CN104020490A - 全数字mems三分量地震检波器 - Google Patents

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李怀良
庹先国
沈统
刘勇
蒋鑫
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毛小波
贺春艳
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Abstract

本发明公开了一种全数字MEMS三分量地震检波器，包括密封防水外壳，设置于该密封防水外壳内部的控制单元、与该控制单元连接的由三个单轴MEMS传感器正交组合而成的三分量检波器、与所述三个单轴MEMS传感器一对一连接的三个信号调理电路和分别通过一个多路模拟选择器与三个信号调理电路一对一连接的三个A/D转换器，该三个A/D转换器分别与所述控制单元连接；同时，在所述控制单元上还连接有侧斜倾角检测模块和惯性传感器。本发明解决了现有技术中检波器无法兼顾姿态方法信息、地面与测井等多用途适应能力、实时获取内部温度湿度控制参数以及高效低功耗的检波器电源内部管理的问题，具有很高的实用价值和研究意义。

Description

全数字MEMS三分量地震检波器
技术领域
本发明涉及一种地震检波器，具体地说，是涉及一种全数字MEMS三分量地震检波器。
背景技术
在石油勘探领域，地震检波器是地震数据采集的关键设备，其性能好坏直接影响地震勘探数据的质量。随着地震勘探技术的发展，对地震勘探的分辨率和精度要求也越来越高，特别是近几年发展的高分辨率勘探，需要动态范围大、失真低、抗干扰能力强的检波器，用传统地震检波器得不到理想原始信号的现状已经直接影响到地震数据采集的质量，而MEMS(Micro ElectromechanicalSystem，即微电子机械系统)加速度检波器由于动态范围大和频率带宽高，能获得高质量的数据,经过计算机处理可以获得更精确的地下成像，对提高油藏回采率、降低勘探风险和开发风险有重要作用。在MEMS加速度检波器的各种特性中，幅频特性是非常重要的一个特性。幅频特性曲线表示了MEMS检波器对不同频率振动信号的响应情况，通过幅频曲线可以得到检波器的带宽、线性响应范围等特性。
与此同时，当前适用于高密度、大规模、大道数的地震采集的检波器大多数还是三维模拟检波器，甚至是单轴模拟检波器，即便是少量存在的三轴数字检波器也仅仅是单一的地震信号采集，并没有出现集检波器的姿态方法信息、地面与测井等多用途适应能力、实时获取内部温度湿度控制参数以及高效低功耗的检波器电源内部管理于一体的全数字MEMS多功能地震检波器。因此，寻找外形较小、坚固耐用、灵敏度较高、具有高分辨高速率且在采集地震信号时具有更小背景噪音的新型检波器是当前地震勘探的迫切需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全数字MEMS三分量地震检波器，解决现有技术中检波器无法兼顾姿态方法信息、地面与测井等多用途适应能力、实时获取内部温度湿度控制参数以及高效低功耗的检波器电源内部管理的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
全数字MEMS三分量地震检波器，包括密封防水外壳，设置于该密封防水外壳内部的控制单元、与该控制单元连接的由三个单轴MEMS传感器正交组合而成的三分量检波器、与所述三个单轴MEMS传感器一对一连接的三个信号调理电路和分别通过一个多路模拟选择器与三个信号调理电路一对一连接的三个A/D转换器，该三个A/D转换器分别与所述控制单元连接；同时，在所述控制单元上还连接有侧斜倾角检测模块和惯性传感器。
进一步，所述控制单元上还设置有RS485电源总线接口，并通过该RS485电源总线接口连接有电源转换供电系统；该电源转换供电系统一路连接所述控制单元，一路连接所述A/D转换器，第三路连接所述三分量检波器。
再进一步低，所述电源转换供电系统包括与所述RS485电源总线接口连接的DC-DC电源，连接该DC-DC电源和所述控制单元的主电源，连接在该DC-DC电源上的滤波电路，以及连接该滤波电路和三分量检波器的传感器模拟电源，和连接该滤波电路与所述A/D转换器的高精度参考电源；所述传感器模拟电源为低纹波隔离电源。
优选地，所述信号调理电路包括输入端与所述单轴MEMS传感器连接的可编程增益放大器，与该可编程增益放大器的输出端连接的信号分配器，以及分别与该信号分配器的输出端连接的可控低通滤波器、可控高通滤波器和陷波器；该可控低通滤波器、可控高通滤波器和陷波器的输出端同时与所述多路模拟选择器连接，且所述信号分配器的输出端还直接与所述多路模拟选择器连接。
优选地，所述多路模拟选择器与所述A/D转换器之间还连接有耦合电路。
优选地，所述控制单元由STM32F405芯片构成。
优选地，所述信号调理电路采用4.7μF多层陶瓷电容下拉1MΩ电阻的方式进行直流过滤。
优选地，所述信号调理电路采用AD8138配合四个等臂电阻、公共输入端口的参考电压与ADC的参考电压相同的方式，进行差分信号转换。
优选地，所述DC-DC电源为具有电气隔离的4:1宽压输入的DC-DC开关电源。
优选地，所述DC-DC电源由DC-DC电源模块构成，而所述滤波电路则包括与该DC-DC电源模块串联的LDO模块，连接在所述DC-DC电源模块与该LDO模块之间的电感L1，分别连接在所述LDO模块输入端和输出端的磁珠，以及与所述DC-DC电源模块并联的电容Cin1、Cout1，和与所述LDO模块并联的电容Cin2、Cout2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明具有结构简化、体积小、重量轻、功耗低、操作简便、户外适应能力强的优点，可推广应用于油气勘探中的小折射、微地震、随钻地震、VSP测井等领域。
(2)本发明采用最新推出的STM32F405芯片作为控制单元，该芯片各种外围接口丰富、具有足够大的RAM和Flash存储空间，而无需再作外部扩展，具有较强的数据处理能力足以满足地震信号采集中各种数据处理要求；而采用三个单轴的MEMS传感器正交组合构成的三分量检波器，则可以大大提升检波器的拾震能力。
(3)本发明在信号调理电路中采用4.7μF多层陶瓷电容下拉1MΩ电阻的方式实现隔直流，一方面避免阻断低频弱信号，另外一方面则提高了电容的充放电时间，降低了信号的延时时间。
(4)本发明结合野外勘探的实际地形条件、勘探方法和具体的勘探对象，提供了多档可调的信号处理方式：可编程增益放大器、低通及高通滤波器、陷波器、模拟数字耦合电路等等，从而可以充分适应不同的户外环境，保证有效地震信号的完整性。
(5)本发明采用LC+磁珠+LDO模块的电源滤波方案，从而可有效提高电源的稳定性、精度和瞬态响应，降低输出阻抗，还能够显著降低纹波和电压尖峰。
(6)本发明在检波器内实现三分量(X、Y、Z)同时采集，并全面实现数字化，减少了信号的模拟传输部分，以适应精细地层结构反演的多维多分量的发展趋势；而本发明中的检波器具有广泛的应用领域，能够适应不同的地震勘探方法对应的现场布设，对多种勘探系统具有良好的兼容性，实用价值和推广价值很高。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明的内部电路框图。
图3为本发明中信号调理电路的系统框图。
图4为本发明中信号调理电路的电路原理图。
图5为本发明中DC-DC电源、滤波电路和主电源的系统框图。
图6为本发明中DC-DC电源、滤波电路和主电源的电路原理图。
图7为本发明中高精度参考电源的电路原理图。
图8为本发明中传感器模拟电源的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1所示，本发明公开的全数字MEMS三分量地震检波器，主要包括一个密封防水外壳，在该密封防水外壳内部设置有检波器的控制电路，该控制电路主要包括以下几个部分：控制单元、电源转换供电系统、三轴MEMS检波器单元、全数字化单元及高速网络驱动电路组成。
其中，密封防水外壳设计有多个防水等级，可适用于各种地面、水中及勘探井孔中进行地震勘探，从而增强了本发明的野外适应能力、拓宽了适应领域。在该密封防水外壳上安装有两个五芯航空插头，作为检波器提供电能、参数配置命令以及数据传输的接口；电源转换供电系统通过检波器内部温度实时监控与低功耗电源管理功能，实现对电能高效转换和质量控制；三轴MEMS传感器单元实现对Ｘ、Y、Z三轴地震波信号获取；姿态实时检测单元对地震勘探的信息进行实时检测，之后进行信号调理、AD实时转换，最终实现多参数于一体的全数字化检波器，其电路原理框图如图2所示。
整个技术以高性能低功耗的STM32F405为控制中心，其自带的丰富数据总线接口中的高速串行接口及高速SPI接口，实现与RS485电源总线接口及AD转换器的数据输入总线接口的无缝连接；由总线接口引出的通信及电源总线，实现检波器与外界进行数据传输通信和电能输入。电源输入通过高隔离度的DC-DC电源实现检波器内部与外界噪声的隔离，通过滤波电路实现高质量模拟电源的获取，为提高检波器高质量信号采集提供保障。由三分量检波器的输出信号经多路低噪声、高分辨率的信号采集电路，提高系统动态范围及带宽，配合并行采集技术构成可扩展裁剪的多路严格并行采集电路，并通过多功能全数字三分量检波器对外提供标准的IP地址和可自适应的RS485传输通信接口，使得检波器可兼容多种采集站，不仅增强地震勘探设备在复杂山地施工的适应能力，观测系统构建灵活，也进一步提高了地震数据采集质量和勘探效率。
所述控制单元由意法半导体最新推出的STM32F405芯片构成，该芯片各种外围接口丰富、有足够的大的RAM和Flash存储空间而无需再外部扩展、具有较强的数据处理能力足以满足地震信号采集中各种数据处理要求。该控制单元通过相应的I/O端口控制检波器内部24位A/D转换模块的启动、转换以及数据传输，同时还完成同步触发采集控制、检波器自检功能实现、检波器电源优化管理控制、检波器数据传输网络接口等功能。
电源转换供电系统主要包括DC-DC电源、传感器模拟电源、高精度参考电源和滤波电路，如图5～图8所示。其中，DC-DC电源主要又DC-DC电源模块构成，通过RS485电源总线接口与控制单元连接，为控制单元提供电源；具体方式为通过4:1宽范围输入的高隔离型DC-DC开关电源模块进行转换得到，以增强检波器内部电路与外部噪声的隔离，提高系统的抗干扰能力。DC-DC电源的输出端还通过滤波电路分别连接到传感器模拟电源和高精度参考电源，分别为三分量检波器和A/D转换器供电。整个电源转换供电系统采用LC+磁珠+LDO模块的电源滤波方式实现，采用该方式可以有效提高电源的稳定性、精度和瞬态响应，降低输出阻抗，还能显著降低纹波和电压尖峰；在选取电容时应充分考虑到电源模块的容性负载能力以及电源谐振频率点，以保证电源系统的稳定可靠性。
三轴MEMS检波器单元即前述的三分量检波器，它由三个单轴的MEMS传感器正交组合而成，用于分别检测X、Y、Z三轴分量的地震信号。正因为如此，相应的信号调理电路也采用了三路，具体图3和图4所示。三条信号调理电路分别对三个MEMS传感器的检测信号进行处理，然后通过多路模拟选择器根据实际的外部环境选择相应的处理模式，并将信号传输给A/D转换器进行模数转换，最后再传送至控制单元进行后续处理。具体地说，MEMS传感器在采集到信号之后，首先由可编程增益放大器进行初步放大，然后根据实际情况，由信号分配器将初步放大的信号传输给可控低通滤波器、可控高通滤波器、陷波器三者之一进行滤波处理，滤波处理之后进行数据选择、耦合，最后传输给A/D转换器进行模数转换，或者不进行滤波处理，直接由信号分配器传输给数据选择器进行数据选择，再经过耦合之后进行模数转换。
上述信号调理技术采用了4.7μF多层陶瓷电容下拉1MΩ电阻的方式实现隔离直流，一方面避免阻断低频弱信号，另外一方面延长电容的充放电时间，缩短信号的延时时间。由于野外勘探的实际地形条件不同、勘探的方法及勘探的对象不同，所需要的信号处理方式也有很大不同。本技术中从以下几个方面考虑：由于各种地质条件下由震源产生的地震波经地下弹性介质传播后的地震信号强弱不同，为使传输给AD转换器的信号处于比较合适的幅度，需要所采用的高保真放大器是可以通过软件编程设置增益的；同样，由于信号干扰成分的频率不同，不同勘探方法所需要的有效波段的频率差异也较大，需要将低通、高通滤波器及陷波器设计为截止频率多档可调的，并可根据实际情况通过信号选择分配单元选择是否使用滤波器，或使用其中部分滤波器组合模式及调整三种滤波器的截止频率，以保证有效地震信号的完整性。同时，电路中采用AD8138配合四个等臂电阻，公共输入端口的参考电压与ADC的参考电压完全相同，以实现合理的差分信号转换。
信号分配器、各种滤波器、数据选择器形成了多种可控的滤波器组合状态，保证了处理后地震信号的高信噪比。而耦合电路的设置，则降低了前级与次级电路之间的干扰程度，保证了A/D转换器的高精度采集性能。
进一步地说，所述三分量检波器的三个单轴MEMS传感器分别为三轴MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)陀螺仪、三轴MEMS加速度传感器和三轴MEMS电子罗盘。三个设备均采用数字方式输出，通过陀螺仪可以得到所需要的所有数据，但是消费电子级别的MEMS陀螺仪精度不足以满足系统的要求，零点漂移过于严重，所以需要采用加速度传感器和电子罗盘来辅助陀螺仪进行定位。使用陀螺仪来消除由于外界震动造成的加速度传感器输出的抖动和电子罗盘自身输出的数字抖动。
陀螺仪具有良好的动态特性，可以通过积分得到短时的姿态变化信息，但由于零点漂移和积分时间的误差，进行长时间姿态解算时，会产生累积误差。电子罗盘和加速度传感器的测量没有累积误差，但是其动态特性不好。因此，三者优势互补，可以同时滤除高频和低频干扰，从而综合陀螺仪、电子罗盘与加速度传感器得到的角度在滤波之后可以稳定的输出结果，即得到精确的地震信号。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.全数字MEMS三分量地震检波器，其特征在于，包括密封防水外壳，设置于该密封防水外壳内部的控制单元、与该控制单元连接的由三个单轴MEMS传感器正交组合而成的三分量检波器、与所述三个单轴MEMS传感器一对一连接的三个信号调理电路和分别通过一个多路模拟选择器与三个信号调理电路一对一连接的三个A/D转换器，该三个A/D转换器分别与所述控制单元连接；同时，在所述控制单元上还连接有侧斜倾角检测模块和惯性传感器。
2.根据权利要求1所述的全数字MEMS三分量地震检波器，其特征在于，所述控制单元上还设置有RS485电源总线接口，并通过该RS485电源总线接口连接有电源转换供电系统；该电源转换供电系统一路连接所述控制单元，一路连接所述A/D转换器，第三路连接所述三分量检波器。
3.根据权利要求2所述的全数字MEMS三分量地震检波器，其特征在于，所述电源转换供电系统包括与所述RS485电源总线接口连接的DC-DC电源，连接该DC-DC电源和所述控制单元的主电源，连接在该DC-DC电源上的滤波电路，以及连接该滤波电路和三分量检波器的传感器模拟电源，和连接该滤波电路与所述A/D转换器的高精度参考电源；所述传感器模拟电源为低纹波隔离电源。
4.根据权利要求3所述的全数字MEMS三分量地震检波器，其特征在于，所述信号调理电路包括输入端与所述单轴MEMS传感器连接的可编程增益放大器，与该可编程增益放大器的输出端连接的信号分配器，以及分别与该信号分配器的输出端连接的可控低通滤波器、可控高通滤波器和陷波器；该可控低通滤波器、可控高通滤波器和陷波器的输出端同时与所述多路模拟选择器连接，且所述信号分配器的输出端还直接与所述多路模拟选择器连接。
5.根据权利要求4所述的全数字MEMS三分量地震检波器，其特征在于，所述多路模拟选择器与所述A/D转换器之间还连接有耦合电路。
6.根据权利要求5所述的全数字MEMS三分量地震检波器，其特征在于，所述控制单元由STM32F405芯片构成。
7.根据权利要求6所述的全数字MEMS三分量地震检波器，其特征在于，所述信号调理电路采用4.7μF多层陶瓷电容下拉1MΩ电阻的方式进行直流过滤。
8.根据权利要求7所述的全数字MEMS三分量地震检波器，其特征在于，所述信号调理电路采用AD8138配合四个等臂电阻、公共输入端口的参考电压与ADC的参考电压相同的方式，进行差分信号转换。
9.根据权利要求8所述的全数字MEMS三分量地震检波器，其特征在于，所述DC-DC电源为具有电气隔离的4:1宽压输入的DC-DC开关电源。
10.根据权利要求8所述的全数字MEMS三分量地震检波器，其特征在于，所述DC-DC电源由DC-DC电源模块构成，而所述滤波电路则包括与该DC-DC电源模块串联的LDO模块，连接在所述DC-DC电源模块与该LDO模块之间的电感L1，分别连接在所述LDO模块输入端和输出端的磁珠，以及与所述DC-DC电源模块并联的电容Cin1、Cout1，和与所述LDO模块并联的电容Cin2、Cout2。
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