CN1176387C - 智能三分量地震检波器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种智能三分量地震检波器，其内置的三分量芯体以相互垂直的“笛卡尔”坐标方式放置，封装壳体具弹性耦合和复合调平结构，能360°全方位精确定向，采集信号原位数字化，根除了模拟信号的传输，具强抗干扰能力，为真正达到多波勘探的高分辨率、最大限度地缩小地震勘探的瓶颈效应提供了最高保障。本发明把现有的地震勘探装备中之检波器与数据采集系统合为一体，真正实现检波器的数字化、智能化，并可通过串行通信接口实现与外部主机的信息交互，在国内外无先例。产品集地球物理、传感器技术、现代电子技术、通讯技术等于一体，可用于多波多分量地震勘探的野外数据采集，多波工程勘察，煤田地震勘探，矿井超前探测等。

Description

智能三分量地震检波器

当代资源勘探对地震勘探技术手段提出了高精度、高分辨率、多参数、广信息等越来越高的技术要求，为使地震勘探适应工程现场的需求，地震勘探从二维发展到三维，又由单分量纵波三维勘探发展到多波多分量三维勘探，试图用地震勘探资料求取丰富的储层参数，为工程现场提供全方位优质服务。而要使多波多分量三维勘探达到理想的设计效果，就必须保证其数据采集质量，首先要有精良的勘探装备。

地震勘探装备主要由震源、检波器和地震仪组成，随着现代电子技术的发展，用于地震勘探的采集系统和控制系统的性能都得到很大的改善，而位于前端的检波拾振装置则相对发展较慢，形成所谓的瓶颈效应，这种效应的形成，除了与传感材料、加工工艺有关外，也与勘探装备的结构密切相关，事实上，在地震勘探系统中，瓶颈作用最强处应该是检波器拾取信号到进行模/数转换之前这部分，检波器接收到的地震波信号，在长距离传输中会受到各种干扰因素的影响而进一步形成负作用，所以，要减小这些负效应，一方面要从检波器结构性能的改善入手，另一方面则要向地震信号的拾取和数据采集的一体化、智能化方向迈进，让采集信号不再因装备结构的影响而降低质量，这样才能更好地满足精细勘探的发展需求。

多波多分量地震勘探和单分量地震勘探装备的主要不同在于接收检波器，由于要接收不同方向、不同性质的地震波，用单分量检波器进行组合接收，显然现场工作难度大，又难以保证质量，而使用多分量检波器进行多波多分量勘探则更具有意义。多波多分量勘探中常使用的是三分量检波器，目前，三分量检波器成型产品较少，且三个分量多使用性能参数相同的检波器芯体。已进行的三维三分量现场勘探结果证明，这些检波器为了兼顾两种不同性质的纵、横波的特性，往往不得不以牺牲纵波勘探主频为代价，结果降低了纵波勘探的分辨率，因而急需研制一种z分量和x、y分量性能参数不同，且结构合理、性能稳定、多波响应特性好且抗干扰能力强的三分量检波器，以达到多波多分量勘探的更高要求。同时，勘探装备的优化还应考虑勘探对象的地震地质条件、目的层赋存状况、赋存深度等。本发明即是为适应当前地震勘探技术的发展需要而研制的三分量地震检波器，主要为煤炭工业及建筑工程勘探服务，勘探主要目的层深度一般在1000米以内，且主要目的层间的间距有时很小，因此要求地震勘探设备具有宽频、高采样率、高分辨率等性能特点，在合理的性价比条件下，采用高性能的检波器芯体，优化检波器封装壳体的结构，并根据地震勘探对信号采集的高信噪比要求，对被测地震波信号直接进行数据采集，形成一个具有地震信号拾取、数据采集和通信于一体的数字化、智能化单元——即智能三分量检波器。多个智能三分量检波器级连即可形成地面分布式中小型勘探系统，实现根除模拟信号传输的理想采集条件，尤其适用于恶劣环境下的地面工程勘察和矿井地震勘探。

地震检波器是应用于地震勘探领域的专用传感器，它是一种将机械振动转换为电信号的机电转换装置，目前应用于地面地震勘探的主要为速度型检波器，自80年代后期，国内外检波器生产厂家都在积极开发研制性能更优越的最新一代超级检波器芯体，根据不同的勘探目的和工作方法，还制作生产了横波检波器、多分量检波器和孔中单、多分量检波器等等，其中用于地面多波多分量地震勘探的三分量检波器也有数家国内外厂家生产，但总体上皆为三通道模拟输出。

从多分量地震勘探实际应用效果来看，现有三分量检波器存在如下缺点：

(1)调平调向困难：三分量检波器特征之一就是X、Y分量具方向性，且需放置水平，因此现场安装需精确调平定向，但现有检波器都仅有一方向指示箭头和一水准泡，人工判定方向，准确度差。另外，现有检波器的尾锥直接连在壳体上，安装时，调平调向影响检波器与地表介质的耦合状况，往往造成耦合不良或耦合一致性差。

(2)检波器的三个分量采用性能参数相同的芯体，使得纵波与转换波的特性难以兼顾，三分量勘探效果不理想。特别是在中、浅层勘探中，其纵波主频受压制，影响了纵波勘探的分辨率。

(3)信号采集传感元件与数据采集电路分离，使得模拟信号长距离传输，易产生通道间串扰，并且易受外界因素干扰。

(4)多个模拟通道并存，线路繁多，施工设备笨重，现场工作劳动强度大，工作效率低。

针对多波多分量地震勘探的特点和目前勘探装备的现状，本发明旨在研制一种智能三分量地震检波器，使通过研究开发而形成的产品能具强抗干扰能力，同时，极大限度地提高采集信号的信噪比，以满足高分辨率地震勘探的要求。

本发明是这样实现的：首先，通过对三分量检波器的结构性能进行优化试验，设计制作了具有复合调平、全方位精确定向及弹性耦合功能的封装壳体，该封装壳体由主壳体、复合调平装置、全方位精确定向装置、弹性耦合装置和尾锥构成。其中主壳体由合金材料加工成圆柱形，分上下两部分，主壳体上部分直径104mm，内部挖空，形成盖帽，盖帽顶面刻有三分量方向指示标志，中间安装一个水准器，并留设一个十字卡口槽，供与带有50cm长非磁性辅助导杆的精密罗盘相连；主壳体下部分直径100mm，其内部挖出与三分量检波器芯体对应形状和空间位置的浅槽，同时留出放置电源的空间，并在其底部中央掏出一个直径20mm的圆柱孔，内置弹性耦合装置，该弹性耦合装置由一个导杆和一个高强度弹簧组成，安装时，弹簧被导杆压缩在圆柱孔中，并使导杆下端与尾锥底盘相连，尾锥底盘是一个直径100mm、厚8mm的金属圆盘，底盘边缘对称安设三个尾锥，尾锥顶部螺杆透过底盘并在其上安装用于调平的齿轮，这样，在弹性耦合装置的弹簧作用下，三个调平齿轮被紧压在主壳体和尾锥底盘之间，调平时，先利用水准器进行粗调，然后利用调平齿轮进行微调，通过调整三个齿轮的空间位置即可实现对主壳体的精确调平；调向时，利用主壳体上的方向指示标志与精密罗盘，旋转主壳体，即可使主壳体调整到所要求的空间方位，能360°全方位精确定向；三尾锥与地表介质耦合，由于尾锥与主壳体间是利用弹性连接，即两部分可以通过弹性装置改变它们的相对空间位置，使得调平调向不会影响尾锥与地表介质的耦合状态。

其次，通过优选X、Y、Z三分量芯体，使Z分量对纵波，X、Y分量对横波都有很好地响应，芯体各项常规技术指标允差均不大于2.5％，失真系数小于0.05～0.1％，振幅、相位的一致性好，达到高性能与高稳定性的统一；此外，为适应地震勘探对检波器的更高要求，对采集系统的各部分组成进行优化，简化硬件结构，尽量减少系统硬件本身造成的畸变，同时通过合理地选取器件，提高系统的采样率，增大输入信号的带宽，从而使其记录信号动态范围大、频带宽、精度高；数据采集系统集成在采集电路板上，其上集成有实现三分量地震数据采集和通信的硬件和软件，硬件部分主要包括采集控制电路、模/数转换电路和辅助电路，软件部分主要包括：数据采集模块和通信模块，此外还有增益量程自动切换模块、自动零点校准模块等。智能三分量检波器本身仅完成地震信号的拾取和数据采集的任务，数据的记录和显示功能是由外部主机来完成，智能三分量检波通过串行通信接口实现与外部主机的信息交互，包括接受主机发送的命令，按照命令的要求执行采集参数的设置、背景检查及数据采集等操作，采集来的数据先存入RAM中，然后按主机发来的取数命令将RAM中的数据通过串口传送到主机进行显示并记录采集数据。

最后，将三分量检波器芯体与采集电路板一起装配在封装壳体中，封装时，把三分量芯体分别嵌入主壳体呈“笛卡尔”坐标布置的浅槽内，并放置好由两节1.2V、2Ah的镍氢电池及其电源转换模块组成的内部电源，同时使三分量芯体输出的模拟信号引线分别与采集系统电路板的前端输入通道相连，内部电源经开关后与电路板的电源输入端相连，然后用环氧树脂和固化剂将它们固定，三分量采集电路板直径100mm，置于主壳体上下部分之间，并用螺钉固定，主壳体上下部分也用螺钉固定形成一个整体，智能三分量检波器通过壳体两侧预留的通信接口与外部连接，其中接口引线包括数据线、电源线和启动线；工作时，智能三分量检波器的数据采集电路可由内部或外部电源供电，内部电源可保证智能三分量检波器连续工作8小时以上，外部电源为直流5V输入，野外工作时可由一台外部电源带动数个智能三分量检波器；通过壳体两侧预留的通信接口用大线把主机与检波器或检波器间两两串接，即可进行地震数据采集。

本发明的工作原理为：由震源激发产生的地震波，经地下介质传播后，携带着介质内部的结构信息返回地面，在各测点处通过尾锥弹性耦合被智能三分量检波器芯体所感应，并将被测振动信号转换为电信号输入采集系统的通道前端，输入信号经通道前端滤波后至多路开关、多级程控放大器，并进入AD转换器进行模数转换，在采集系统控制电路的作用下，对采集数据进行编排与随机存储，之后将采集数据通过串口发送给主机，主机显示并记录采集数据，同时，可利用处理软件进行数据处理，从而得到用于地质解释的成果资料。

本发明与现有技术相比，具有的优点在于：封装壳体结构合理，便于现场施工；三分量检波器芯体的性能优越，各分量对所测信号都有很好的响应；信号采集传感元件与数据采集电路合为一体，去除了长距离的模拟传输线，有效地克服了模拟信号在长距离传输过程中所带来的不利影响，提高了采集信号的性噪比，抗干扰能力强，且简化了勘探装备，降低了现场劳动强度。

1.智能三分量检波器具有良好的封装壳体

所发明的智能三分量检波器的封装壳体结构合理，功能强，便于现场施工，有利于提高数据采集质量。智能三分量地震检波器的封装壳体各部位结构特点为：

(1)三分量检波器的壳体结构设计以最大程度改善地震勘探现场布设工作条件及提高野外信号采集质量为根本，兼顾多波多分量三维勘探的要求和特点，设计了一种具有弹性耦合、复合调平和全方位精确定向功能的新型产品。

(2)三分量放置采用直角坐标系空间结构。

(3)具方便易行地调平调向装置，主壳体与尾锥采用弹性连接，既能调平调向又不影响尾锥与地面介质的藕合状态。

(4)指向辅助装置使用非磁性导杆连接，克服了磁性芯体对指示方位的严重影响，为野外检波器定向找出简单易行的途径。

(5)采用三尾锥与地表介质耦合，具有较好的耦合稳定性。

2.三分量检波器芯体的性能指标优越，对纵、横波均有很好的响应

由于多波勘探不仅要利用纵波，还要利用横波、转换波进行勘探，而纵、横波又有各自不同的振动特性，因此用于接收的三分量检波器其z分量与x、y分量应具相应的特性参数，使其对纵、横波均有最佳的响应。

(1)垂直分量

三分量地震检波器的垂直分量主要用于接收p波，因而要求检波器具有小失真度，高灵敏度，高自然频率，并具好的高频响应特性(假频高)。从三维地震勘探的实际采集信号频率分布状况和勘探精度要求出发，Z分量芯体自然频率设置为60Hz。

(2)水平分量

三分量地震检波器的x、y分量主要用于接收p-sv波、p-sh波，针对多波多分量地震勘探中横波或转换波的传播特征，x、y分量应严格垂直，两者性能参数可相同。由于转换波能量一般较弱，实际用于精细勘探(裂隙分布、含水性、含油性、含气(瓦斯)性、地应力分布及小构造等)时，要求检波器具有高灵敏度，小失真度，自然频率、阻尼适中，自然频率设置为10Hz。

根据三分量检波器检测信号的特性，结合对各种芯体的性能参数的试验了解，同时考虑智能三分量检波器的应用范围，其各分量性能参数指标可选范围见表1：

                     表1智能三分量地震检波器参数指标分布范围

名称	X分量	Y分量	Z分量
				自然频率(Hz)	8～14±2.5％	8～14±2.5％	40～60±2.5％
线圈电阻(Ω)	300～750±2.5％	300～750±2.5％	500～800±2.5％
				开路阻尼	0.25～0.30	0.25～0.30	0.25～0.35
并阻阻尼	0.6～0.7±2.5％	0.6～0.7±2.5％	0.65～0.75±2.5％
				灵敏度(V/cm/s)	0.25～0.28±2.5％	0.25～0.28±2.5％	0.27～0.29±2.5％
失真(％)	＜0.1	＜0.1	＜0.05～0.1
				假频(Hz)	200～250	200～250	350～500
惯性体质量(g)	10～12	10～12	10～15
				绝缘电阻(Ω)	＞数十兆欧姆

具体达到：

①各项常规技术指标允差均不大于2.5％。

②Z分量具有1000Hz的宽频带和超过300Hz的假频，适用于小采样率采样，失真系数小于0.05～0.1％。

③X、Y分量失真系数小于0.1％。

④振幅、相位的一致性好，达到高性能与高稳定性的统一。

⑤X、Y、Z分量对各自接收的信号都有很好的响应特性。

3.智能三分量检波器将三分量检波器芯体与数据采集系统合为一体，使检波器拾取的模拟地震波信号直接送到采集系统的输入端，去除了长距离的模拟传输线，从而有效地克服了模拟信号在长距离传输过程中所带来的不利影响，提高了采集信号的性噪比，抗干扰能力强，且简化了勘探装备，降低了现场劳动强度。图1为智能三分量检波器的主结构框图，其内部包括三分量检波器芯体和数据采集系统，智能三分量检波器通过串行通信接口实现与外部主机的信息交互。

(1)数据采集系统的硬件

智能三分量地震检波器作为在野外工作的仪器，除要求系统具有高保真记录地震信号的能力，还应使整个系统微型、低功耗。

智能三分量地震检波器的设计原则为：极大限度地简化了常规地震数据采集系统中的模拟和数字电路，把原来由硬件电路实现的地震信号处理功能，交给后期的数据处理软件来实现，采集时采用宽频、广信息接收，这样，既可以减小硬件电路结构体积，又能避免因模拟器件的阀门效应而造成有效信号的不可挽回性丢失。设计采用的系统硬件部分主要包括：采集控制电路、模/数转换电路和辅助电路，其中采集控制电路部分主要由微处理器、控制信号触发器和寄存器构成，模/数转换电路主要由通道前端电路、多路开关、两级程控放大器和模/数转换器组成，辅助电路主要由随机存储器RAM、电源电路、外触发电路、复位电路和通信接口组成；图2是数据采集系统电气原理框图。

智能三分量地震检波器的主要技术指标为：

通道数：3

采样间隔：10us～4ms递增可选

采样点数：512、1024、2048可选

允许动态范围：＞96dB

共模抑制比：＞90dB

前放噪声：＜1.8uV

工作电压：±5V

非线性：＜0.05％

外形尺寸：π×502×70mm³

图3示出智能三分量地震检波器采集系统模数转换电路的原理图，其基本工作原理为：由震源激发产生的地震波经地下介质传播，并在波阻抗差异界面处发生反射、折射，返回地面后由动圈式速度传感器将其转换为模拟电信号，模拟信号经通道前端滤波电路送至多路选择器ADG509，然后经两级程控放大器PGA207和PGA103对输入信号进行放大，放大增益由程序设置，增益控制信号经锁存器MC74HC174加至放大器的对应输入端，放大后的信号进入模数转换器AD976转换为16为位数字信号，转换后的数字量先送入两片MC74HC574锁存器中，然后存入随机存储器RAM中，模拟电路部分所需电压由隔离型电源转换模块M1转换后供给。

图4示出智能三分量地震检波器采集系统控制电路的原理图，MCU接收到主机发送的命令后，对系统进行初始化，并控制模数转换电路按接收到的参数进行参数设置和数据采集。采集系统的各电路部分由微处理器AT89C52控制，由采集电路转换来的数据，先存储在随机存储器RAM中，然后按主机发来的取数命令将随机存储器中的数据通过RS485串行接口传送到主机，主从机智能对话，实现主从式控制。

(2)数据采集系统的软件

数据采集系统软件部分主要包括：数据采集模块和通信模块，此外还有增益量程自动切换模块、自动零点校准模块等，整个软件系统采用结构化、模块化设计，其主程序流程如图5所示。其中：握手模块的功能一方面是用于检测串行接口工作是否正常，另一方面可用于重新设置通信的波特率；置参模块的功能是设置采集参数，主要包括对输入模拟信号的通道数的设置、程控放大器的增益设置、采集数据长度和采样间隔的设置等；采集模块的功能是在已设置好采集参数的条件下完成数据的采集，并将采集输出的数据存入随机存储器中；背检模块的功能是用于检测背景噪声，它是在没有激发震源的条件下采集背景噪声数据，通过数据传输模块将数据送到控制主机后，由用户判断背景噪声的情况，以便判断噪声源并采取相应的措施；数据传输模块的功能是将执行采集或背检后所得到的数据传送到控制主机。

采集系统软件的核心部分是实现固定采样率下的数据采集和实时存储，数据采集前，智能三分量检波器首先对采集系统进行初始化，与主机握手并连通，然后接收主机发送来的命令并对采集系统进行参数设置，每次数据采集前，一般都需进行系统校零和背景噪声检测，并预触发一次，给系统提供自适应和自我调整增益的背景参数，数据采集时如果激发能量与本从机设置增益不匹配，系统经分析判断后，可通过增益量程自动切换程序自动进行增益调整。图6为三通道数据采集的流程图，系统正式进行数据采集时，选择采样后，系统屏蔽所有中断，并进入待触发状态，一旦检测到采集触发信号，系统即打开定时器启动模数转换器进行数据采集，X、Y、Z三分量所采集数据经锁存后读入随机存储器中，然后根据主机给出的取数命令通过串口向主机发送所采集的三分量数据，主机接收数据后将数据显示并记录下来，记录的数据可在主机软件处理系统中进行数据处理，解析判别所需地质构造信息。

图7是智能三分量检波器的现场安装操作的主要步骤。

Claims (6)

1.一种智能三分量地震检波器，它主要由三分量地震检波器芯体、数据采集系统和封装壳体组成，其中X、Y、Z三分量芯体经过性能优选，对纵、横波具有很好的响应，并以相互垂直的“笛卡尔”坐标方式放置；数据采集系统电路板上集成有实现三分量地震数据采集和通信的硬件和软件，可以通过其上的串行通信接口实现与外部的信息交互，包括接收外部主机的命令，向主机传送采集的数据；封装壳体是由主壳体、复合调平装置、全方位精确定向装置、弹性耦合装置和尾锥组成，主壳体由合金材料加工而成，分上下两部分，上部分内部挖空，形成盖帽，盖帽顶面刻有三分量方向指示标志，中间安装一个水准器，并留设一个十字卡口槽，供与精密罗盘的非磁性导杆的下端相连，主壳体下部分内部挖出与三分量芯体对应形状和空间位置的浅槽，同时留出放置电源的空间，封装时，把三分量芯体分别嵌入对应浅槽内，并放置好由两节镍氢电池及其电源转换模块组成的内部电源，使三分量芯体输出的模拟信号引线分别与采集系统电路板的前端输入通道相连，内部电源经开关后与电路板的电源输入端相连，然后用环氧树脂和固化剂将它们固定，再把采集电路板固定于主壳体上下部分之间，并把主壳体上下部分用螺丝固定形成一个整体；主壳体下部分中央掏出一个圆柱孔，内置弹性耦合装置，该弹性耦合装置由一个导杆和一个高强度弹簧组成，利用导杆把弹簧压缩在主壳体的圆柱孔中，并使导杆下端与尾锥底盘相连，尾锥底盘边缘对称安设三个尾锥，尾锥顶部螺杆透过底盘并在其上安装用于调平的齿轮，这样，在弹性耦合装置的弹簧力作用下，三个调平齿轮被紧压在主壳体和尾锥底盘之间，通过调整三个齿轮的空间位置即可实现对主壳体的精确调平；智能三分量检波器通过壳体两侧预留的通信接口与外部连接，其中接口引线包括数据线、外部电源线和启动线，工作时，用大线把主机与检波器或检波器间两两串接，利用水准器和调平齿轮进行调平，利用方向指示标志和精密罗盘定向，之后即可进行地震数据的采集。

2.根据权利要求1所述的智能三分量地震检波器，其特征在于：它是将传统的三分量地震检波器芯体和实现三分量地震数据采集和通信的高集成度采集电路板装配在同一个壳体中，且三分量芯体输出的模拟信号引线分别与采集电路板的前端输入通道直接相连，形成一个具有地震信号拾取、数据采集和通信于一体的数字化单元，真正实现采集信号的原位数字化。

3.根据权利要求1所述的智能三分量地震检波器，其特征在于：采集电路板上集成有实现三分量地震数据采集和通信的硬件和软件，硬件部分主要包括采集控制电路、模/数转换电路和辅助电路，其中采集控制电路部分主要是由微处理器、控制信号触发器和寄存器构成，模/数转换电路主要是由通道前端电路、多路开关、两级程控放大器和模/数转换器组成，辅助电路主要是由随机存储器RAM、电源电路、外触发电路、复位电路和通信接口组成，软件部分主要包括：数据采集模块和通信模块，此外还有增益量程自动切换模块、自动零点校准模块等。

4.根据权利要求1所述的智能三分量地震检波器，其特征在于：智能三分量检波器通过串行通信接口实现与外部主机的信息交互，包括接受主机发送的命令，按照命令的要求执行采集参数的设置、背景检查及数据采集等操作，采集来的数据先存入RAM中，然后按主机发来的取数命令将RAM中的数据通过串口传送到主机。

5.根据权利要求1所述的智能三分量地震检波器，其特征在于：所述的封装壳体的三尾锥与地表介质耦合，主壳体与尾锥间利用弹性耦合装置连接，使得调平调向不影响尾锥与地表介质的耦合效果；复合调平装置包括水准器与调平齿轮，先利用水准器通过调整尾锥入土深度实现粗调，然后利用调平齿轮进行微调，直至主壳体呈现完全水平；全方位精确定向装置包括主壳体上的方向指示标志与精密罗盘，精密罗盘通过一个长50cm的非磁性辅助导杆与检波器上的卡口相连，能360°全方位精确定向。

6.根据权利要求1所述的智能三分量地震检波器，其特征在于：所述的X、Y、Z三分量芯体性能指标优越，使Z分量对纵波，X、Y分量对横波都有很好的响应，其各项常规技术指标允差均不大于2.5％，失真系数小于0.05～0.1％，振幅、相位的一致性好，达到高性能与高稳定性的统一。

Images