CN1120377C - 海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元 - Google Patents

海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元 Download PDF

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Abstract

本发明推出的海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元，属海洋地球物理勘探测量领域。该单元其四道地震数据采集电子单元3、三分量检波器部件4和水听器部件2被置于壳体5内，并通过电缆接头6与海底电缆1相连接，可同时采集地震纵波、横波、水听器共四个分量数据，经电缆传输和中心站记录处理可得到勘测资料，应用高信噪比采集部件和各部件间采用无抽头水密电缆互连可获高质量数据采集，可实现海底拖曳作业高效率、轻便化施工。

Description

海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元
技术领域
本发明涉及一种海洋地球物理勘探测量单元，特别是涉及一种海洋地震勘探测量的数据采集单元，属于海洋地球物理勘探测量领域。
背景技术
目前使用的海洋地震勘探数据采集单元或系统所采用的方式，一种是采用拖缆式模拟信号传输、集中式数字化处理和资料记录，该方式的缺陷是在数字化之前，由于模拟信号传输线太长，信号容易接收干扰并且信号与噪声混叠传输，使所采集到数据其信噪比低，甚至会产生信号被噪声所淹没现象，因此采集到数据质量较差。另一种是采用分布式海底电缆数据采集单元，它多为12至24道数据采集、数字传输和中心站记录。目前国外用的海底电缆(Ocean BottomCable)，由于电缆上分布有多个检波器抽头，检波器作为传感器被捆绑在电缆上不允许拖曳，电缆本身笨重且抗拉强度低，随着测量点的不断变化移动，必须经常收放电缆，因此劳动强度大，影响生产进度。同时由于与传感器相连接的模拟信号线仍然较长，对信号同样会产生较大的干扰，使所采集到数据信噪比不高，而且该单元在制造过程中工艺复杂，不易维护修理，并且产品造价也比较昂贵。
和本发明相近产品可参见美国“SYNTRON INC”公司的产品介绍“SYNTRON”其中“OCEAN BOTTOM CABLE”的产品第6页至第7页图片说明介绍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度、高信噪比、轻便的、可拖曳的海底四分量地震数据采集一体化单元(简称一体化单元)。该一体化单元可同时采集一个地震纵波垂直分量、二个地震横波水平分量和水听器分量共四个分量的数据信号，前面三个检波器为速度型传感器，后面一个水听器为加速度型传感器。按照海底拖曳作业测量需要，若干个一体化单元之间可通过海底电缆串联连接构成一个多道地震数据采集系统。
本发明以如下方式实现。
本发明所述的一体化单元主要由海底电缆、水听器部件、四道地震数据采集电子单元(简称电子单元)、三分量检波器部件、壳体和电缆接头所组成。作为传感器的三分量检波器部件、水听器部件和电子单元共同被安装于一个密封壳体内，壳体通过电缆接头与无抽头的水密封海底电缆相连接后就构成一个完整的海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元，即将机电集成于一体。三分量检波器部件中的三个检波器采用速度型检波器，被置于同一双轴万向架上，可以灵活地实现360度的转动，使检波器可随时调整到最佳接收状态。水听器部件采用了加速度型传感器，检波器与电子单元采集通道之间用短线在内部连接可大大降低环境对信号的干扰，有益于提高数据信噪比，各个地震数据采集一体化单元之间均采用无抽头的水密封电缆互连，电缆设有铠装结构，采用内外二层钢丝绳作加强件可提高电缆抗拉强度，电缆本身无检波器等捆绑物可方便海底拖曳作业，每个一体化单元均设计为一个四分量接收点，多个一体化单元串接后可构成一个多道采集系统。
电子单元由装在印刷板支架上的CPU板、数传板、通道1-2和3-4采集板以及电源板所构成，为提高信噪比和测量精度，各印制电路板之间采用了连接器直接连接的无背板结构。当四个分量的数据信号进入地震数据采集电子单元中时，经过其大线滤波器可滤除信号中高频干扰，送入前置放大器后将信号放大或不放大，然后送入A/D转换器进行量化，被量化后的采样数据由单片微处理器，按采样周期及通道顺序经数传电路编码后送入传输电缆的数据流中，由传输电缆送往地面中心站进行数据编排和记录，并将记录带(或记录盘)作为资料带(或资料盘)提供给处理中心进行资料处理，从而获得海洋地震勘探的测量资料。
本发明有如下优点。
由于每个电子单元的数据采集通道数只有四道，因此一体化单元体积可大大缩小，其连接的海底电缆长度也可相应减少。由于作为传感器的检波器与电子单元采集通道之间的连线为内部短连接，且被密封在同一壳体内，因此可避免外部海水及其它物体对模拟信号线的扰动，减少了周围环境所产生干扰，避免了道间串音，提高了测量信号信噪比。三个分量检波器被置于同一双轴万向架上可以完成360度自由转动，使其能够始终保持良好的接收状态。由于电缆本身没有传感器抽头，也无检波器等捆绑物，因此多道采集系统中各电子单元之间的电缆连接可以实现水密封互连，所用电缆也能做到直径小、重量轻、造价低廉、整个一体化单元或采集系统也相应降低了成本。该系统能在较平坦的泥沙海底自由拖曳，降低了施工劳动强度，并且易于维护修理。
附图说明。
图1是海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元结构总示意图
图2是三分量检波器部件结构示意图
图3是水听器部件结构示意图
图4是四道地震数据采集电子单元结构示意图
图5是四道地震数据采集电子单元电原理框图
图6是海底电缆结构示意图
图7是电缆接头结构示意图
具体实施方式
下面结合附图详述本发明的实施例。
参照图1，海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元是由海底电缆1、水听器部件2、四道地震数据采集电子单元3、三分量检波器部件4、壳体5、电缆接头6所构成。三分量检波器部件4和水听器部件2用于采集一个地震纵波垂直分量、二个地震横波水平分量和水听器分量共四个分量的数据信号，并和四道地震数据采集电子单元3共同被安装于完全密封壳体5内，壳体由防磁不锈钢材料制成，具有水密封、耐高压性能，能承受小于3兆帕海水压力。壳体5通过电缆接头6与无抽头的水密封海底电缆1相连接后就构成一个完整的海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元，该单元避免了检波器在电缆上捆绑以及在电缆上抽头，因此可实现海底拖曳作业要求，大大提高了施工效率。这样的一体化单元多个串接后可构成一个多道采集系统。
参照图2，三分量检波器部件4是由一个地震横波水平分量SX检波器7、一个地震横波水平分量SY检波器8、一个地震纵波垂直分量V检波器9、一个双轴万向架10所构成。实际上三个检波器均为速度型检波器，并且被置于同一双轴万向架10上，可以灵活地实现360度的转动，接收地震波中的纵波和横波分量信号。上述三个作为传感器的检波器其自然频率为10赫兹加减百分之2.5，假频大于等于300赫兹，开路阻尼是0.68欧姆，灵敏度为每秒每厘米0.30伏特，畸变小于等于百分之0.1。三分量检波器用于采集地震数据信号并送入四道地震数据采集电子单元3中的SX、SY和V三个数据信号输入道。
参照图3，水听器部件2包括装在透声外壳13内的若干个薄壁园管形功能陶瓷片11和小型阻抗变换变压器12，它实际上组成一个低频电压输出的加速度型传感器。该水听器自然频率为10赫兹加减百分之1.5，输出电压灵敏度为每巴13伏特加减百分之15(每微巴-197.7分贝加减1.5分贝)，频率响应为10至1000赫兹(通带波动范围为正负1分贝)，工作压力为2兆帕，最大能承受3兆帕海水压力，水听器部件可采集地震数据信号并送入四道地震数据采集电子单元3中的水听器分量H数据信号输入道，主要用于检测海底振波鸣振情况。
参照图4，四道地震数据采集电子单元3包括在印刷板支架19上装有CPU板14、数传板15、通道1-2采集板16、通道3-4采集板17和电源板18。各印制电路板之间采用了连接器直接连接的无背板结构，其V、SX、SY、H为四个分量数据采集信号输入通道。参照图5和图4，通道1-2采集板16和通道3-4采集板17是由大线滤波器20、前置放大器21、∑-△型24位A/D转换器22(其中包括调制器23和数字滤波器24)、数据寄存器25所组成，用以完成由V、SX、SY三分量检波器和H水听器共四个分量输入数据信号的接收和量化。CPU板14是由微处理器芯片26、程序与数据存贮器27、读写译码及控制电路28所组成。数传板15是由数据及命令缓冲器29、编码、译码电路及各种寄存器30、接收及发送接口电路31所组成，其输入端A、C和输出端B、D用于连接电缆传输线，传输由地面中心站发出各种命令数据流和电子单元对所采集到数据经编码后各种信息。电源板18是由DC/DC变换器32(数字+5V)、DC/DC变换器33(模拟±5V)、大线电源输入器34(60至240V DC输入)所组成。
现结合附图5来叙述四道地震数据采集电子单元的基本工作过程。
由三分量检波器7、8、9和水听器2送来的四个分量数据信号SX、SY、V、H进入地震数据采集电子单元3的四个通道中，经过大线滤波器20滤除高频干扰后，由精密仪表放大器构成的前置放大器21将信号放大0、8、64倍(即放大0、18、36分贝)，这三种固定增益0、18和36分贝可程控选择，然后送入∑-△型24位A/D转换器22进行量化。该A/D转换器为24位，其中1位是符号位，23位是尾数位，24位A/D转换器包括调制器23和数字滤波器24，调制器将信号进行过采样及增量调制，并由数字滤波器进行去假频滤波及抽取滤波，转换后的数据被暂存于数据寄存器25中。
对每一通道而言，被量化后的采样数据由单片微处理器芯片26，按采样顺序及道序进行编排后将数据送入数传板15的数据及命令缓冲器29中。CPU板14中的程序与数据存贮器27(又称程序存贮器和数据存贮器)提供可供执行的程序指令码，读写译码及控制电路28是用来将地面中心站送来的命令进行译码后产生各种指令以控制采集通道和数传部分的工作。另外，在数传板15中，由接收及发送接口电路31通过A、C输入端接收电缆传输线送来的命令数据流，送给编码、译码电路30译码、经数据及命令缓冲器29送入CPU以实现对电子单元的各种参数设置及控制，或将采集数据由编码、译码电路30编码后再由接收及发送接口电路31通过B、D输出端发送到传输线中。
四道地震数据采集电子单元3的供电是由地面中心站通过海底电缆1提供60伏至240伏直流，由大线电源输入器34的输入端供给，并经过DC/DC变换器32产生数字电路所需+5V电源以及经过DC/DC变换器33产生模拟电路所需±5V电源，该三组稳定的直流电源同时供给保证了电子单元各部分即通道1-2采集板16、通道3-4采集板17、CPU板14和数传板15的正常工作。
四道地震数据采集电子单元3的主要技术指标如下：
道数为四道，采样率为0.5、1、2毫秒，频率响应为0至824赫兹，前放增益为0、18、36分贝，等效输入噪音小于0.2微伏RMS(36分贝增益2毫秒)，A/D转换器为∑-△型24位(其中1位符号位+23位尾数位)，谐波畸变小于百分之0.0005，数传速率为每秒6.144兆位，采用HDB3码型，误码率小于10-8。
参照图6，海底电缆(又称海底拖缆)1中心部分装有电源线36和数传线39，在其周围空间填有填充绳41，在外面包有内护套层38，并设计有内层钢丝绳37和外层钢丝绳40为电缆加强件，最外面包有外护套层35。海底电缆每段长31米，每段电缆两头装有防水、防腐、耐压的电缆接头6，电缆中间部位没有任何抽头，避勉了使用检波器在电缆上捆绑及抽头，海底电缆采用铠装结构设计，使电缆抗拉强度大大增强，满足了直接在海底进行拖曳作业要求，提高了施工效率。铠装结构电缆的缆芯至少包括一对电源线36和二对数传线39。一对电源线在摄氏20度31米长时其直流电阻小于2欧姆，当直流500伏特时每千米电源线其绝缘应大于等于150兆欧姆；二对数传线对于2至12兆赫兹频率信号其特性阻抗为145欧姆加减10欧姆。在电源线和数传线外面用内层钢丝绳37和外层钢丝绳40作为电缆的加强件，内层防腐钢丝绳用直径为1.0毫米镀锌高碳钢材料绞合而成，外层钢丝绳由1.2毫米镀锌高碳钢材料绞合而成，这样的结构使电缆拉断力做到大于等于6.5吨，工作载荷可达3.25吨，弯曲半径小于等于61厘米，外径小于等于22毫米，工作压力小于等于4兆帕。在缆芯与内层钢丝绳之间以及外层钢丝绳外面共挤制内护套层38与外护套层35做为电缆的护套件，二层护套层均由聚丙脂等绝缘材料制成，颜色为黑色，用以防止海水渗入，达到防水、防腐、耐压目的。
铠装电缆每根长度均为31米，在空气、淡水和海水中重量分别为21公斤、13.5公斤和7.7公斤，海底电缆主要用来作为四通道地震数据采集电子单元的数据传输和供电。参照图7，电缆接头6是由多芯插座42、电缆接头体43所构成。电缆接头的结构设计能保证海底电缆1与壳体5之间的水密封性能，使得海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元在海底拖曳作业中不致滑脱和泄漏。
电缆接头体43一端连接海底电缆1，另一端连接壳体5，其多芯插座42和海底电缆1的电源线36线芯以及数传线39线芯相连接。

Claims (5)

1.海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元由海底电缆(1)、水听器部件(2)、四道地震数据采集电子单元(3)、三分量检波器部件(4)、壳体(5)和电缆接头(6)所构成，部件(2)、(3)、(4)被共同安装于密封壳体(5)内，壳体(5)通过电缆接头(6)与海底电缆(1)相连接后组成一个完整海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元，其特征在于海底电缆(1)设有铠装结构，其中心部分装有电源线(36)和数传线(39)，在其周围空间填有填充绳(41)，在外面包有内护套层(38)，并设有内层钢丝绳(37)和外层钢丝绳(40)为电缆加强件，最外面包有外护套层(35)；水听器部件(2)包括装在透声外壳(13)内的多个圆形陶瓷片(11)和阻抗变换变压器(12)，实际组成一个加速度型传感器；四道地震数据采集电子单元(3)包括在印刷板支架(19)上装有CPU板(14)、数传板(15)、通道1-2采集板(16)、通道3-4采集板(17)和电源板(18)，各印制电路板之间采用了连接器直接连接的无背板结构，一体化单元具有四个分量数据采集信号输入通道，它们是地震横波水平分量SX输入通道、地震横波另一水平分量SY输入通道、地震纵波垂直分量V输入通道和水听器分量H输入通道，分别接收和处理来自三分量检波器部件(4)和水听器部件(2)的地震波信号，其中三分量检波器部件(4)包括被置于同一双轴万向架(10)上的二个水平分量检波器(7)和(8)以及一个垂直分量检波器(9)，实际组成三个速度型传感器，检波器与采集通道之间用短线在内部连接，每个单元均设计为一个四分量接收点，多个单元之间采用海底电缆(1)互连串接后可构成一个多道采集系统。
2.按照权利要求1所述的一体化单元，其特征在于所述的海底电缆(1)两端装有防水、防腐、耐压的电缆接头(6)，其电缆接头体(43)一端连接海底电缆(1)，另一端连接壳体(5)，其多芯插座(42)和海底电缆(1)的电源线(36)线芯以及数传线(39)线芯相连接，海底电缆(1)中间部位无抽头和捆绑物，采用铠装结构电缆的缆芯至少包括一对电源线(36)和二对数传线(39)，电缆加强件设有内、外二层防腐钢丝绳(37)、(40)由多股镀锌高碳钢材料绞合而成，电缆防护层设有内、外二层护套层(38)、(35)由绝缘材料制成，电缆接头(6)设有水密封结构，可使一体化单元在海底拖曳作业中不滑脱和不泄漏。
3.按照权利要求1所述的一体化单元，其特征在于所述的水听器部件(2)是一个低频电压输出的加速度型检波器，在低频10-100Hz范围内输出电压灵敏度为每巴13V±15％，其采集到地震数据信号被送入到电子单元(3)的水听器分量H输入通道。
4.按照权利要求1所述的一体化单元，其特征在于所述的三分量检波器部件(4)其中三个检波器(7)、(8)、(9)是三个速度型检波器，它们被置于同一双轴万向架(10)上，可实现360度灵活转动，对接收到地震波中的纵波和横波分量信号被送入电子单元(3)的地震纵波垂直分量V输入通道、地震横波水平分量SX输入通道和地震横波另一水平分量SY输入通道。
5.按照权利要求1所述的一体化单元，其特征在于所述的四道地震数据采集电子单元(3)其通道1-2采集板(16)和通道3-4采集板(17)均由大线滤波器(20)、前置放大器(21)、包括调制器(23)和数字滤波器(24)的∑-△型24位A/D转换器(22)、以及数据寄存器(25)所组成，完成对来自三分量检波器部件(4)的地震横波水平分量SX、地震横波另一水平分量SY和地震纵波垂直分量V、以及来自水听器部件(2)的水听器分量H的输入数据信号的接收和量化；被量化后的采样数据由包括微处理器芯片(26)、程序与数据存贮器(27)、读写译码及控制电路(28)所组成的单片微处理器控制电路，按采样周期及通道顺序进行编排后送入数传部分，地面中心站设有产生各种指令用以控制采集通道以及数传部分的工作；数传板(15)由数据及命令缓冲器(29)、编码、译码电路及各种寄存器(30)、接收及发送接口电路(31)所组成，接口电路(31)通过A、C输入端接收由电缆传输线送来的命令数据流，完成对电子单元(3)各种参数设置及控制，被采集到的数据经编码后由接口电路(31)通过输出端B、D再发送到电缆传输线中，由电缆传输送往地面中心站进行数据编排和记录，并将记录带(盘)作为资料带(盘)提供给处理中心进行资料处理而获得海洋地震勘探的测量资料；电源板(18)是由二个DC/DC变换器(32)、(33)以及大线电源输入器(34)所组成，整个电子单元(3)供电是由地面中心站通过海底电缆(1)提供60伏至240伏直流电压，并经由大线电源输入器(34)同时供给DC/DC变换器(32)、(33)提供用于数字电路+5V以及模拟电路±5V直流电源。
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