CN1387050A - 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,其与主机实现主从式控制,内置的三分量芯体呈直角坐标系空间分布,具弹性藕合与复合调平结构,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,三分量采集数据顺次串行输出,从机与主机智能对话,并具自适应和自我调整增益功能。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,在国内外无先例。产品集地球物理、现代电子技术、传感器技术、通讯与信息处理技术等于一体,可用于多波多分量三维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,为提高地震勘探精度,拓宽地震勘探应用范围提供了可靠保障。

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，其目的即是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，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，也与勘探装备的构成密切相关，事实上，在地震勘探系统中，瓶颈作用最强处应该是检波器之后到A/D转换器这部分，经过检波器接收到的地震波，长距离传输中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，另一方面则要向采集装置的智能化、一体化方向迈进，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，仅用原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对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辩率，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、多波响应特性好且具强抗干扰能力的三分量检波器，以达到多波多分量勘探的更高目的。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发展要求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，优化检波器安装调整结构，并根据地震勘探对信号采集的高信噪比要求，对检测数据做原位数字化处理，形成一种适应各种勘探条件和目的要求的产品。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，实现根除模拟信号的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。

地震检波器是一种应用于地质勘探及工程测量领域的将机械震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，其中用于地面地震多波多分量勘探的地震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，人工判别准确度差。另外，现有检波器的尾锥直接与壳体相连，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模数转换电路分离，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，满足深、中、浅层地震勘探的高分辨率勘探的要求。

本发明是这样实现的：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和全方位精确定向的壳体结构，复合调平装置包括水准器与调平齿轮，先利用水准器进行粗调，然后利用调平齿轮进行微调，直至完全水平；全方位精确定向装置包括壳体上的方向指示标志与精密经纬指示仪，精密经纬指示仪通过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；采用三尾锥耦合，尾锥与检波器主壳体弹性连接，使得调平调向不影响尾锥与地表介质的耦合状态；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；三分量检波器自带数据采集系统，实现采集信号原位数字化。通过主从式管理，主机与一个或多个智能三分量地震检波器相连，向各从机发布指令并设置参数，从机的MCU接收到主机发送的命令后，对系统进行初始化，并控制AD转换电路按接收到的参数进行数据采集，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中的数据通过串行接口传送到主机，主从机实现智能对话，从机并具自适应和自我调整增益功能。

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通道前端，差分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：结构合理，便于现场施工；性能优越，各分量对所测信号都有良好的响应；采集数据原位数字化，根除模拟信号的传输，抗干扰能力强，且简化了勘探装备，降低了现场劳动强度；

1.智能三分量地震检波器的壳体结构

所发明的智能三分量检波器具有良好的结构性能：产品结构合理，功能强，便于现场施工，提高了数据采集质量。

智能三分量地震检波器的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装置、复合调平装置和全方位精确定向装置的新型产品。

(2)三分量放置采用直角坐标系空间结构。各分量性能参数优越，使Z分量对纵波，X、Y分量对横波都有很好地响应。

(3)采用三尾锥与地表介质藕合，具有较好地藕合稳定性。

(4)具方便易行地调平调向装置，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。

(5)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。

2.三分量性能参数指标

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、横波分别有最佳的响应。

(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.智能三分量地震检波器对采集信号原位数字化，根除了模拟信号的传输，极大限度地抑制环境噪声及其他干扰源的影响，为真正达到采集信号的高保真、高信噪比、高分辨率及缩小地震勘探数据采集的瓶颈效应提供了最高保障。

智能三分量地震检波器的数据采集系统的管理模式：主机+能满足信道要求的多个智能三分量地震检波器。系统采用主-从式管理机制，使每个检波器内部自带采集系统，主机通过访问单个检波器的串行口来获取数据，并显示、记录，主从机智能对话，并具自适应与自我调整增益的功能。专用数据处理软件包对采集数据进行分析处理。

(1)数据采集系统硬件

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。

设计采用的系统硬件部分包括：采集系统控制电路，模拟信号的放大电路，模数转换电路，系统电源，程序存储器、数据存储器和通讯接口等部件。图1给出了本产品的主监控结构图，硬件系统电气原理框图如图2所示。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仪器中所有的模拟和数字电路，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系统来实现，采集时采用宽频、广信息接收，这样，即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。

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～20ms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

智能三分量地震检波器所采集地震信号以数字信号输出，主机和从机间仅以一数据通讯线相连接，多机通讯所形成的地震勘探系统如图3。主从机间通过RS485口连接，各从机均按所分配的固定地址与主机对话，每个RS485串口可管理1～128个从机。

图4示出智能三分量地震检波器采集系统模数转换电路(ADC)，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后至多路选择开关ADG509，然后经两级程控放大器PGA207和PGA103对输入信号进行放大，放大增益由程序控制，放大后的信号进入模数转换器AD976转换为16为位数字信号，并经两片MC74HC574锁存器输出至随机存储器。模拟电路部分所需±12V电压由电源转换模块M1转换后供给。

图5示出智能三分量地震检波器采集系统控制电路(MCU)，MCU接收到主机发送的置参命令后，首先对系统进行参数设置，然后按主机发来的采集命令起动AD转换，按接收到的参数进行数据采集。整个电路由微处理单元(AT89C52)控制，随机存储器6264经锁存器74HC573与AT89C52相连，由采集系统ADC转换来的数据，经由数据线先存储在随机存储器6264中，然后按主机发来的取数命令将随机存储器6264中的数据通过串行接口RS485传送到主机，主从机智能对话，实现主从式控制，并具自适应和自我调整增益功能。MCU中还包括一外触发电路和一复位电路，二者均与微处理单元(AT89C52)直接相连，并由其直接控制。

(2)数据采集系统工作流程

数据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。整个软件系统采用模块化的设计结构，其工作流程如图6。数据采集前，智能三分量地震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指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。此时，系统可正式进行数据采集，选择采样后，系统进入待触发状态。一旦接收到触发信号，系统即启动AD进行采样，采样时如果激发能量与本从机设置增益不匹配，系统将自动返回调整信息，并分析判别，进行自适应调整，X、Y、Z三分量所采集数据经锁存器送入随机存储器中，CPU根据主机指令经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，解析判别得出所需地质构造信息。

(3)主机通讯控制与数据处理流程

管理多个智能三分量地震检波器的主机可采用便携式笔记本电脑或自带操作系统(一般为WINDOWS95以上及相当版本)的工控机等，本机需配置有串行通讯口。在主机上安装专用控制与处理软件(ITSS工作站)，即可形成智能三分量地震检波器的勘探管理系统。

ITSS工作站包括采样控制和数据处理两大部分，图7是采样控制系统的工作流程，首先打开工作站，进入采样子程序，界面显示出多个控键和一主显示窗口，先选择控键对串口初始化，再向从机发送指令，预置从机工作参数，然后按采样键，等待震源激发信号，当震源激发后，接收从机回送的同步采样数据，并将数据在显示窗口中以波形图的方式显示出来，操作员对显示波形确认后，即可记录数据文件，系统将文件以自定义格式存储起来。

存储的数据文件可以进行数据处理，数据处理软件具模块化结构，其数据处理主流程如图8所示，首先从记录文件中读记录，对记录文件进行格式识别和编排，并进行地震道预处理，然后进行地震数据常规数字处理，处理结果可以进行人机联作解析，以满足工程勘察和各种精细勘探的要求。

智能三分量地震检波器现场安装操作的主要步骤见图9。

Claims (6)

1.一种智能三分量地震检波器，它包括：主机软件控制与处理系统、数据采集系统(采集系统控制电路、A/D转换电路等)、三分量检波器芯体及其整体结构组成，工作时由主机(PC机)通过开发的专用软件控制系统进行控制，其特征在于：主机与一个或多个智能三分量地震检波器相连，主从式控制；从机CPU通过串行口与模数转换电路相连，并通过锁存器与随机存储器相连；三分量检波器芯体与通道前端直接相连，通道前端输入的信号经多路开关后进入多级程控放大器，多级程控放大器与AD转换器相连，实现采集信号原位数字化；整体具新型多功能结构体系，调平、调向不影响检波器藕合状态；三分量性能指标优越，适应于纵、横波多波多分量勘探；

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：所述的软件控制与处理系统通过主机实现主从式控制，主机与多个智能三分量地震检波器通过通讯口(RS-485)相连，主机向从机发送指令并接收从机所采集的数据，其软件控制系统具有控制显示界面，可对串口初始化，接收并存储由检波器发送的数据。存储数据以自定义格式记录，记录文件可以在配套开发的处理软件中进行显示，并可进行各种数字信号处理。

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：所述的数据采集系统控制电路是由微处理器(MCU)、随机存储器(RAM)、电源电路、启动电路和通讯接口等组成，MCU接收到主机发送的命令后，对系统进行初始化，并控制AD转换电路按接收到的参数进行数据采集，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中的数据通过串行接口传送到主机，主从机智能对话，实现主从式控制，并具自适应和自我调整增益功能。

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：所述的数据采集系统模数转换电路是由通道前端电路、多路开关、多级程控放大器和模数转换器(AD)等组成，采集的三分量模拟信号由通道前端输入，经多路开关后进入多级程控放大器，然后由AD转换器进行模数转换，转换后的数字信号由控制电路控制读取并在RAM中存储。

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：所述的多功能结构体系是由弹性耦合装置、复合调平装置和全方位精确定向装置所组成，检波器之三尾锥与地表介质耦合，其主体与尾锥间利用一弹性装置连接，使得调平调向不影响耦合效果。复合调平装置包括水准器与调平齿轮，先利用水准器进行粗调，然后利用调平齿轮进行微调，直至完全水平。全方位精确定向装置包括壳体上的方向指示标志与精密经纬指示仪，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：所述的三分量地震检波器之三分量呈直角坐标系分布，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地响应。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。

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