CN106199688B - 集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器，包括主控系统、数据采集电路、DAC、加速度传感器、DDS芯片、执行器、激振体和惯性传感器；主控系统、DDS芯片、执行器和激振体构成主动震源系统；激震体、加速度传感器、数据采集电路依次连接，DAC与数据采集电路连接，并且数据采集电路还与主控系统连接，与主动震源系统构成提供震源、采集微地震数据的闭环回路；惯性传感器与主控系统连接，用于获取检波器实时方位信息；主控系统外部连接有485通信接口和以太网通信接口。本发明结构设计合理，其通过对已知事件的验证检验当前微地震监测的效果，有效解决了当前微地震监测技术对震源的定位精度难以进一步提高的问题。

Description

集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器及实现方法

技术领域

本发明涉及微地震监测技术领域，具体涉及的是一种集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器及实现方法。

背景技术

微地震检波器是用于监测岩石内震动的专用检波器，其原理和构造与地震勘探和工程测量中的检波器类似。而三分量检波器是多波勘探时使用的特种检波器，与单分量的常规地震检波器不同，三分量检波器可以记录质点振动速度向量的三个分量，从而用于同时记录纵波、横波、转换波。

三分量检波器在微地震监测技术中，可用于辅助震源分析。目前，相关的微地震监测算法经过几十年的发展，已经相对成熟，但是其定位精度却很难进一步提高，无法实时有效地验证实时定位的准确程度，究其原因，主要是因为震源的不确定性造成的。因此，现有的三分量微地震检波器难以有效地检验当前微地震监测的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器及实现方法，主要解决当前微地震监测定位精度不高的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器，包括主控系统、数据采集电路、DAC、加速度传感器、DDS芯片、执行器、激振体和惯性传感器；所述主控系统、DDS芯片、执行器和激振体依次连接构成一用于提供震源的主动震源系统；所述激振体、加速度传感器、数据采集电路依次连接，所述DAC与数据采集电路连接，并且数据采集电路还与主控系统连接，与主动震源系统构成一个提供震源、采集微地震数据的闭环回路；所述惯性传感器与主控系统连接，用于获取检波器实时方位信息；所述主控系统外部还分别连接有一485通信接口和以太网通信接口。

所述主控系统包括并行采集数据的STM32F4微控制器和FPGA；所述的STM32F4微控制器、DDS芯片、执行器和激振体构成主动震源系统。

所述加速度传感器为MEMS加速度传感器。

所述惯性传感器为MEMS加速度传感器。

基于上述三分量地震检波器的结构，本发明还提供了该三分量地震检波器的实现方法，包括以下步骤：

(1)主动震源系统产生震动信号，然后由加速度传感器获取，并传入至数据采集电路；

(2)DAC将数据采集电路接收的信号转化成数字信号，然后由数据采集电路传入至主控系统的FPGA中进行处理，同时，惯性传感器采集检波器实时方位信息，并一同传入至FPGA中；

(3)FPGA处理后，将数据经由485通信接口和以太网通信接口输出，与数据处理采集中心进行数据交互。

进一步地，所述步骤(1)中，主动震源系统产生震动信号的具体过程为：主控系统的STM32F4微控制器控制DDS芯片发出信号，激发执行器工作，使激振体产生震动信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明设计合理、结构巧妙，其在微地震检波器内部加入主动震源，实现在微地震监测系统安装完成后，即可通过激发检波器内的主动震源来确定整个监测区域内的速度模型；而在监测过程中，通过主动震源激发评估当前微地震监测定位结果是否的准确可靠，有较大偏差的话，便可以根据已知震源，修改速度模型，如此一来，不仅可以提高定位的精度，而且也在一定程度上提高了当前主动震源微地震监测技术的施工效率。

(2)本发明在检波器中加入了惯性传感器组，并通过数据融合算法来获取检波器的方位朝向信息，不仅丰富了可用于对震源定位的信息，而且可用于分析震源机制，从而为后续在算法层面提高微地震数据定位精度提供更多的数据支持。

(3)本发明性价比高、实用性强，具有较高的实用价值，非常适合在微地震监测方面大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明-实施例中数据采集部分的示意图。

图3为本发明-实施例中主动震源部分的示意图。

图4为本发明-实施例中信号发生器控制部分的系统框图。

图5为本发明-实施例中惯性传感器组数据融合的数据解算框图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

本发明提供了一种集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器，主要用于为主动震源微地震监测技术提供硬件支持，并提供了在检波器层面上提高微地震监测技术定位精度的可能性。本发明系统部分包括主控系统、数据采集电路、DAC、加速度传感器、DDS芯片、执行器、激振体和惯性传感器、485通信接口和以太网通信接口，其中，所述的主控系统采用并行的STM32F4微控制器和FPGA(本实施例中，该FPGA采用Cyclone IV系列)。

如图1所示，所述STM32F4微控制器、DDS芯片、执行器和激振体依次连接，构成一个主动震源系统，其作用是提供震源，具体做法是由主控系统调节DDS信号，然后激发执行器，从而使激振体产生震动。

所述的激振体、加速度传感器、数据采集电路依次连接，所述DAC与数据采集电路连接，并且数据采集电路还与主控系统连接，与主动震源系统构成一个提供震源、采集微地震数据的闭环回路(即可控主动震源)，当激振体产生震动后，由加速度传感器获取，并经数据采集电路和DAC数字化后送入主控系统的FPGA中进行处理。所述的惯性传感器与主控系统连接，用于获取检波器实时方位信息，并与上述微地震数据一并传入至主控系统中，然后输出，以方便后续对震源的机制进行分析。

本实施例中，上述加速度传感器和惯性传感器均采用MEMS，特点是集成度高，可与信号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本。而数据采集电路采用了现有常用的基于ADS1282的高精度采集电路，其与DAC和加速度传感器的连接示意图如图2所示，ADS1282是一款集成了双通道输入多路转换器、低噪声可编程增益放大器、四阶△-∑调制器和数字滤波器的高性能32位数模转换器，可以看作是Cirrus Logic套片方案中CS3301A+CS5372A+CS5376的集合，同时也拥有更加优异的性能，充分满足地震检测的应用需求。而所述的DAC则采用了DAC1282，DAC1282是一款用于地震仪的低失真数模转换器，可提供失真低，数字合成电压输出，适用于地震检测设备的测试，其内部集成了一个数字信号发生器、一个DAC、一个转换开关和一个脉冲输出电压的输出放大器。其工作流程与采用Cirrus Logic套片方案的工作流程类似，首先是对ADS1282初始化，然后通过主控电路对其进行配置和采集，采集完成后会给主控电路一个完成信号，通知主控电路读取数据。

关于主动震源的设计，本发明借鉴了地震勘探中主动震源的设计方案，检波器内的主动震源设计主要包含三个部分：信号发生器、激振器和测控器。信号发生器用于信号的合成与滤波，激振器选择可控的高频电动式激振器，在测控器的控制下产生所需的震动信号，同时在激振器上固定加速度传感器，用于采集系统反馈信号，此部分的系统设计框图如图3所示。在该系统中，核心是信号发生器的设计，本实施例中，信号发生器的设计拟采用专用的DDS芯片AD9852作为信号发生器芯片，其时钟频率为300MHz，有两个12位的高速正交DAC、两个48位可编程寄存器、两个14位可编程相位移位寄存器、12位幅度调制器和可编程的波形开关键功能，并有单路FSK和BPSK数据接口，易产生单路线性或非线性调频信号。当采用标准时钟源时，AD9852可产生高稳定的频率、相位、幅度可编程的正、余弦输出，可用作捷变频本地振荡器和各种波形产生器。AD9852提供了48位的频率分辨率，相位量化到14位，保证了极高频率分辨率和相位分辨率，极好的动态性能。

控制部分采用系统的STM32F4系列单片机作为主控芯片，主要包含信号发生模块、控制模块和通讯模块，如图4所示，电源模块主要为控制芯片及AD9852提供稳定干净的电源供应，尽量的减少由电源所引入的噪声干扰；通讯部分主要负责与上级的控制单元间通讯，执行主控单元发出的命令并给予应答；控制部分主要有以下功能：1.接收上级控制单元需要的震源类型，控制AD9852产生相应响应；2.实现功放的开关控制，在开始产生震源的时候才进行功率放大，其余时间不使用。3.根据主动震源的不同工作状态给出不同的状态指示。

而对于检波器实时方位的定向，则在本申请发明人的论文“基于MEMS传感器的三分量检波器定向方法”(《仪表技术与传感器》，2014年第10期，沈统、庹先国、李怀良、刘勇、阳林锋)中有详细描述，这里仅作简单介绍：

首先在硬件连接上，惯性传感器组的三种传感器的三个轴向需要一一对应，这样组合而成的传感器组可以看作只有三个轴向，而其三个轴向与三分量检波器的三个轴向也一一对应。

然后，通过微控制器读取惯性传感器组中三种不同类型传感器的数据，通过互补滤波算法将不同传感器的数据进行融合即可得到所需要的检波器的方位信息。其数据解算如图5所示。

按照上述设计思想，本发明的实现过程归纳如下：

(1)主动震源系统产生震动信号，然后由加速度传感器获取，并传入至数据采集电路；

(2)DAC将数据采集电路接收的信号转化成数字信号，然后由数据采集电路传入至主控系统的FPGA中进行处理，同时，惯性传感器采集检波器实时方位信息，并一同传入至FPGA中；

(3)FPGA处理后，将数据经由485通信接口和以太网通信接口输出，与数据处理采集中心进行数据交互。

关于本发明的可行性分析

微地震监测数据采集技术和主动震源技术均是当前相对较为成熟的技术，本发明的设计难点在于如何把主动震源的体积缩小到检波器内部，同时使其激发的震源能量足以触发周边的检波器，由于微地震监测技术中检波器需要于岩壁紧密耦合在一起，因此相对来说所需要主动震源激发的能量没有地震勘探所需要的能量大，根据振动器的力学分析，振动器产生力的大小F和震动体的质量M，活塞的行程L和频率(f)的平方成如下的关系：

F＝M×L×f²

由于受到体积的限制，因此提高振动器的震动频率同样可以增大主动震源产生的力的大小，而且已经有澳大利亚矿震研究院20kHz小体积主动震源的成功经验，因此本发明的可行性不存在问题。

本发明通过在三分量微地震检波器内集成主动震源，从硬件层面解决了当前微地震技术由于震源的不确定性而导致难以准确评价当前微地震监测定位的效果的问题。同时，本发明还加入了惯性传感器，通过数据融合算法的方式来获取检波器的方位朝向信息，从而不仅可以丰富震源定位的信息，而且还可用于分析震源机制。因此，与现有技术相比，本发明技术进步明显，其具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器，其特征在于，包括主控系统、数据采集电路、DAC、加速度传感器、DDS芯片、执行器、激振体和惯性传感器；所述主控系统、DDS芯片、执行器和激振体依次连接构成一用于提供震源的主动震源系统；所述激振体、加速度传感器、数据采集电路依次连接，所述DAC与数据采集电路连接，并且数据采集电路还与主控系统连接，与主动震源系统构成一个提供震源、采集微地震数据的闭环回路；所述惯性传感器与主控系统连接，用于获取检波器实时方位信息；所述主控系统外部还分别连接有一485通信接口和以太网通信接口。

2.根据权利要求1所述的集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器，其特征在于，所述主控系统包括并行采集数据的STM32F4微控制器和FPGA；所述的STM32F4微控制器、DDS芯片、执行器和激振体构成主动震源系统；所述的FPGA与数据采集电路连接。

3.根据权利要求2所述的集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器，其特征在于，所述加速度传感器为MEMS加速度传感器。

4.根据权利要求2或3所述的集成有主动震源的高精度三分量微地震检波器，其特征在于，所述惯性传感器为MEMS加速度传感器。

5.权利要求4所述的三分量微地震检波器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)主动震源系统产生震动信号，然后由加速度传感器获取，并传入至数据采集电路；

(2)DAC将数据采集电路接收的信号转化成数字信号，然后由数据采集电路传入至主控系统的FPGA中进行处理，同时，惯性传感器采集检波器实时方位信息，并一同传入至FPGA中；

(3)FPGA处理后，将数据经由485通信接口和以太网通信接口输出，与数据处理采集中心进行数据交互。

6.根据权利要求5所述的三分量微地震检波器的实现方法，其特征在于，所述步骤(1)中，主动震源系统产生震动信号的具体过程为：主控系统的STM32F4微控制器控制DDS芯片发出信号，激发执行器工作，使激振体产生震动信号。