CN106814389A - 一种具有实时数据传输的多功能海底地震仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

提供一种实时数据传输的多功能海底地震仪及其使用方法，所述海底地震仪包括仪器舱、基站连接架；基站连接架位于仪器舱下侧，通过锁紧镙栓与仪器舱紧固连接，基站连接架采用下辐射三角结构，通过基站连接架耦合单元与海底耦合。本发明采用了先进的水下姿态控制单元，先进的采集器带宽扩频技术以及专门应用于实时数据传输的软硬件设计方案实现了实时数据传输的多功能海底地震仪在水下的实时通讯功能，并且有效地克服了传统产品在水下通信中存在的低可靠性、低数据速率和高功耗等问题；且适用于浅海海洋地质观测，海底地震监测系统以及海洋生态环境长期监测。

Description

一种具有实时数据传输的多功能海底地震仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探领域，具体为海洋勘探领域，特别涉及一种具有实时数据传输的多功能海底地震仪及其使用方法，其采用了海洋地震观测技术领域和水下声学传播技术。

背景技术

海底地震仪是一种将检波器直接放置在海底的地震观测系统。大致分来，海底地震仪可以分为沉浮式海底地震仪和基于实时数据传输的海底地震仪(以下简称具有实时数据传输的多功能海底地震仪)。

我国已在沉浮式海底地震仪研制方面取得突破，中国科学院地质与地球物理研究所在863计划十几年持续的支持下，成功研制了沉浮式高频海底地震仪。该类型海底地震仪已经广泛用于深水油气主动源（气枪）海底地震多分量地震勘探和深部地质调查，在863计划的资助下，目前每年销售该型高频沉浮式海底地震仪数十台，已经初步实现了产业化。

近年来，随着海底探测仪器的发展，海底观测台网作为一种新型平台已经引起了广泛关注，其彻底改变了人类研究海洋的途径，开创了海洋科学研究的新纪元。实传式多功能海底地震仪可以作为海底地震监测功能节点加入到海底观测台网中，海底观测台网进而可根据不同的应用场景组成海底地震监测网或者海底长期观测网。

我国是一个多地震国家，而海洋地震实时监测尚处于空白状态，基于海底观测台网组成的海底地震监测网可以对地震，海啸等灾害进行有效预防。国外拟建和在建的海底地震监测网都包含了海底地震监测功能节点，我国正在建立的海底地震监测网也包含了海底地震监测功能节点，其可为海底地震监测研究提供试验平台。

基于海底观测台网组成的海底长期观测网可使人类对海底各项物理参数以及生态指标实施实时长期观测，其可以监测破坏性地震、海底滑坡的发生并研究相应的地质灾害预警技术；其可以对地球物理观测台站空白或稀少的海域从间断性的航次考察转向连续、实时、原位、立体和长期监测，为认识地球物理场长期变化规律和地球各圈层耦合提供科学依据；其可以把人类认识最少的深海链接到实验室，在时间域中观察海洋-地球系统变化。其可以与活动平台相结合，实际网络与虚拟网络相结合，在解决科学问题和地质灾害监测需求的同时，为国防预警提供相应数据支撑。

海底观测台网作为一种新型平台逐步成为海底观测仪器的研发重点。在此方面，加拿大、日本、美国等国家发展较快，并已建立起完善的海底观测系统，其中海底地震观测均已纳入到整个海底观测网络中。我国在海底观测台网建设方面也做出了相应的研究，但起步较晚，科技部在“十二五”期间，设立国家高技术研究发展计划（863计划）重大项目“海底观测网试验系统”，以实现对深海海洋动力环境、化学环境、地球物理环境的长时间实时监测。海底观测台网的研发催生了实传式多功能海底地震仪的研发需求，实传式多功能海底地震仪可以作为海底观测平台的采集节点加入到海底观测网系统中，提供方便的对外接口作为各个海底观测系统的子系统也可单独使用。

原有实时数据传输的多功能海底地震仪中由于频带宽度受限，采用使用七通道采集器系统，分别对不同频带的地震信号进行采集，其缺点是结构复杂，检波器选型比较繁琐，增加了成本和装配复杂度。以及原有实时数据传输的多功能海底地震仪的固定装置设计沿用了沉浮式海底地震仪的沉耦架设计，其采用熔断回收式，由于沉浮式海底地震仪的沉耦架设计更多的是考虑到其回收释放的有效性，而对于固定海底海底采集站的应用环境，其结构设计存在耦合稳定性不强，不易施工布设，不能根据海底状况进行自行调节等缺点。

现场勘测的需要以及进一步向深海研究的需要，急需对现有的仪器进行改进和创新。

发明内容

基于现实需要， 本发明的目的是公开一种具有实时数据传输的多功能海底地震仪及其使用方法，是在已有七通道多功能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，同时提供方便的对外接口使其可作为各个海底观测系统的子系统并且可单独使用完成观测任务。

依据本发明的第一方面，提供一种具有实时数据传输的多功能海底地震仪，其包括仪器舱、基站连接架；仪器舱包含玻璃仪器舱和塑料仪器舱，玻璃仪器舱固装于塑料仪器舱内，预留交互水密接口位于塑料仪器舱顶端，基站连接架位于仪器舱下侧，通过锁紧镙栓与仪器舱紧固连接，基站连接架采用下辐射三角结构，通过基站连接架耦合单元与海底耦合，中间的三角加固器可以加固基站连接架同时可以根据需要加固重物提高稳定性，同时基站连接架可根据需要调节高度适用接驳需求。

其中，仪器舱内部集成了四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器，水听计，所述四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器为集成一体化的地震计组合体，使玻璃仪器舱球内部成为一个整体；在玻璃仪器舱球外对四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器和水听计进行组装、调试，然后放进玻璃仪器舱球内，通过玻璃仪器舱球挤压O型圈来固定。

优选地，具有实时数据传输的多功能海底地震仪以4个通道采集地震数据，数字记录海底地震信息和水声信息；玻璃仪器舱球内部为单球一体化结构；玻璃仪器舱包含常平装置、三分量姿控宽带地震计、采集器系统和海底地震仪电源，常平装置利用姿态罗盘（6）和姿态调控电机（5）对三分量姿控宽带地震计（9）进行姿态调整；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；海底地震仪电源采用外接供电方式，可接受9V—15V的宽频直流电压，同时备份电压采用10AH锂电池，可保证在外部供电失效的情况下仪器正常工作。

进一步地，玻璃仪器舱还包括频闪灯；当玻璃仪器舱上浮时，频闪灯在黑夜里能有效的指示玻璃仪器舱所在方位且方便回收；频闪灯被置于玻璃仪器舱舱球的上部利用水压开关进行控制，当玻璃仪器舱上浮，水压减小，频闪灯工作，频闪灯的光源采用发光效率高、穿透性较好的高亮度发光二极管，可以连续工作12小时以上。

此外，具有实时数据传输的多功能海底地震仪采用具备以下功能的和基站通信的硬件接口，所述功能为：a）全双工通信，可以使实传式OBS和相连的父节点之间实现双向通信；b） 驱动能力强，可以实现点对多通信，一个主节点最多可挂载256从节点；c）抗干扰能力强，采用压差驱动；d）最大传输距离为4000英尺；e）传输速率高可达10Mb/s。

依据本发明的第二方面，使用上述具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行数据采集的方法，其包括以下步骤。

1）选择好投放具有实时数据传输的多功能海底地震仪的地点和方位，作业船行驶到指定地点。

2）用拉紧钢缆把具有实时数据传输的多功能海底地震仪的仪器舱与基站连接架固定好，通过交互软件检查具有实时数据传输的多功能海底地震仪的各项状态参数，并对具有实时数据传输的多功能海底地震仪参数进行配置。

3）把具有实时数据传输的多功能海底地震仪投放到海底，并通过基站连接架和海底基站进行耦合固定具有实时数据传输的多功能海底地震仪。

4）通过特定的导缆将具有实时数据传输的多功能海底地震仪和海底接驳盒进行连接；海底接驳盒进一步将具有实时数据传输的多功能海底地震仪并入到海底采集站，进而并入到台网中心。

5）台网中心通过特定的交互指令和具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行交互，并进一步检查具有实时数据传输的多功能海底地震仪的入网状态和运行状态，如若具有实时数据传输的多功能海底地震仪正常则进入下一步操作，如若入网异常则需要对具有实时数据传输的多功能海底地震仪的布设情况进行检查。

6）台网中心同过指令和特定的对钟信号对具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行授时，并开启采集，采集后具有实时数据传输的多功能海底地震仪返回实时数据流，台网中心对数据流进行实时处理，并根据具体需求进行分析，达到预警和实时监测的目的。

7）具有实时数据传输的多功能海底地震仪在采集过程中出现故障可以对台网中心发送实时预警信息，并根据故障情况进行自恢复处理，当需要人工干预时需要对具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行检修，保证实时数据的及时有效性；数据采集周期结束或者监测周期结束，台网中心向其发送停止采集指令，具有实时数据传输的多功能海底地震仪停止发送实时数据流，具有实时数据传输的多功能海底地震仪回收。

本发明的具有实时数据传输的多功能海底地震仪及其使用方法，是基于人们对长期监测海洋生态环境尤其是深海或遥远海域海洋生境中的自然现象或生命过程及其规律以及海底地球物理环境长期实时监测的需求，进一步对具有实时数据传输的多功能海底地震仪的研发。本发明具有实时数据传输的多功能海底地震仪可以通过具有实时数据传输的多功能海底地震仪及时的获取海底的各项参数并进行长期观测，从而达到对地震，海啸，生态入侵等各项自然灾害的及时预警和对海洋生态系统以及物理环境的有效评估 。本发明采用了先进的水下姿态控制单元，先进的采集器带宽扩频技术以及专门应用于实时数据传输的软硬件设计方案实现了实时数据传输的多功能海底地震仪在水下的实时通讯功能，并且有效地克服了传统产品在水下通信中存在的低可靠性、低数据速率和高功耗等问题。适用于浅海海洋地质观测，海底地震监测系统以及海洋生态环境长期监测。

更进一步地，在本发明中，实时数据传输的多功能海底地震仪以4个通道采集地震数据，数字记录海底地震信息，采用特定的实时数据传输硬件和软件接口和台网中心对接，实现水下实时数据传输，能够在海上连续多次进行地震观测作业。实时数据传输的多功能海底地震仪及其使用方法具有以下特点。

（1）可以定期巡航，定时检查并控制实时数据传输的多功能海底地震仪的工作状态，监测工作电压、查看地震计状态、随时启动和关闭记录器等。

（2）不需要回收仪器舱，就可以在地震事件后得到实时数据。

（3）实现了实时连续地海底地震观测。

（4）可实现对海区地质灾害实时监测和预警。

（5）其配备的水声记录仪可以实时监测观测海域的水声信息，可实现对海洋生物环境监测。

附图说明

图1为本发明的实时数据传输的多功能海底地震仪常平架装置的结构图。

图2为本发明的实时数据传输的多功能海底地震仪外观立体结构图。

图3为本发明的实时数据传输的多功能海底地震仪总结构示意图。

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。

依据本发明的第一方面，一种具有实时数据传输的多功能海底地震仪包括仪器舱、基站连接架；仪器舱包含玻璃仪器舱和塑料仪器舱，玻璃仪器舱固装于塑料仪器舱内，基站连接架位于舱球中下层，用于固定舱球和基站，加强和海底的耦合效果。其中，仪器舱内部集成了四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器，水听计，所述四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器为集成一体化的地震计组合体，使玻璃仪器舱内部成为一个整体；在玻璃仪器舱外对四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器和水听计进行组装、调试，然后放进玻璃仪器舱内，通过玻璃仪器舱球挤压O型圈来固定。

具有实时数据传输的多功能海底地震仪以4个通道采集地震数据，数字记录海底地震信息和水声信息；玻璃仪器舱内部为单球一体化结构。玻璃仪器舱包含常平装置、三分量姿控宽带地震计、采集器系统和海底地震仪电源，常平装置利用姿态罗盘（6）和姿态调控电机（5）对三分量姿控宽带地震计（9）进行姿态调整；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；海底地震仪电源采用外接供电方式，可接受9V—15V的宽频直流电压，同时备份电压采用10AH锂电池，可保证在外部供电失效的情况下仪器正常工作。仪器舱还包括频闪灯；当仪器舱上浮时，频闪灯在黑夜里能有效的指示仪器舱所在方位且方便回收。

进一步地，频闪灯被置于仪器舱的上部利用水压开关进行控制，当仪器舱上浮，水压减小，频闪灯工作，频闪灯的光源采用发光效率高，穿透性较好的高亮度发光二极管，可以连续工作12小时以上。本发明设计了一种针对海底地震仪通用的磁传感器校正方案，用于抵消动圈传感器磁力线圈所产生的对周边磁场的磁力干扰，从而使海底地震仪内部的磁传感器能正常的工作。提高方位角精度，使方位角精度维持在0.5°以上。设计了专门用于和基站通信的硬件接口。可实现：a）全双工通信，可以使实传式OBS和相连的父节点之间实现双向通信。b） 驱动能力强，可以实现点对多通信，一个主节点最多可挂载256从节点。c） 抗干扰能力强，由于采用压差驱动，因此可以再噪声较大的条件下实现可靠通信。d） 传输距离远，最大传输距离为4000英尺（约1219米）。e）传输速率高，最大传输速率可达10Mb/s。设计了适用于实时数据传输的数据流传输方案。其在保证数据流的及时有效性的前提下大幅提高数据的有效信息比，同时在加入时间引导帧，可保证数据流的时间有效性，并为数据恢复提供前提。设计了实时数据传输过程中的数据自恢复机制。有效的解决了仪器在受到外界干扰情况下出现的数据流内码元的突发误码，降低了误码率。同时仪器设计了针对不同突发情况下的自恢复机制，保证仪器在受到极大的干扰下仍能正常工作。设计了用于实时数据传输情况下的海底地震仪对钟机制。保证了仪器时钟的精准性。

依据本发明的第二方面，提供一种具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行数据采集的方法，其包括以下步骤。

1）选择好投放地点和方位，作业船行驶到指定地点。

2）用拉紧钢缆把仪器舱与基站连接架固定好，通过交互软件检查仪器的各项状态参数，并对仪器参数进行配置。

3）把具有实时数据传输的多功能海底地震仪投放到海底，并将其通过基站连接架和海底基站进行耦合固定。

4）通过特定的导缆将具有实时数据传输的多功能海底地震仪和海底接驳盒进行连接。海底接驳盒进一步将具有实时数据传输的多功能海底地震仪并入到海底采集站，进而并入到台网中心。

5）台网中心通过特定的交互指令和具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行交互，并进一步检查仪器的入网状态，运行状态等，如若设备正常则进入下一步操作，如若入网异常则需要对具有实时数据传输的多功能海底地震仪的布设情况进行检查。

6）台网中心同过指令和特定的对钟信号对具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行授时，并开启采集，采集后具有实时数据传输的多功能海底地震仪返回实时数据流，台网中心对数据流进行实时处理，并根据具体需求进行分析，达到预警和实时监测的目的。

7）仪器在采集过程中出现故障可以对台网中心发送实时预警信息，并根据故障情况进行自恢复处理，当需要人工干预时需要对仪器进行检修，保证实时数据的及时有效性。数据采集周期结束或者监测周期结束，台网中心向其发送停止采集指令，仪器停止发送实时数据流，仪器回收。

进一步地，在本发明中，实时数据传输的多功能海底地震仪包括仪器舱、基站连接架；仪器舱包含玻璃仪器舱和塑料仪器舱，玻璃仪器舱固装于塑料仪器舱内，基站连接架位于舱球中下层，用于固定舱球和基站，加强和海底的耦合效果。其中，仪器舱内部集成了四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器，水听计，所述四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器为集成一体化的地震计组合体，使玻璃仪器舱球内部成为一个整体；在玻璃仪器舱球外对四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器和水听计进行组装、调试，然后放进玻璃仪器舱球内，通过玻璃仪器舱球挤压O型圈来固定。

本发明中，采用改进型四通道采集器系统，与原实时传输多功能地震仪中使用的七通道采集器系统相比，其技术优势有：（1）采集频带宽度增加，优化采集扩频电路，调整优化了新的反馈系数，拓展了采集频率，并使频带拓展后的频谱曲线更加平坦。达到更好的扩频效果。（2）结构简单，通过新的采集扩频电路后增加了频带宽度，从而去掉原有用于高频带检测的三个通道，简化了物理结构，降低了检波器选型的复杂度，同时也减少了元器件成本和组装成本。（3）稳定性强，与原实时数据传输的多功能海底地震仪中使用的七通道采集器系统相比，优化了电路板布线，以及优化了物理结构，从而使其结构稳定性更优，有利于采集系统的工作稳定。（4）有利于实时数据流传输，将七通道采集器简化为四通道采集器后，其采集通道数减少，可以减少数据流中数据的采集通道数，从而减少数据量，更有利于数据的实时数据传输。

本发明中将原有沉耦架的耦合结构改为基站连接架的耦合装置，相比于原实时数据传输的多功能海底地震仪中使用的沉耦架，其技术优势有：（1）结构简单，稳定性强，基站连接架采用三角布局，取消了用于沉浮式的复杂的弹簧结构，极大的增加了稳定性。（2）耦合性好，其取消了弹簧结构后可以有效减少弹簧结构引起的弹性耦合问题，同时更减少了整体谐振的发生。（3）易于布设，其三角布局相比于之前的长方形布局更易布设，易于海底固定采集站的布设作业。（4）可自行调节，可根据海底不同环境调节基站连接架的中间配置部分高度，以及三角架宽度以及高度，有利于用户的海底施工。

本发明中，针对实时数据传输与原实时数据传输的多功能海底地震仪相比在仪器的结构部分做出改进如下。

（1）硬件接口优化，根据固定海底地震采集站的需求，去掉顶部水声释放端口，合并交互通信硬件端口为一个，位于仪器中上部，方便用户交互。

（2）系统硬件电路方面优化改进，主要包括：a）设计研发一种针对海底地震仪通用的磁传感器校正方案。抵消周边磁场对传感器的干扰。提高方位角精度，使方位角精度维持在0.5°以上。b）设计了专门用于和基站通信的硬件接口电路，具有全双工，驱动能力强，抗干扰能力强，传输距离远，传输速率高等优点。

（3）研发专门应用于实时数据流传输的软件系统，主要包括：a）设计数据流传输方案，可有效提高数据信息比，并可为数据自恢复提高支持。b）设计仪器自恢复系统，包括数据流突发误码自恢复以及仪器工作自恢复，提高仪器可靠性。c）设计仪器实时对钟系统，可实现实时对钟，保证数据的时钟精度。

具体地，请参阅图1～图3所示，为本发明的实时数据传输的多功能海底地震仪结构示意图。其中各个附图标记指示如下：直流姿态调整电机1、常平环2、凸型底座（常平装置支架）3、电池圈底座4、电机调速器5、姿态传感器6、环形连接器7 、轴承8、三分量高频检波器9、塑料仪器舱上盖10、水听计外部接口11、上下盖固定螺栓12、塑料仪器舱上盖13、仪器舱与基站连接架固定螺栓14、基站连接架15、基站连接架耦合单元16。

上盖保护罩17、水听计保护口18、安全圈19、下盖保护罩20、锁紧镙栓21、基站连接架22、真空气嘴23、电子电路板24、玻璃仪器舱球25、支持装置26、常平装置27、电机装置28、电池组29、传感器组30。

本发明的实时数据传输的多功能海底地震仪由塑料仪器舱、基站连接架两部分组成。

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、仪器舱

仪器舱是具有实时数据传输的多功能海底地震仪中的主要部件，它是由玻璃仪器舱和塑料仪器舱组成的，玻璃仪器舱内部采用单球一体化结构，主要包括：

（1）常平装置

在本发明中，设计了利用姿态传感器6和直流姿态调整电机1对三分量姿控传感器4进行姿态调整的改进方案，通过改进常平装置的结构原理，使得内部地震计组合体的常平动作的保持不需要灌注硅油，不需要呈密封结构，且体积重量均能大大地降低，更为重要的改善是，姿控调整的范围能有较大的提高，扩展为30度左右。将使实时数据传输的多功能海底地震仪在更为复杂的海底地形下正常的工作。最大工作倾斜角度达到了国外同类宽带海底地震仪的水平。

其工作方式如下：三分量高频检波器9通过环形连接器7连接到常平环2上，之后通过轴承8进而连接到凸型底座（常平装置支架）3上。这样在下端的检波器悬空的状态下，检波器依靠自身的重力可以在前后左右四个方向上自由移动，从而使自身达到水平状态。其调节步骤为：当仪器投放在海底后，仪器与海底介质耦合，仪器通过单片机每四个小时对检波器的姿态进行检测。当检测到姿态传感器6的俯仰角或者翻滚角大于阈值5°时启动电机调平，否则认为检波器水平无需调整。仪器进入调平程序后，首先通过直流姿态调整电机1和电机调速器5将检波器上拉，上拉过程中实时监测姿态传感器6的俯仰角和翻滚角和电机电流，当角度小于阈值5°或者电机电流大于阈值时停止上拉，此时为姿态传感器已经提起到可自由移动高度或者电机已经将轴承上拉到最大高度。接着进入到重力自调整状态，检波器依靠自身的重力达到水平位置，此时按照每秒1次的频率检查水平罗盘，当发现罗盘倾角小于阈值后进入到自调整5秒倒计时，当倒计时结束后进入到下压状态。下压状态直流姿态调整电机1和电机调速器5改变转动方向，将三分量高频检波器9下压，下压过程中实时监测电机电流，当电机电流达到下压阈值时，说明三分量高频检波器9已经压实，已达到和玻璃舱球达到紧耦合状态，调平流程结束。

常平环2将电池组29、三分量高频检波器9、电子电路板24联结成了一个整体，形成了内部结构的一体化。仪器舱组装、调试工作都可以在耐压玻璃仪器舱球外完成。玻璃仪器舱球可看成仅是个机壳，将测试好的实时数据传输的多功能海底地震仪放入玻璃仪器舱球中，由O型圈压缩固定，完成组装。这种结构也降低了实时数据传输的多功能海底地震仪的附加振颤。

（2）采用姿控宽带地震计

实时数据传输的多功能海底地震仪中集成了姿态传感器6，姿态传感器6是近年来新兴的技术，通过它可测量得到三个分向的加速度值，仪器通过三个分向的加速度值通过软件算法得到此时的俯仰角和翻滚角从而检测传感器的水平状态，并在调平过程中提供实时水平参数达到调平使具有实时数据传输的多功能海底地震仪的工作可靠性大大提高 。

（3）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具有实时数据传输的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)具有实时数据传输的多功能海底地震仪采用温补晶振构成的振荡电路作为内部时钟，在0^oC至4^oC温度范围内其精度优于。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)数据存储采用数码相机和播放机上广泛采用的SD（Secure Digital）卡，具有统一接口，容量可从16G扩展到32G或更高。

d)在电路设计中坚持微功耗设计原则;为了系统功耗微功耗的目的,数据采集器的硬件电路设计遵从了以下的原则：（1）采用CMOS型器件，（2）采用1.8V、3V和5V单电源低电压供电；（3）数字电路尽量采用较低频率的工作时钟；（4）尽量降低系统的无功功耗,整体功耗<0.3W。

f)采集器的A/D转换采用4阶Σ-Δ型ADS1251增量调制器，AD时钟由单片机LPC1768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。这种方式不仅可以在降低功耗和缩小体积的基础上得到足够的动态范围（>120dB），还能根据实际的不同需要，动态调整其频率-相位特性。控制模块采用ARM7内核高性能单片机(NXP公司LPC1768)。工作电压3.3/1.8V，48M主频，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（idle mode）,中断驱动模式。

g)控制器连接了4通道完全相同的AD 模块（第1-3通道连接宽带地震计，第4通道连接水听计通道），通过多路开关（MAX4052）进行切换，利用单片机的GPIO脚作为地址线选通读入1-4通道的AD数据。

（4）具有实时数据传输的多功能海底地震仪电源

具有实时数据传输的多功能海底地震仪预留外部供电接口，接口采用宽频电源的电路设计，可以在外接9V—15V的直流电源下保持仪器的正常工作状态。同时具有实时数据传输的多功能海底地震仪预留可以加装电池的内部空间，加装的电池采用10AH锂电池，每套仪器舱安装10枚。每个锂电池单独带保护器，的电池按环状固定在玻璃舱球的下部，地震仪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。充电通过舱球上的插座进行，用户可以了解每个电池的充电电量、充电时间等信息。通过专用的充电器用户可以在数十小时内完成对具有实时数据传输的多功能海底地震仪的充电工作。每次充电操作用户都能掌握充电前后电池电压状态，充电电量等信息，能及时发现电池失效或性能降低的情况。从而对失效电池及时进行更换，或根据电池性能降低的情况缩短具有实时数据传输的多功能海底地震仪在海底工作的时间。

内置的电源管理模块能实时地监督电池的电能储量，当能量低于某一预定值，地震仪会关闭除了水声通信之外的所有耗电设备，使地震仪在海底滞留一年以上的时间仍能正常回收。

（5）磁传感器校正方案

由于存在仪器周边强磁场和仪器内部电子器件自身磁场的存在，会对大地的电磁场产生干扰，从而使其周边磁场环境产生扭曲，如果不进行传感器进行磁场校正，直接应用传感器产出的磁场参数计算方位角，必然会产生较大误差。设计的校正方案为：将仪器缓慢旋转720°，在此期间按照0.5°每次的频率读取传感器的X轴的磁场强度Hx,以及Y轴的磁场强度Hy,旋转完成后根据两周测量的值取平均值，得到以0.5°为单位的每个角度上的Hx和Hy。以此归一化为椭圆模型，之后求得椭圆的两个焦点。此两个焦点与零点的偏移值即为传感器的校正值。将此参数保存后，再在每次测得的磁场强度经过此椭圆模型校正，校正后的值参与方位角运算可以得到真实的方位角。理论验证误差可以控制在0.5°范围内。

（6）基于实传的硬件通信接口

为实现与海底基站的有效接连，提高接口的抗干扰能力，同时兼容双工通信以及传输速率等要求，设计基于实传的硬件通信接口如下：首先在仪器舱内采用专门的电平转换芯片将3.3V电平转换为RS232电平，然后通过特定的电路将RS232电平转换为RS484电平标准。仪器对外提供RS484电平标准，由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接256个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Slave），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发端最大负载能力是10×4k+100Ω（终接电阻）。

（7）实时数据流格式

实时数据流包括通信指令和实时数据指令，设计方案采用不用的指令头将两者分开，于仪器的通信指令主要集中在仪器的初始化设置阶段，与仪器实时数据相比，所占数据流的比例较低，并且涉及到用户的交互体验。因此在设计时，主要将通信指令的兼容性和用户的可读性和易用性放在首要地位，用户可通过指令实现仪器的控制和各项参数的查询。仪器的实时数据帧格式是指仪器与台网进行实时数据传输的帧格式。实时数据帧是仪器进行实时数据传输的主要信息单元，承载了大量的实时地震分量数据以及水听计单元的水声数据，因此实时数据帧需要保证数据的及时有效性，并在保证用户易用性的同时提高数据的有效信息比。在这里摒弃在每个实时数据单元内加入时间戳的做法，采用在发送采样率个点的数据单元前发送时间引导信息帧的方法，这样在最大范围的保证时间精度的同时又可以极大的增加有效信息比。

（8）自恢复机制

具有实时数据传输的多功能海底地震仪的自恢复设计包括数据的自恢复和仪器的自恢复。当单个具有实时数据传输的多功能海底地震仪节点发生故障，短时失效或者出现传输误码时，用户需要从实时数据帧中及时的检测出错误数据，从而剔除失效数据并去除错误码位，以达到减少数据损失，提高有效信息数量，实现数据的自恢复的目的；同时仪器能够通过条件性自检重启流程，检测出现失效和误码的原因，并采取相应的设备自恢复流程。因此在设计实时数据帧格式时，首先提高时间引导帧的时间精度，时间单位在秒位后增加了由4个8位组成的TC值，将时间单元精度提高到了二十四分之一微妙，时间引导帧所表示的时间是随后第一个数据的采集时间，精度在十分之一微秒以上。随后在发送采样率个点的数据帧后发送一次时间帧，并且在数据帧内增加一个8位来表示数据序号，序号以采样率为周期循环。通过如上设计可以精确的得到数据的采集时间，为实现精确校正对时提供条件；同时循环发送时间帧和在在数据帧内插入序号的做法为数据的自恢复提供了基础。现将上述的自恢复机制讨论如下。

a）数据在传输过程中因外在干扰或者各种突发原因造成传输误码，出现单个码元或几个码元的传输错误。在这种情况下，错误码元的产生会有很大的突发性和随机性，且对后续数据的影响较小，并不会产生寄生误码。此时，如果错误码元出现在数据帧内，那么我们可以监测到错误码元和相连的数据码之间存在极大的幅值波动，与相邻数据相关性极小，波形表现出明显的非连续性，那么我们将采用相关性算法剔除并舍弃相应的数据帧内的错误码元，最大限度的保留数据的完整性。如果错误码元出现在时间引导帧内，那么时间引导帧所传递的时间数据将会有明显的错误内容，我们可以通过前后的数据引导帧来推导和纠正时间数据，实现突发误码的自恢复。

b）仪器受到外接强干扰，碰撞等各种外界因素而出现的短时失效时，实时数据会出现片段性失效。具体表现为实时数据帧出现大量的限伏数据，数据两级波动等。这时当我们监测到片段性失效时，可以继续观测后续数据，在后续数据恢复正常并且失真数据段较小的情况下可以相应的剔除相应的无效数据段，减少数据损失。如若发现后续数据继续失真严重，那么将会进入到仪器自检和重启流程。及时的恢复节点功能。

c）如若仪器发生致命性外界损害，或者线缆破坏断裂等恶劣环境，此时可能出现持续无效数据产生或者数据传输中断等情况。此时如若通过仪器自检重启的自恢复机制仍不能使仪器正常工作，或者仪器直接离线，这时用户将收到高级别报警，及时提醒用户进行相应的检修，将损失降到最低限度。

（9）实时对钟机制

在具有实时数据传输的多功能海底地震仪设计中，我们通过接收外部PPS秒脉冲信号来实现仪器时钟同步，达到精确授时的目的。

仪器开始采集之前，首先对仪器进行精确授时操作，从而使具有实时数据传输的多功能海底地震仪获得微妙级准确的当前时间。其主要原理为我们通过串口向设备发送包含秒级时间信息的对钟指令，其所包含的时间信息即为随后向设备发送的第一个PPS秒脉冲的精确时间。设备收到对钟指令后便等待第一个PPS时钟到来，第一个PPS秒脉冲到来后将触发设备内部计时器,并将时间校正为对钟指令所指示的时间，从而实现精确授时。

在仪器运行期间，我们采用内外时钟结合的方式来实现时钟同步和高精度采集。若PPS秒脉冲来临，此时仪器内部时钟刚刚完成秒时间进位，时钟进位超前，而以主频为单位的秒内分频计数TC值此时的值为清零后的较小值，其值必然小于二分之一秒内分频单位，此时我们将TC值清理，从而达到精确校正；若外部PPS脉冲来临时，仪器内部时钟刚好完成进位，TC值为零，不需要校正；若外部PPS来临时,仪器内部时钟尚未进位，时钟进位滞后，此时的TC值必然大于二分之一秒内分频单位，此时我们将仪器内部时钟进位，并将TC值清理，完成校正。以上三种情况囊括了在仪器运行期间的所有校正情况，通过外部提供精准的PPS秒脉冲信号，可以实现运行期间具有实时数据传输的多功能海底地震仪时钟的精确同步。

（10）频闪灯：当仪器舱上浮时，频闪灯在黑夜里能有效的指示仪器舱所在方位方便回收。频闪灯被置于高压舱球的上部利用水压开关进行控制，当舱上浮，水压减小，频闪灯工作，光源采用发光效率高，穿透性较好的高亮度发光二极管。可以连续工作12小时以上。

四、基站连接架：

基站连接架22，采用表面附着防锈漆的钢铁材料制成，整体结构为三角立体设计，由仪器舱与基站连接架固定螺栓14与具有实时数据传输的多功能海底地震仪连接，下端通过基站连接架耦合单元16与海底介质耦合接触。其整体采用下辐射式设计，同时在中间直角加固架，保证仪器的稳定性。其高度可根据需要调节，方便和海底采集站的接驳操作。同时，中间直角加固架高度可调，在其上面可放置固定加固重物，增加整个支架的耦合度和稳定性。提高具有实时数据传输的多功能海底地震仪记录数据的真实性。

使用具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行数据采集的具体实施过程如下。

1. 选择好投放地点和方位，作业船行驶到指定地点。

2. 用拉紧钢缆把仪器舱与基站连接架固定好，通过交互软件检查仪器的各项状态参数，并对仪器参数进行配置。

3. 把具有实时数据传输的多功能海底地震仪投放到海底，并将其通过基站连接架和海底基站进行耦合固定。

4. 通过特定的导缆将具有实时数据传输的多功能海底地震仪和海底接驳盒进行连接。海底接驳盒进一步将具有实时数据传输的多功能海底地震仪并入到海底采集站，进而并入到台网中心。

5.台网中心通过特定的交互指令和具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行交互，并进一步检查仪器的入网状态，运行状态等，如若设备正常则进入下一步操作，如若入网异常则需要对具有实时数据传输的多功能海底地震仪的布设情况进行检查。

6. 台网中心同过指令和特定的对钟信号对具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行授时，并开启采集，采集后具有实时数据传输的多功能海底地震仪返回实时数据流，台网中心对数据流进行实时处理，并根据具体需求进行分析，达到预警和实时监测的目的。

7. 仪器在采集过程中出现故障可以对台网中心发送实时预警信息，并根据故障情况进行自恢复处理，当需要人工干预时需要对仪器进行检修，保证实时数据的及时有效性。数据采集周期结束或者监测周期结束，台网中心向其发送停止采集指令，仪器停止发送实时数据流，仪器回收。

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 (6)

1.一种具有实时数据传输的多功能海底地震仪，其特征在于，包括仪器舱、基站连接架；仪器舱包含玻璃仪器舱和塑料仪器舱，玻璃仪器舱固装于塑料仪器舱内，预留交互水密接口位于塑料仪器舱顶端，基站连接架位于仪器舱下侧，通过锁紧镙栓与仪器舱紧固连接，基站连接架采用下辐射三角结构，通过基站连接架耦合单元与海底耦合，中间的三角加固器可以加固基站连接架同时可以根据需要加固重物提高稳定性，同时基站连接架可根据需要调节高度适用接驳需求。

2.依据权利要求1的具有实时数据传输的多功能海底地震仪，其特征在于，仪器舱内部集成了四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器，水听计，所述四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器为集成一体化的地震计组合体，使玻璃仪器舱球内部成为一个整体；在玻璃仪器舱球外对四通道采集器系统以及三分量姿控传感器和三分量高频检波器和水听计进行组装、调试，然后放进玻璃仪器舱球内，通过玻璃仪器舱球挤压O型圈来固定。

3.依据权利要求1的具有实时数据传输的多功能海底地震仪，其特征在于，具有实时数据传输的多功能海底地震仪以4个通道采集地震数据，数字记录海底地震信息和水声信息；玻璃仪器舱球内部为单球一体化结构；玻璃仪器舱包含常平装置、三分量姿控宽带地震计、采集器系统和海底地震仪电源，常平装置利用姿态罗盘（6）和姿态调控电机（5）对三分量姿控宽带地震计（9）进行姿态调整；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；海底地震仪电源采用外接供电方式，可接受9V—15V的宽频直流电压，同时备份电压采用10AH锂电池，可保证在外部供电失效的情况下仪器正常工作。

4.依据权利要求1的具有实时数据传输的多功能海底地震仪，其特征在于，玻璃仪器舱还包括频闪灯；当玻璃仪器舱上浮时，频闪灯在黑夜里能有效的指示玻璃仪器舱所在方位且方便回收；频闪灯被置于玻璃仪器舱舱球的上部利用水压开关进行控制，当玻璃仪器舱上浮，水压减小，频闪灯工作，频闪灯的光源采用发光效率高、穿透性较好的高亮度发光二极管，可以连续工作12小时以上。

5.依据权利要求1的具有实时数据传输的多功能海底地震仪，其特征在于，其包括采用具备以下功能的和基站通信的硬件接口，所述功能为：a）全双工通信，可以使实传式OBS和相连的父节点之间实现双向通信；b） 驱动能力强，可以实现点对多通信，一个主节点最多可挂载256从节点；c）抗干扰能力强，采用压差驱动；d）最大传输距离为4000英尺；e）传输速率高可达10Mb/s。

6.使用权利要求1-5之任一所述的具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行数据采集的方法，其特征在于，包括步骤：

1）选择好投放具有实时数据传输的多功能海底地震仪的地点和方位，作业船行驶到指定地点；

2）用拉紧钢缆把具有实时数据传输的多功能海底地震仪的仪器舱与基站连接架固定好，通过交互软件检查具有实时数据传输的多功能海底地震仪的各项状态参数，并对具有实时数据传输的多功能海底地震仪参数进行配置；

3）把具有实时数据传输的多功能海底地震仪投放到海底，并通过基站连接架和海底基站进行耦合固定具有实时数据传输的多功能海底地震仪；

4）通过特定的导缆将具有实时数据传输的多功能海底地震仪和海底接驳盒进行连接；海底接驳盒进一步将具有实时数据传输的多功能海底地震仪并入到海底采集站，进而并入到台网中心；

5）台网中心通过特定的交互指令和具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行交互，并进一步检查具有实时数据传输的多功能海底地震仪的入网状态和运行状态，如若具有实时数据传输的多功能海底地震仪正常则进入下一步操作，如若入网异常则需要对具有实时数据传输的多功能海底地震仪的布设情况进行检查；

6）台网中心同过指令和特定的对钟信号对具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行授时，并开启采集，采集后具有实时数据传输的多功能海底地震仪返回实时数据流，台网中心对数据流进行实时处理，并根据具体需求进行分析，达到预警和实时监测的目的；

7）具有实时数据传输的多功能海底地震仪在采集过程中出现故障可以对台网中心发送实时预警信息，并根据故障情况进行自恢复处理，当需要人工干预时需要对具有实时数据传输的多功能海底地震仪进行检修，保证实时数据的及时有效性；数据采集周期结束或者监测周期结束，台网中心向其发送停止采集指令，具有实时数据传输的多功能海底地震仪停止发送实时数据流，具有实时数据传输的多功能海底地震仪回收。