CN103605153B - 多种类型地震震源兼容同步装置及同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多种类型地震震源兼容同步装置及同步方法，由短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路经转换器与脉冲信号整形及脉宽调整电路连接构成的回线连接状态检测电路，实现对无遥爆机的炸药震源或者重锤震源输出的回线短路信号或回线断路信号的检测，并将回线短路信号和回线断路信号转换成同步的电脉冲信号，得到的电脉冲信号用于驱动不同脉冲类型和脉冲宽度要求的有线遥测地震仪，实现了有线遥测地震仪的震源同步。电路结构为多级级联的连接方式。解决了有线遥测地震仪与无遥爆机的炸药震源和重锤震源的同步问题，解决了无缆遥测地震仪与无遥爆机的炸药震源、重锤震源、带遥爆机的炸药震源、车载可控震源同步的问题。

Description

多种类型地震震源兼容同步装置及同步方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理勘探中的地震震源同步装置及同步方法，尤其是涉及多种类型地震震源兼容的同步装置及同步方法。

背景技术：

地震勘探是地球物理勘探技术中中最主要的一种探测方法，全世界每年的90%以上的地球物理探测活动都与地震勘探有关。地震勘探所借助的地震勘探仪器系统主要包含两大部分：地震震源和地震数据采集系统。地震震源负责激发地震波，地震数据采集系统负责在地震震源激发地震波的同时启动地震数据采集，从而得到从地震震源激发的零时开始的一段地震波波场振动数据；地震数据采集系统启动数据采集的时刻必须与地震震源振动起始时刻保持一致，称作地震数据采集系统与地震震源保持同步。

地震震源主要有炸药震源、车载可控震源、重锤震源三种类型。目前，炸药震源的同步信号有两种类型：一是通过专用遥爆机引爆炸药，遥爆机通过自身产生的高电压脉冲引爆埋在炸药中间的雷管，进而引爆炸药，其在引爆炸药的瞬间通过无线电信号向后端遥爆机的接收单元发送爆炸同步脉冲，通过捕捉该脉冲信号，可以实现采集系统的同步数据采集。二是在炸药中间放置导线环，通过简易爆炸机引爆炸药，当炸药震源爆炸时，导线环会被炸断，通过检测导线环断开的时刻能够实现同步地震数据采集。车载可控震源是通过配重将出力基板耦合到地面，然后通过电控和液压系统实现对出力基板的振动控制，进而在地表激发波形已知的地震波。车载可控震源在控制其出力基板起振的瞬间，会通过专用接口输出一个同步脉冲，地震数据采集系统通过对齐该脉冲实现同步数据采集。重锤震源是通过金属重锤用力砸击地面或专用基板产生振动信号，其产生的同步信号分为两类，一种是在重锤侧面安装专用锤击开关，在重锤落下并接触到地面或基板时，锤击开关内部会产生电信号，并输出一个同步脉冲；第二种是通过重锤和导电金属基板分别引出两条导线，在重锤落下并接触到导电基板时，两条导线会瞬间连通，通过检测两条导线连通的时刻，能够实现同步。

用作地震勘探的地震数据采集系统又称作遥测地震仪，主要分为有线遥测地震仪和无缆遥测地震仪两种。有线遥测地震仪通常有一个同步输入端，可以将地震震源输出的同步脉冲信号接入该输入端，实现震源同步。因此，其只能支持带遥爆机的炸药震源和车载可控震源，而对于其他形式的地震震源并不能实现同步。无缆遥测地震仪是针对复杂地形、地表条件下的地震数据采集需求而出现的一种新型地震仪，其历史不过十多年时间，其通常借助GPS等卫星授时系统获得世界协调时（UTC）作为时间基准，在地震数据记录中打入时间标签，从而实现不同的无缆遥测地震仪数据采集单元（地震采集站）之间的同步，但并不能直接与震源保持同步。目前，尚无用于无缆遥测地震仪的地震震源同步装置和同步技术。

发明内容：

本发明的目的就是针对有线遥测地震仪无法与重锤震源等震源同步和无缆遥测地震仪无法与地震震源同步的问题，提供一种多种类型地震震源兼容的同步装置及同步方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

多种类型地震震源兼容同步装置，是由炸药震源或重锤震源同步回线经端口A、第一短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路1、第一转换器2、第一脉冲信号整形及脉宽调整3、反相器4、第一光电隔离器5和第一脉冲电平转换器6与端口D连接，端口E经第二脉冲电平转换器8和第二光电隔离器7与第一脉冲信号整形及脉宽调整3连接，炸药震源或重锤震源同步回线经端口B、第二短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路9、第二转换器10、第二脉冲信号整形及脉宽调整11、秒间脉冲时间偏移计量器17、中央控制器18和震源起震时刻存储卡19与端口F连接，炸药震源、车载可控震源或重锤震源同步信号线经端口C、正、负脉冲缓冲及过压、过流保护电路12、第三转换器13、第三脉冲信号整形及脉宽调整14与秒间脉冲时间偏移计量器17连接，晶体振荡器15经计时时间粒度控制器16与秒间脉冲时间偏移计量器17，GPS卫星授时接收单元20分别与秒间脉冲时间偏移计量器17和中央控制器18连接构成。

多种类型地震震源兼容同步装置的同步方法，包括以下步骤：

a、无遥爆机炸药震源或重锤震源输出回线与多种类型地震震源兼容同步装置连接，无遥爆机炸药震源或重锤震源的同步信号是回线断路信号或回线短路信号，回线断路信号和回线短路信号通过多种类型地震震源兼容同步装置后转换为指定时间宽度的同步电脉冲；

带遥爆机炸药震源或车载可控震源输出与多种类型地震震源兼容同步装置连接，带遥爆机炸药震源或车载可控震源输出同步电脉冲，该同步脉冲通过多种类型地震震源兼容同步装置后转换为指定时间宽度的同步电脉冲；

b、步骤a中的两类震源的同步信号转换为指定宽度的电脉冲，通过后一级时间计量电路，得到电脉冲发生的绝对时刻UTC和整秒向后偏移时间量；

c、无缆地震仪数据采集在UTC时间的整秒启动，并以固定时间间隔为周期连续采集地震数据存入存储器，无缆地震仪的每个采样点都有UTC绝对时间标签，即数据采集的启动时刻加上该采样点的序号乘以采样间隔；

d、无缆地震仪通过提取同步装置提供的震源同步脉冲的绝对时刻，在自身记录的采样点中进行时间标签比对，找到与震源同步脉冲时间标签相等的采样点，以此向后截取地震数据，得到与震源同步的地震单炮记录，从而实现无缆遥测地震仪与带遥爆机炸药震源、无遥爆机炸药震源、车载可控震源或重锤震源的同步。

有益效果：解决了有线遥测地震仪与无遥爆机的炸药震源和重锤震源的同步问题，解决了无缆遥测地震仪与无遥爆机的炸药震源、重锤震源、带遥爆机的炸药震源、车载可控震源同步的问题。

本发明创建了由短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路经转换器与脉冲信号整形及脉宽调整电路连接构成的回线连接状态检测电路，实现对无遥爆机的炸药震源或者重锤震源输出的回线短路信号或回线断路信号的检测，并将回线短路信号和回线断路信号转换成同步的电脉冲信号，得到的电脉冲信号可以用于驱动不同脉冲类型和脉冲宽度要求的有线遥测地震仪，进而实现有线遥测地震仪的震源同步（实时电脉冲同步方法）。电路结构为多级级联的连接方式（附图1），第一级用于缓冲回线短路信号和回线短路信号，同时消除回线中由于地电、空间电磁干扰产生的瞬间强电扰动信号，包括过电压保护器、限流器、回线缓冲器（附图2）；第二级电路实现回线短路信号和回线断路信号到电脉冲的转换，由无遥爆机的炸药震源或者重锤震源输出的回线短路或断路信号，因爆炸或撞击的剧烈冲击，回线会出现反复连通和断开的状态，而震源激发的同步时刻是回线首次断开（炸药震源）或首次连通（重锤震源）的瞬间，转换器实现回线首次状态变化的检测，并忽略次生短路信号或次生断路信号；第三级电路是脉冲整型和脉宽控制，用于生成指定时间宽度的电脉冲信号；第四级是反相器，用于生成与正向脉冲时间宽度相同方向相反的负向脉冲，以驱动需要负向脉冲触发的有线遥测地震仪；第五级是光电隔离电路，实现输出同步信号与内部电路的光电隔离，用于抑制来自输出端口的高电压信号，防止来自后端设备的破坏信号损坏内部电路；第六级是脉冲电压转换和驱动电路，用于生成指定电压水平的正向脉冲和负向脉冲。

为了实现无缆遥测地震仪的震源同步问题，本发明创建了由晶体振荡器经计时时间粒度控制器和秒间脉冲时间偏移计量器与GPS卫星授时接收单元连接构成的震源起振零时捕捉电路，创立了GPS授时与秒间脉冲时间偏移计量相结合的UTC绝对时间标签同步方法。震源起振零时捕捉电路由三部分构成（附图1）：第一部分用于检测来自无遥爆机的炸药震源或者重锤震源输出的回线短路信号或回线断路信号，并将其转换为同步的正向电脉冲信号，该部分电路与前面所述“回线连接状态检测电路”前三级电路相同。第二部分用于检测输出同步电脉冲信号的地震震源（包括带遥爆机的炸药震源、车载可控震源、带锤击开关的重锤震源等）的同步脉冲信号，并将其整形转换成为正向电脉冲信号，该部分电路由多级电路级联构成；第一级是正负电脉冲缓冲及过电压和过电流保护，用于读入同步脉冲信号，并提供过电压保护和过电流保护，包括过电压保护器、限流器、脉冲缓冲器（附图3）；第二级是转换器，若输入脉冲是负向脉冲，则将输入负向脉冲转换为正向脉冲，正向脉冲则直接通过；第三级是脉冲信号整型及脉宽调整电路，完成输入同步脉冲信号整形，并将脉冲宽度调整至指定时间宽度（该时间宽度与后端无缆遥测地震仪数据采集的采样间隔相同）。第三部分是同步脉冲的时间标签生成电路，由多个电路互连构成；中央控制器和GPS授时单元互连构成UTC时间服务单元，为整个电路提供精确到秒级的UTC绝对时间；晶体振荡器和计时时间粒度控制器互连构成计时时钟单元，为同步脉冲事件锁定提供计时基准；秒间脉冲时间偏移计量器与上述两个单元相连，提供外部脉冲事件的秒内时间偏移计量服务，完成对来自第一部分与第二部分的同步脉冲信号的秒内时间偏移计量；中央控制器结合GPS授时单元提供的UTC绝对时间信息和秒间脉冲时间偏移计量器计量结果，计算得到同步脉冲的同步时刻值，并将该值存入震源起振时刻存储卡，最终提供给无缆遥测地震仪。

附图说明：

附图1多种类型地震震源兼容同步装置结构框图

附图2短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路结构图

附图3正、负脉冲缓冲及过压、过流保护电路结构图

附图4回线状态检测时序（短路至断路）图

附图5回线状态检测时序（断路至短路）图

附图6震源同步脉冲时间标签生成时序图

附图7震源同步脉冲整型时序图

1第一短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路，2第一转换器，3第一脉冲信号整形及脉宽调整，4反相器，5第一光电隔离器，6第一脉冲电平转换器，7第二光电隔离器，8第二脉冲电平转换器，9第二短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路，10第二转换器，11第二脉冲信号整形及脉宽调整，12正、负脉冲缓冲及过压、过流保护电路，13第三转换器,14第三脉冲信号整形及脉宽调整,15晶体振荡器，16计时时间粒度控制器,17秒间脉冲时间偏移计量器,18中央控制器,19震源起震时刻存储卡，20.GPS卫星授时接收单元。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

多种类型地震震源兼容同步装置，是由炸药震源或重锤震源同步回线经端口A、第一短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路1、第一转换器2、第一脉冲信号整形及脉宽调整3、反相器4、第一光电隔离器5和第一脉冲电平转换器6与端口D连接，端口E经第二脉冲电平转换器8和第二光电隔离器7与第一脉冲信号整形及脉宽调整3连接，炸药震源或重锤震源同步回线经端口B、第二短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路9、第二转换器10、第二脉冲信号整形及脉宽调整11、秒间脉冲时间偏移计量器17、中央控制器18和震源起震时刻存储卡19与端口F连接，炸药震源、车载可控震源或重锤震源同步信号线经端口C、正、负脉冲缓冲及过压、过流保护电路12、第三转换器13、第三脉冲信号整形及脉宽调整14与秒间脉冲时间偏移计量器17连接，晶体振荡器15经计时时间粒度控制器16与秒间脉冲时间偏移计量器17，GPS卫星授时接收单元20分别与秒间脉冲时间偏移计量器17和中央控制器18连接构成。

多种类型地震震源兼容同步装置的同步方法，包括以下步骤：

a、无遥爆机炸药震源或重锤震源输出回线与多种类型地震震源兼容同步装置连接，无遥爆机炸药震源或重锤震源的同步信号是回线断路信号或回线短路信号，回线断路信号和回线短路信号通过多种类型地震震源兼容同步装置后转换为指定时间宽度的同步电脉冲；

带遥爆机炸药震源或车载可控震源输出与多种类型地震震源兼容同步装置连接，带遥爆机炸药震源或车载可控震源输出同步电脉冲，该同步脉冲通过多种类型地震震源兼容同步装置后转换为指定时间宽度的同步电脉冲；

b、步骤a中的两类震源的同步信号转换为指定宽度的电脉冲，通过后一级时间计量电路，得到电脉冲发生的绝对时刻UTC和整秒向后偏移时间量；

c、无缆地震仪数据采集在UTC时间的整秒启动，并以固定时间间隔为周期连续采集地震数据存入存储器，无缆地震仪的每个采样点都有UTC绝对时间标签，即数据采集的启动时刻加上该采样点的序号乘以采样间隔；

d、无缆地震仪通过提取同步装置提供的震源同步脉冲的绝对时刻，在自身记录的采样点中进行时间标签比对，找到与震源同步脉冲时间标签相等的采样点，以此向后截取地震数据，得到与震源同步的地震单炮记录，从而实现无缆遥测地震仪与带遥爆机炸药震源、无遥爆机炸药震源、车载可控震源或重锤震源的同步。

有线遥测地震仪、无遥爆机的炸药震源或者重锤震源（回线状态转换作为同步信号）实现同步的过程如下：

如图1所示，有线遥测地震仪、无遥爆机的炸药震源或者重锤震源的回线输出端与多种类型地震震源兼容同步装置端口1相连接；有线遥测地震仪、无遥爆机的炸药震源或者重锤震源输出的回线信号有两种类型：A由短路状态转入断路状态，B由断路状态转入短路状态；若为A类型，同步过程如图4所示，地震震源回线信号经过“短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路”、“转换器”和“脉冲信号整形及脉宽调整”之后，在回线状态变化的瞬间生成一个固定时间宽度T_p的正向电脉冲，T_p由用户事先设定，设定范围是1微秒～1秒；回线状态在首次变化之后，因震源自身的剧烈冲击可能会产生二次状态变化，如图4中的振荡扰动，出现了瞬时的状态反复，此扰动被“转换器”抑制掉；整形后的正向脉冲分作两路，通过后端光电隔离和电平转换，最终生成完全同步的两路脉冲信号：一路是电平为V_p的负向脉冲信号，由端口D输出，一路是电平为V_p的正向脉冲信号，由端口E输出，分别适用于负向脉冲触发的有线遥测地震仪和正向脉冲触发的有线遥测地震仪，电平V_p由用户事先设定，设定范围为3.3V～12V；用户可根据有线遥测地震仪的同步脉冲要求设定T_p和V_p，然后根据有线遥测地震仪的所需的同步脉冲类型，选择端口D或者端口E，将选中的端口与有线遥测地震仪同步触发输入相连接，最终实现与此类震源的同步。若地震震源输出的回线信号类型为B，则同步过程如图5所示，地震震源回线信号经过“短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路”、“转换器”和“脉冲信号整形及脉宽调整”之后，在回线状态变化的瞬间生成一个固定时间宽度T_p的正向电脉冲，T_p由用户事先设定，设定范围是1微秒～1秒；回线状态在首次变化之后，因震源自身的剧烈冲击可能会产生二次状态变化，如图4中的振荡扰动，出现了瞬时的状态反复，此扰动被“转换器”抑制掉；整形后的正向脉冲分作两路，通过后端光电隔离和电平转换，最终生成完全同步的两路脉冲信号：一路是电平为V_p的负向脉冲信号，由端口D输出，一路是电平为V_p的正向脉冲信号，由端口E输出，分别适用于负向脉冲触发的有线遥测地震仪和正向脉冲触发的有线遥测地震仪，电平V_p由用户事先设定，设定范围为3.3V～12V；用户可根据有线遥测地震仪的同步脉冲要求设定T_p和V_p，然后根据有线遥测地震仪的所需的同步脉冲类型，选择端口D或者端口E，将选中的端口与有线遥测地震仪同步触发输入相连接，最终实现与此类震源的同步。

无缆遥测地震仪与无遥爆机的炸药震源或者重锤震源（回线状态转换作为同步信号）实现同步的过程如下：

如图1所示，无缆遥测地震仪与无遥爆机的炸药震源或者重锤震源的回线输出端与地震震源兼容同步装置端口2相连接；回线同步信号经过“短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路”、“转换器”和“脉冲信号整形及脉宽调整”之后，生成指定时间宽度Ts（无缆遥测地震仪的采样时间间隔）的正向电脉冲Sync_Pulse1，与“秒间脉冲时间偏移计量器”相连；中央控制器和GPS授时单元互连构成的UTC时间服务单元，根据GPS授时得到UTC绝对时间，结合GPS授时单元输出的1PPS信号，将时间流划分为以整秒为单位的时间单元，如图6所示，该时序图显示了T₁、T₂、T₃三个整秒中间发生的震源同步过程；晶体振荡器和计时时间粒度控制器根据无缆遥测地震仪的采样间隔Ts，生成周期为Ts的周期振荡信号，作为“秒间脉冲时间偏移计量器”的时间计量单元；“秒间脉冲时间偏移计量器”在每个整秒开始的瞬间结束上次计数并同时启动下次计数，其计数器的计数值记作Count_V；如图6所示，以Ts=0.1秒为例，Sync_Pulse1的同步脉冲在T₂整秒内发生，其上升沿落在T₂秒内的第6个时钟期间，“秒间脉冲时间偏移计量器”捕捉到Sync_Pulse1的上升沿之后，计算得到Sync_Pulse1的同步时刻为：T₂+5×Ts（UTC时间结合秒间时间偏移计量），然后通过ACK信号向中央控制单元通知发生同步事件；中央控制单元收到ACK信号后，读取同步时刻值，并将该时间值存入“震源起振时刻存储卡”；最终通过端口6提供给无缆遥测地震仪，无缆遥测地震仪通过对齐震源起振时刻表实现与此类震源的同步。

无缆遥测地震仪与带遥爆机的炸药震源或者车载可控震源（同步电脉冲作为同步信号）实现同步的过程如下：

如图1所示，无缆遥测地震仪与带遥爆机的炸药震源或者车载可控震源的同步脉冲信号输出端与地震震源兼容同步装置端口3相连接；同步脉冲通过“正、负脉冲缓冲及过压、过流保护电路”、“转换器”和“脉冲信号整形及脉宽调整”后，输出的电脉冲波形如图7所示，因震源的类型不同以及环境干扰，进入同步装置的同步脉冲时间宽度各不相同，波形形状也出现了一定程度的失真，整形后的脉冲时间宽度固定为T_sp，该宽度由用户根据无缆遥测地震仪的采样间隔设定；如图1中所示，整形后得到的脉冲Sync_Pulse2接入“秒间脉冲时间偏移计量器”，其同步原理与Sync_Pulse1相同，如图6所示，GPS授时与1PPS信号结合用于测量Sync_Pulse2同步脉冲所处的UTC绝对时间，“秒间脉冲时间偏移计量器”则对Sync_Pulse2同步脉冲所处的秒间时间偏移量进行测量，所得时间偏移量加上上面所得UTC绝对时间，即得到Sync_Pulse2同步事件的发生时刻，中央控制单元将此时刻值存入“震源起振时刻存储卡”，最终通过端口6提供给无缆遥测地震仪，无缆遥测地震仪通过对齐震源起振时刻表实现与此类震源的同步。

Claims (2)

1.一种多种类型地震震源兼容同步装置，其特征在于，是由炸药震源或重锤震源同步回线经端口A、第一短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路(1)、第一转换器(2)、第一脉冲信号整形及脉宽调整(3)、反相器(4)、第一光电隔离器(5)和第一脉冲电平转换器(6)与端口D连接，端口E经第二脉冲电平转换器(8)和第二光电隔离器(7)与第一脉冲信号整形及脉宽调整(3)连接，炸药震源或重锤震源同步回线经端口B、第二短路、断路信号缓冲及过压、过流保护电路(9)、第二转换器(10)、第二脉冲信号整形及脉宽调整(11)、秒间脉冲时间偏移计量器(17)、中央控制器(18)和震源起震时刻存储卡(19)与端口F连接，炸药震源、车载可控震源或重锤震源同步信号线经端口C、正负脉冲缓冲及过压、过流保护电路(12)、第三转换器(13)、第三脉冲信号整形及脉宽调整(14)与秒间脉冲时间偏移计量器(17)连接，晶体振荡器(15)经计时时间粒度控制器(16)与秒间脉冲时间偏移计量器(17)，GPS卫星授时接收单元(20)分别与秒间脉冲时间偏移计量器(17)和中央控制器(18)连接构成。

2.按照权利要求1所述的多种类型地震震源兼容同步装置的同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、无遥爆机炸药震源或重锤震源同步回线与多种类型地震震源兼容同步装置连接，无遥爆机炸药震源或重锤震源的同步信号是回线断路信号或回线短路信号，回线断路信号和回线短路信号通过多种类型地震震源兼容同步装置后转换为指定时间宽度的同步电脉冲；

b、带遥爆机炸药震源或车载可控震源同步信号线与多种类型地震震源兼容同步装置连接，带遥爆机炸药震源或车载可控震源输出同步电脉冲，该同步脉冲通过多种类型地震震源兼容同步装置后转换为指定时间宽度的同步电脉冲；

c、步骤a中的两类震源的同步信号转换为指定宽度的电脉冲后，通过后一级光电隔离器和脉冲电平转换器，转换为指定电平的两路同步脉冲信号：同步正脉冲信号和同步负脉冲信号；有线遥测地震仪根据自身对同步电脉冲极性的要求，选择同步正脉冲信号或同步负脉冲信号作为同步输入信号，从而实现与无遥爆机炸药震源或重锤震源的同步；

d、步骤a或步骤b中的两类震源的同步信号转换为指定宽度的电脉冲后，通过后一级时间计量电路，得到同步脉冲发生的绝对时刻UTC和整秒向后偏移时间量；

e、无缆地震仪数据采集在UTC时间的整秒启动，并以固定时间间隔为周期连续采集地震数据并存入存储器，无缆地震仪的每个采样点都有UTC绝对时间标签，即数据采集的启动时刻加上该采样点的序号乘以采样间隔；

f、无缆地震仪通过提取同步装置提供的震源同步脉冲的绝对时刻，在自身记录的采样点中进行时间标签比对，找到与震源同步脉冲时间标签相等的采样点，以此向后截取地震数据，得到与震源同步的地震单炮记录，从而实现无缆遥测地震仪与带遥爆机炸药震源、无遥爆机炸药震源、车载可控震源或重锤震源的同步。