CN1200285C - Gps卫星授时遥测地震仪 - Google Patents
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Abstract
本发明用于天然地震测量；同步数据测量、记录；同步定时起爆的一种GPS卫星授时遥测地震仪，由采集记录与处理单元(DCPU)和定时启动放炮单元(BLU)两大部分组成，可实现无人看守和全自动功能，轻便、施工灵活，操作简单，高稳定和可靠度且智能化的、可以任意自由摆放的新型遥测地震仪，可多道满足复杂地域(如山地、丛林、沼泽、水网、潮间带)和复杂施工方法勘探的需要。可以全气候连续采集和记录。它彻底改变传统地震勘探仪器结构，去掉中央控制单元，设计成采集和记录部分为一体(单站1-8道、工作道数软件任意设置)的“无主机、无大线、无电台”的三无系统。
Description
技术领域
本发明涉及石油、地质、煤田、工程勘探领域，具体地说，是用于天然地震测量；同步数据测量、记录；同步定时起爆的一种GPS卫星授时遥测地震仪。
背景技术
1，遥测地震勘探仪器现状
地球物理地震勘探是用人工方式产生弹性波，向地下地层传播，当遇到不同波阻抗的地层界面时弹性波发生反射、折射。在地面上用仪器测量、接收、记录弹性波的数据，用计算机分析处理后，来推断地下地质构造。地球物理遥测地震仪器是地震勘探中十分重要的部分，是指：用于地震勘探数据采集的一套系统设备，是一套高精度数据采集系统，它有一般数据采集的共性，又有地震勘探特殊性。它是集非电量转换、采集、存储、处理、控制于一体的高技术装备。
目前世界上地球物理遥测地震仪器随通信、计算机技术、电子技术、网络技术的飞速发展而发展，商家不断推出新产品。国际上生产陆地遥测地震仪器的公司有美国的INPUT/OUTPUT INC生产SYSTEM2000、IMAGE SYSTEM；FAIRFIELD TECHNOLOGIES公司生产的BOX；法国SERCEL公司生产的SN-388、408UL；加拿大的GEO-X公司生产的ARAM.ARIES；日本的JGI公司生产的G.DAPS-4。国内西安石油仪器总厂生产的GYZ4000和地球物理勘探局装备总厂生产的SK--6遥测地震仪器。
现在国内地震勘探所用的仪器95％是引进国外的产品。
地球物理地震遥测仪器按数据传输方式分类，可分为：有线传输方式、无线传输方式和有线、无线混合方式。有线传输方式是：地面上按设计要求摆放的几百个到几千个不同距离的接收点，每个接收点称为一个地震道，地震道埋置检波器将机械震动转变为电信号。若干个地震道连接到一个采集站，采集站将检波器输出的模拟电信号，经过采集站放大、整形、24位模/数转换后的数据按时序，通过电缆连接到仪器中央控制器，进行编排、记录、处理。同时仪器中央控制器将控制指令，通过电缆传给每一个接收点。无线传输方式是；每个采集站接收的数据不是通过电缆传输。而是通过自身专用的无线发射系统，用国家无线电管理委员会批准的发射频率，将数据发回中央控制器，中央控制器的控制指令也是通过无线发射系统传输给采集站的。这两种传输方式的生产程序是：当野外按设计要求布好排列，打好炮井，放置好炸药包后，由仪器操作员打开主机，通过电缆传输启动排列工作指令，使仪器系统进入工作状态。同时，主机通过FM无线电台控制炮井附近的爆炸机起爆炸药包，炸药包起爆激发的地震波通过不同地层向地层深处传播，在遇到波阻抗不同的界面产生反射波。地面上埋置的检波器将反射波引起的地面机械震动变为电信号，传输到采集站，采集站将模拟的电信号变为数字信号，按主机的指令有序地通过电缆传输到主机。主机按地震勘探专用的记录格式对数据进行编排后，记录在磁带上。由于有线仪器笨重的电缆在一些地区如山地、沼泽、江湖地区给勘探工作带来了难以克服的困难，有的地区不得不租用直升飞机支持生产。另外，每套电缆3-4年需要更新一次，昂贵的电缆更新费用和维修电缆费用使设备维修费用增加，促使生产成本大幅度地增加。无线仪器在湖、滩地区有其优势。但是地形形成的发射死角是其难以克服的弱点，仪器也易受电波的干扰。随着道数的增加，中央控制器的体积也相应增加，也给野外勘探带来了麻烦。为了解决上述两种仪器的不足，法国SERCEL公司、美国INPUT/OUTPUT INC将有线仪器和无线仪器在野外排列上用网络技术连接起来，在有线仪器的中央控制器中增加一个无线接收器，组成有线和无线混合型。
2，当今遥测地震仪器的不足
随着勘探向越来越地形困难地区、恶劣气侯环境发展，现有的遥测地震仪已难以适应需要。有以下不足：
现有的遥测地震仪器都有庞大的中央控制器、绘图仪、磁带机、电台、发电机、空调、机箱、仪器车。在没有道路的地区仪器车无法到达测线，需要用人抬或直升机运输。有的制造商为此设计出轻便的中央控制器，但在困难地区仍需要用人抬或直升机运输，高温、潮湿和严寒又使仪器不能正常工作。
有线仪器的地震电缆不适应当前的勘探工作；随着三维技术的发展，地震道数越来越多，国内达到1500道到3000道，国外已上万道。按每道道间距50米计算，一台3000道仪器，野外需要150千米电缆。
显然，一方面由于受地震检波器的制约，另一方面目前的遥测仪器都采用了∑-Δ技术的24位模数转换器(ADC)，因而现代的仪器在其电特性的指标上几乎都能够合乎现代勘探的技术要求。但是，对于上述的复杂地区(象根本元路的山地)，如果从全面积(或大三维)的勘探和勘探的成本等方面来考虑，则目前还没有一种仪器能够满足其方便和低成本的勘探要求。这是因为：其一对于有线仪器来讲，相邻检波点的大高差成为了它的致命点；大线的规格(如检波器的抽头个数和间距)、长度不能满足排列的铺设；而对于大线的运输和主机(中央记录系统)的停放，由于重量的原因，无论是人工还是飞机，都需要付出昂贵的代价；如果采用微波中继站，由于其价格昂贵，其数量远远不能满足要求；以目前野外生产的主要仪器SN-388来看；一个六道采集站重量3.86公斤，而一段六道电缆重量为30公斤，1000道仪器电缆重量大于5吨。在费用上一段电缆六道，优惠价(不含税)5600元，在平原、沙漠修修补补4-5年，在山地，炮点和排列难以达到规定的偏移距离，电缆的寿命也就3-4年，使勘探成本据高难下。其二：对于无线来讲，坡陡沟深、沟谷纵横和以“V”字或“U”字展布地貌，成为其数据传输的致命点。要么是大量的死区，要么是几道或几十道一个微波中继站，这都是不现实的；其三：对于有线和无线混合使用的仪器，由于地貌起伏变化太快，不存在单纯的适合有线或适合无线的区域，即使每一个点都具有点对点的数据传输能力，但是由于传输时间关系，同样不能满足我们勘探的需求。其四：从技术超前来看，随着物探技术向四维空间发展，向油田开发发展，在我国人口较密集的地区进行采集工作，有线仪器将越来越不适应新技术的发展。
无线仪器没有电缆，但地形、雨林、建造物的障碍使其无法工作。每个采集站上都有一个发射系统和发射、接收天线以及发射需要的电源，无疑增加了野外工作重量和电源的供应。
随着地震技术的发展，地震道数的增加，数据量将增加，中央控制器的数据处理量、内存量大大增加，体积相应增加。
不能满足地球物理新技术、新方法的发展需要；目前世界上除美国I/O公司的RSR SYSTEM外，所有的地震仪器记录时间最长为99秒，而随钻勘探等新方法、新技术需要更长时间的记录，现有的仪器难以实现；
针对现有遥测地震仪器的不足，地球物理学家提出：需要一种无主机，无电缆，无电台的三无仪器。
发明内容
我们按地球物理勘探需要研制三无仪器的的目的是：
1，适应各种困难的地形；
2，减轻野外勘探仪器的重量和体积，将一些原来在野外的工作量转移到的室内进行，降低勘探成本；
3，实现不规则三维勘探和随钻勘探新技术；
4，利用采集数据的重组，全面地了解地下构造；
5，为市场提供一种远距离同步高精度测量仪器；
6，精简野外测量人员；
GPS(全球定位系统)卫星授时遥测地震勘探仪器的设计思想是要实现真正的无人看守和全自动功能。研制一种最轻便、施工最灵活，操作最简单，高稳定和可靠度，真正智能化的、可以任意自由摆放的新型遥测地震仪，以其轻便、多道满足复杂地域(如山地、丛林、沼泽、水网、潮间带)和复杂施工方法勘探的需要。可以全气候连续采集和记录。硬件系统结构仅由采集记录单元(采集站)和定时启动放炮单元，数据回收单元三大部分组成。它彻底改变传统地震勘探仪器结构，去掉中央控制单元，设计成采集和记录部分为一体(单站1-8道、工作道数软件任意设置)的“无主机、无大线、无电台”的三无系统。变传统启动放炮方式为定时自动启动放炮；利用GPS时间信号同步触发爆炸机起爆，使所有采集记录单元之间与采集单元与震源(爆炸机)之间具有时间上的一致性。利用GPS时间信号使爆炸机单元起爆时间和采集单元启动记录的时间同步。众所周知，GPS是用卫星来定位的，定位必须同时接收三颗以上卫星才能确定位置，我们利用的是GPS高精度时间作同步，只要有一颗卫星经过就可以精确确定同步时间，这在山区、丛林很容易实现的。记录采用活动硬盘方式，容量大于10GB或采用1ms采样连续采集时，允许记录的时间大于100小时。供电则以高容量锂电池为主，配备大功率太阳能电池板。
由采集记录与处理单元(DCPU)和定时启动放炮单元(BLU)两大部分组成。
DCPU结构采用全密封防水结构，DCPU内部包括五个功能电路板，外接液晶显示屏幕，红外线控制接口，计算机通讯接口、GPS接口、电源接口、检波器输入接口，体积小于350×180×120(mm)，其线路板采用PC104总线叠堆式结构。
定时启动放炮单元(BLU)由GPS定时与触发板、CPU板和一台改造后的爆炸机组成。
模拟板主要由六个道模块、测试信号源、测试与控制逻辑等部分组成，每个道模块中含有输入保护电路、输入开关电路、低噪声前置放大电路和ADC电路，单板6道，每道采用模块化设计。
模拟板上前置放大增益档设计为0dB、12dB、24dB、36dB，数字化电路采用Δ-∑技术的24位ADC技术，采样间隔在0.25、0.5、1、2、3、4、8和16ms任意选择，板上测试用的高精度信号源可以与道模块的输入开关电路相配合。
数字板主要由三部分组成：数字滤波部分、FIFO存储部分、以及控制和时序逻辑部分，包含有数据采集所需要的计算机接口(PC104接口)、前放测试、采样率等的控制逻辑电路。
数字板中的CS5322与模拟板中的CS5321相对应。
FGPA也可用3片74HC595×6代替。
附图说明
图1：高精度授时地震仪器--数据采集、记录和处理系统(DCPU)方框图；
图2为模拟板方框图；
图3为数字板方框图；
图4为GPS、定时和触发板方框图；
图5为电源板方框图；
图6为CPU主板方框图；
图7为定时起爆系统(BLU)方框图；；
图8为常规仪器工作方式示意图；
图9为本发明工作方式示意图。
具体实施例
高精度授时地震仪器(简称授时地震仪器)的设计思想是要实现真正的无人看守和全自动功能。研制一种最轻便、施工最灵活，操作最简单，高稳定和可靠度，真正智能化的、具有无限道扩充功能的、可以任意自由摆放的新型遥测地震仪，以其轻便、多道满足复杂地域(如山地、丛林、沼泽、水网、潮间带)和复杂施工方法勘探的需要。可以全气候连续采集和记录。硬件系统结构仅由采集记录与处理单元(DCPU)和定时启动放炮单元(BLU)两大部分组成。它彻底改变传统地震勘探仪器结构，去掉中央控制单元，设计成集采集部分与记录部分为一体(单站6道、工作道数软件任意设置)的“无主机、无大线、无电台”的三无系统。变传统启动放炮方式为定时自动启动放炮；利用GPS时间信号同步触发爆炸机起爆，使所有采集记录与处理单元之间和采集记录与处理单元与震源(爆炸机)之间具有时间上的一致性。利用GPS时间信号使爆炸机单元起爆时间和DCPU启动记录的时间同步。众所周知，GPS是用卫星来定位的，定位必须同时接收三颗以上卫星才能确定位置，我们利用的是GPS高精度时间作同步，只要有一颗卫星经过就可以精确确定同步时间，这在山区、丛林很容易实现的。记录采用活动硬盘方式，容量大于10GB或采用1ms采样连续采集时，允许记录的时间大于100小时。供电则以高容量锂电池为主，配备大功率太阳能电池板。
勘探方法是按照施工观测系统布置好所有接收点的采集记录与处理单元(DCPU)后，利用全球卫星定位系统(GPS)的时间信号启动定时放炮单元(BLU)放炮。所有DCPU利用GPS时间信号进行同步定时采集记录与处理。DCPU在摆放的过程中摆放人员可以通过上面的屏幕，了解当前所在的地理位置、时间和仪器本身的工作状态，并且可以对它输入参数、设置特定的工作模式。如由GPS定时触发放炮，人工按时间放炮等。采集到的地震资料可定期人工回收或通过无线网络回收可选。根据仪器本身物理点和时间，以及资料的文件属性在室内进行后期资料编排和数据处理(亦可以整理成常用的单炮记录)。最后再转录到磁带或其它存储介质上。
质量控制和检验方面，在系统高稳定性和可靠性基础上，具有单元自检自测能力和显示能力。可实现随时随地进行自检或外检。对重要检查项目(例如单元供电是否正常、日检项目是否通过、检波器通断和埋置等)设计声光报警。对采集的地震数据实行区域控制，控制的方式可以在屏幕上显示、作一些简单的数字滤波和速度谱等分析，通过外接的打印机进行打印。这些工作可以针对全部的DCPU进行随机的抽样检查。由于无大线、无主机，大大减轻了设备重量。因此，在一些地区还可以采用多道来弥补不正常工作道，以提高勘探质量。
DCPU结构采用全密封防水结构，外接液晶显示屏幕。红外线控制接口，计算机通讯接口、GPS接口、电源接口、检波器输入接口等。体积不大于350×180×120(mm)。线路板采用PC104总线叠堆式结构，便于道数的扩展和数传方式的扩展(如点对点式回收，或广播式回收)。DCPU内部包括五个功能电路板。系统具有连续采集、定时采集和触发采集三种采集方式。
由于整个系统不需要中央记录系统，并且在DCPU中又省去了无线仪器中的电台、有线仪器中的大线；这样就能够大大地方便野外施工，减少施工人员，降低生产费用，提高效益。项目研制也缩短了开发周期，大幅度地降低了开发的投入费用，同样也大大减少了用户的购买费用。使之与同道数的仪器相比，开发费用降低30％-50％；用户购买费用降低20％~40％。(各种仪器---GPS仪器、有线仪器、无线仪器、有线/无线兼容仪器对比表)
三系统工作原理
根据连续数据采集的原理，在执行数据采集时，采集到的数据(资料)经过一个叫先进先出(FIFO)的存储器；FIFO对采集到的数据进行缓冲和存储，当其存储容量达到一半时则给主机发送一个标志信号，主机检测到这个信号后，把FIFO的数据(其容量的一半)一次读入到内存进行运算、图形显示然后转储到硬盘。这样只要数据处理、存盘的速度大于或等于数据采集的速度，连续的数据采集就可以永远持续下去。
系统的稳定性和工作状态的可知性是智能型的关键，随着电子技术和制造工业的发展，目前设计制造的工业产品其稳定性已经能够达到我们数据采集的要求，体积作到手持也是轻而以举；因此我们可以在布置排列时，就可以使DCPU显示当前所在的地理位置、时间和仪器本身的工作状态。操作人员还可以适当偏转带角速度传感器的GPS天线，以确保GPS信息的接收，和数据采集的正常。
为了弥补现有仪器在系统搬迁、勘探布线、数据传输与通讯等方面的不足，勘探工作者需要“不要电缆、不要天线、单道、轻便、廉价饭盒式、时钟同步、定时记录的仪器”。并且系统具有连续采集、定时采集和触发采集三种采集方式。这种仪器是真正智能型的，能够根据需要，通过小屏幕或声音随时报告当前的地理位置、时间和工作状况，或者进入特定的工作方式。而今电子技术、计算机技术和通讯技术的飞速发展，为我们设计制造这种设备提供了基础和保证。
我们提出该项目是在总结以往研制、开发地震仪的基础上进行的。在经济效益上，由于以往我们开发地震仪是以跟踪世界物探先进技术，仅为地震勘探生产为出发点，而这次我们在论证时把出发点拓宽到天然地震测量、测井、录井、随钻勘探、四维勘探。同时，我们还评估社会潜在市场中的经济效益。这个项目在整体上是一台地震仪，而就其个体采集站是一台完整的便携24位A/D转换大容量数据信息记录仪器。只要改变传感器就能接收各种量值的信息和多道不同地区同步信息记录仪，它将会是一个很有前途的社会产品。
另外，在要做浅层折射的地区，用常规仪器每个队还要配备一台小折射仪器。使用这种仪器时，可以省去浅层折射仪的配置，抽调几个站和一台爆炸机就可以做小折射、微测井等工作，减少了小队的设备配置，可以按不同地区布置小折射排列，不用配置不同检波点的电缆，方便生产、节约投资。
连续采集的另外一个因素是时间。我们用GPS的秒脉冲来作为高精度的时钟源，或作为仪器内部晶体的相位锁定。一方面，我们可以用GPS时钟来定时校准仪器的内部时钟(十的负七次方)；另一方面，我们可以用GPS的时钟输出制作一个高精度的时钟源。因为GPS的秒脉冲输出(1PPS)精度优于+/-lus，远远高于地震勘探的需求。
对本系统来说，采集资料的后期处理是十分重要的一个环节，数据文件名称(包括以DCPU编号的扩展文件名)、格式、头段信息(桩号、日期和时间)是至关重要的，必须具有唯一性。为了考虑数据收集的方便，数据的存储以直观简单为原则，文件名称以八个字符表示，包含日期和时间(月日时分)；扩展文件名以三个字符表示；代表DCPU的编号(字符用0~9及26个英文字母表达四位数)。由于GPS的定位信息包含这些因素的全部内容，在加上人工设置的测线、记录方式、道数、长度和增益等等参考信息。后期的处理就可以根据相同文件名，而扩展名为仪器(采集记录与处理单元)序号，进行同炮组合。由于桩号、日期和时间的唯一性，采用相同文件，扩展名为DCPU序号，就可以对单炮记录的文件头段和道头段等信息进行定义。这种数据的后期整理方法的最大优点是：单炮记录的记录长度、总的道数(覆盖次数)可以根据资料的处理情况随时改变，达到以最少成本取得最佳资料的效果。
四、采集记录与处理单元(DCPU)
采集记录与处理单元(DCPU)的主要功能是完成对地震信号的采集和记录。DCPU的系统方框图如图1所示
整个系统是以高稳定度的PC104嵌入式计算机为中心，集控制、定时和资料的采集、调整、记录、处理、存储以及交换于一体的智能仪器。它的心脏由模拟板、数字板、CPU板、GPS时钟与触发板、电源板等五块13mm×10mm的印刷电路板组成。整个部件使用大功率的太阳能电池配合高容量的12伏锂电池供电；采用GPS(配合带有角速度传感器的天线)作为定位和时间标准；采用宽温的LCD显示设备的状态和数据质量；用快速功能键盘或红外线设备作为参数和命令的输入；地理信息、时间、设备的运行状态信息以及采集到的地震资料存储在硬盘(活动硬盘)上或通过计算机的通信接口、网络等设备转移到其它存储介质上。
1.模拟板
其主要功能是对接收到的检波器资料进行调整、放大、滤波、以及进行数字化；对温度、电池电压等状态信息数字化；各项指标的测试。单板6道，每道采用模块化设计，可以随意增减，工作道数由软件任意设置，使排列布置时更加方便。并且每道的电源亦由软件控制单独供电，以便在使用的道数减少时功耗也相应的降低。整个板的各项技术指标不低于目前国外先进遥测仪器的水平。方框图如图二所示。
(图二：模拟板方框图)
它主要由六个道模块、测试信号源、测试与控制逻辑等部分组成。每个道模块中含有输入保护电路、输入开关电路(用来支持自测功能)、低噪声前置放大电路和ADC电路。前置放大增益档设计为0dB、12dB、24dB、36dB。数字化电路采用先进Δ-∑技术的24位ADC技术，采样间隔在0.25、0.5、1、2、3、4、8和16ms任意选择，且动态范围达到120dB(2ms采样)；板上测试用的高精度信号源可以与道模块的输入开关电路相配合，用于对仪器的检查和地震道的性能指的标测试。性能指标的测试包括：检波器噪声、漏电、电阻、脉冲响应、增益精度、谐波崎变、系统噪声(等效输入噪声)、串音、共模抑制比、滤波脉冲响应等。
2.数字板
对应于模拟板。其功能是产生自身和模拟板所需要的各种定时和测试信号；完成模拟板经ADC后的地震数据的数字滤波、数据编排、缓冲存储，最后送到计算机进行处理并存储到硬盘或指定的存储媒体。它主要由三部分组成：数字滤波部分、FIFO存储部分、以及控制和时序逻辑部分。包含有数据采集所需要的计算机接口(PC104接口)、前放测试、采样率等的控制逻辑电路。方框图如图三所示。
数字板中的CS5322与模拟板中的CS5321相对应，完成采样和数字滤波。FGPA实际上是将八道的串行数据转换成并行数据(也可用3片74HC595×6代替)。用先进先出(暂用IDT7208 256K×8)作为缓存，最后送给计算机进行记录。控制逻辑部分主要是产生将串并转换后数据送入FIFO的时序，以及根据FIFO和模拟板的状态向计算机返回各种状态和条件信息。并依据计算机的定时信号和控制命令产生相应的采集与测试信号。PC104接口部分完成采集数据(或采集部分)与计算机的信息交换。
3.GPS、时钟和定时触发板
此板的主要功能是通过GPS为仪器(PC104计算机)提供高精度的时钟信号(包括GPS时间信号拾取)；形成并提供仪器各种采集方式所需要的时钟同步、触发、定时和停止等信号；获取并提供GPS数据(包括仪器所处的地理位置--经纬度和高程、当前时间和日期、GPS天线角度等)；此外，还生成时间代码，供计算机写文件时调用以便写入每次记录的文件头段，作为数据后期处理的定位和错误校准；也产生位置代码，供计算机写文件时调用，作为资料后期处理的定位依据。其方框图如图四所示。
如图4所示，GPS、定时和触发板□它主要由GPS OEM板、时钟发生器、实时钟以及定时和触发电路组成；并通过串行口与CPU板通信。
电源板如图5所示，此板的功能是通过外接的12V太阳能电池组为整个采集记录与处理单元(DCPU)提供所需的各种电源；并借助太阳能板给12V电池充电。其方框图如图五所示。它主要由电池充电部分、直流/直流变换器(DC/DC)组部分和继电器组组成。DC/DC组通过DCPU外部标称12V的直流电源(设计允许电压变化范围为9V~18V)，为仪器提供稳定的+5V、-5V、+12V、-12V等数字电路和模拟电路工作所需的各种电源；电池充电电路则通过太阳能板给电池充电；继电器组则由软件控制是否给DCPU各个板上的具体电路分配电源。
如图6所示的CPU主板，这是仪器系统的中心控制部件。随着大规模集成电路制造技术和信息处理技术的发展，仪器系统中的计算机技术和仪器的界线越来越模糊，体积也越来越小。事实上，它是一台多功能的PC104型嵌入式计算机。操作系统可以采用DOS或WINDOWS。利用各种接口可实现数据的硬盘记录、数据的交换与回收、文件打印、屏幕显示、仪器工作状态监视、仪器检验测试质量控制、地理位置(排列桩号、测线号等)和采集文件号等参数的输入、GPS通讯等等。其主频100MHZ以上，内存128MB，内含电子盘(DOC)插座。2个串行口(COM1，COM2)、一个并行口、硬盘(IDE)接口、软盘驱动器(FDD)、显示器(LCD/CRT)和键盘(KEY)等外设接口。
DOC(32M)内装操作系统及控制软件。并且由于采用了插座结构，可以随时进行容量的扩充、软件的更新，便于产品的升级和再利用。通过IDE接口外接2.1英寸硬盘(容量10G以上)。利用并行口可以和另外一台笔记本微机进行数据和信息的交换(回收数据)。该接口也可外挂打印机(可选)。利用LCD接口外接液晶显示屏(可随时打开或关闭)，以监视仪器工作状态和进行质量控制。利用其中一个串行口作为红外线接口，以接收操作员输入的地理位置(排列桩号、测线号等)和采集文件号等参数。另一个串行口可作为GPS的通讯口(可选)；键盘口可设置一些快速功能键或外接标准PC键盘，以便软件的升级和数据的现场处理与分析、设备的诊断和调试；内置的以太网口可以直接连接网络设备，用来进行资料的有线或无线传输。
调制器板(可选部件)
它的功能是使DCPU无线登陆到互联网(Internet)，向基地发送DCPU所采集记录与处理的资料。
定时启动放炮单元(BLU)如图7所示
定时启动放炮单元(BLU)由GPS定时与触发板、CPU板和一台改造后的爆炸机组成。它的功能是接收并记录GPS信息(炮点位置、时间)、产生系统时钟、提供定时、触发、同步等脉冲、给遥控爆炸机提供预备、启爆等命令、记录遥控爆炸机的信息(工作状态、TB延迟、井口时间等)、以及完成利用时间信号的定时启动放炮。
GPS定时与触发板
电路构成和功能类似于采集记录与处理单元中的定时与触发板。所不同的是该板产生的各种信号送到一个单板机。该板还产生炮点位置代码和放炮时间代码，供CPU板调用并记录，作为资料后期处理时使用。
CPU板
该单板机是定时启动放炮单元(BLU)的控制部件。事实上他也是一块多功能的PC104计算机板；与DCPU所用的CPU板相比只是少几个通讯口(如SCSI口)。他完成GPS通讯、定时启动放炮、炮点地理位置和炮序号的输入与记录等功能。并且能够自动记录GPS信息、爆炸机的工作状态、TB时间、井口信息等
爆炸机
利用一台完整的爆炸机，经过改造加入定时与触发电路和CPU板，使之能够符合新系统的要求。
本发明的关键技术在于：
1、时间精度的保证。须采用10-7以上晶振，以确保时间上的一致性。
2、GPS同步启动与校准。主要在于要求全部采集记录与处理单元的一致性。要求要高。时钟偏移须控制在1ms以内(不低于目前遥爆系统的TB精度)，并能随时校准仪器时钟，以补偿各采集记录与处理单元的时差。
3、单个采集站功耗控制在10W以内。考虑硬盘和计算机的休眠。
4、数据采集观念的更新，质量控制只能是区域性的。
5、操作员和排列布置检查员的责任心。因为需要对各个DCPU进行采集参数的(包括文件名称等)的输入，不允许出现任何差错。
6、资料的后处理工作。须对野外回收资料，根据仪器编号、桩号、文件号进行重新编排处理。
技术性能与指标
系统道容量：任意道数； 数据采集方式：定时、触发、连续可选；
DCPU同步方式：GPS； 数据记录方式：定时回收和后期整理；
数据格式：IEEE、(SEG-D)； 数据存储：IDE硬盘(大于10GB)；
操作系统：MS-DOS(WINDOWS)； 单个DCPU：1~6道软件选择；
主控制器：PC104(ALL IN ONE) 主频200MHz；内存32M；
记录长度：100小时(1ms采样)； 采样率：1/4、1/2、1、2、4、8ms；
A/D转换器：23+1符号； 动态范围：110dB(理论144dB)；
总谐波畸变：0.0003％(2ms)； 带宽：0.3Hz～1.7KHz；
前放增益：0dB，12dB，24dB，36dB，48dB； 增益精度：0.1％；
共模抑制比：＞100dB； 串音：-90dB；
最大输入信号：10uV(48dB)； 等效输入噪音：＜0.25uV RMS(48dB)；
输入阻抗：20千欧姆，0.02uF； 预触发资料：2048个样；
供电方式：12VDC； 太阳能板：12W
功耗：计算机休眠时2W、写硬盘时10W； 工作环境：摄氏-40～+50度
高精度授时地震仪器与各种仪器(有线、无线、有线/无线兼容)对比表
| 仪器类型 | 主要组成 | 工作方式 | 优势 | 劣势 | 价格(1500道) | 人力投入 | 工效对比 | ||||||
| 主机 | 采集站 | 大线 | 电台 | 排列助手 | 中继站 | 维修系统 | |||||||
| 有线仪器 | 专用 | 有 | 有 | 无 | 需要 | 需要 | 需要 | 建立排列、主机通过大线给采集站发送采集参数和采集起停命令、并回收采集站采集的数据到主机，最后记录到磁带上。 | 1：特别适用于平原地区；2：仪器制造成本较低；3：地表好时建立排列容易，放爆速度快；4：能够实时监视采集记录。 | 1：大线的规范化使排列铺设不灵活；不适合地表变化快的地区2：仪器道数受到限制；3：仪器主机需要按要求停放；4：使用中继站时成本太大。 | 70％ | 90％ | 80％ |
| 无线仪器 | 专用 | 有 | 无 | 有 | 需要 | 需要 | 需要 | 建立排列、主机通过电台给采集站发送采集参数和采集起停命令、并回收采集站采集的数据到主机，最后记录到磁带上。 | 1：特别适用水网和地表变化平坦的山地；2：排列铺设不受大线的限制；3：地表好时建立排列容易，放炮速度快。4：能够实时监视采集记录。 | 1：仪器制造成本高；2：仪器道数受到限制；3：仪器主机需要按要求停放；4：不适合山区；直区不可避免；5：使用中继站时成本太大。 | 90％ | 85％ | 85％ |
| 有线/无线兼容仪器 | 专用 | 有 | 无 | 有 | 需要 | 需要 | 需要 | 建立排列、主机通过大线或电台给采集站发送采集参数和采集起停命令、并回收采集站采集的数据到主机最后记录到磁带上。 | 1：适用的地区较广，特别是过渡带地区；2：能够实时监视采集记录。 | 1：大排列布置时速度慢；2：仪器道数受到限制；3：不能适用于地表突变的地区；4：仪器制造成本高；5：操作管理烦琐；同样需要中继站。 | 100％ | 100％ | 75％ |
| 授时仪器 | 无 | 有 | 无 | 无 | 无 | 无 | 一台通用微机 | 采集参数预置，自动采集数据并存储，定期回收后，室内整理。 | 1：适用的地区广，特别是复杂地区；2：道数可以无限道；3：制造成本低；4：野外工作量最少；5：勘探费用最低；6：系统升级换代速度快、费用低；再利用率高；将来可以通过卫星把数据直接回收到数据处理中心 | 1：采集记录需要后期整理；2：采集数据整体实时监视困难；3：排列布置人员素质相对较高一些。 | 60％ | 70％ | 100％ |
Claims (6)
1.GPS卫星授时遥测地震仪，其特征在于：由采集记录与处理单元DCPU和定时启动放炮单元BLU、数据回收单元三大部分组成：
DCPU结构采用全密封防水结构，DCPU内部包括五个功能电路板，它的心脏由模拟板、数字板、CPU板、GPS时钟与触发板、电源板等五块13mm×10mm的印刷电路板组成，外接液晶显示屏幕，红外线控制接口，计算机通讯接口、GPS接口、电源接口、检波器输入接口，体积小于350×180×120mm，其线路板采用PC104总线叠堆式结构；定时启动放炮单元BLU由GPS定时与触发板、CPU板和一台改造后的爆炸机组成。
2.根据权利要求1所述的GPS卫星授时遥测地震仪，其特征在于：模拟板由六个道模块、测试信号源、测试与控制逻辑部分组成，每个道模块中含有输入保护电路、输入开关电路、低噪声前置放大电路和ADC电路，单板6道，每道采用模块化设计。
3.根据权利要求2所述的GPS卫星授时遥测地震仪，其特征在于：模拟板上前置放大增益档设计为0dB、12dB、24dB、36dB，数字化电路采用Δ-∑技术的24位ADC技术，采样间隔在0.25、0.5、1、2、3、4、8和16ms任意选择，板上测试用的高精度信号源可以与道模块的输入开关电路相配合。
4.根据权利要求1所述的GPS卫星授时遥测地震仪，其特征在于：数字板由三部分组成：数字滤波部分、FIFO存储部分、以及控制和时序逻辑部分，包含有数据采集所需要的计算机PC104接口、前放测试、采样率的控制逻辑电路。
5.根据权利要求4所述的GPS卫星授时遥测地震仪，其特征在于：数字板中的CS5322与模拟板中的CS5321相对应。
6.根据权利要求4所述的GPS卫星授时遥测地震仪，其特征在于：FGPA也可用3片74HC595×6代替。
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