CN105607113B - 分布式高精度地震信号采集装置及采集方法 - Google Patents

分布式高精度地震信号采集装置及采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于混合遥测地震勘探用分布式高精度地震信号采集装置及采集方法，采集装置是由底座两端分别接有数传电缆线，底座上部装有保护壳，保护壳内与底座之上的空间为采集板舱室，采集模块置于采集板舱室内，保护壳的上部设有检波器输入插头构成。在数据通讯模块中耦合有馈电系统，通过数传输电缆上耦合的94～48伏电源变换成系统所需要的工作电压，实现了只需要一个电源装置即可实现全部链路上的供电，采用ADS1282数转换器，实现了自检和系统校准，以保证高保真度、高信噪比、高分辨率地采集地震信号。方法简单实用，简化了野外测量的复杂过程，节省了时间，减轻了野外工作强度，提高了野外测量的工作效率，降低了野外工作成本。

Description

分布式高精度地震信号采集装置及采集方法
技术领域
本发明涉及一种适用于混合遥测地震勘探的地震信号采集装置，尤其是采用了分布式设计方案和高性能有线通讯协议，除了满足高精度地震信号采集功能以外，还实现地震信号采集装置之间自动级联以及高速高可靠性数据通讯。
背景技术：
地震勘探方法作为矿产资源探测的主要方法，随着科学技术的发展，该方法在解决复杂矿藏地质问题的能力不断增强。地震勘探仪器是地震勘探方法中的关键设备，近60年来地震勘探仪历经了光点记录地震仪、模拟磁带记录地震仪、数字地震仪、遥测地震仪、全数字遥测地震仪五个发展阶段，其设计的理念实现了从集中式到分布式、从有线到无线、从模拟到数字以及目前的高密度全数字采集的转变。目前地震勘探方法正向着高密度、三维、全波场、高分辨率、超多道地震勘探等方向发展，与之相配套的地震勘探仪器设备也应该向着节点式、单站单道、三分量、全数字、GPS定位与授时、复合数据通讯方式、智能化以及便携式等方向发展。
早期的地震仪由于受到电子元器件及通讯技术的限制，只能将多通道数据采集单元集中设计到主机内部，通过多芯电缆线与检波器连接形成所谓集中式地震勘探系统。该系统的优点是设备相对简单、故障率低、仪器设备的制造成本较低，但其缺点主要体现在设备比较庞大、仪器的带道能力较差。随着地震勘探方法技术的发展，集中式多道地震仪已远远不能满足地震勘探要求，采用分布式设计方案已经成为现代地震仪设计的主流，该方案主要得益于电子技术及数字通讯技术领域中取得成果。所谓的分布式是将地震仪拆分成相互独立的采集单元，每个采集单元也由12道、6道逐渐发展成现在的1道(即单站单道)，多个采集单元利用数据通讯技术相连接组成多道地震勘探仪。采集单元之间的通讯主要有无线通讯技术、有线通讯技术以及有线和无线混合模式三种通讯方式，无线通讯技术虽然可以大大减轻设备的重量，但是由于无线通讯技术受到带宽度、通讯距离以及需要大量外围设备配套的等条件的限制，无法满足地震勘探野外生产需要。目前大多则是采用采用的混合通讯模式，即大量采用有线通讯连接，只是在个别节点(地形复杂地段)采用无线通信技术作为过渡。
采集单元的技术性能是地震系统的关键所在，如何实现采集单元的高精度数据采集及采集单元之间高速度、高可靠性数据传输是地震仪设计中需要解决的重要问题。
发明内容：
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种适用于混合遥测地震勘探用分布式高精度地震信号采集装置；
本发明的另一目的是提供一种适用于混合遥测地震勘探用分布式高精度地震信号采集装置的采集方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
混合遥测地震勘探用分布式高精度地震信号采集装置，是由底座4的左右两端分别接有数传电缆线3，数传电缆线3外包有电缆线护套5，底座4上部装有保护壳6，保护壳6内与底座4之上的空间为采集板舱室2，采集模块置于采集板舱室2内，保护壳6的上部中间部位设有检波器输入插头1构成。
所述的采集模块是由主处理器15分别与左侧通讯馈电模块10、右侧通讯馈电模块11、信号发生器模块12和数据采集模块13连接，主处理器15经电源管理模块14分别与左侧通讯馈电模块10和右侧通讯馈电模块11连接构成。
混合遥测地震勘探用分布式高精度地震信号采集装置的采集方法，包括以下步骤：
A、分布式高精度地震信号采集装置7之间通过数传电缆3和航插依次相互连接组成数据采集链路；
B、上位机向数据链路中发送电源开关指令，左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11检测到数据传输电缆3上的耦合的电压后，经过电源管理模块14将外部电源转换成工作电压，启动CPU主处理器15；
C、上位机向数据链路发送叫站指令，通过数传输电缆线3及左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11将该指令传输到CPU主处理器15中，CPU主处理器15收集当前采集模块的物理信息，包括编号、逻辑序号，并进行编码处理，上传到数据链路中，上位机将接收到的全部数据进行解编后，实现数据采集链路上所有分布式高精度地震信号采集装置7的编码。
D、上位机向数据链路中发送数据采集指令，通过数据传输电缆线3、左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11以广播的方式传输到所有分布式高精度地震信号采集装置7中的CPU主处理器15中，CPU主处理器15接收到该指令后，立即启动低速同步头检测模式，当整个数据链路中的同步通讯建立成功后，启动数据采集模块13，将采集到的数据以数据流的方式实时上传到到上位机中；
E、在上位机将数据采集模块13和信号发生器模块12采集到的数据直接送到通讯端口并上传到数据链路中的同时，完成采集装置自检；
F、上位机向数据链路中发送电源关闭指令，左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11检测不到数据传输电缆线3上的耦合电压，CPU主处理器15没有工作电源，数据链路上的所有分布式高精度地震信号采集装置7处于待机状态。
有益效果：本发明利用STM32F103片上的2路高效的SPI接口实现与485芯片之间的高速数据通讯，实现采集数据实时传输。同时在数据通讯模块中耦合有馈电系统，通过在4芯数据传输电缆上耦合的94～48伏电源变换成系统所需要的工作电压，从而实现只需要一个电源装置即可实现全部数据链路上数据采集装置的供电。数据采集则采用ADS1282新型模/数转换器，充分利用该芯片上的数据选择器及校准引擎实现自检和系统校准功能，以保证高保真度、高信噪比、高分辨率地采集地震信号。内部采用AD9833芯片作为标准信号发生器，用于数据采集装置系统的自检，以满足地震勘探对仪器设备自检的需要，方法简单实用，简化了野外测量的复杂过程，节省了时间，减轻了野外工作强度，提高了野外测量的工作效率，降低了野外工作成本。
附图说明：
图1分布式高精度地震信号采集装置结构图。
图2数据采集链路连接示意图
图3采集模块结构框图。
图4分布式高精度地震信号采集装置电路图
图5采集模块电路图
1.检波器输入插头，2.采集板舱室，3.数传电缆线，4.底座，5.电缆线护套，6.保护壳，7.分布式高精度地震信号采集装置，8.检波器连接电缆线，9.检波器，10.左侧通讯馈电模块，11.右侧通讯馈电模块，12.信号发生器模块，13.数据采集模块，14.电源管理模块，15.CPU主处理器
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：
混合遥测地震勘探用分布式高精度地震信号采集装置，是由底座4的左右两端分别接有数传电缆线3，数传电缆线3外包有电缆线护套5，底座4上部装有保护壳6，保护壳6之内与底座4之上的空间为采集板舱室2，采集模块置于采集板舱室2内，保护壳6的上部中间部位设有检波器输入插头1构成。
所述的采集模块是由主处理器15分别与左侧通讯馈电模块10、右侧通讯馈电模块11、信号发生器模块12和数据采集模块13连接，主处理器15经电源管理模块14分别与左侧通讯馈电模块10和右侧通讯馈电模块11连接构成。
混合遥测地震勘探用分布式高精度地震信号采集装置的采集方法，包括以下步骤：
A、分布式高精度地震信号采集装置7之间通过数传电缆3和航插依次相互连接组成数据采集链路；
B、上位机向数据链路中发送电源开关指令，左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11检测到数据传输电缆3上的耦合的电压后，经过电源管理模块14将外部电源转换成工作电压，启动CPU主处理器15；
C、上位机向数据链路发送叫站指令，通过数传输电缆线3及左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11将该指令传输到CPU主处理器15中，CPU主处理器15收集当前采集模块的物理信息，包括编号、逻辑序号，并进行编码处理，上传到数据链路中，上位机将接收到的全部数据进行解编后，实现数据采集链路上所有分布式高精度地震信号采集装置7的编码；
D、上位机向数据链路中发送数据采集指令，通过数据传输电缆线3、左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11以广播的方式传输到所有分布式高精度地震信号采集装置7中的CPU主处理器15中，CPU主处理器15接收到该指令后，立即启动低速同步头检测模式，当整个数据链路中的同步通讯建立成功后，启动数据采集模块13，将采集到的数据以数据流的方式实时上传到到上位机中；
E、在上位机将数据采集模块13和信号发生器模块12采集到的数据直接送到通讯端口并上传到数据链路中的同时，完成采集装置自检；
F、上位机向数据链路中发送电源关闭指令，左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11检测不到数据传输电缆线3上的耦合电压，CPU主处理器15没有工作电源，数据链路上的所有分布式高精度地震信号采集装置7处于待机状态。
如图3所示，CPU主处理器15充分利用STM32F03芯片具有的高速、多接口等特点，实现整个系统的调度和控制，完成数据的采集、系统自检及数据的传输等功能。
CPU主处理器15通过与电源模块14与左侧通讯馈电模块10和右侧馈电模块11共同构建成电源系统，负责为整个采集装置提供所需要的电源；
CPU主处理器15与左侧通讯馈电模块14构建成左侧数据通讯系统，负责接收控制指令及数据的传输；
CPU主处理器15与右侧通讯馈电模块15构建成右侧数据通讯系统，负责接收控制指令及数据的传输；
CPU主处理器15与信号发生器模块12构建成系统自检系统，负责产生系统自检过程中所需要的信号源；
CPU主处理器15与数据采集模块13构建成数据采集系统，负责地震信号的高精度采集。
混合遥测地震勘探用分布式高精度地震信号采集装置的采集方法，包括以下步骤：
A、分布式高精度地震信号采集装置7之间通过数传电缆3和航插依次相互连接组成数据采集链路，每个分布式高精度地震信号采集装置7通过电缆线8与检波器9连接，构建成多通道地震数据采集链路，该采集链路上能够连接一个以上乃至192个分布式高精度地震信号采集装置7，如图2所示。
B、上位机向数据链路中发送电源开关指令，分布式高精度地震信号数据采集装置7中左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11检测到数据传输电缆3上的耦合的电压后，经过电源管理模块14将外部电源转换成工作电压，启动CPU主处理器15上预先装载的程序。同时利用电源管理模块14将耦合的电压直接送到另一侧的通讯馈电模块11或10，并将该电压直接耦合到数据传输电缆3上，为后续的分布式高精度地震信号数据采集装置7提供电源。数据采集链路上的所有采集装置均依次采用上述方式，实现系统的启动。
C、上位机向数据链路中发送叫站指令，通过数据传输电缆线3及左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11将该指令传输到CPU主处理器15中，CPU主处理器15收集当前采集模块的物理信息，包括编号、逻辑序号，并进行编码处理，左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11经过数据传输电缆3上传到上位机。CPU主处理器15将叫站指令通过左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11下发到数据链路中，从而实现采集链路上所有分布式高精度地震信号采集装置7的叫站操作。上位机将接收到的全部数据进行解编后，形成数据采集链路上所有采集装置7的逻辑序号，为下一步数据采集提供控制性参数。
D、上位机向数据链路中发送数据采集指令，通过数据传输电缆线3、左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11以广播的方式传输到所有分布式高精度地震信号采集装置7中的CPU主处理器15中。CPU主处理器15接收到该指令后，立即启动低速同步头检测模式，当整个数据链路中的同步通讯建立成功后，启动高速STM32F103芯片的DMA通讯模式及数据采集模块13，采集的数据直接送到通讯端口并上传到数据链路中，形成了一个由所有采集装置实时采集数据形成的连续数据流。上位机实时接收数据流，完成地震数据的采集。
E、上位机向数据链路中发送自检采集指令，通过数据传输电缆线3、左侧通讯馈电模块10、右侧通讯馈电模块11以广播的方式传输到所有采集装置7中的CPU主处理器中。CPU主处理器15接收到该指令后，立即启动低速同步头检测模式，当整个数据链路中的同步通讯建立成功后，启动高速STM32F103芯片的DMA通讯模式、数据采集模块13和信号发生器模块12将采集到的数据直接送到通讯端口并上传到数据链路中，形成了一个由所有采集装置实时采集数据形成的连续数据流。上位机实时接收数据流，完成采集装置自检工作。
F、上位机向数据链路中发送电源关闭指令，左侧通讯馈电模块10或右侧通讯馈电模块11检测不到数据传输电缆线3上的耦合电压，CPU主处理器15没有工作电源，数据链路上的所有分布式高精度地震信号采集装置7处于待机状态。

Claims (1)

1.一种混合遥测地震勘探用分布式高精度地震信号采集装置，采集装置是由底座(4)的左右两端分别接有数传电缆线(3)，数传电缆线(3)外包有电缆线护套(5)，底座(4)上部装有保护壳(6)，保护壳(6)内与底座(4)之上的空间为采集板舱室(2)，采集模块置于采集板舱室(2)内，保护壳(6)的上部中间部位设有检波器输入插头(1)构成；
所述的采集模块是由主处理器(15)分别与左侧通讯馈电模块(10)、右侧通讯馈电模块(11)、信号发生器模块(12)和数据采集模块(13)连接，主处理器(15)经电源管理模块(14)分别与左侧通讯馈电模块(10)和右侧通讯馈电模块(11)连接构成；
混合遥测地震勘探用分布式高精度地震信号采集装置的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、分布式高精度地震信号采集装置(7)之间通过数传电缆线(3)和航插依次相互连接组成数据采集链路；
B、上位机向数据链路中发送电源开关指令，左侧通讯馈电模块(10)或右侧通讯馈电模块(11)检测到数传电缆线(3)上的耦合的电压后，经过电源管理模块(14)将外部电源转换成工作电压，启动CPU主处理器(15)；
C、上位机向数据链路发送叫站指令，通过数传电缆线(3)及左侧通讯馈电模块(10)或右侧通讯馈电模块(11)将该指令传输到CPU主处理器(15)中，CPU主处理器(15)收集当前采集模块的物理信息，包括编号、逻辑序号，并进行编码处理，上发到数据链路中，上位机将接收到的全部数据进行解编后，实现数据采集链路上所有分布式高精度地震信号采集装置(7)的编码；
D、上位机向数据链路中发送数据采集指令，通过数传电缆线(3)、左侧通讯馈电模块(10)或右侧通讯馈电模块(11)以广播的方式传输到所有分布式高精度地震信号采集装置(7)中的CPU主处理器(15)中，CPU主处理器(15)接收到该指令后，立即启动低速同步头检测模式，当整个数据链路中的同步通讯建立成功后，启动数据采集模块(13)，将采集到的数据以数据流的方式实时上传到到上位机中；
E、在上位机将数据采集模块(13)和信号发生器模块(12)采集到的数据直接送到通讯端口并上传到数据链路中的同时，完成采集装置自检；
F、上位机向数据链路中发送电源关闭指令，左侧通讯馈电模块(10)或右侧通讯馈电模块(11)检测不到数传电缆线(3)上的耦合电压，CPU主处理器(15)没有工作电源，数据链路上的所有分布式高精度地震信号采集装置(7)处于待机状态。
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