CN210119579U - 一种适用于井下槽波地震仪 - Google Patents

Abstract

一种适用于井下槽波地震仪，可解决现有的槽波地震仪存在无法实时监控数据质量或者需要使用超长的电缆作为炮线施工复杂的技术问题。包括依次连接的主机、主控交叉站、采集站、地震传感器，其中，采集站将地震传感器的信号采集并数字化之后向上传输给主控交叉站，主控交叉站上传到主机；采集站采集整条测线上地震传感器数据；还包括触发记录仪和爆炸机，触发记录仪通过两根线连到爆炸机，爆炸机起爆时触发记录仪检测到这两根线短路，然后记录触发时刻。本实用新型省去了超长的炮线，实现实时监控数据质量，并且无论采集通道数有多少都仅需要在触发时刻记录仪和主控交叉站中安装GPS设备以及恒温晶振，极大降低了系统功耗，大大提升了实用性。

Description

一种适用于井下槽波地震仪

技术领域

本实用新型涉及地球物理勘探设备领域，具体涉及一种适用于井下槽波地震仪。

背景技术

槽波地震勘探法是在井下煤层开采工作面内进行的，地震测线接收点和激发点沿煤巷道布设，直接探测煤层内地质构造或其他地质异常体。最常见的勘探法是反射法和折射法，槽波地震仪就是在井下使用这种方法的地震仪设备，其与地面上使用的普通地震仪并无本质区别。

目前市场上比较代表性的有两种槽波地震仪，其一是中煤科工集团的YTZ3型矿井地震仪，另一种是德国SummitⅡEx系列槽波地震仪。然而他们都有明显的缺点，YTZ3是一种分布式独立采集地震仪，多个站之间不通信，无法实时监控数据质量。且其施工方式复杂，所有采集站工作前必须先在井上上电来同步GPS信号，之后再带到井下工作。另外其采集同步精度较低，8小时误差可达1ms。而SummitⅡEx系列是一种有缆地震仪，但是其重大缺陷是震源和采集系统是通过电缆相连接，这个电缆在井下长度可以达到数公里，收放线都是极大工作量，并且这么长电缆阻抗较大，触发灵敏度也会相应下降。并且井下煤层的阻碍使得无线传输大打折扣，传统的遥控爆炸方式受到明显限制，也无法通过遥爆方式取代有线炮线。针对这些问题本专利设计出一种适合于井下使用的槽波地震仪，它既可以实现实时采集数据质量监控，又不需要使用有线炮线。

实用新型内容

本实用新型提出的一种适用于井下槽波地震仪，可解决现有的槽波地震仪存在无法实时监控数据质量或者需要使用超长的电缆作为炮线施工复杂的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种适用于井下槽波地震仪，包括：

包括依次连接的主机、主控交叉站、采集站、地震传感器，其中，采集站将地震传感器的信号采集并数字化之后向上传输给主控交叉站，主控交叉站上传到主机；

所述采集站采集整条测线上地震传感器数据；

还包括触发记录仪和爆炸机，触发记录仪通过两根线连到爆炸机，爆炸机起爆时触发记录仪检测到这两根线短路，然后记录触发时刻。

进一步的，所述触发记录仪内部包括MCU，以及分别与MCU通讯连接的GPS接收器、恒温晶振OCXO一、以太网ETH及SD存储卡；

每次工作之前触发记录仪先通过GPS接收器在井上获取到GPS信息，之后通过恒温晶振OCXO一持续计数，每次检测到触发信号的时候会记录下恒温晶振OCXO一在GPS接收器锁定之后的总计数，并且存入到SD存储卡。

进一步的，所述主控交叉站包括FPGA，以及分别和FPGA通讯连接的CPU、8片ADC、以太网收发器ETH1和ETH2、GPS模块以及恒温晶振OCXO二；

主控交叉站在工作开始之前在井上上电通过GPS模块获取到GPS信息之后再拿到井下工作；

所述主控交叉站工作时通过恒温晶振OCXO二持续计数并在整个井下工作期间都不复位。

进一步的，所述采集站为N，N为大于或等于1的自然数；

主控交叉站每隔半个小时下发一次同步命令，所有采集站在收到此命令之后都对ADC器件进行一次同步操作，即各道在此时刻点重新对齐，前面累积的误差被消除，数据帧序号全部清零，帧计数器重新开始计数直到下一次同步命令到来。

进一步的，主控交叉站的FPGA内部包括锁相环模块、计数器、GPS接口模块、ADC接口模块、命令模块、以太网收发模块、数据组帧模块、数据发送模块以及CPU接口模块；

恒温晶振OCXO二输出进入FPGA芯片之后，首先通过锁相环模块产生4.096MHz的时钟供主控交叉站的ADC芯片以及FPGA内部的ADC接口模块使用；同时选择设定的分频系数产生后面计数器使用的时钟，此时钟在GPS信号实现三维定位之后的第一个秒脉冲上升沿开始启动计数，并且整个上电期间都不停止计数；

同时计数器在每计满规定时间之后，会通知命令模块产生下级采集站复位命令，此命令通过以太网接口模块发送到以太网收发器之后传递到下级采集主站；

所述ADC接口模块采集主控交叉站自身的8路ADC数据，之后会在组帧阶段同时记录下由计数器模块提供的绝对时间戳计数和帧数计数器提供的相对时间戳帧序号，组好的帧会连同从下级采集站发送上来的数据一起传递给CPU接口模块，CPU接口模块将向CPU发起DMA请求，并在得到响应后按照约定的时序将对应的帧数据送到CPU。

由上述技术方案可知，本实用新型所提出的适用于井下槽波地震仪的结构及同步方案，比之传统有缆地震仪方案省去了超长的炮线，比无缆节点存储式地震仪能实现实时监控数据质量，并且无论采集通道数有多少都仅需要在触发时刻记录仪和主控交叉站中安装GPS设备以及恒温晶振，极大降低了系统功耗，大大提升了实用性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的触发记录仪结构框图；

图3是本实用新型的主控交叉站结构框图；

图4是本实用新型的主控交叉站FPGA内部结构框图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1所示为本实用新型实施例所描述的槽波地震仪系统的结构图。整个地震仪由主机、主控交叉站、采集站、大线电缆、传感器以及触发时刻记录仪和爆炸机组成。其中采集站是构成整个系统的基本单元，采集站将传感器的信号采集并数字化之后逐级向上传输(朝主控交叉站方向)，所有的采集数据最终汇总在主控交叉站上并上传到主机。

爆炸机采用矿山上常见的MFB50-2型发爆器，触发记录仪通过两根线连到爆炸机，起爆时候记录仪可以检测到这两根线短路，然后记录触发时刻。触发记录仪内部包括GPS接收器，恒温晶振(OCXO)，STM32系列的MCU，以太网ETH，SD存储卡，触发拾取电路。每次工作之前记录仪先在井上获取到GPS信息，之后依靠板上恒温晶振超高的频率稳定度持续计数，每次检测到触发信号的时候会记录下恒温晶振在GPS锁定之后的总计数，并且存入到板上的SD存储卡。

本实用新型实施例触发记录仪内部所使用的恒温晶振型号是ECOC-2522-38.400-3FS，其频率稳定度是5ppb(十亿分之五)，使用此晶振48小时连续计数累计误差在0.864ms。这个指标完全可以满足槽波地震仪在井下总工作时间，也就是说在整个勘探期间这个触发记录仪可以认为是零误差的，不必拿到井上再重新通过GPS校正时钟。

本实用新型实施例的另一个核心装备是主控交叉站，它一方面和普通采集站一样完成检波器数据采集，另一方面它要负责整个采集系统的时间同步。它由一片EP4CE55F23I7N的FPGA(现场可编程门阵列)，AM3352BZCZ的CPU，8片ADC，两个以太网收发器ETH1和ETH2，GPS模块以及OCXO组成。它在工作开始之前需要和触发记录仪一样在井上上电获取到GPS信息之后再拿到井下工作。之后同样依靠板上恒温晶振持续计数，这个计数器在整个井下工作期间都不复位。值得一提的是整个系统就这两个设备需要GPS功能，需要超高频率稳定度的恒温晶振。强调GPS功能和恒温晶振主要是从系统功耗成本来考虑，尤其是恒温晶振其功耗巨大，可以达到1.5W到3W，超过采集系统其它功耗之和，由此可见不采取节点存储地震仪的每站一个恒温晶振的方案有着巨大的优势。其他采集站仅仅需要功耗低得多的普通温补晶振。主控交叉站的FPGA在自身的ADC采集到的数据完成组数据帧的时候加入此时恒温晶振的计数的5个字节，这相当于每帧数据有帧序号的同时还有GPS时钟同步之后的绝对时间戳。帧序号被用来从没有绝对时间戳的采集站中提取数据。

其他采集站是系统基本单元，负责采集整条测线上地震传感器数据。其基本结构与陆地上常用的分布式地震仪并无本质区别。然而通过主控交叉站上的定时同步命令，采集站能仅仅采用280ppb频率稳定度的温补晶振达到累计长时间相当于5ppb的稳定度。在本实用新型实施例采集站使用的温补晶振型号是7N-19.200MBP-T，其标称频率19.2MHz，稳定度为280ppb。这个稳定度决定了此晶振自由运行不到1小时其累计偏差就已经达到1ms，如果放任其自由运行48小时其累计误差将大于48ms，按照1ms采样间隔计算此时同步误差已经达到48个采样点，会造成严重错位而无法使用。本实用新型给出的解决方法是由主控交叉站每隔半个小时下发一次同步命令，所有采集站在收到此命令之后都对ADC器件进行一次同步操作，这意味着各道在此时刻点重新对齐，前面累积的0.5ms误差将被消除，数据帧序号全部清零，帧计数器重新开始计数直到下一次同步命令到来。

以下具体说明本实用新型实施例：

本实用新型实施例的地震仪在下井勘探之前首先要在井上同步主控交叉站和触发记录仪，具体做法是上电后等待GPS信号的3D fix(GPS模块输出的NMEA语句中的GPGSA语句中的Mode2字段为3)，当其为3之后的第一个秒脉冲的上升沿所对应的GPS时间需要记录(年月日时分秒记录下来)，并且恒温晶振作为时钟的计数器此时开始计数。值得注意的是这两个设备使用的是各自的GPS接收器，所以3D fix的时刻是不一样的，需要分别记录下来其锁定时刻用于最终数据提取。都完成锁定之后这两个设备需要不断电带到井下。

在井下触发时刻记录仪将两芯触发线连接到爆炸机的触发输出，通过光耦电路将短路触发信号转换成脉冲输出，并且记录此脉冲上升沿所对应的恒温晶振计数器的计数。由于在井下可能会持续运行48小时，并且本方案采用的时钟是38.4MHz，所以需要一个48位的计数器。而STM32中计数器最大只有32位，其余是16位的计数器，所以需要级联两个计数器合成一个48位计数器。本程序中采用将TIM2和TIM3级联实现，TIM2在计数溢出之后产生一个事件ITR2，将此事件作为TIM3的触发信号。STM32上运行的程序负责将触发时刻这两个计数器的计数合并成48位数据并存入SD卡中文件里。

主控交叉站实现同步功能的核心部分是在FPGA内部。如图4所示，主控交叉站的FPGA内部由锁相环模块、计数器、GPS接口模块、ADC接口模块、命令模块、以太网收发模块、数据组帧模块、数据发送模块以及CPU接口模块组成。恒温晶振输出进入FPGA芯片之后，首先通过锁相环产生4.096MHz的时钟供板上的ADC芯片以及FPGA内部的ADC接口模块使用。同时选择适当的分频系数产生后面计数器使用的时钟，此时钟在GPS信号实现三维定位之后的第一个秒脉冲上升沿开始启动计数，并且整个上电期间都不停止计数。同时计数器在每计满半小时之后，会通知命令模块产生下级采集站复位命令。此命令通过以太网接口模块发送到以太网收发器之后传递到下级采集主站。另一方面ADC接口模块负责采集本站自身的8路ADC数据，之后会在组帧阶段同时记录下由计数器模块提供的绝对时间戳计数和帧数计数器提供的相对时间戳帧序号。组好的帧会连同从下级采集站发送上来的数据一起传递给CPU接口模块，后者负责将向CPU发起DMA请求，并在得到响应后按照约定的时序将若干帧数据送到CPU。

进一步的说，恒温晶振输出信号进到FPGA之后连接到锁相环来产生4.096MHz的时钟信号供ADC芯片以及ADC接口模块使用。这个超高精度的时钟同时会驱动一个48位计数器，此计数器与触发记录仪里的一样是在GPS信号锁定之后的第一个秒脉冲上升沿开始计数，数据组帧模块在每次组成一个数据帧的时候就会将这个计数器当前的计数写入帧中，结合起始的GPS时间戳就相当于知道了每一帧数据的组帧时刻。另一方面各采集站的数据均通过以太网到达FPGA内以太网接口模块，然后这部分数据被发送到数据发送模块。之后本站组的数据帧以及采集站通过以太网发送来的数据帧会轮流的被发送到CPU接口模块从而往主机端传输。所不同的是本地数据帧既有相对的帧序号也有绝对的GPS时刻，而采集站的数据帧仅仅有相对的帧序号。这样就实现了通过触发记录仪中放炮的绝对GPS时刻找到此时的主控站内数据帧序号，通过这个帧序号就可以提取各采集站中同样帧序号的那些数据帧，从而组合成最终原始单炮记录。FPGA内部还包含一个命令模块，它在计数器每计满半小时都会通过以太网下发同步命令，使得各采集站重新同步，帧序号清零。

采集站通过以太网模块接收命令或者上传采集数据。当其接收到同步命令之后，会使能ADC芯片的同步信号，并且复位帧序号计数器，之后开始持续采集数据，按照自定义的协议组帧(帧序号开始自加)。每次同步之后本地的280ppb晶振累计的误差显然是消除了，整个系统的绝对时间误差变成了主控交叉站上的5ppb晶振的累计误差。正是通过这种方式实现了低功耗成本的长时间高精度同步方案。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种适用于井下槽波地震仪，其特征在于：

包括依次连接的主机、主控交叉站、采集站、地震传感器，其中，采集站将地震传感器的信号采集并数字化之后向上传输给主控交叉站，主控交叉站上传到主机；

所述采集站采集整条测线上地震传感器数据；

还包括触发记录仪和爆炸机，触发记录仪通过两根线连到爆炸机，爆炸机起爆时触发记录仪检测到这两根线短路，然后记录触发时刻。

2.根据权利要求1所述的适用于井下槽波地震仪，其特征在于：所述触发记录仪内部包括MCU，以及分别与MCU通讯连接的GPS接收器、恒温晶振OCXO一、以太网ETH及SD存储卡；

每次工作之前触发记录仪先通过GPS接收器在井上获取到GPS信息，之后通过恒温晶振OCXO一持续计数，每次检测到触发信号的时候会记录下恒温晶振OCXO一在GPS接收器锁定之后的总计数，并且存入到SD存储卡。

3.根据权利要求1所述的适用于井下槽波地震仪，其特征在于：所述主控交叉站包括FPGA，以及分别和FPGA通讯连接的CPU、8片ADC、以太网收发器ETH1和ETH2、GPS模块以及恒温晶振OCXO二；

主控交叉站在工作开始之前在井上上电通过GPS模块获取到GPS信息之后再拿到井下工作；

所述主控交叉站工作时通过恒温晶振OCXO二持续计数并在整个井下工作期间都不复位。

4.根据权利要求3所述的适用于井下槽波地震仪，其特征在于：

所述采集站为N，N为大于或等于1的自然数；

主控交叉站每隔设定时间下发一次同步命令，所有采集站在收到此命令之后都对所有ADC器件进行一次同步操作，即各道在此时刻点重新对齐，前面累积的误差被消除，数据帧序号全部清零，帧计数器重新开始计数直到下一次同步命令到来。

5.根据权利要求4所述的适用于井下槽波地震仪，其特征在于：

所述采集站使用的温补晶振型号是7N-19.200MBP-T，其标称频率19.2MHz，稳定度为280ppb。

6.根据权利要求3所述的适用于井下槽波地震仪，其特征在于：

主控交叉站的FPGA内部包括锁相环模块、计数器、GPS接口模块、ADC接口模块、命令模块、以太网收发模块、数据组帧模块、数据发送模块以及CPU接口模块；

恒温晶振OCXO二输出进入FPGA芯片之后，首先通过锁相环模块产生4.096MHz的时钟供主控交叉站的ADC芯片以及FPGA内部的ADC接口模块使用；同时选择设定的分频系数产生后面计数器使用的时钟，此时钟在GPS信号实现三维定位之后的第一个秒脉冲上升沿开始启动计数，并且整个上电期间都不停止计数；

同时计数器在每计满规定时间之后，会通知命令模块产生下级采集站复位命令，此命令通过以太网接口模块发送到以太网收发器之后传递到下级采集主站；

所述ADC接口模块采集主控交叉站自身的8路ADC数据，之后会在组帧阶段同时记录下由计数器模块提供的绝对时间戳计数和帧数计数器提供的相对时间戳帧序号，组好的帧会连同从下级采集站发送上来的数据一起传递给CPU接口模块，CPU接口模块将向CPU发起DMA请求，并在得到响应后按照约定的时序将对应的帧数据送到CPU。

7.根据权利要求1所述的适用于井下槽波地震仪，其特征在于：所述触发记录仪内部的恒温晶振OCXO一采用型号是ECOC-2522-38.400-3FS，其频率稳定度是5ppb。

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