專利名稱：海底拖曳四分量地震數(shù)據(jù)采集一體化單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海洋地球物理勘探測量單元，特別是涉及一種海洋地震勘探測量的數(shù)據(jù)采集單元，屬于海洋地球物理勘探測量領(lǐng)域。
目前使用的海洋地震勘探數(shù)據(jù)采集單元或系統(tǒng)所采用的方式，一種是采用拖纜式模擬信號傳輸、集中式數(shù)字化處理和資料記錄，該方式的缺陷是在數(shù)字化之前，由于模擬信號傳輸線太長，信號容易接收干擾并且信號與噪聲混疊傳輸，使所采集到數(shù)據(jù)其信噪比低，甚至?xí)a(chǎn)生信號被噪聲所淹沒現(xiàn)象，因此采集到數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。另一種是采用分布式海底電纜數(shù)據(jù)采集單元，它多為12至24道數(shù)據(jù)采集、數(shù)字傳輸和中心站記錄。目前國外用的海底電纜(Ocean BottomCable)，由于電纜上分布有多個檢波器抽頭，檢波器作為傳感器被捆綁在電纜上不允許拖曳，電纜本身笨重且抗拉強(qiáng)度低，隨著測量點的不斷變化移動，必須經(jīng)常收放電纜，因此勞動強(qiáng)度大，影響生產(chǎn)進(jìn)度。同時由于與傳感器相連接的模擬信號線仍然較長，對信號同樣會產(chǎn)生較大的干擾，使所采集到數(shù)據(jù)信噪比不高，而且該單元在制造過程中工藝復(fù)雜，不易維護(hù)修理，并且產(chǎn)品造價也比較昂貴。
和本發(fā)明相近產(chǎn)品可參見美國“SYNTRON INC”公司的產(chǎn)品介紹“SYNTRON”其中“OCEAN BOTTOM CABLE”的產(chǎn)品第6頁至第7頁圖片說明介紹。
本發(fā)明的目的在于提供一種高精度、高信噪比、輕便的、可拖曳的海底四分量地震數(shù)據(jù)采集一體化單元(簡稱一體化單元)。該一體化單元可同時采集一個地震縱波垂直分量、二個地震橫波水平分量和水聽器分量共四個分量的數(shù)據(jù)信號，前面三個檢波器為速度型傳感器，后面一個水聽器為加速度型傳感器。按照海底拖曳作業(yè)測量需要，若干個一體化單元之間可通過海底電纜串聯(lián)連接構(gòu)成一個多道地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
本發(fā)明以如下方式實現(xiàn)。
本發(fā)明所述的一體化單元主要由海底電纜、水聽器部件、四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元(簡稱電子單元)、三分量檢波器部件、殼體和電纜接頭所組成。作為傳感器的三分量檢波器部件、水聽器部件和電子單元共同被安裝于一個密封殼體內(nèi)，殼體通過電纜接頭與無抽頭的水密封海底電纜相連接后就構(gòu)成一個完整的海底拖曳四分量地震數(shù)據(jù)采集一體化單元，即將機(jī)電集成于一體。三分量檢波器部件中的三個檢波器采用速度型檢波器，被置于同一雙軸萬向架上，可以靈活地實現(xiàn)360度的轉(zhuǎn)動，使檢波器可隨時調(diào)整到最佳接收狀態(tài)。水聽器部件采用了加速度型傳感器，檢波器與電子單元采集通道之間用短線在內(nèi)部連接可大大降低環(huán)境對信號的干擾，有益于提高數(shù)據(jù)信噪比，各個地震數(shù)據(jù)采集一體化單元之間均采用無抽頭的水密封電纜互連，電纜設(shè)有鎧裝結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)外二層鋼絲繩作加強(qiáng)件可提高電纜抗拉強(qiáng)度，電纜本身無檢波器等捆綁物可方便海底拖曳作業(yè)，每個一體化單元均設(shè)計為一個四分量接收點，多個一體化單元串接后可構(gòu)成一個多道采集系統(tǒng)。
電子單元由裝在印刷板支架上的CPU板、數(shù)傳板、通道1-2和3-4采集板以及電源板所構(gòu)成，為提高信噪比和測量精度，各印制電路板之間采用了連接器直接連接的無背板結(jié)構(gòu)。當(dāng)四個分量的數(shù)據(jù)信號進(jìn)入地震數(shù)據(jù)采集電子單元中時，經(jīng)過其大線濾波器可濾除信號中高頻干擾，送入前置放大器后將信號放大或不放大，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行量化，被量化后的采樣數(shù)據(jù)由單片微處理器，按采樣周期及通道順序經(jīng)數(shù)傳電路編碼后送入傳輸電纜的數(shù)據(jù)流中，由傳輸電纜送往地面中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)編排和記錄，并將記錄帶(或記錄盤)作為資料帶(或資料盤)提供給處理中心進(jìn)行資料處理，從而獲得海洋地震勘探的測量資料。
本發(fā)明有如下優(yōu)點。
由于每個電子單元的數(shù)據(jù)采集通道數(shù)只有四道，因此一體化單元體積可大大縮小，其連接的海底電纜長度也可相應(yīng)減少。由于作為傳感器的檢波器與電子單元采集通道之間的連線為內(nèi)部短連接，且被密封在同一殼體內(nèi)，因此可避免外部海水及其它物體對模擬信號線的擾動，減少了周圍環(huán)境所產(chǎn)生干擾，避免了道間串音，提高了測量信號信噪比。三個分量檢波器被置于同一雙軸萬向架上可以完成360度自由轉(zhuǎn)動，使其能夠始終保持良好的接收狀態(tài)。由于電纜本身沒有傳感器抽頭，也無檢波器等捆綁物，因此多道采集系統(tǒng)中各電子單元之間的電纜連接可以實現(xiàn)水密封互連，所用電纜也能做到直徑小、重量輕、造價低廉、整個一體化單元或采集系統(tǒng)也相應(yīng)降低了成本。該系統(tǒng)能在較平坦的泥沙海底自由拖曳，降低了施工勞動強(qiáng)度，并且易于維護(hù)修理。


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圖1是海底拖曳四分量地震數(shù)據(jù)采集一體化單元結(jié)構(gòu)總示意2是三分量檢波器部件結(jié)構(gòu)示意3是水聽器部件結(jié)構(gòu)示意4是四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元結(jié)構(gòu)示意5是四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元電原理框6是海底電纜結(jié)構(gòu)示意7是電纜接頭結(jié)構(gòu)示意圖下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明的實施例。
參照圖1，海底拖曳四分量地震數(shù)據(jù)采集一體化單元是由海底電纜1、水聽器部件2、四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元3、三分量檢波器部件4、殼體5、電纜接頭6所構(gòu)成。三分量檢波器部件4和水聽器部件2用于采集一個地震縱波垂直分量、二個地震橫波水平分量和水聽器分量共四個分量的數(shù)據(jù)信號，并和四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元3共同被安裝于完全密封殼體5內(nèi)，殼體由防磁不銹鋼材料制成，具有水密封、耐高壓性能，能承受小于3兆帕海水壓力。殼體5通過電纜接頭6與無抽頭的水密封海底電纜1相連接后就構(gòu)成一個完整的海底拖曳四分量地震數(shù)據(jù)采集一體化單元，該單元避免了檢波器在電纜上捆綁以及在電纜上抽頭，因此可實現(xiàn)海底拖曳作業(yè)要求，大大提高了施工效率。這樣的一體化單元多個串接后可構(gòu)成一個多道采集系統(tǒng)。
參照圖2，三分量檢波器部件4是由一個地震橫波水平分量SX檢波器7、一個地震橫波水平分量SY檢波器8、一個地震縱波垂直分量V檢波器9、一個雙軸萬向架10所構(gòu)成。實際上三個檢波器均為速度型檢波器，并且被置于同一雙軸萬向架10上，可以靈活地實現(xiàn)360度的轉(zhuǎn)動，接收地震波中的縱波和橫波分量信號。上述三個作為傳感器的檢波器其自然頻率為10赫茲加減百分之2.5，假頻大于等于300赫茲，開路阻尼是0.68歐姆，靈敏度為每秒每厘米0.30伏特，畸變小于等于百分之0.1。三分量檢波器用于采集地震數(shù)據(jù)信號并送入四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元3中的SX、SY和V三個數(shù)據(jù)信號輸入道。
參照圖3，水聽器部件2包括裝在透聲外殼13內(nèi)的若干個薄壁園管形功能陶瓷片11和小型阻抗變換變壓器12，它實際上組成一個低頻電壓輸出的加速度型傳感器。該水聽器自然頻率為10赫茲加減百分之1.5，輸出電壓靈敏度為每巴13伏特加減百分之15(每微巴-197.7分貝加減1.5分貝)，頻率響應(yīng)為10至1000赫茲(通帶波動范圍為正負(fù)1分貝)，工作壓力為2兆帕，最大能承受3兆帕海水壓力，水聽器部件可采集地震數(shù)據(jù)信號并送入四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元3中的H數(shù)據(jù)信號輸入道，主要用于檢測海底振波鳴振情況。
參照圖4，四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元3包括在印刷板支架19上裝有CPU板14、數(shù)傳板15、通道1-2采集板16、通道3-4采集板17和電源板18。各印制電路板之間采用了連接器直接連接的無背板結(jié)構(gòu)，其V、SX、SY、H為四個分量數(shù)據(jù)采集信號輸入通道。參照圖5和圖4，通道1-2采集板16和通道3-4采集板17是由大線濾波器20、前置放大器21、∑-△型24位A/D轉(zhuǎn)換器22(其中包括調(diào)制器23和數(shù)字濾波器24)、數(shù)據(jù)寄存器25所組成，用以完成由V、SX、SY三分量檢波器和H水聽器共四個分量輸入數(shù)據(jù)信號的接收和量化。CPU板14是由微處理器芯片26、程序與數(shù)據(jù)存貯器27、讀寫譯碼及控制電路28所組成。數(shù)傳板15是由數(shù)據(jù)及命令緩沖器29、編碼、譯碼電路及各種寄存器30、接收及發(fā)送接口電路31所組成，其輸入端A、C和輸出端B、D用于連接電纜傳輸線，傳輸由地面中心站發(fā)出各種命令數(shù)據(jù)流和電子單元對所采集到數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后各種信息。電源板18是由DC/DC變換器32(數(shù)字+5V)、DC/DC變換器33(模擬±5V)、大線電源輸入器34(60至240V DC輸入)所組成。
現(xiàn)結(jié)合附圖5來敘述四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元的基本工作過程。
由三分量檢波器7、8、9和水聽器2送來的四個分量數(shù)據(jù)信號SX、SY、V、H進(jìn)入地震數(shù)據(jù)采集電子單元3的四個通道中，經(jīng)過大線濾波器20濾除高頻干擾后，由精密儀表放大器構(gòu)成的前置放大器21將信號放大0、8、64倍(即放大0、18、36分貝)，這三種固定增益0、18和36分貝可程控選擇，然后送入∑-△型24位A/D轉(zhuǎn)換器22進(jìn)行量化。該A/D轉(zhuǎn)換器為24位，其中1位是符號位，23位是尾數(shù)位，24位A/D轉(zhuǎn)換器包括調(diào)制器23和數(shù)字濾波器24，調(diào)制器將信號進(jìn)行過采樣及增量調(diào)制，并由數(shù)字濾波器進(jìn)行去假頻濾波及抽取濾波，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被暫存于數(shù)據(jù)寄存器25中。
對每一通道而言，被量化后的采樣數(shù)據(jù)由單片微處理器芯片26，按采樣順序及道序進(jìn)行編排后將數(shù)據(jù)送入數(shù)傳板15的數(shù)據(jù)及命令緩沖器29中。CPU板14中的程序與數(shù)據(jù)存貯器27(又稱程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器)提供可供執(zhí)行的程序指令碼，讀寫譯碼及控制電路28是用來將地面中心站送來的命令進(jìn)行譯碼后產(chǎn)生各種指令以控制采集通道和數(shù)傳部分的工作。另外，在數(shù)傳板15中，由接收及發(fā)送接口電路31通過A、C輸入端接收電纜傳輸線送來的命令數(shù)據(jù)流，送給編碼、譯碼電路30譯碼、經(jīng)數(shù)據(jù)及命令緩沖器29送入CPU以實現(xiàn)對電子單元的各種參數(shù)設(shè)置及控制，或?qū)⒉杉瘮?shù)據(jù)由編碼、譯碼電路30編碼后再由接收及發(fā)送接口電路31通過B、D輸出端發(fā)送到傳輸線中。
四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元3的供電是由地面中心站通過海底電纜1提供60伏至240伏直流，由大線電源輸入器34的輸入端供給，并經(jīng)過DC/DC變換器32產(chǎn)生數(shù)字電路所需+5V電源以及經(jīng)過DC/DC變換器33產(chǎn)生模擬電路所需±5V電源，該三組穩(wěn)定的直流電源同時供給保證了電子單元各部分即通道1-2采集板16、通道3-4采集板17、CPU板14和數(shù)傳板15的正常工作。
四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元3的主要技術(shù)指標(biāo)如下道數(shù)為四道，采樣率為0.5、1、2毫秒，頻率響應(yīng)為0至824赫茲，前放增益為0、18、36分貝，等效輸入噪音小于0.2微伏RMS(36分貝增益2毫秒)，A/D轉(zhuǎn)換器為∑-△型24位(其中1位符號位+23位尾數(shù)位)，諧波畸變小于百分之0.0005，數(shù)傳速率為每秒6.144兆位，采用HDB3碼型，誤碼率小于108。
參照圖6，海底電纜(又稱海底拖纜)1中心部分裝有電源線36和數(shù)傳線39，在其周圍空間填有填充繩41，在外面包有內(nèi)護(hù)套層38，并設(shè)計有內(nèi)層鋼絲繩37和外層鋼絲繩40為電纜加強(qiáng)件，最外面包有外護(hù)套層35。海底電纜每段長31米，每段電纜兩頭裝有防水、防腐、耐壓的電纜接頭6，電纜中間部位沒有任何抽頭，避勉了使用檢波器在電纜上捆綁及抽頭，海底電纜采用鎧裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，使電纜抗拉強(qiáng)度大大增強(qiáng)，滿足了直接在海底進(jìn)行拖曳作業(yè)要求，提高了施工效率。鎧裝結(jié)構(gòu)電纜的纜芯至少包括一對電源線36和二對數(shù)傳線39。一對電源線在攝氏20度31米長時其直流電阻小于2歐姆，當(dāng)直流500伏特時每千米電源線其絕緣應(yīng)大于等于150兆歐姆；二對數(shù)傳線對于2至12兆赫茲頻率信號其特性阻抗為145歐姆加減10歐姆。在電源線和數(shù)傳線外面用內(nèi)層鋼絲繩37和外層鋼絲繩40作為電纜的加強(qiáng)件，內(nèi)層防腐鋼絲繩用直徑為1.0毫米鍍鋅高碳鋼材料絞合而成，外層鋼絲繩由1.2毫米鍍鋅高碳鋼材料絞合而成，這樣的結(jié)構(gòu)使電纜拉斷力做到大于等于6.5噸，工作載荷可達(dá)3.25噸，彎曲半徑小于等于61厘米，外徑小于等于22毫米，工作壓力小于等于4兆帕。在纜芯與內(nèi)層鋼絲繩之間以及外層鋼絲繩外面共擠制內(nèi)護(hù)套層38與外護(hù)套層35做為電纜的護(hù)套件，二層護(hù)套層均由聚丙脂等絕緣材料制成，顏色為黑色，用以防止海水滲入，達(dá)到防水、防腐、耐壓目的。
鎧裝電纜每根長度均為31米，在空氣、淡水和海水中重量分別為21公斤、13.5公斤和7.7公斤，海底電纜主要用來作為四通道地震數(shù)據(jù)采集電子單元的數(shù)據(jù)傳輸和供電。參照圖7，電纜接頭6是由多芯插座42、電纜接頭體43所構(gòu)成。電纜接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計能保證海底電纜1與殼體5之間的水密封性能，使得海底拖曳四分量地震數(shù)據(jù)采集一體化單元在海底拖曳作業(yè)中不致滑脫和泄漏。
電纜接頭體43一端連接海底電纜1，另一端連接殼體5，其多芯插座42和海底電纜1的電源線36線芯以及數(shù)傳線39線芯相連接。
權(quán)利要求
1.海底拖曳四分量地震數(shù)據(jù)采集一體化單元由海底電纜(1)、水聽器部件(2)、四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元(3)、三分量檢波器部件(4)、殼體(5)和電纜接頭(6)所構(gòu)成，部件(2)、(3)、(4)被共同安裝于密封殼體(5)內(nèi)，殼體(5)通過電纜接頭(6)與海底電纜(1)相連接后組成一個完整海底拖曳四分量地震數(shù)據(jù)采集一體化單元，其特征在于海底電纜(1)設(shè)有鎧裝結(jié)構(gòu)，其中心部分裝有電源線(36)和數(shù)傳線(39)，在其周圍空間填有填充繩(41)，在外面包有內(nèi)護(hù)套層(38)，并設(shè)有內(nèi)層鋼絲繩(37)和外層鋼絲繩(40)為電纜加強(qiáng)件，最外面包有外護(hù)套層(35)；水聽器部件(2)包括裝在透聲外殼(13)內(nèi)的多個園形陶瓷片(11)和阻抗變換變壓器(12)，實際組成一個加速度型傳感器；四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元(3)包括在印刷板支架(19)上裝有CPU板(14)、數(shù)傳板(15)、通道1-2采集板(16)、通道3-4采集板(17)和電源板(18)，各印制電路板之間采用了連接器直接連接的無背板結(jié)構(gòu)，其(V)、(SX)、(SY)、(H)是四個分量數(shù)據(jù)采集信號輸入通道；三分量檢波器部件(4)包括被置于同一雙軸萬向架(10)上的二個水平分量檢波器(7)和(8)以及一個垂直分量檢波器(9)，實際組成三個速度型傳感器，檢波器與采集通道之間用短線在內(nèi)部連接，每個單元均設(shè)計為一個四分量接收點，多個單元之間采用海底電纜(1)互連串接后可構(gòu)成一個多道采集系統(tǒng)。
2.按照權(quán)利要求1所述的一體化單元，其特征在于所述的海底電纜(1)兩端裝有防水、防腐、耐壓的電纜接頭(6)，其電纜接頭體(43)一端連接海底電纜(1)，另一端連接殼體(5)，其多芯插座(42)和海底電纜(1)的電源線(36)線芯以及數(shù)傳線(39)線芯相連接，海底電纜(1)中間部位無抽頭和捆綁物，采用鎧裝結(jié)構(gòu)電纜的纜芯至少包括一對電源線(36)和二對數(shù)傳線(39)，電纜加強(qiáng)件設(shè)有內(nèi)、外二層防腐鋼絲繩(37)、(40)由多股鍍鋅高碳鋼材料絞合而成，電纜防護(hù)層設(shè)有內(nèi)、外二層護(hù)套層(38)、(35)由絕緣材料制成，電纜接頭(6)設(shè)有水密封結(jié)構(gòu)，可使一體化單元在海底拖曳作業(yè)中不滑脫和不泄漏。
3.按照權(quán)利要求1所述的一體化單元，其特征在于所述的水聽器部件(2)是一個低頻電壓輸出的加速度型檢波器，在低頻10-1000Hz范圍內(nèi)輸出電壓靈敏度為每巴13V±15％，其采集到地震數(shù)據(jù)信號被送入到電子單元(3)的(H)輸入道。
4.按照權(quán)利要求1所述的一體化單元，其特征在于所述的三分量檢波器部件(4)其中三個檢波器(7)、(8)、(9)是三個速度型檢波器，它們被置于同一雙軸萬向架(10)上，可實現(xiàn)360度靈活轉(zhuǎn)動，對接收到地震波中的縱波和橫波分量信號被送入電子單元(3)的(V)、(SX)、(SY)輸入道。
5.按照權(quán)利要求1所述的一體化單元，其特征在于所述的四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元(3)其通道1-2采集板(16)和通道3-4采集板(17)均由大線濾波器(20)、前置放大器(21)、∑-△型24位A/D轉(zhuǎn)換器(22)(包括調(diào)制器(23)和數(shù)字濾波器(24))以及數(shù)據(jù)寄存器(25)所組成，完成由(V)、(SX)、(SY)三個檢波器分量和(H)水聽器分量輸入數(shù)據(jù)信號的接收和量化；被量化后的采樣數(shù)據(jù)由包括微處理器芯片(26)、程序與數(shù)據(jù)存貯器(27)、讀寫譯碼及控制電路(28)所組成的單片微處理器控制電路，按采樣周期及通道順序進(jìn)行編排后送入數(shù)傳部分，地面中心站設(shè)有產(chǎn)生各種指令用以控制采集通道以及數(shù)傳部分的工作；數(shù)傳板(15)由數(shù)據(jù)及命令緩沖器(29)、編碼、譯碼電路及各種寄存器(30)、接收及發(fā)送接口電路(31)所組成，接口電路(31)通過A、C輸入端接收由電纜傳輸線送來的命令數(shù)據(jù)流，完成對電子單元(3)各種參數(shù)設(shè)置及控制，被采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后由接口電路(31)通過輸出端B、D再發(fā)送到電纜傳輸線中，由電纜傳輸送往地面中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)編排和記錄，并將記錄帶(盤)作為資料帶(盤)提供給處理中心進(jìn)行資料處理而獲得海洋地震勘探的測量資料；電源板(18)是由二個DC/DC變換器(32)、(33)以及大線電源輸入器(34)所組成，整個電子單元(3)供電是由地面中心站通過海底電纜(1)提供60伏至240伏直流電壓，并經(jīng)由大線電源輸入器(34)同時供給DC/DC變換器(32)、(33)提供用于數(shù)字電路+5V以及模擬電路±5V直流電源。
全文摘要
本發(fā)明推出的海底拖曳四分量地震數(shù)據(jù)采集一體化單元,屬海洋地球物理勘探測量領(lǐng)域。該單元其四道地震數(shù)據(jù)采集電子單元3、三分量檢波器部件4和水聽器部件2被置于殼體5內(nèi),并通過電纜接頭6與海底電纜1相連接,可同時采集地震縱波、橫波、水聽器共四個分量數(shù)據(jù),經(jīng)電纜傳輸和中心站記錄處理可得到勘測資料,應(yīng)用高信噪比采集部件和各部件間采用無抽頭水密電纜互連可獲高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集,可實現(xiàn)海底拖曳作業(yè)高效率、輕便化施工。
文檔編號G01V1/18GK1269513SQ0011379
公開日2000年10月11日 申請日期2000年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月26日
發(fā)明者何國信, 張在陸, 李佩昌, 林義, 韓曉泉, 蔡德富, 肖競平, 張永林 申請人:西安石油勘探儀器總廠