CN2394234Y - 海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型推出一种用于海洋地震勘探的数据采集一体化单元,属于海洋地球物理勘探测量领域。该一体化单元由海底电缆、水听器部件、四道地震数据采集电子单元、三分量检波器部件、壳体和电缆接头所构成。可同时接收纵波、横波、水听器共四个分量的数据。检波器被置于同一双轴万向架上可实现360度转动。四通道地震数据采集电子单元由Σ－Δ型24位模数转换器通道及高速数传接收、发送及编译码电路组成高精度、高信噪比采集部件,各个部件之间采用无抽头的水密电缆互连并可在海底拖曳作业。

Description

海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元

本实用新型属于海洋地球物理勘探测量领域，主要用于海洋地震勘探测量的数据采集。

现有技术中海洋地震勘探的数据采集单元或数据采集系统，一种方式是采用拖缆式模拟信号传输、集中式数字化处理和资料记录，但所采集的数据信号其信噪比较差；另一种方式是采用分布式海底电缆数据采集单元，它多为12至24道数据采集、数字传输和中心站记录，但由于电缆上分布有多个检波器抽头，检波器作为传感器被捆绑在电缆上无法拖动，因此生产施工难度较大，而且因模拟信号线很长带来较大干扰，采集的数据信噪比差、且产品造价昂贵。

本实用新型的目的在于提供一种新型的、轻便的、可拖曳的海底四分量地震数据采集一体化单元。该单元可同时采集一个纵波垂直分量、二个横波水平分量检波器和水听器分量共四个分量的数据信号，前面三个检波器为速度型传感器，后面一个水听器为加速度型传感器。

本实用新型以如下方式实现。

当在海底开展地震数据采集作业时，按测量需要多个地震数据采集一体化单元可通过海底电缆(又称海底拖缆)串联连接，每个采集一体化单元均能同时采集到一个纵波垂直分量、二个横波水平分量检波器和水听器分量共四个分量的数据信号。前面三个检波器为速度型传感器，并且均被置于同一双轴万向架上，可以灵活地实现360度的转动，后一个分量水听器采用加速度型传感器。作为传感器的四个分量的检波器和数据采集电子单元共同被安装于一个密封壳体内，壳体通过电缆接头与无抽头的水密封海底电缆相连结后就构成一个完整采集一体化单元，即集成于一体，检波器与采集通道之间用短线在内部连结，各个地震数据采集一体化单元之间均采用无抽头的水密封电缆互连，每个单元均为一个四分量接收点，多个单元串接后可构成一个多道采集系统。

当四个分量的数据信号进入地震数据采集电子单元中时，经过大线滤波器可滤除信号中高频干扰，送入前置放大器后将信号放大或不放大，然后送入A/D转换器进行量化，被量化后的采样数据由单片微处理器，按采样周期及通道顺序经数传电路编码后送入传输电缆的数据流中，由传输电缆送往地面中心站进行数据编排和记录，并将记录带(或记录盘)作为资料带(或资料盘)提供给处理中心进行资料处理，从而获得海洋地震勘探的测量资料。

本实用新型有如下优点。

由于每个地震数据采集电子单元的数据采集通道数只有4道，因此体积可大大缩小；而且作为传感器的检波器与电子单元采集通道之间的连线非常短为内部连接，并且被密封于同一壳体内，因此可避免外部海水及其它物体对模拟信号线的扰动，大大地降低了对信号的干扰，对电磁干扰也有较好的抑制。三个分量检波器包括一个纵波分量和二个横波分量检波器均被置于同一双轴万向架上可以完成360度转动，使其能够始终保持良好的接收状态。由于各数据采集电子单元之间的电缆连结是无抽头的水密封电缆互连，而且由于采集数据道数较少使得连结电缆长度也相应减少，因此所用海底电缆可以做到直径小、重量轻、造价低廉、方便施工、易于维修，并且可以在比较平坦的泥沙海底自由拖动。

附图说明。

图1是海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元结构总示意图

图2是三分量检波器部件结构示意图

图3是水听器部件结构示意图

图4是四道地震数据采集电子单元结构示意图

图5是四道地震数据采集电子单元电原理框图

图6是海底拖缆结构示意图

图7是电缆接头结构示意图

下面结合附图详述本实用新型的实施例。

参照图1，海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元是由海底拖缆1、水听器部件2、四道地震数据采集电子单元3、三分量检波器部件4、壳体5、电缆接头6所构成。三分量检波器和水听器用于采集一个地震纵波垂直分量、二个地震横波水平分量和水听器分量共四个分量的数据信号，并和数据采集电子单元共同被安装于完全密封壳体5内，壳体由防磁不锈钢材料制成，具有水密封、耐高压性能，能承受小于3兆帕海水压力。壳体通过电缆接头6与无抽头的水密封海底电缆1相连接后就构成一个完整的海底拖曳四分量地震数据采集～体化单元，该单元避免了检波器在电缆上捆绑以及在电缆上抽头，因此可实现海底拖曳作业要求，大大提高了施工效率。这样的一体化单元多个串接后可构成一个多道采集系统。

参照图2，三分量检波器部件4是由一个地震横波水平分量SX检波器7、一个地震横波水平分量SY检波器8、一个地震纵波垂直分量V检波器9、一个双轴万向架10所构成。三个检波器均为速度型检波器，并且被置于同一双轴万向架9上，可以灵活地实现360度的转动，接收地震波中的纵波和横波分量信号。上述三个作为传感器的检波器其自然频率为10赫兹加减百分之2.5，假频大于等于300赫兹，开路阻尼是0.68欧姆，灵敏度为每秒每厘米0.30伏特，畸变小于等于百分之0.1。三分量检波器用于采集地震数据信号并送入四道地震数据采集电子单元3中的SX、SY和V三个数据信号输入道。

参照图3，水听器部件2是由若干个薄壁园管形功能陶瓷片11、小型阻抗变换变压器12、透声外壳13所构成。它实际上是一个低频电压输出的加速度型传感器。该水听器自然频率为10赫兹加减百分之1.5，灵敏度为每巴13伏特加减百分之15(每微巴-197.7分贝加减1.5分贝)，频率响应为10至1000赫兹(通带波动范围为正负1分贝)，工作压力为2兆帕，最大能承受3兆帕海水压力，水听器部件可采集地震数据信号并送入四道地震数据采集电子单元3中的H数据信号输入道，主要用于检测海底振波鸣振情况。

参照图4，四道地震数据采集电子单元3是由CPU板14、数传板15、通道1-2采集板16、通道3-4采集板17、电源板18、印刷板支架19所构成。各印制电路板之间采用了连接器直接连接的无背板结构，具体每个板的组成和数据信号在各个板之间传输过程将在图5中叙述。

参照图5和图4，通道1-2采集板16和通道3-4采集板17是由大线滤波器20、前置放大器21、∑-Δ型24位A/D转换器22(其中包括调制器23和数字滤波器24)、数据寄存器25所组成，用以完成三分量检波器和水听器共四个分量数据信号的接收和量化。CPU板14是由微处理器芯片26、程序与数据存贮器27、读写译码及控制电路28所组成。数传板15是由数据及命令缓冲器29、编码、译码电路及各种寄存器30、接收及发送接口电路31所组成。电源板18是由DC/DC变换器32(数字+5V)、DC/DC变换器33(模拟±5V)、大线电源输入器34(60至240V DC)所组成。

现结合附图5来叙述四道地震数据采集电子单元的基本工作过程。

由三分量检波器7、8、9和水听器2送来的四个分量数据信号SX、SY、V、H进入地震数据采集电子单元3的四个通道中，经过大线滤波器20滤除高频干扰后，由精密仪表放大器构成的前置放大器21将信号放大0、8、64倍(即放大0、18、36分贝)，这三种固定增益0、1 8和、36分贝可程控选择，然后送入∑-Δ型24位A/D转换器22进行量化。该A/D转换器为24位，其中1位是符号位，23位是尾数位，24位A/D转换器包括调制器23和数字滤波器24，调制器将信号进行过采样及增量调制，并由数字滤波器进行去假频滤波及抽取滤波，转换后的数据被暂存于数据寄存器25中。

对每一通道而言，被量化后的采样数据由单片微处理器芯片26，按采样顺序及道序进行编排后将数据送入数传板15的数据及命令缓冲器29中。CPU板14中的程序与数据存贮器27(又称程序存贮器和数据存贮器)提供可供执行的程序指令码，读写译码及控制电路28是用来将中心站送来的命令进行译码后产生各种指令以控制采集通道和数传部分的工作。另外，在数传板15中，由接收及发送接口电路31接收传输线送来的命令数据流，送给编码、译码电路30译码、经数据及命令缓冲器29送入CPU以实现对电子单元的各种参数设置及控制，或将采集数据由编码、译码电路30编码后再由接收及发送接口电路31发送到传输线中。

四道地震数据采集电子单元3的供电是由中心站通过海底电缆1提供60伏至240伏直流，由大线电源输入器34的输入端供给，并经过DC/DC变换器32产生数字电路所需+5V电源以及经过DC/DC变换器33产生模拟电路所需±5V电源，该三组稳定的直流电源同时供给保证了电子单元各部分即通道1-2采集板16、通道3-4采集板17、CPU板14和数传板15的正常工作。

四道地震数据采集电子单元3的主要技术指标如下：

道数为四道，采样率为0.5、1、2毫秒，频率响应为0至824赫兹，前放增益为0、18、36分贝，等效输入噪音小于0.2微伏RMS(36分贝增益2毫秒)，A/D转换器为∑-Δ型24位(其中1位符号位+23位尾数位)，谐波畸变小于百分之0.0005，数传速率为每秒6.144兆位，采用HDB3码型，误码率小于10^-8。

参照图6，海底拖缆(又称海底电缆)1由电缆外护套层35、电源线36、内层钢丝绳37、内护套层38、数传线39、外层钢丝绳40所构成。海底拖缆每段长31米，每段电缆两头装有防水、防腐、耐压的电缆接头6，电缆中间部位没有任何抽头，避勉了使用检波器在电缆上捆绑及抽头，海底电缆采用铠装结构设计，使电缆抗拉强度大大增强，满足了直接在海底进行拖曳作业要求，提高了施工效率。铠装结构电缆的缆芯包括一对电源线和二对数传线。一对电源线在摄氏20度31米长时其直流电阻小于2欧姆，当直流500伏特时每千米电源线其绝缘应大于等于150兆欧姆；二对数传线对于2至12兆赫兹频率信号其特性阻抗为145欧姆加减10欧姆。在电源线和数传线外面用内层钢丝绳37和外层钢丝绳40作为电缆的加强件，内层防腐钢丝绳用直径为1.0毫米镀锌高碳钢材料制成，外层钢丝绳由1.2毫米镀锌高碳钢材料制成，这样的结构使电缆拉断力做到大于等于6.5吨，工作载荷可达3.25吨，弯曲半径小于等于61厘米，外径小于等于22毫米，工作压力小于等于4兆帕。在缆芯与内层钢丝绳之间以及外层钢丝绳外面共挤制内护套层38与外护套层35做为电缆的护套件，二层护套层均由聚丙脂等绝缘材料制成，颜色为黑色，用以防止海水渗入，达到防水、防腐、耐压目的。

铠装电缆每根长度均为31米，在空气、淡水和海水中重量分别为21公斤、13.5公斤和7.7公斤，海底电缆主要用来作为四通道地震数据采集电子单元的数据传输和供电。

参照图7，电缆接头6是由多芯插座41、电缆接头体42所构成。电缆接头的结构设计能保证海底电缆与壳体间的水密封性能，使得海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元在海底拖曳作业中不致滑脱和泄漏。

Claims (8)

1.海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元由海底拖缆、水听器部件、四道地震数据采集电子单元、三分量检波器部件、壳体和电缆接头所构成，其特征在于海底拖缆包含有电缆外护套层、电源线、内层钢丝绳、内护套层、数传线和外层钢丝绳；水听器部件包含有薄壁园管形功能陶瓷片、阻抗变换变压器和透声外壳；四道地震数据采集电子单元包含有CPU板、数传板、通道1-2采集板、通道3-4采集板、电源板和印刷板支架；三分量检波器部件包含有一个地震纵波垂直分量检波器、二个地震横波水平分量检波器和双轴万向架；电缆接头包含有多芯插头座和电缆接头体。

2.按照权利要求1所述的海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元，其特征在于所述的海底电缆两端装有防水、防腐、耐压的电缆接头，电缆中间部位没有任何抽头，避免了检波器在电缆上捆绑及抽头；采用铠装结构，使电缆抗拉强度大大增加，满足了直接在海底进行拖曳作业要求，提高了施工效率。

3.按照权利要求1所述的海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元，其特征在于所述的水听器部件实际上是一个低频电压输出的加速度型检波器，其自然频率为10赫兹加减百分之1.5，灵敏度为每巴13伏特加减百分之15(每微巴为一197.7分贝加减1.5分贝)，频率响应范围是10赫兹至1000赫兹(通带波动范围是正负1分贝)，工作压力为2兆帕，最大能承受3兆帕压力，主要用于检测海底振波鸣振情况。

4.按照权利要求1所述的海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元，其特征在于所述的三分量检波器部件其中三个检波器是三个速度型检波器，它们被置于同一双轴万向架上，可以灵活地实现360度转动，接收地震波中的纵波和横波分量信号，其自然频率为10赫兹加减百分之2.5，假频应大于等于300赫兹，开路阻尼是0.68欧姆，灵敏度每秒每厘米为0.30伏特，畸变可小于等于百分之0.1，由检波器采集到的信号应输入四道地震数据采集电子单元中三个信号输入道。

5.按照权利要求1所述的海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元，其特征在于所述的四道地震数据采集电子单元各印制板之间采用了连接器直接连接的无背板结构。通道1-2和通道3-4采集板均由大线滤波器、前置放大器、∑-△型24位A/D转换器(包括调制器和数字滤波器)以及数据寄存器所组成，用以完成三分量检波器和水听器共四个分量数据信号的接收和量化；CPU板是由微处理器芯片、程序与数据存贮器、读写译码及控制电路所组成，用以产生各种指令以控制采集通道及数传部分的工作，同时将完成被量化后的采样数据按采样顺序及道序进行编排后送入数传部分；数传板是由数据及命令缓冲器、编码、译码电路及各种寄存器、接收及发送接口电路所组成，按照接口电路接收传输线送来的命令数据流，完成对电子单元各种参数设置及控制，并对采集数据编码后经接口电路发送到传输线中；电源板是由二个DC/DC变换器以及大线电源输入器所组成，整个电子单元供电是由中心站通过海底电缆提供60伏至240伏直流，并由大线电源输入器的输入端同时供给经DC/DC变换器以提供用于数字电路+5V以及模拟电路±5V直流电源。该单元数据传输采用每秒6.144兆位的高数传速率，误码率小于10-8，采用HDB3码型，采样率为0.5、1、2毫秒，频率响应为0至824赫兹，前放增益为0、18、36分贝，等效输入噪音＜0.2μV RMS(36dB 2ms)，谐波畸变＜0.0005％。检波器与采集通道之间是用短线在内部连接，壳体通过电缆接头与无抽头的水密封海底电缆相连接后就构成一个完整采集一体化单元，每个单元均为一个四分量接收点，多个单元串接后可构成一个多道采集系统。

6.按照权利要求1所述的海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元，其特征在于所述的电缆接头的结构保证了海底拖缆与壳体之间的水密封性能，使得海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元在海底拖曳作业中不致滑脱和泄漏。

7.按照权利要求1所述的海底拖曳四分量地震数据采集一体化单元，其特征在于所述的壳体是完全密封的，水听器部件、三分量检波器部件和四道地震数据采集电子单元共同被安装于其内，壳体是由防磁不锈钢材料制成的，具有水密封、耐高压性能、能承受小于3兆帕海水压力。

8.按照权利要求2所述的海底电缆，其特征在于所述的铠装结构电缆的缆芯至少包括一对电源线和二对数传线，在其外面用内、外二层防腐钢丝绳作为电缆的加强件。钢丝绳直径分别为1.0毫米和1.2毫米，均由镀锌高碳钢材料制成，使其拉断力做到大于等于6.5吨，工作载荷可达3.25吨，弯曲半径小于等于61厘米，外径小于等于22毫米，工作压力小于等于4兆帕，在缆芯与内层钢丝绳之间以及外层钢丝绳外面共挤制内、外二层黑色聚丙脂等绝缘材料制成的护套层做为电缆的护套件用以防止海水渗入，达到防水、防腐、耐压目的。

铠装电缆每根长度为31米，在空气、淡水和海水中重量分别为21公斤、13.5公斤和7.7公斤，一对电源线在摄氏20度31米长时其直流电阻小于2欧姆，当直流500伏特时每千米电源线其绝缘应大于等于150兆欧姆，二对数传线对2至12兆赫兹频率信号其特性阻抗为145欧姆加减10欧姆。

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