CN110199207A - 振动分析系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种振动分析系统包括一台或多台服务器计算机、一个或多个客户端计算设备、以及一个或多个振动检测单元，其通过网络在功能上连接。其一个或多个振动检测单元可以部署在现场以进行振动检测。检测到的振动数据发送到一台或多台服务器计算机进行振动/地震分析。本文披露的系统可用于振动/地震勘测、振动监测等。每个振动检测单元可具有振动检测传感器和用于自动定位的定位模块。振动检测单元可以是检波器，且系统可以包括一个信号处理模块用于补偿检波器引入的失真。

Description

振动分析系统及其方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年11月14日提交的加拿大专利申请序列号2,948,437及2017年5月19日提交的加拿大专利申请序列号2,967,629的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本文总体上涉及振动信号分析系统和方法，并且特别涉及分析从振动检测设备如检波器所采集的振动和/或地震数据的系统和方法。
背景技术
地震活动包括在特定地理位置的地震的发生、机制和震级，并总结了一个地区的地震发生情况(见地球物理学(第4版)，弗兰克·斯塔西和保罗·戴维斯著，由剑桥大学出版社于2008年9月出版，ISBN：9780521873628)。地震活动可分为自然地震以及诱发地震如人类活动引起的地震和震颤。大多数诱发地震都是低震级。
地震勘测已广泛应用于许多领域，例如资源勘探。地震勘测探测从远端人为地震源生成并在地球传播的地震信号。检测到的信号可用于地震数据分析，例如生成二维(2D)和/或三维(3D)地震图像，或时序地震图像，其可被视为四维(4D)地震图像。
地面振动通常是由爆炸、建筑施工、铁路和公路运输等引起的人为地面振动。地面振动的频率范围通常很宽，且沿着地表传播时会引起声波。
地形学是研究地球表面和其他可观测天文物体的形状和特征。区域地形图通常是指其三维地表形状。
各种振动传感器如检波器和微机电系统(MEMS)检波器已用于地震测量。例如，检波器通常有一个或多个悬浮在磁场中的线圈。外部振动导致线圈在磁场中移动，并在线圈上形成电压。此类电压可用于确定外部振动的特性。
传统检波器通常成本低、高效节能且可靠。但是，它们的频率带宽通常很窄，特别是在低频范围内的频率响应通常较差。开环MEMS检波器的频率带宽通常非常有限。另一方面，闭环MEMS检波器通常价格昂贵、脆弱且功耗高。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种振动检测装置。该振动检测装置包括：用于检测振动和输出第一信号的检波器；一个模数(A/D)转换器功能性连接到检波器以在离散时间域内将第一个信号转换到第二个信号；以及一个信号处理模块功能性连接到检波器以在离散时间内处理第二个信号以补偿检波器引入的失真。检波器的s域传递函数H(s)为：
其中B，ωn，和ξ是预先确定的参数。信号处理模块的z域传递函数G(z)是从以下s域传递函数使用预先确定的采样方法及采样频率获得的：
在一些实施例中，信号处理模块是具有多个放大器和单元延迟的数字滤波器，信号处理模块的z域传递函数G(z)为：
其中a0，a1，a2，b0，b1，和b2是放大器的增益，并且根据H(s)、所述采样方法和所述采样频率预先确定。
在一些实施例中，振动检测装置还包括：定位模块；网络模块；和与检波器、信号处理模块、定位模块和网络模块功能性连接的控制其运行的控制电路。
在一些实施例中，定位模块是一个全球定位系统(GPS)模块。
根据本公开的一个方面，提供了一个振动检测系统。该振动检测系统包括：至少一台服务器计算机；一个或多个振动检测单元通过网络与所述至少一台服务器功能性连接，每个振动检测单元检测振动和输出振动数据，每个振动检测单元至少包括一个检波器和一个与检波器功能性连接的模数转换器用于将检波器的输出信号转换为离散时域的第二个信号，振动检测单元基于第二个信号生成振动数据；并且至少一个信号处理模块功能性连接到检波器用于处理离散时间域的第一个信号以补偿检波器引入的失真。每个检波器的s域传递函数H(s)为：
其中B，ωn，和ξ是预先确定的参数。所述至少一个信号处理模块的z域传递函数G(z)是从以下s域传递函数使用预定采样方法和预定采样频率获得的：
在一些实施例中，该振动检测系统还包括：一个或多个数据中心，每个数据数据中心与所述至少一个振动消除单元功能性连接，用于采集振动数据和转发采集到的振动数据到所述至少一台服务器计算机。
在一些实施例中，所述振动检测系统还包括：一个或多个客户端计算设备与所述至少一台服务器计算机功能性连接。
在一些实施例中，每个振动检测单元都包含所述至少一个信号处理模块之一。
在一些实施例中，至少一个信号处理模块是具有多个放大器和单元延迟的数字滤波器；信号处理模块具有z域传递函数G(z)：
其中a0，a1，a2，b0，b1，和b2是放大器的增益，并且根据H(s)、所述采样方法和所述采样频率预先确定。
在一些实施例中，信号处理模块包括计算机可执行代码，可由所述至少一台服务器计算机执行。
在一些实施例中，每个振动检测单元还包括：定位模块；网络模块；和与检波器、信号处理模块、定位模块和网络模块功能性连接的控制其运行的控制电路。
在一些实施例中，定位模块是一个GPS模块。
根据本公开的一个方面，提供了一个计算机可读的存储设备，其包括计算机可执行的指令，用于处理检波器的输出信号以补偿检波器引入的失真，每个检波器具有s域传递函数H(s)：
其中B，ωn，和ξ是预先确定的参数。所述指令在执行时导致处理器作为数字滤波器，其z域传递函数G(z)是从以下s域传递函数使用预定采样方法及采样频率获得：
在一些实施例中，所述指令在执行时还导致处理器执行操作包括：获取检波器的位置信息；识别检波器；及根据所述识别确定传递函数G(s)。
在一些实施例中，每个检波器与定位模块相关联；且所述获取检波器的位置信息包括通过相关联的定位模块获取检波器的位置信息。
在一些实施例中，定位模块是一个GPS模块。
根据本公开的一个方面，提供了一个计算机化方法以在一个现场进行地震勘测。该方法包括：在现场部署一个或多个振动检测单元以生成振动数据；从至少一个所述一个或多个振动检测单元采集振动数据；补偿所采集的振动数据中的失真；分析补偿后的振动数据以进行地震勘测。所述补偿所采集的振动数据中的失真的步骤包括：对于至少一个所述一个或多个振动检测单元中的一个单元，获取该振动检测单元的位置信息；识别该振动检测单元；根据所述识别确定用于该振动检测单元的信号处理模块的传递函数；及使用该信号处理模块补偿振动该检测单元产生的振动数据中的失真。
在一些实施例中，每个振动检测单元包括一个定位模块；且所述获取该振动检测单元位置信息的步骤包括：通过该定位模块获取该振动检测单元的位置信息。
在一些实施例中，定位模块是一个GPS模块。
在一些实施例中，每个振动检测单元包括具有s域传递函数H(s)的检波器：
其中B，ωn，和ξ是预先确定的参数；且该信号处理模块的传递函数是从以下s域传递函数使用预定采样方法和预定采样频率获得的z域传递函数G(z)：
附图说明
图1为根据本公开的一些实施例的振动分析系统的示意图；
图2示出了图1所示振动分析系统中的计算设备的硬件结构；
图3示出了图1所示振动分析系统中的计算设备的简化了的软件体系结构；
图4示出了图1所示振动分析系统中的振动检测单元的硬件结构；
图5是图1所示振动分析系统所执行的振动/地震勘测和/或监测过程的流程图；
图6是一个框图，其示出了图1所示振动分析系统中与信号处理模块连接的检波器，其中信号处理模块处理检波器的输出信号以补偿检波器引入的失真；
图7A是图1所示振动分析系统中的检波器的透视示意图；
图7B是图7A中所示的检波器沿剖面线A-A的截面示意图；
图7C是图7A所示的检波器的电子模型的框图；
图8A示出了第一个示例中的一个输入到图7A所示的检波器的频率f0为31.25赫兹(Hz)的正弦输入信号x(t)＝sin(2πf0t)及其输出y(t)；
图8B示出了第一个示例中的一个输入到图7A所示的检波器的频率f0为2Hz的正弦输入信号x(t)＝sin(2πf0t)及其输出y(t)；
图9A和9B示出了图7A所示的检波器在第一个示例中的传递函数H(s)的波特图；
图10是图1所示振动分析系统中的均衡化检波器的s域模型，其中均衡化检波器包括一个检波器和一个处理检波器输出信号以补偿检波器引入的失真的信号处理模块；
图11示出了第二个示例中的一个输入到图10所示均衡化检波器的频率f0为2Hz的正弦输入信号x(t)＝sin(2πf0t)；
图12示出了第二个示例中图10所示均衡化检波器的传递函数Ho(s)的波特图；
图13是图10所示均衡化检波器的离散时间模型的框图；
图14是图13所示均衡化检波器的信号处理模块的以直接形式II闭环数字滤波器实现的框图；
图15示出了第三个示例中的一个输入到图13所示均衡化检波器的一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(n)＝sin(2πf0n)信号；
图16示出了第四个示例中的一个输入到图13所示均衡化检波器的一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(n)＝sin(2πf0n)信号，以及其均衡化后的输出y0(n)；
图17示出了第四个示例中的图13所示均衡化检波器的传递函数Ho(s)的波特图；
图18示出了第五个示例中的一个输入到图13所示均衡化检波器的一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(n)＝sin(2πf0n)信号，以及其均衡化后的输出y0(n)；
图19示出了第五个示例中的图13所示均衡化检波器的传递函数Ho(s)的波特图；
图20示出了第六个示例中的一个输入到图13所示均衡化检波器的一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(n)＝sin(2πf0n)信号，以及其均衡化后的输出y0(n)，以用于测试均衡化检波器中的信号处理模块的阻尼系数ξ中-2.5％误差的影响；
图21示出了第六个示例中的图13所示均衡化检波器的传递函数Ho(s)的波特图，以用于测试均衡化检波器中的信号处理模块的阻尼系数ξ中-2.5％误差的影响；
图22示出了第七个示例中的一个输入到图13所示均衡化检波器的一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(n)＝sin(2πf0n)信号，以及其均衡化后的输出y0(n)，以用于测试均衡化检波器中的信号处理模块的阻尼系数ξ中2.5％误差的影响；
图23示出了第七个示例中的图13所示均衡化检波器的传递函数Ho(s)的波特图，以用于测试均衡化检波器中的信号处理模块的阻尼系数ξ中2.5％误差的影响；
图24A和24B示出了图13所示均衡化检波器中的信号处理模块的谐振频率fn有±2.5％误差的仿真结果；
图25示出了一段用编写的代码示例，用于实现第一个示例中的检波器的信号处理模块，其采样频率为1000Hz并用于使用正弦输入信号测试信号处理模块；
图26示出了使用图25所示代码实现的信号处理模块的输入信号和仿真输出信号；
图27和28分别示出了用于仿真的采样频率为1000Hz的信号处理模块的示意图及仿真结果(SIMULINK是美国麻省纳蒂克的MathWorks Inc.的注册商标)；
图29和30分别示出了用于仿真的采样频率为1000Hz的均衡化检波器(包括检波器和信号处理模块)的示意图及仿真结果；及
图31是一些备选实施例中的图1所示振动分析系统所执行的振动/地震勘测和/或监测过程的流程图。
具体实施方式
本文中的实施例公开了一个振动分析系统，其具有通过网络连接的一台或多台服务器计算机、一个或多个客户端计算设备以及一个或多个振动检测单元。该一个或多个振动检测单元可以部署在一个地点以检测振动。检测到的振动数据发送到该一台或多台服务器计算机进行振动/地震分析。本文中公开的系统可用于振动/地震测量、振动监测等。
在一些实施例中，该振动分析系统还包括一个或多个数据中心，每个数据中心连接到一个或多个振动检测单元。该数据中心从振动检测单元采集振动数据并将采集到的振动数据传输到所述服务器计算机。
在一些实施例中，每个振动检测单元包括一个振动检测传感器和一个定位模块如全球定位系统(GPS)模块，用于自动确定振动检测单元的地理位置，从而避免在部署和重新部署振动检测单元时手动记录和/或更新振动检测单元的地理位置。
在一些实施例中，振动检测单元是检波器，且系统包括信号处理模块用于补偿检波器引入的失真。在一些实施例中，信号处理模块可以实施为数字滤波器。在其他一些实施例中，信号处理模块可以是具有数字滤波器功能的信号处理固件或软件程序。数字滤波器或信号处理程序可以在振动检测单元上、数据中心里和/或服务器计算机中。
通过使用信号处理模块，此有效的振动检测单元，即检波器和信号处理模块的组合，可提供高带宽(例如从约0.001Hz到约420Hz)高精度振动探测结果且具有探测低频地震、中程和高频地震及振动信号的能力。
振动检测单元可以单独或以独立阵列方式部署在现场。每个振动检测单元可在阵列内独立运行。在各种实施例中，振动检测单元可以现场操作或远程控制以连续或间歇性地采集、存储振动数据并将其传输到服务器计算机，以便进行自动数据处理、识别和生成振动数据，且具有集成地图界面的可视化效果。
现在转至图1，其示出了一个振动分析系统并通常由附图标记100标识。在这些实施例中，振动分析系统100接收来自多个振动检测单元的振动数据，并使用接收的振动数据进行振动分析。
如图1所示，振动分析系统100包括服务器计算机102和一个或多个客户端计算设备104通过网络106以适当的有线和/或无线网络例如Internet、局域网(LAN)、广域网(WAN)和/或类似网络进行功能互连。
振动分析系统100还包括一个或多个振动检测单元108，例如具有有线或无线通信接口的检波器，其通过适当的有线和/或无线网络连接与数据中心110连接。数据中心110从振动检测单元108采集振动数据，并通过网络106将采集的数据传输到服务器计算机102。
在一些实施例中，服务器计算机102也可以直接与一个或多个振动检测单元108通信，以便直接从中采集振动数据。
服务器计算机102执行一个或多个服务器程序。根据具体实施方案，服务器计算机102可以是服务器计算设备和/或通用计算设备，在作为服务器计算机的同时，也可被用户使用。
每个客户端计算设备104执行一个或多个客户端应用程序且供用户使用。本实施例中，客户端计算设备104是便携式计算设备如笔记本电脑、平板电脑、智能手机、个人数字助理(PDA)等。但是，本领域技术人员会认识到，一个或多个客户端计算设备104可能是非便携式计算设备如某些替代实施例中的台式计算机。
通常，计算设备102和104具有类似的硬件结构，如图2所示的硬件结构120。如图所示，计算设备102/104包括处理结构122、控制结构124、内存或存储器126、网络接口128、坐标输入130、显示输出132和其他输入和输出模块134和136，所有这些模块由系统总线138功能性互连。
处理结构122可以是一个或多个单核或多核计算处理器，如 微处理器(INTEL是美国加利福尼亚州圣克拉拉的英特尔公司的注册商标)，微处理器(AMD是美国加利福尼亚州森尼韦尔的先进微设备公司的注册商标)，由诸如美国加利福尼亚州圣地亚哥的高通公司等多家制造商制造的微处理器(ARM是英国剑桥市Arm Ltd.的注册商标)。
控制结构124包括多个控制器，如图形控制器、输入/输出芯片组等，用于协调计算设备102/104的各种硬件组件和模块的操作。
存储器126包括多个存储单元，由处理结构122和访问和控制结构124读取和/或存储数据，其包括输入数据和有处理结构122和控制结构124产生的数据。存储器126可以是易失性和/或非易失性、不可移动或可移动内存，如RAM、ROM、EEPROM、固态内存、硬盘、CD、DVD、闪存等。在使用中，存储器126通常被划分为多个部分以用于不同的用途。例如，存储器126的一部分(此处称之为存储内存)可用于长期数据存储例如存储文件或数据库。存储器126的另一部分可用作系统内存，用于在处理期间存储数据(此处称之为工作内存)。
网络接口128包括一个或多个网络模块，通过使用网络106用有线或无线通信技术连接到其他计算设备或网络。其通讯技术可以是以太网、(WI-FI是美国佐治亚州亚特兰大市DBA Hartsfield-Jackson亚特兰大国际机场市政公司的注册商标)、(BLUETOOTH是美国华盛顿州柯克兰Bluetooth Sig公司的注册商标)、(ZIGBEE是美国加利福尼亚州圣拉蒙ZigBee联盟公司的注册商标)、3G和4G无线移动电信技术等。在一些实施例中，并行端口、串行端口、USB端口、光纤连接等也可用于连接其他计算设备或网络，尽管它们通常被视为用于连接输入/输出接口的设备。
显示输出132包含一个或多个用于显示图像的显示模块，如显示器、LCD显示屏、LED显示屏、投影仪等。显示输出132可以是计算设备102/104的物理集成部分(例如笔记本电脑或平板电脑的显示器)，或者，它可以是物理上独立于但功能连接计算设备102/104的显示设备(例如台式计算机的监视器)。
坐标输入130包括一个或多个输入模块，供一个或多个用户输入坐标数据，其中输入模块可以是触摸感应屏幕、触摸感应白板、轨迹球、计算机鼠标、触摸板，或其他人机界面设备(HID)等。坐标输入130可以是计算设备102/104的物理集成部分(例如，笔记本电脑的触摸板或平板电脑的触摸敏感屏幕)，也可以是物理上独立的显示设备，但与计算设备102/104连接的其他组件(例如，计算机鼠标)。在某些实现中，坐标输入130可与显示输出132集成，以形成触摸感应屏幕或触摸敏感白板。
计算设备102/104还可以包括其他输入134如键盘、麦克风、扫描仪、照相机等。计算设备102/104可以进一步包括其他输出136，如扬声器，打印机，定位模块例如GPS模块等。
系统总线138将各组件122到136互联，使它们能够相互发送和接收数据和控制信号。
图3示出了计算设备102/104的简化软件体系结构200。软件体系结构200包括应用程序层202、操作系统206、输入接口208、输出接口212和逻辑内存220。应用程序层202包括一个或多个由处理结构122执行或运行各种作业的应用程序204。操作系统206通过输入接口208和输出接口212管理计算设备102/104的各种硬件组件，管理逻辑内存220，管理和支持应用程序204。操作系统206还通过网络106与其他计算设备通信(未显示)，以便应用程序204与其他计算设备上运行的应用程序进行通信。
正如本领域技术人员所认识到的，操作系统206可能是任何合适的操作系统，如(MICROSOFT和WINDOWS是美国华盛顿州雷德蒙德的微软公司的注册商标)， OS X， iOS(APPLE是美国加利福尼亚州库比蒂诺的苹果公司的注册商标)，Linux，(Android是美国加利福尼亚州山景城谷歌公司的注册商标)等。振动分析系统100的计算设备102/104可以具有相同的操作系统，或者可以具有不同的操作系统。
输入接口208包括一个或多个输入设备驱动程序210，用于与相应的输入设备(包括坐标输入150)进行通信。输出接口212包括一个或多个由操作系统206管理的输出设备驱动程序214，用于与相应的输出设备(包括显示输出152)进行通信。通过输入接口208接收的数据会发送到应用程序层202，并由一个或多个应用程序204进行处理。应用程序204生成的输出通过输出接口212发送到各自的输出设备。
逻辑内存220是物理内存146的逻辑映射，用于方便应用程序204的访问。在本实施例中，逻辑内存220包括可映射到非易失性物理内存的存储内存区域，如硬盘、固态磁盘、闪存驱动器等，以长期存储器数据。逻辑内存220还包括一个工作内存区域，该区域通常映射到高速、且在某些实施中易失性的物理内存如RAM以便应用程序204临时存储在程序执行中产生的数据。例如，应用程序204可能会将数据从存储内存区域加载到工作内存区域，并可能将执行过程中生成的数据存储到工作内存区域。应用程序204也可以根据需要或响应用户的命令将一些数据存储到存储内存区域中。
在服务器计算机102或客户端计算设备中充当服务器102时，应用程序层202通常包含一个或多个服务器应用程序204，这些程序提供服务器端功能，用于管理与客户端计算设备104的网络通讯并辅助振动分析过程。
在客户端计算设备104中，应用程序层202通常包含一个或多个客户端应用程序204，这些程序提供客户端功能用于与服务器应用程序204通信、在图形用户界面(GUI)显示信息和数据、接收用户指令，并与服务器应用程序204协作以管理数据中心110和/或振动检测单元108、采集振动数据等。
振动探测单元108通常部署在应用现场，且可以连续或间歇性地采集振动/地震数据。每个传感装置独立运行，并通过有线或无线方式将采集的数据传输到接收设备。
图4是显示振动检测单元108结构的框图。如图所示，本实施例中的振动检测单元108包括多个组件或模块通过总线或必要的电路300互连。具体地，振动检测单元108包括振动检测传感器302如检波器、MEMS传感器等。振动检测传感器302的输出振动信号由模数(A/D)转换器304进行处理以转换为数字振动信号，然后发送到网络模块306以通信至接收设备如数据中心110或服务器计算机102。网络模块306可以使用任何适当的有线或无线通信技术与数据中心110或服务器计算机102进行通信。然而，在这些实施例中，网络模块306最好使用无线通信技术，如3G和4G无线移动通信或类似技术与数据中心110或服务器计算机102进行通信。
数字振动信号也可以暂时存储在存储器308中以用于各种目的。例如，当无线通信模块306无法与数据中心110建立连接时，A/D转换器304的数字振动信号输出可能会暂时存储在存储器308中。
振动检测单元108还可包括定位模块310如GPS模块以用于提供振动检测单元108的位置信息。因此，振动检测单元108可以轻松重新定位，而无需手动记录其位置。
振动检测单元108还可以包括本地通信接口312，用于与附近的接收设备通讯并下载振动数据。在一些实施例中，本地通信接口312可以是有线连接接口，如USB端口、HDMI端口、串行端口、并行端口等。在一些替代实施例中，本地通信接口312可以是无线连接接口，如近场通信(NFC)接口。在一些实施例中，靠近振动检测单元108的接收装置也可以与网络模块306进行通信以下载振动数据。
振动检测单元108还包括一个控制电路314，该控制电路可以是可编程微控制器或合适的电路如集成电路(IC)，例如现场可编程栅极阵列(FPGA)，应用集成电路(ASIC)等，用于控制各种模块302到312的运行，并用于执行其他功能如信号处理、自身温监控和调节、信号质量控制、时钟修剪、电力保存等。电源316(如可充电电池组和/或太阳能电池板)为模块302到314供电以在长时间不充电的情况下运行。在这些实施例中，控制电路314还控制电源316的运行。在一些实施例中，控制电路314通过网络模块306与服务器计算机102或客户端计算设备104等控制器设备通信，通过网络106远程打开或关闭振动检测单元108。
图5是由系统100执行的振动/地震测量或监测过程400的步骤的流程图。当部署在现场的一个或多个振动检测传感器302被通电并初始化时，过程400开始(步骤402)。每个布置在现场的振动检测传感器302检测振动(步骤404)，并将检测到的振动数据及其位置发送到数据中心110(步骤406)。
在各种实施例中，振动检测传感器302可以连续或间歇性地将检测到的振动数据和相关位置信息发送到数据中心110。在一些实施例中，一个或多个振动检测传感器302可在操作员命令下将检测到的振动数据和关联位置信息发送到数数据中心110。例如，在一个实施例中，现场的操作员可以通过例如按一个在振动检测传感器302上的按钮、通过振动检测传感器302与操作员计算设备之间的无线或有线接连接发送一个数据传输命令等方式直接命令附近的振动检测传感器302发送振动数据和相关位置信息到数据中心110。在另一个实施例中，服务器计算机102的操作员可以指示服务器计算机102向一个或多个振动检测传感器302发送数据传输命令进行数据传输。在另一个实施例中，客户端计算装置104的操作员可以指示服务器计算机102向一个或多个振动检测传感器302发送数据传输命令进行数据传输。
每个数据中心110功能性连接一个或多个振动检测传感器302并采集数据，包括振动数据和位置信息(步骤408)。然后，数据中心110将采集的数据转发到服务器计算机102(步骤410)。
在步骤412中，服务器计算机102接收振动数据和相关位置信息。在步骤416中，服务器计算机102处理振动数据，并执行振动/地震数据分析以服务于各种目的如确定地下地层中碳氢化合物积累的存在和程度。
在这一步中，服务器计算机102可以使用不同方法来进行振动/地震数据分析。例如，在一个实施例中，服务器计算机102可以使用无监督聚类方法，如分区聚类、分层聚类、基于密度的聚类、基于网格的聚类和/或类似方法，以通过结合不同的地震属性模式识别算法来处理地震事件分析。在本实施例中，服务器计算机包括数据挖掘算法的时空关联和关联规则，并识别关键因素之间的关联和关系。
服务器计算机可以使用两类空间相关度量值来执行自动数据处理功能，包括从地理统计角度和从空间熵角度的度量值。服务器计算机可以使用内置的空间索引数据结构进行空间关联计算。
在一些实施例中，服务器计算机102可以在自动机器数据处理中使用机器学习来进行模式识别。通过识别信号数据模式，服务器计算机102测试假设并在假设测试通过时将学习结果应用于相同的模式。
在一些实施例中，服务器计算机102使用基于自组织映射(SOM)的聚类分析来处理地震图数据。
在数据分析后，应客户端计算设备104的请求，服务器计算机102发送振动/地震数据分析的结果，例如在客户端计算设备104的显示屏上显示可视化分析结果(步骤418)。在一些实施例中，系统100提供了用于可视化和显示的多功能接口。带有空间信息的被处理的数据以2D、3D或运动成像可视化方式显示，并直观地参考曲面地图、地层图和地质信息系统，并带有显示调整和分析功能。
过程400可用于自然振动/地震探测和分析，也可用于需要振动/地震信号源的地震测量。正如本领域技术人员会认识到的那样，这种振动/地震信号源可能是传统的振动/地震信号源如来自振动器、爆炸物或类似的信号。
在一些实施例中，振动/地震信号源可以是非常规源，例如来自一个或多个地下蒸汽注入器的振动。在这些实施例中，一个或多个振动检测单元108可放置在连接蒸汽注入器的钢管部分以进行振动检测。系统100可对振动数据应用相关去卷积，通过滤波反射和折射，检索源信号(即蒸汽注入器产生的振动信号)。在一个实施例中，这种信号滤波可以通过振动检测单元108中的滤波器电路执行。在另一个实施例中，这种信号滤波可以通过服务器计算机102执行，例如信号处理程序。在另一个实施例中，此类信号滤波可以由连接到振动检测单元108的数据中心110执行。
通过过程400，系统100可区分信号分量，以分离地下地震事件、地震事件和地面振动事件。处理后的数据用于与每个传感单元的位置数据相结合，用于地震数据分析和生成可视化(如2D、3D或运动图像)地图参考，例如通过生成的图像与现场地图相关联。可视化图像将地表地形与地下事件位置信息和地下结构信息相结合。
在一些可选实施例中，振动检测单元108包括一个检波器组成的振动传感器302和一个用于振动信号处理的信号处理模块。正如本领域技术人员会认识到的那样，信号处理模块可以是电路模块和/或固件程序模块，由具体实现而定。图6示出了信号流程。如图所示，检波器302接收由振动源(可以是自然地震或人为振动源如爆炸或机器振动)生成的振动/地震信号x(t)。检波器302检测到振动/地震信号x(t)并输出信号y(t)。通常，最好y(t)是x(t)的缩放版本，即y(t)＝Cx(t)，其中C对所有t均为常量。但是，检波器302通常对振动/地震信号x(t)引入失真，所以检波器302的输出信号y(t)为：
y(t)＝x(t)*h(t)， (1)
其中h(t)是检波器302的脉冲响应，符号“*”表示卷积。
如图6所示，检波器302的输出信号y(t)被送入模数转换器304，该转换器输出离散时间信号y(n)。在这些实施例中，振动检测单元108还包括一个信号处理模块422以处理y(n)来补偿检波器322引入的失真。信号处理模块422的输出信号yo(n)为：
y0(n)＝y(n)*g(n)， (2)
其中g(n)是信号处理模块422的离散时间脉冲响应。然后输出信号yo(n)通过数据中心110发送到服务器计算机102。
图7A和7B示出了典型的检波器302。如图所示，检波器302包括壳体502，其收入磁体结构504、可移动线圈结构506和壳体502上的用于输出振动信号的电端子508。
磁体结构504固定在外壳502上并形成磁场。可移动线圈结构506包括绕于轴512上且通过弹簧板514悬挂于壳体502中的一个或多个线圈组510。线圈组510与电端子508连接。
检波器302可以部署在一个现场。当发生振动/地震事件时，外部振动导致线圈结构506在磁场中移动，从而在电端子508上形成电压信号。然后此类电压信号被捕捉并通过数据中心110输出到服务器计算机102。
如图7C所示，检波器302可以被建模为一个具有s域传递函数H(s)、可将输入信号x(t)转换为输出信号y(t)的设备，即：
Y(s)＝X(s)H(s)， (3)
其中X(s)是输入信号x(t)的拉普拉斯变换，Y(s)是输出信号y(t)的拉普拉斯变换且
其中A是检波器302的灵敏度，其由磁体504的磁场强度的和线圈组506的长度的乘积决定；m是可移动线圈的质量，包括线圈组510的质量、轴512的质量以及弹簧板514的质量；b是弹簧板514在空气中的阻尼比；k是由弹簧板514决定的弹簧常数。
公式(4)可重写为：
其中B＝A/m，是谐振角频率，且是阻尼系数。那些本领域技术人员会认识到B，ωn，和ξ是预先确定的设计参数。
下面描述了一些示例。这些示例显示了在和(MATLAB是美国马萨诸塞州内迪克的MathWorks Inc.的注册商标)中用各种参数仿真的检波器302，和均衡检波器302以补偿其引入的失真。
示例1
在此示例中，仿真了检波器302的响应。检波器302具有谐振频率fn＝ωn/(2π)＝10Hz和阻尼系数ξ＝0.707。因此，检波器302的传递函数为：
图8A示出了一个频率f0为31.25Hz的正弦输入信号x(t)＝sin(2πf0t)输入到检波器302，及其输出y(t)。如图所示，输出信号y(t)失真。
图8B显示一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(t)＝sin(2πf0t)输入到检波器302，及其输出y(t)。如图所示，输出信号y(t)失真并有显著衰减。
图9A和9B示出了检波器302传递函数H(s)的波特图。可以看出，检波器302的幅度响应在1Hz时具有约40分贝(dB)衰减，且每个倍频程约有12dB衰减。此外，检波器302的相位响应在地震测量中广泛使用的频率范围内，例如频率范围在约5Hz到约100Hz之间，表现出非线性失真。如图9B所示，检波器302的相位响应在5Hz时约为137度，在100Hz时约为8度。
如图10所示，为了补偿检波器302的失真，控制电路314包括一个信号处理模块422，其传递函数为：
然后，均衡检波器302′的整体传递函数Ho(s)为：
Ho(s)＝H(s)G(s)＝1. (8)
示例2
对于示例1中的检波器302，信号处理模块422的传递函数为：
图11示出了一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(t)＝sin(2πf0t)输入到均衡检波器302′，以及其均衡输出y0(t)。如图所示，均衡输出y0(t)实质上与输入信号x(t)匹配。
图12示出了均衡检波器302′的传递函数Ho(s)的波特图。可以看出，均衡检波器302′的幅度响应实质上是线性的，其变化在大约-0.01dB和大约0.01dB之间，其相位响应也是实质性的线性响应，最大变化为约10-13度。
如上所述，信号处理模块422在离散时域中实现，通过将信号处理模块422的s域的传递函数G(s)使用合适的采样方法如脉冲不变性、零阶保持、一阶保持、双线性、零极匹配等，以及预定的适当的采样频率，转换为(离散时间)z域的传递函数G(z)。换句话说，在所使用的采样方法和采样频率下z域传递函数G(z)是s域传递函数G(s)的离散时间等价者。
图13示出了离散时域中的信号处理模型。z域传递函数G(z)可以写为：
其中参数a0到a2及b0到b2是根据H(s)、离散化H(s)的采样频率和采样方法预先确定的。如图14所示，使用增益为b2，b1，b0，-a2和-a1的5个放大器542、单元延迟或向后移位器544及加法器546可获得直接形式II的闭环数字滤波器。
示例3
在此示例中，信号处理模块422实现为具有32位浮点精度的数字滤波器。对于采样频率为1000Hz的示例1中的检波器302，信号处理模块422的z域传递函数为：
图15示出了一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(n)＝sin(2πf0n)输入到均衡检波器302′，以及其均衡输出y0(n)。如图所示，均衡输出y0(n)与输入信号实质匹配，x(n)最大幅度响应通带变化为0.0004dB，最大相位失真为0.15度。
示例4
在一些实施例中，信号处理模块422可以通过具有16位定点数格式的参数实现，例如具有15个小数位的Q15格式。
对于示例1中的检波器302，使用Q15格式(采样频率为1000Hz)的信号处理模块422的z域传递函数为：
图16示出了一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(n)＝sin(2πf0n)输入到均衡检波器302′，以及其均衡输出y0(n)。如图所示，均衡输出y0(n)实质上与输入信号x(n)匹配。
图17示出了均衡检波器302′的传递函数Ho(s)的波特图。可以看出，均衡检波器302′的传递函数Ho(s)实质上是线性的，在1mHz和302Hz之间的频率范围内，最大幅度响应变化约为-0.08dB，最大相位响应失真约0.28度，一般适用于地震调查。
示例5
在此示例中，检波器302具有谐振频率fn＝ωn/(2π)＝10Hz和阻尼系数ξ＝0.6784。因此，检波器302的传递函数为：
使用Q15格式(采样频率为1000Hz)的信号处理模块422的z域传递函数为：
图18示出了一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(t)＝sin(2πf0t)输入到均衡检波器302′，以及其均衡输出y0(t)。如图所示，均衡输出y0(t)实质上与输入信号x(t)匹配。
图19示出了均衡检波器302′的传递函数Ho(s)的波特图。可以看出，均衡检波器302′的传递函数Ho(s)实质上是线性的，最大幅度响应变化约为-0.016dB，最大相位响应失真约为0.06度。
示例6
在此示例中，仿真了阻尼系数ξ中-2.5％误差的影响。检波器302和信号处理模块422如示例5所述。图20和21示出了仿真结果。
图20示出了一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(t)＝sin(2πf0t)输入到均衡检波器302′，以及其均衡输出y0(t)。如图所示，均衡输出y0(t)实质上与输入信号x(t)匹配。
图21示出了均衡检波器302′的传递函数Ho(s)的波特图。可以看出，均衡检波器302′的传递函数Ho(s)实质上是线性的，最大幅度响应变化约为0.22dB，最大相位响应失真约为0.8度。
示例7
在此示例中，仿真了阻尼系数ξ中2.5％误差的影响。检波器302和信号处理模块422如示例5所述。图22和23示出了仿真结果。
图22示出了一个频率f0为2Hz的正弦输入信号x(t)＝sin(2πf0t)输入到均衡检波器302′，以及其均衡输出y0(t)。图23示出了均衡检波器302′的传递函数Ho(s)的波特图。
可以看出，均衡输出y0(t)实质上与输入信号x(t)匹配，而均衡检波器302′的传递函数Ho(s)实质上是线性的，具有如图20和21所示的最大幅度响应变化和最大相位响应失真。
示例8
在此实例中，仿真了谐振频率fn误差的影响。检波器302和信号处理模块422如示例5中所述。图24A和24B示出了谐振频率fn误差±2.5％的仿真结果。图24A示出了在输出和2Hz正弦信号输入之间的时间域差异。图24B示出了最大谐振频率误差导致的幅度频率响应和相位频率响应的最大后果。可以看出，谐振频率fn的误差主要影响0.1Hz和20Hz之间的频率范围，最大幅度响应变化约为0.45dB，最大相位响应失真约为2度。
本领域技术人员会认识到，当信号处理模块422的参数的精度为±2.5％时，通带幅度响应变化不超过0.45dB，通带相位响应失真不超过2度。参数精度为±1％时，通带幅度波动小于±0.17dB，最大相位失真小于0.75度。
示例9
在一些实施例中，信号处理模块422可以实现为一个软件或固件程序模块。该软件或固件程序模块可以使用适当的编程语言进行编码，然后编译为机器可执行代码或指令。然后，机器可执行代码或指令可以存储在至少一个非暂态计算机可读介质或设备中，如RAM、ROM、EEPROM、固态内存、硬盘、CD、DVD、闪存等。当处理器，如服务器计算机102的处理结构，执行该机器可执行的代码或指令时，处理器充当具有上述z域传递函数G(z)的数字滤波器。
图25示出了一个用编写的一段代码示例，用于实现采样频率为1000Hz下的信号处理模块422以用于示例1中检波器302，以及用于使用正弦输入信号602测试该信号处理模块422。该信号处理模块422的z域传递函数为：
图26示出了使用图25所示代码实现的信号处理模块422的输入信号602和仿真输出信号604。初始时间后，输出信号604与输入信号602匹配。
图27和28分别示出了仿真的采样频率为1000Hz的信号处理模块422的框图及仿真结果。初始时间后，输出信号604与输入信号602匹配。
图29和30分别示出了仿真的采样频率为1000Hz的均衡检波器302′(包括检波器302和信号处理模块422)的框图及仿真结果。初始时间后，输出信号604与输入信号602匹配。输入和输出信号彼此匹配。
在上述实施例中，每个振动检测单元108包括一个定位模块310，用于向服务器计算机102提供位置信息。在一些其他实施例中，至少一个振动检测单元108不包括任何定位模块310。在这些实施例中，此类振动检测单元108部署在已知位置，服务器计算机102存储其位置。如果重新部署该振动检测单元108，可手动获取其新位置以更新服务器计算机102中存储的相应记录。
在上述实施例中，每个振动检测单元108包括一个信号处理模块422用于补偿检波器322引入的失真。在一些其他实施例中，振动检测单元108不包括信号处理模块422。相反，信号处理模块422实现为在服务器计算机102上可执行的软件程序或程序模块。在这些实施例中，与上述实施例相比，系统100具有降低振动检测单元108成本等优点。此外，系统100只需要一个信号处理模块422作为信号处理软件程序或程序模块在服务器计算机102上处理所有振动导动单元108的输出。在一些实施例中，服务器计算机102包含多组用于信号处理软件程序的参数G(z)。每组参数对应于一个检波器302。
在一些其他实施例中，信号处理模块422可以作为软件或固件程序在数据中心110上实现。
图31示出了这些实施例中的过程400。如图所示，当系统初始化(步骤402)时，过程400启动。在振动/地震测量中，振动检测单元108检测振动(步骤404)。由于振动检测单元108不包含任何信号处理模块422，因此振动检测单元108通过模数转换器304将检波器302的输出y(t)转换为数字信号y(n)，并将数字信号y(n)和位置定位模块310获得的信息传输到数据中心110(步骤406)。
如前所述，数据中心110采集振动数据(步骤408)，并将采集的振动数据传输到服务器计算机102(步骤410)。服务器计算机102接收振动数据(步骤412)。然后，服务器计算机102识别与振动数据关联的振动检测单元108，并确定信号处理模型如z域传递函数G(z)(步骤714)。在这一步骤中，服务器计算机102在一些实施例中可以为每个振动检测单元108确定一个单独的信号处理模型如一个单独的z域传递函数G(z)。在其他一些实施例中，服务器计算机102可以为所有振动检测单元108确定相同的信号处理模型如相同的z域传递函数G(z)。在一些实施例中，振动检测单元108根据其特性被划分为不同的组，服务器计算机102可以为每组振动检测单元108确定一个信号处理模型如z域传递函数G(z)。
在步骤416中，服务器计算机102首先执行信号处理过程(步骤716)以按上面的描述补偿检波器302引入的失真，然后执行振动/地震数据分析(步骤718)。当客户端计算设备104发出请求后，服务器计算机102会向其发送振动/地震数据分析的结果，例如在客户端计算设备104的显示屏上显示可视化分析结果(步骤418)。
上述振动分析系统100为在勘测和振动/地震监测现场部署振动检测单元108提供了方便和便利，其中振动检测单元108可部署在地面或地下。在某些情况下，振动检测单元108可能会部署在井下或水下。
在振动检测单元108包括定位模块310的实施例中，振动分析系统100避免了手动记录和/或更新振动检测单元108的地理位置的负担。在振动分析系统100使用信号处理模块422的实施例中，检波器302引入的失真得到补偿，从而获得高带宽(例如从约0.001Hz到约420Hz)和高精度的振动检测结果。
尽管以上参照附图描述了实施方案，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行变化和修改。

Claims (20)

1.一种振动检测装置包括：
用于检测振动和输出第一信号的检波器；
模数(A/D)转换器，其与所述检波器功能性连接,用于将所述第一信号转换为离散时域中的第二信号；以及
信号处理模块，其与所述检波器功能性连接,用于在离散时间处理所述第二信号,以补偿所述检波器引入的失真；
其中所述检波器具有以下s域传递函数H(s)：
其中B、ωn和ξ是预先确定的参数；以及
其中所述信号处理模块具有从以下s域传递函数使用预定采样方法和预定采样频率获得的z域传递函数G(z)：
2.根据权利要求1所述的振动检测装置,其中所述信号处理模块是具有多个放大器和单元延迟的数字滤波器；且其中所述信号处理模块具有以下z域传递函数G(z)：
其中a0、a1、a2、b0、b1和b2是放大器的增益,且根据H(s)、所述采样方法和所述采样频率预先确定。
3.根据权利要求1或2所述的振动检测装置还包括：
定位模块；
网络模块；和
控制电路，其与所述检波器、信号处理模块、定位模块和网络模块功能性连接以控制其操作。
4.根据权利要求3所述的振动检测装置，其中所述定位模块为全球定位系统(GPS)模块。
5.一种振动检测系统包括：
至少一台服务器计算机；
一个或多个振动检测单元通过网络与所述至少一台服务器计算机功能性连接,每个振动检测单元用于检测振动和输出振动数据,每个振动检测单元包含至少一个检波器和一个与所述检波器功能性连接的模数转换器,用于将所述检波器的输出信号转换为离散时域中的第二信号,所述振动检测单元基于所述第二信号产生所述振动数据；和
至少一个信号处理模块与所述检波器功能性连接,用于在离散时间处理所述第一信号,以补偿所述检波器引入的失真；
其中,每个检波器都有以下s域传递函数H(s)：
其中B、ωn和ξ是预先确定的参数；以及
其中,所述至少一个信号处理模块具有从以下s域传递函数使用预定采样方法和预定采样频率获得的z域传递函数G(z)：
6.根据权利要求5所述的振动检测系统包括：
一个或多个数据中心,每个所述一个或多个数据中心与至少一个振动检测单元功能性连接,用于采集振动数据并将采集到的振动数据转发到所述至少一台服务器计算机。
7.根据权利要求5或6所述的振动检测系统还包括：
一个或多个客户端计算设备与所述至少一台服务器计算机功能性连接。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的振动检测系统,其中每个振动检测单元包括所述至少一个信号处理模块中的一个。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的振动检测系统,其中所述至少一个信号处理模块中的每一个是具有多个放大器和单元延迟的数字滤波器；且其中所述信号处理模块具有以下z域传递函数G(z)
其中a0、a1、a2、b0、b1和b2是放大器的增益,且根据H(s)、所述采样方法和所述采样频率预先确定。
10.根据权利要求5至8中任一项所述的振动检测系统,其中所述信号处理模块包括可由所述至少一台服务器计算机执行的计算机可执行代码。
11.根据权利要求5至9中任一项所述的振动检测系统,其中每个振动检测单元进一步包括：
定位模块；
网络模块；和
控制电路，其与所述检波器、信号处理模块、定位模块和网络模块功能性连接以控制其操作。
12.根据权利要求11所述的振动检测系统,其中定位模块为GPS模块。
13.一种计算机可读存储设备,其包括计算机可执行指令用于处理检波器的输出信号,以补偿该检波器引入的失真,每个检波器具有s域传递函数H(s)：
其中，B、ωn和ξ是预先确定的参数,其中所述指令在执行时,会导致处理器充当数字滤波器，其具有从以下s域传递函数使用预定采样方法和预定采样频率获得的z域传递函数G(z)：
14.根据权利要求13所述的的计算机可读存储设备,其中所述指令执行时会导致所述处理器进一步执行以下操作：
获取所述检波器的位置信息；
识别所述检波器；和
根据所述识别确定传递函数G(s)。
15.根据权利要求14所述的的计算机可读存储设备,其中每个检波器与一个定位模块相关联；且其中获取所述检波器的位置信息包括通过使用与其关联的定位模块获取所述检波器的位置信息。
16.根据权利要求15所述的的计算机可读存储设备,其中所述定位模块为GPS模块。
17.一种在现场进行地震勘测的计算机化方法,该方法包括：
在现场中部署一个或多个振动检测单元以生成振动数据；
从所述一个或多个振动检测单元中的至少一个振动检测单元采集振动数据；
补偿所采集的振动数据中的失真；及
分析补偿后的振动数据以进行地震勘测；
其中所述补偿所采集的振动数据中的失真包括：
对于所述一个或多个振动检测单元中的至少一个振动检测单元中的每一个,
获取该振动检测单元的位置信息；
识别该振动检测单元；
根据所述识别确定该振动检测单元的信号处理模块的传递函数；和
使用所述信号处理模块补偿所述振动检测单元产生的振动数据的失真。
18.根据权利要求17所述的计算机化方法,其中每个振动检测单元包括一个定位模块；且其中所述获取该振动检测单元的位置信息包括：
从所述定位模块获取所述振动检测单元的位置信息。
19.根据权利要求18所述的计算机化方法，其中所述定位模块为GPS模块。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的计算机化方法，其中每个振动检测单元包括一个具有以下s域传递函数H(s)的检波器：
其中，B、ωn和ξ是预先确定的参数；以及
其中所述信号处理模块的传递函数是从以下s域传递函数使用预定采样方法和预定采样频率获得的z域传递函数G(z)：
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