CN216561032U - 一种微地震观测装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种微地震观测装置，涉及探测设备技术领域。该微地震观测装置包括采集组件、主控模块和通讯接口组件；所述采集组件包括多个地震传感器、前级处理器和数据转换滤波器，所述多个地震传感器分别与所述前级处理器连接，所述前级处理器与所述数据转换滤波器连接；所述主控模块与所述数据转换滤波器连接；所述通讯接口组件与所述主控模块连接。该微地震观测装置可以实现微震信号的检测和识别的技术效果。

Description

一种微地震观测装置

技术领域

本申请涉及探测设备技术领域，具体而言，涉及一种微地震观测装置。

背景技术

冷泉(cold seep)即海底天然气渗漏，在全球是一个广泛分布的自然现象，指分布于大陆边缘海底来自沉积界面之下、以水、碳氢化合物(天然气和石油)、硫化氢、细粒沉积物为主要成分，流体温度与海水相近的流体，并广泛发育于活动和被动大陆边缘斜坡海底。

现有技术中，针对冷泉微地震探测活动的观测仪器尚存在许多问题，如由于冷泉活动产生的微震规模和能量均不清楚，导致微震信号检测和识别都难以进行；对于仪器本身，由于设计工作时间超过6个月，如何保持微震信号长周期采集的持续性和稳定性，是现有观测仪器的一大挑战等。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种微地震观测装置，可以实现微震信号的检测和识别的技术效果。

本申请实施例提供了一种微地震观测装置，包括采集组件、主控模块和通讯接口组件；

所述采集组件包括多个地震传感器、前级处理器和数据转换滤波器，所述多个地震传感器分别与所述前级处理器连接，所述前级处理器与所述数据转换滤波器连接；

所述主控模块与所述数据转换滤波器连接；

所述通讯接口组件与所述主控模块连接。

在上述实现过程中，该微地震观测装置通过多个地震传感器放置于探测点周围，如特定活动冷泉喷口周围，可以从不同位置和角度连续采集冷泉活动、地层空隙物质固态-液态-气态转化造成的地层变化，地压释放而产生的微小震动信号；地震传感器获取的模拟信号通过前级处理器进行前置处理，处理后模拟信号经过数据转换滤波器放大后进行数字化转换，进入主控模块进行授时、编码、记录和存储等，通讯接口组件提供主控模块与上位机之间的通信连接，将地震传感器获取的信号传输至上位机；从而，该微地震观测装置可以实现微震信号的检测和识别的技术效果。

进一步地，所述地震传感器为正交三分量矢量传感器。

在上述实现过程中，正交三分量矢量传感器的灵敏度高、低频响应好。

进一步地，所述采集组件包括四个地震传感器，所述四个地震传感器呈矩形排列。

在上述实现过程中，四个地震传感器呈矩形排列可以使微地震数据的采集更准确、高效。

进一步地，所述采集组件还包括自检系统，所述自检系统与所述数据转换滤波器连接。

在上述实现过程中，自检系统可提供低失真，数字合成电压输出。

进一步地，所述装置还包括电源板，所述电源板与所述主控模块连接。

进一步地，所述通讯接口组件包括供电接口，所述电源板通过所述供电接口与所述主控模块连接。

在上述实现过程中，通过供电接口给主控模块实现电源供给。

进一步地，所述通讯接口组件还包括高速网络通讯接口，所述高速网络通讯接口与上位机连接。

在上述实现过程中，通过高速网络通讯接口，主控模块可以实现与上位机高效的数据交互。

进一步地，所述装置还包括备用电池，所述备用电池与所述主控模块连接。

进一步地，主控模块包括32位ARM(Advanced RISC Machines，高级精简指令集处理器)高速处理器。

进一步地，所述主控模块包括原子钟和卫星定位接收器，所述原子钟、所述卫星定位接收器分别与所述32位ARM高速处理器连接。

在上述实现过程中，原子钟和卫星定位接收器能够实现精确给出信号接收传感器的准确GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)经纬度位置，内置计时器对接收到的振动信号精准授予绝对时间，实现深海活动冷泉微地震的可视化观测。

本申请公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请公开的上述技术即可得知。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的微地震观测装置的结构框图；

图2为本申请实施例提供的前级处理器和数据转换滤波器的电路结构示意图；

图3为本申请实施例提供的地震传感器的安装位置示意图；

图4为本申请实施例提供的微地震观测装置的结构框架图。

图标：100-采集组件；110-地震传感器；120-前级处理器；130-数据转换滤波器；140-A/D模数转换及信号处理电路；200-主控模块；300-通讯接口组件；400-数据仪器站；500-电源管理电路。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

本申请实施例提供了一种微地震观测装置，可以应用于微地震活动的观测中，例如深海活动冷泉流体喷逸引起的浅地层微地震地质现象；该微地震观测装置通过多个地震传感器放置于探测点周围，如特定活动冷泉喷口周围，可以从不同位置和角度连续采集冷泉活动、地层空隙物质固态-液态-气态转化造成的地层变化，地压释放而产生的微小震动信号；地震传感器获取的模拟信号通过前级处理器进行前置处理，处理后模拟信号经过数据转换滤波器放大后进行数字化转换，进入主控模块进行授时、编码、记录和存储等，通讯接口组件提供主控模块与上位机之间的通信连接，将地震传感器获取的信号传输至上位机；从而，该微地震观测装置可以实现微震信号的检测和识别的技术效果。

请参见图1，图1为本申请实施例提供的微地震观测装置的结构框图，包括采集组件100、主控模块200和通讯接口组件300。

示例性地，采集组件100包括多个地震传感器110、前级处理器120和数据转换滤波器130，多个地震传感器110分别与前级处理器120连接，前级处理器120与数据转换滤波器130连接。

示例性地，主控模块200与数据转换滤波器130连接。

示例性地，通讯接口组件300与主控模块200连接。

示例性地，地震传感器110可选用CME-4311型正交三分量矢量传感器，也可选用备选MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统) 传感器；应理解，地震传感器110的具体型号仅作为示例而非限定，地震传感器110也可以选用其他型号。

示例性地，前级处理器120可以是有源控制切换矩阵模块，对地震传感器110获取的模拟信号进行前置处理；处理后的模拟信号经过数据转换滤波器130进行差分放大以及数字化转换，并通过可编程滤波器滤波抑噪等处理后进入主控模块200进行授时、编码、记录和存储。

示例性地，通讯接口组件300可分别连接主控模块200和上位机，实现外部上位机对主控模块200进行数据的访问、选择性下载、工作状态的监控和有限设置，并具备供电接口，为仪器正常工作供电及为备用电池充电。

示例性地，前级处理器120和数据转换滤波器130共同构成信号的采集板。

请参见图2，图2为本申请实施例提供的前级处理器和数据转换滤波器的电路结构示意图。

示例性地，前级处理器120和数据转换滤波器130实现对地震传感器 110的信号前置处理和数据转换滤波；其中，数据转换滤波器130可选用型号数据转换滤波芯片ADS1282。

示例性地，数据转换滤波芯片ADS1282具有31bit转换精度，两路输入的高性能ADC(analog to digital converter，模拟数字转换器)；250SPS 采样率下SNR可达-130dB，THD-120dB；低噪声PGA，可编程为x1、x2、 x4、x8、x16、x32；是一种可编程的FIR+SINC+IIR滤波器；在FIR滤波器下采样率可选：250SPS，500SPS，1KSPS，2KSPS，4KSPS。在SINC滤波器下，可选：8KSPS，16KSPS，32KSPS，64KSPS，128KSPS。

示例性地，地震传感器110通过连接线和接插件与仪器舱连接，完成数据采集传输；其中，接插件可以是BNC(Bayonet Nut Connector，刺刀螺母接头)，连接线可以是21芯电缆。

示例性地，采集组件100除了地震传感器110之外的电子元件与主控模块集成至一张电路板上。

请参见图3，图3为本申请实施例提供的地震传感器的安装位置示意图。

示例性地，地震传感器110为正交三分量矢量传感器。

示例性地，正交三分量矢量传感器的灵敏度高、低频响应好。

示例性地，采集组件100包括四个地震传感器110，四个地震传感器呈矩形排列。

示例性地，本申请实施例提供的微地震观测装置，可以用于海底冷泉原位智能监测/探测站微地震观测；该微地震观测装置是以高灵敏度、低频响应好的三分量地震检波器(即正交三分量矢量传感器)和大动态范围信号采集记录系统为主体，辅助目前高速数据流传输、高精度原子钟授时等先进电子技术的独立地震数据采集仪器。

示例性地，图3所示为3个地震传感器110和一个数据仪器站400，其中数据仪器站400集成一个地震传感器110、前级处理器120和数据转换滤波器130、主控模块200、通讯接口组件及其他必要电子元件；数据仪器站 400根据总体配重，安装在智能观测站其中一个支撑脚位置，内置1个地震传感器110；3个地震传感器110采用外置单独封装，放置到智能观测站3 个支点外侧位置，形成角度为90°的采集矩阵，每个地震传感器110通过水密电缆与数据仪器站400相连接，用于供电和采集模拟数据传输。

示例性地，数据仪器站400的耐压设计采用成熟球形玻璃仪器舱方案，仪器舱尺寸为直径17英寸，分上下两个半球组成。下半球主要放置UPS 备用电源系统，其中电池采用防爆，阻燃材料包裹，确保仪器运行安全，电子记录部分高度集成化设计并设计金属屏蔽罩，增强抗干扰能力，确保数据记录稳定无缺失。

在一些实施方式中，地震传感器110选用型号为CME-4311型正交三分量矢量传感器。CME-4311型正交三分量矢量传感器是一种目前国际上最先进的分子-电子传感器，是采用液体作为测量介质，通过检测液体内离子的电荷迁移来表征液体相对运动的技术。一个分子-电子传感器一般包含微孔的介电隔离片隔开的4个电极(配置：阳极-阴极-阴极-阳极)，而内部充满了高浓度的碘基电解液，可在电极和介电隔离片的孔隙可以进行自由移动。通道的两端被高弹性隔膜覆盖，使液体遵守惯性定律。当在阳极和阴极之间施加300mV直流电时，在阳极-阴极之间产生离子浓度梯度。由于电解质的导电性，偏移电压和其相关电流只会导致电极之间产生离子浓度差。当该传感器受到地面运动的加速，流体相对于电极产生流动，造成电荷转移，进而导致电流发生变化。该电流变化与流体速度(通过电极)成正比，因而输出一个与运动速度成正比的模拟信号。因此传感器一般为速度型传感器。电极对称排列提高了传感线的线性度，用反馈操作极大提高响应，增加线性和动态范围，其灵敏度、频率范围和动态范围技术指标是目前主流其他商业化地震矢量传感器无法比拟的，可以满足冷泉活动引发的微地震检测要求。

示例性地，采集组件100还包括自检系统，自检系统与数据转换滤波器130连接。

示例性地，自检系统的型号可以为DAC1282；DAC1282是一款单芯片测试信号生成器，此转换器可提供低失真，数字合成电压输出，可编程输出“正弦”，“DC”，“脉冲”三种信号；其中，正弦用于模拟不同的频率与幅度的震源信号，可测试采样精度及采样后还原情况；DC信号可测试的直流偏移，信噪比等参数；脉冲信号可测试采样精度及采样后还原情况。

示例性地，该微地震观测装置还包括电源板，电源板与主控模块200 连接。

示例性地，电源板的输出端DC OUTPUT与供电接口DC INPUT连接。

示例性地，该微地震观测装置还包括备用电池，备用电池与主控模块连接。

在一些实施方式中，备用电池为1组20AH电池，输出电压为14.8V；考虑给备用电池充电，外部输入供电为16.8V—24V。电源板输出+12V、+5V、 +3.3V几组电源；其中12V供地震传感器110。

示例性地，通讯接口组件300包括供电接口DC INPUT，电源板通过供电接口DCINPUT与主控模块200连接。

示例性地，通过供电接口DC INPUT给主控模块200实现电源供给。

示例性地，通讯接口组件300还包括高速网络通讯接口，高速网络通讯接口与上位机连接。

示例性地，通过高速网络通讯接口，主控模块200可以实现与上位机高效的数据交互。

示例性地，主控模块200包括32位ARM高速处理器。

示例性地，32位ARM高速处理器可选用型号STM32F427；主控模块 200的具体参数可配置如下：32-bit Cortex M4，FPU；外理速度 1.25DMIPS/MHz，225DMIPS@180MHz；大容量2MB FLASH，256K SRAM； 50Mbit SPI接口；48Mbit SDIO接口；11.25Mbit USART接口；54MB并行传输能力；全外设DMA传输；硬件CRC校验生成器；USB2.0 Full-speed/OTG/host；内部时钟选用原子钟，外部授时采用北斗/GPS高精度授时系统，一次授时，确保观测6个月周期内时钟误差不超过1个采样(4ms) 时间间隔；采集电路内置20AH的内部UPS电源，用于外部供电异常或断电情况下仪器正常运转，确保工作时长超过3天。

示例性地，主控模块200包括原子钟和卫星定位接收器，所述原子钟、所述卫星定位接收器分别与所述32位ARM高速处理器连接。

示例性地，本申请实施例使用的原子钟可以是便携式原子钟产品 SA.45s，具备小于120mW的极低功耗；预热时间<110S。

示例性地，本申请实施例提供的微地震观测装置，可以用于海底冷泉原位智能监测/探测站微地震观测，是海底冷泉原位智能监测/探测站实现海底冷泉系统活动过程中，针对冷泉深部物质“固-液-汽”相态变化以及冷泉流体物质移动、冲击而引起的地层地质活动，应用地震多分量(加)速度传感器布设海底开展原位微震动信号采集、实时可视化监测等功能的执行机构，设计总体要求工作水深为3000m，采用外部供电模式，内置自持电源作为紧急备用电源使用，采用3分量矢量检波方案，内部存储空间足够记录超过6个月；设计仪器数据对外交互模块，方便数据随时访问和上载。

在一些实施方式中，该微地震观测装置的设计主要分三部分，第一部分为三分量地震传感器110，用于获取地层微弱震动信号；第二部分是数据 A/D采集、记录存储部分，对地震传感器获取的震动模拟信号进行数字化采样，转换为可存储的数字编码格式数据，记录并存储在设计的内存中；第三部分为独立访问接口，通过设计特定的网络通讯协议，实现与外部上位控制机进行数据、命令交互及能源供给。

在一些实施方式中，该微地震观测装置的外部承压框架选择目前国际上成熟深水耐压玻璃仪器舱结构，已经广泛应用于海底地震仪以及其它深海坐底仪器的耐压保护容器设计之中。玻璃仪器舱选用17寸玻璃浮球，耐压水深为6000m。主采集电路和UPS电池等部件水平放置玻璃球舱中上下排列并进行防火、防爆处理。三分量检波器单独深水耐压封装，通过21芯电缆和接插件与仪器舱连接，完成数据采集传输。仪器舱设计2个接插件插头，一个是21针插头，用于连接地震检波器，一个是10针插头，用于连接观测站主系统。整个微地震子系统外部尺寸为600×600×700mm，空气中重量为40KG，水中重量为-12KG(可调整)；地震传感器外部尺寸为 (直径×高度)200×200mm，空气中重量为6KG，水中重量为4KG。

请参见图4，图4为本申请实施例提供的微地震观测装置的结构框架图。

在一些实施方式中，该微地震观测装置根据功能设计分为4大部分，分别是数据采集地震传感器110、A/D模数转换及信号处理电路140、主控模块200(系统主控及数据管理电路)和电源管理电路500。三分量地震传感器通过21芯水密电缆与主机连接，采集地震信号经过前置放大，数字采样，数字滤波降噪处理后，通过高速数据通道进入系统主控电路，完成数据的编码，授时，校验及存储。网络模块独立设计，可以实现主观测站对微震子系统数据访问和状态监控。电源管理系统通过10针插口与主观测站供电系统连接，将外部电源输入转换成不同电压输出给子系统各个模块，并监控和控制内部UPS电池系统，在外部断电情况下，启动UPS电源，在 UPS电源电量过低时，利用外部电源为其充电，在外部电源正常供电时旁路掉UPS电源。子系统设计要求外部供电电压为24V(16.8V)，供电电流≥1A，UPS电池输出电压为12V-16V。

在一些实施方式中，设计微震动观测装置，能够实现精确给出信号接收传感器的准确GNSS经纬度位置，内置计时器对接收到的振动信号精准授予绝对时间，实现深海活动冷泉微地震的可视化观测。

在本申请所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本申请实施例不再多加赘述。

应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在本申请的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应与权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种微地震观测装置，其特征在于，包括采集组件、主控模块和通讯接口组件；

所述采集组件包括多个地震传感器、前级处理器和数据转换滤波器，所述多个地震传感器分别与所述前级处理器连接，所述前级处理器与所述数据转换滤波器连接；

所述主控模块与所述数据转换滤波器连接；

所述通讯接口组件与所述主控模块连接；

所述采集组件包括四个地震传感器和一个数据仪器站，其中所述数据仪器站集成一个所述地震传感器、所述前级处理器、所述数据转换滤波器、所述主控模块、所述通讯接口组件；所述数据仪器站根据总体配重，安装在智能观测站其中一个支撑脚位置；其他三个所述地震传感器采用外置单独封装，放置到智能观测站的三个支点外侧位置，形成角度为90°的采集矩阵。

2.根据权利要求1所述的微地震观测装置，其特征在于，所述地震传感器为正交三分量矢量传感器。

3.根据权利要求1所述的微地震观测装置，其特征在于，所述采集组件还包括自检系统，所述自检系统与所述数据转换滤波器连接。

4.根据权利要求1所述的微地震观测装置，其特征在于，所述装置还包括电源板，所述电源板与所述主控模块连接。

5.根据权利要求4所述的微地震观测装置，其特征在于，所述装置还包括备用电池，所述备用电池与所述主控模块连接。

6.根据权利要求4所述的微地震观测装置，其特征在于，所述通讯接口组件包括供电接口，所述电源板通过所述供电接口与所述主控模块连接。

7.根据权利要求6所述的微地震观测装置，其特征在于，所述通讯接口组件还包括高速网络通讯接口，所述高速网络通讯接口与上位机连接。

8.根据权利要求1所述的微地震观测装置，其特征在于，主控模块包括32位ARM高速处理器。

9.根据权利要求8所述的微地震观测装置，其特征在于，所述主控模块包括原子钟和卫星定位接收器，所述原子钟、所述卫星定位接收器分别与所述32位ARM高速处理器连接。

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