提取方法：

1.单分量地震采集节点回收以后，接上电源线

2.PC机与单分量地震采集节点1进行交互通讯

3.在交互软件中打开单分量地震采集节点的内置读卡器，插上USB插头端，进行数据读取。

二、释放器5

采用OCEANO2500s-light型号的水下声学释放器。单分量地震采集节点1需要释放回收时，通过甲板发送释放指令给释放器5，释放器5下面的转杆9旋转即可松开脱钩8，使得释放器5与锚系6脱离，从而单分量地震采集节点1上浮。

三、锚系6

锚系，采用表面附着防锈漆的钢铁材料制成，在十字架19上表面中部焊接一固定的圆盘18，圆盘18中心部上面焊接有挂钩座24，挂钩座上表面焊接四根支撑住17，支撑柱17用来顶住释放器5，拉紧钩20两端穿过挂钩座上的孔，通过下方的调整螺母10调节释放器5与锚系6挂接的松紧程度；

锚系6属于不回收部分，考虑到它的工作性质，我们选择标准角铁作为主要的加工原料，不但满足了其作为工作基座的刚性和硬度，且大大降低了加工成本。

使用单分量垂向组合式海底地震采集系统进行数据采集的具体实施过程：

1)选择好投放地点和方位，作业船行驶到指定地点；

2)用绳索3把多个单分量地震采集节点1串联在一起，一端与浮球7连接，一端与释放器5连接，然后将释放器5与锚系6挂接上

3)通过蓝牙设置单分量地震采集节点1的采集参数，并关闭蓝牙通讯；

4)把锚系6带释放器5首先投入海中，靠重力作用，带着一串单分量地震采集节点1下放到海中，靠浮球7的作用，多个单分量地震采集节点1串联的垂向组合式海底地震采集系统在海水中呈近垂直姿态工作；

5)当需要回收垂向组合式海底地震采集系统时，在该垂向组合式海底地震采集系统所在的位置附近海域发出回收信号，垂向组合式海底地震采集系统接到信号后，开始启动释放器脱钩，约1～2分钟释放器5与锚系6脱离，垂向组合式海底地震采集系统自动上浮至水面；

6)单分量地震采集节点1浮出海面后，根据浮球7的位置，找到单分量地震采集节点1照绳索3顺序收起。然后提取所记录的数据供分析和研究。

本发明的单分量垂向组合式海底地震采集系统具有独立采集功能，组合式操作模式的易用型海底勘测仪器越来越被很多国家和地球科学研究单位所重视。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种单分量垂向组合式海底地震采集系统，包括单分量地震采集节点、浮球、释放器、锚系和水听计；多个单分量地震采集节点通过一根绳索串联固接在释放器的顶端的挂钩上，另一端系有浮球；

其中单分量地震采集节点外壳采用钛合金材质，耐压超过2000米水深，水听计固装于外壳顶部，单分量地震采集节点内部装有数字采集器和组合电源，数字采集器固装在单分量地震采集节点外壳内，组合电源与数字采集器并排固定在单分量地震采集节点外壳的密封壳内以及为数字采集器提供所需电量的需求；数字采集器集装有三分量加速度计，三分量加速度计集成焊接在数字采集器上，可在后期数据处理时根据三分量加速度计采集的数据估计采集系统在水中的姿态，从而对采集的地震数据作校正处理，钛合金外壳通过挤压O型圈来实现密封效果；

每个单分量地震采集节点内部都装有独立的数字采集器，可以实现多个单分量地震采集节点通过绳索而非电缆串联在一起形成采集系统；单地震采集节点的串联数量可以任意组合，仪器摆放密度根据测试需求自行设定；

采用释放器挂接锚系的方式，将多个单分量地震采集节点通过绳索串联固定在释放器上，释放器挂接在锚系上，依靠锚系以及释放器自身的重力作用将用绳索串联的单分量地震采集节点沉入海水中进行工作；当需要回收该采集装备时，通过甲板上发送释放码给释放器，释放器接到指令后完成机械脱钩动作，多个单分量地震采集节点便在浮球的浮力牵引下整体上浮，回收到海面打捞回收；

当需要回收单分量地震采集节点时，通过甲板上发送释放码给释放器，释放器接到指令后完成机械脱钩动作，单分量地震采集节点便一起上浮，回收到甲板上；

单分量垂向组合式海底地震采集系统的释放器采用OCEANO2500s-light型号的水下声学释放器；

所有的单分量地震采集节点通过凯夫拉材质耐拉力绳索串接；

单分量地震采集节点包含数字采集器、组合电源；在采集器系统的前放电路中在信号输入端加配一阶无源LC低通抗混叠滤波器，采集器系统采用温补晶振构成的振荡电路作为内部时钟；电源采用10AH锂电池。

2.使用权利要求1所述的单分量垂向组合式海底地震采集系统进行数据采集的方法，其包括步骤：

1)选择好投放地点和方位，作业船行驶到指定地点；

2)用绳索把多个单分量地震采集节点串联在一起，一端与浮球连接，一端与释放器连接，然后将释放器与锚系挂接上，通过调整螺栓调紧；

3)通过蓝牙设置单分量地震采集节点的采集参数，并关闭蓝牙通讯；

4)把锚系带释放器首先投入海中，靠重力作用，带着一串单分量地震采集节点下放到海中，靠浮球的作用，多个单分量地震采集节点串联的垂向组合式海底地震采集系统在海水中呈近垂直姿态工作；

5)当需要回收垂向组合式海底地震采集系统时，在该垂向组合式海底地震采集系统所在的位置附近海域发出回收信号，垂向组合式海底地震采集系统接到信号后，开始启动释放器脱钩，1～2分钟释放器与锚系脱离，垂向组合式海底地震采集系统自动上浮至水面；

6)单分量地震采集节点浮出海面后，根据浮球的位置找到单分量地震采集节点，按照绳索顺序收起单分量地震采集节点；然后提取所记录的数据供分析和研究。