CN208872879U - 一种微地震数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于微地震监测技术领域，提供了一种微地震数据采集系统，包括检波器、信号预处理模块、数据采集模块、微控制器和上位机；所述检波器用于采集微地震波信号，并将微地震波信号发送至信号预处理模块；信号预处理模块对微地震波信号进行滤波预处理，得到第一微震信号，并将第一微震信号发送至数据采集模块，数据采集模块对第一微震信号进行模数转换，得到第二微震信号，并将第二微震信号发送至微控制器，微控制器将第二微震信号发送至上位机。本实用新型通过对微地震波信号进行滤波及数模转换，能够减少噪声对有效信号的干扰，使经过AD模数转换后的信号精度更高，进而提高微震监测的准确性。

Description

一种微地震数据采集系统

技术领域

本实用新型属于微地震监测技术领域，尤其涉及一种微地震数据采集系统。

背景技术

微地震监测的基础是声发射学和地震学，通过观测、分析压裂活动中所产生的微小地震事件来监测压裂工作的效果及对地下地质结构的影响，微地震监测可用于掌握深部地层裂隙状态变化情况。通过监测页岩气井田区域范围压裂造成的构造裂隙发育情况和变化趋势，查明页岩气勘查开发对于深部地质结构变化的影响情况。

在微地震监测过程中，高精度地采集到所需的有效信号是微震监测准确性的前提，在微震信号数据采集系统中，接收到的微地震波信号的动态变化范围较大，微地震波信号通常会受到传播衰减或微震强度等因素的影响，使得微震监测系统往往采集到信号较弱且噪声较大的微地震波信号，难以保证微地震监测的准确性。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种微地震数据采集系统，以解决现有技术中微震监测系统采集的微地震波信号较弱、噪声较大，影响微地震监测准确性的问题。

本实用新型实施例提供了一种微地震数据采集系统，包括：检波器、信号预处理模块、数据采集模块、微控制器和上位机；所述检波器与所述信号预处理模块连接，所述信号预处理模块与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块与所述微控制器连接，所述微控制器与所述上位机连接；所述检波器用于采集微地震波信号，并将所述微地震波信号发送至所述信号预处理模块；所述信号预处理模块对所述微地震波信号进行滤波预处理，得到第一微震信号，并将所述第一微震信号发送至所述数据采集模块，所述数据采集模块对所述第一微震信号进行模数转换，得到第二微震信号，并将第二微震信号发送至所述微控制器，所述微控制器将所述第二微震信号发送至所述上位机。

在一个实施例中，信号预处理模块包括：前置放大器和低通滤波器，所述前置放大器分别与所述检波器和所述低通滤波器连接，所述低通滤波器与所述数据采集模块连接；

所述前置放大器用于对所述微地震波信号进行放大处理；所述低通滤波器用于对经过放大处理的微地震波信号进行滤波处理，得到第一微震信号。

在一个实施例中，数据采集模块包括AD模数转换模块，所述AD模数转换模块用于对所述第一微震信号进行模数转换，得到所述第二微震信号。

在一个实施例中，数据采集模块还包括自动增益控制电路，所述自动增益控制电路的输入端与所述信号预处理模块连接，所述自动增益控制电路的输出端与所述AD模数转换模块连接，所述自动增益控制电路的控制端与所述微控制器连接；所述自动增益控制电路用于调节所述第一微震信号的增益，并将调节增益后的第一微震信号传输至所述AD模数转换模块。

在一个实施例中，数据采集模块还包括积分-梳状级联CIC抽取滤波器和有限长单位冲激响应FIR滤波器，所述CIC抽取滤波器分别与所述AD模数转换模块和所述FIR滤波器连接，所述FIR滤波器与所述微控制器连接。

在一个实施例中，还包括GPS授时模块，所述GPS授时模块与所述微控制器连接，用于对所述微处理器进行定时授时。

在一个实施例中，还包括用于缓存所述第二微震信号的数据缓存模块，所述数据缓存模块与所述微控制器连接。

在一个实施例中，还包括用于将所述第二微震信号传输至所述上位机的远程数据传输模块，所述远程数据传输模块分别与所述微控制器和所述上位机连接。

在一个实施例中，远程数据传输模块采用基于ZigBee技术的无线射频传输芯片通信。

在一个实施例中，还包括电源模块，所述电源模块分别与所述信号预处理模块、所述数据采集模块和所述微控制器连接，用于为所述信号预处理模块、所述数据采集模块和所述微控制器供电。

本实用新型实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本实用新型提供的微地震数据采集系统包括检波器、信号预处理模块、数据采集模块、微控制器和上位机；所述检波器用于采集微地震波信号，并将所述微地震波信号发送至所述信号预处理模块；所述信号预处理模块对所述微地震波信号进行滤波预处理，得到第一微震信号，并将所述第一微震信号发送至所述数据采集模块，所述数据采集模块对所述第一微震信号进行模数转换，得到第二微震信号，并将第二微震信号发送至所述微控制器，所述微控制器将所述第二微震信号发送至所述上位机。本实用新型实施例通过对微地震波信号进行滤波及数模转换，能够减少噪声对有效信号的干扰，使经过AD模数转换后的信号精度更高，进而提高微震监测的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种微地震数据采集系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种微地震数据采集系统的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例1：

图1示出了本实用新型的一个实施例提供的一种微地震数据采集系统100的结构示意图，其包括：检波器110、信号预处理模块120、数据采集模块130、微控制器140和上位机150；所述检波器110与所述信号预处理模块120连接，所述信号预处理模块120与所述数据采集模块130连接，所述数据采集模块130与所述微控制器140连接，所述微控制器140与所述上位机150连接；所述检波器110用于采集微地震波信号，并将所述微地震波信号发送至所述信号预处理模块120；所述信号预处理模块120对所述微地震波信号进行滤波预处理，得到第一微震信号，并将所述第一微震信号发送至所述数据采集模块130，所述数据采集模块130对所述第一微震信号进行模数转换，得到第二微震信号，并将第二微震信号发送至所述微控制器140，所述微控制器140将所述第二微震信号发送至所述上位机150。

在本实施例中，在地表观测微破裂地震波，由于地层高频滤波和信号衰减作用，以及强背景噪声等原因，对于准确提取微破裂产生的纵横波比较困难。根据到达地面的地震波特点，选用三轴检波器，中心频率100Hz，带宽为1—150Hz，灵敏度70.0V/m/s。

在本实施例中，信号预处理模块120获取检波器110采集的微地震波信号，并对微地震波信号进行放大及滤波处理，得到第一微震信号。

在本实施例中，数据采集模块130用于将第一微震信号从模拟量转换为数字量，得到第二微震信号。

在本实施例中，微控制器140采用Cortex-M4为内核的STM32F4系列高性能微控制器，STM32F4系列微控制器集成了单周期DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)指令和FPU(Float Point Unit，浮点运算单元)指令，168MHz的高速性能使得数字信号控制器应用和快速的产品开发达到了新的水平。提升控制算法的执行速度和代码效率，微控制器140包括多重AHB(Advanced High Performance Bus，高级高性能总线)总线矩阵和多通道DMA(Direct Memory Access，直接存储器存取)，支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速率非常快；其PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)高速定时器可实现168MHz最大频率，函数库非常全面，可以方便的实现多种应用功能。

在本实施例中，上位机150包括PC(personal computer，个人计算机)机或工控机，上位机150接收第二微震信号，对第二微震信号进行进一步分析处理，用于研究页岩气勘探领域压裂过程对于地质结构的影响。

从上述实施例可知，本实用新型提供的微地震数据采集系统包括检波器110、信号预处理模块120、数据采集模块130、微控制器140和上位机150；所述检波器110用于采集微地震波信号，并将所述微地震波信号发送至所述信号预处理模块120；所述信号预处理模块120对所述微地震波信号进行滤波预处理，得到第一微震信号，并将所述第一微震信号发送至所述数据采集模块130，所述数据采集模块130对所述第一微震信号进行模数转换，得到第二微震信号，并将第二微震信号发送至所述微控制器140，所述微控制器140将所述第二微震信号发送至所述上位机150。本实用新型实施例通过对微地震波信号进行滤波及数模转换，能够减少噪声对有效信号的干扰，使经过AD模数转换后的信号精度更高，进而提高微震监测的准确性。

在一个实施例中，信号预处理模块120包括：前置放大器121和低通滤波器122，所述前置放大器121分别与所述检波器110和所述低通滤波器122连接，所述低通滤波器122与所述数据采集模块130连接；

所述前置放大器121用于对所述微地震波信号进行放大处理；所述低通滤波器122用于对经过放大处理的微地震波信号进行滤波处理，得到第一微震信号。

在本实施例中，由于微地震波能量强度低，经由检波器110将震动信号转化的电信号极其微弱，为实现信号的远程传输和采集系统的精确采集，需对检波器110输出的微弱信号进行放大。选择增益较高、频带适中、线性度好的可编程增益放大器PGA280作为前置放大电路的核心器件，该可编程增益放大器具有±15V的宽信号输入，最大128倍程控增益，且具有SPI数据接口，高输入阻抗。

在本实施例中，对微地震波信号进行放大处理后，通过低通滤波器122对放大处理后的微地震信号进行滤波处理，得到第一微震信号。

在一个实施例中，数据采集模块130包括AD模数转换模块132，所述AD模数转换模块132用于对第一微震信号进行模数转换，得到所述第二微震信号。

在一个实施例中，数据采集模块130还包括自动增益控制电路131，所述自动增益控制电路131的输入端与所述信号预处理模块120连接，所述自动增益控制电路131的输出端与所述AD模数转换模块132连接，所述自动增益控制电路131的控制端与所述微控制器140连接；所述自动增益控制电路131用于调节所述第一微震信号的增益，并将调节增益后的第一微震信号传输至所述AD模数转换模块132。

在本实施例中，当对微地震波信号进行放大及滤波处理后，通过自动增益控制电路131将第一微震信号强度调整到AD模数转换模块132的输入范围。

在本实施例中，由检波器110拾取到的微地震波信号是模拟信号，要通过数字式处理系统分析，需要将放大后的模拟信号进行模数转换，转成数字处理器可以计算的数据。数据采集系统性能好坏也影响数据分析结果。

在本实施例中，采用24位AD模数转换芯片CS5340作为AD模数转换模块132的核心器件，通过AD模数转换模块132将调节增益后的第一微震信号进行模数转换得到第二微震信号。CS5340单通道最大采样率192KHz，考虑到微地震波频率可高至1000Hz，CS5340完全可以满足采集速度的要求；地面接收的微地震波信号一般在5微伏以上，只要AD模数转换芯片采集的分辨率达到1微伏，就可以获取有效信号，检波器信号的电压输入范围一般为10V，这样只要AD模数转换芯片的等效分辨率是20位，就可以达到这个指标。

在一个实施例中，数据采集模块130还包括积分-梳状级联CIC抽取滤波器133和有限长单位冲激响应FIR滤波器134，所述CIC抽取滤波器133分别与所述AD模数转换模块132和所述FIR滤波器134连接，所述FIR滤波器134与所述微控制器140连接。

在本实施例中，使用CIC抽取滤波器和FIR滤波器134将第二微震信号的速率降低到奈奎斯特采样率后传输到微控制器140。

在一个实施例中，还包括GPS授时模块，所述GPS授时模块与所述微控制器140连接，用于对所述微处理器进行定时授时。

在本实施例中，对于实时数据采集系统，不仅要保证采集数据的精度，还要保证采集时间的精度，由于微控制器140内部可能引起系统时间误差，所以需要采用GPS进行定时授时。可以采用MAX-7系列定位模块，MAX-7系列定位模块是独立式GPS/GLONASS定位模块，其体积小且功耗低，绝对时间精度可达到10-4秒。

在一个实施例中，还包括用于缓存所述第二微震信号的数据缓存模块，所述数据缓存模块与所述微控制器140连接。

在一个实施例中，还包括用于将所述第二微震信号传输至所述上位机150的远程数据传输模块，所述远程数据传输模块分别与所述微控制器140和所述上位机150连接。

在一个实施例中，远程数据传输模块采用基于ZigBee技术的无线射频传输芯片通信。

在本实施例中，通过无线射频传输芯片可以实现数据采集端与上位机150的无线通信，从而使工作人员无需在数据采集现场也能够获取到微震数据并进行处理，为微震信号处理分析工作提供了方便。

在一个实施例中，还包括电源模块，所述电源模块分别与所述信号预处理模块120、所述数据采集模块130和所述微控制器140连接，用于为所述信号预处理模块120、所述数据采集模块130和所述微控制器140供电。

在一个实施例中，微地震实时采集会产生大量的数据，考虑到功耗问题，微地震数据采集系统还包括与微控制器140连接的存储模块，所述存储模块包括TF卡，所述TF卡通过USB接口与微控制器140连接，TF卡容量为32GB，可以连续存储10天左右的数据，数据可以转换为SEGY等通用地震存储标准格式。

在一个实施例中，还包括与微控制器140连接的指纹识别模块，指纹识别模块用于识别用户输入的指纹信息，并在对指纹识别信息核对成功后，通过微控制器140控制微地震数据采集系统开始工作。

在本实施例中，由于微地震数据采集系统的采集装置通常设置在户外，人员繁杂，为了保证微地震数据采集系统的安全性和数据可靠性，添加指纹识别模块，通过指纹识别模块对用户的指纹信息进行验证，在验证通过后启动采集装置，从而避免闲杂人员的误操作，保证微地震数据采集系统的安全性和数据可靠性。

在本实施例中，还包括指示灯，当微地震数据采集系统启动时，指示灯点亮，用于提示用户微地震数据采集系统已经开始工作。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微地震数据采集系统，其特征在于，包括：检波器、信号预处理模块、数据采集模块、微控制器和上位机；

所述检波器与所述信号预处理模块连接，所述信号预处理模块与所述数据采集模块连接，所述数据采集模块与所述微控制器连接，所述微控制器与所述上位机连接；

所述检波器用于采集微地震波信号，并将所述微地震波信号发送至所述信号预处理模块；所述信号预处理模块对所述微地震波信号进行滤波预处理，得到第一微震信号，并将所述第一微震信号发送至所述数据采集模块，所述数据采集模块对所述第一微震信号进行模数转换，得到第二微震信号，并将第二微震信号发送至所述微控制器，所述微控制器将所述第二微震信号发送至所述上位机。

2.如权利要求1所述的一种微地震数据采集系统，其特征在于，所述信号预处理模块包括：前置放大器和低通滤波器，所述前置放大器分别与所述检波器和所述低通滤波器连接，所述低通滤波器与所述数据采集模块连接；

所述前置放大器用于对所述微地震波信号进行放大处理；所述低通滤波器用于对经过放大处理的微地震波信号进行滤波处理，得到第一微震信号。

3.如权利要求1所述的一种微地震数据采集系统，其特征在于，所述数据采集模块包括AD模数转换模块，所述AD模数转换模块用于对所述第一微震信号进行模数转换，得到所述第二微震信号。

4.如权利要求3所述的一种微地震数据采集系统，其特征在于，所述数据采集模块还包括自动增益控制电路，所述自动增益控制电路的输入端与所述信号预处理模块连接，所述自动增益控制电路的输出端与所述AD模数转换模块连接，所述自动增益控制电路的控制端与所述微控制器连接；

所述自动增益控制电路用于调节所述第一微震信号的增益，并将调节增益后的第一微震信号传输至所述AD模数转换模块。

5.如权利要求4所述的一种微地震数据采集系统，其特征在于，所述数据采集模块还包括积分-梳状级联CIC抽取滤波器和有限长单位冲激响应FIR滤波器，所述CIC抽取滤波器分别与所述AD模数转换模块和所述FIR滤波器连接，所述FIR滤波器与所述微控制器连接。

6.如权利要求1所述的一种微地震数据采集系统，其特征在于，还包括GPS授时模块，所述GPS授时模块与所述微控制器连接，用于对所述微控制器进行定时授时。

7.如权利要求1所述的一种微地震数据采集系统，其特征在于，还包括用于缓存所述第二微震信号的数据缓存模块，所述数据缓存模块与所述微控制器连接。

8.如权利要求1所述的一种微地震数据采集系统，其特征在于，还包括用于将所述第二微震信号传输至所述上位机的远程数据传输模块，所述远程数据传输模块分别与所述微控制器和所述上位机连接。

9.如权利要求8所述的一种微地震数据采集系统，其特征在于，所述远程数据传输模块采用基于ZigBee技术的无线射频传输芯片通信。

10.如权利要求1至9任一项所述的一种微地震数据采集系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块分别与所述信号预处理模块、所述数据采集模块和所述微控制器连接，用于为所述信号预处理模块、所述数据采集模块和所述微控制器供电。