本發(fā)明涉及海洋勘探領(lǐng)域，具體為海洋地震觀測技術(shù)領(lǐng)域和水下聲學(xué)傳播技術(shù)，特別涉及一種分體組合式寬帶海底地震儀。

背景技術(shù)：

隨著海底觀測技術(shù)的發(fā)展，基于沉浮式obs的觀測在海洋科學(xué)中也得到了長足的進(jìn)展。沉浮式obs采用海面自由投放，聲學(xué)指令控制回收的工作模式。其可以在海底任意區(qū)域布放，依據(jù)考察船航次安排，進(jìn)行數(shù)月或者更長周期的海底地震數(shù)據(jù)采集。

例如中國專利cn102426389a公開了一種便攜式小型海底地震儀，包括塑料儀器艙、電腐蝕釋放機(jī)構(gòu)和沉耦架，塑料儀器艙內(nèi)的玻璃儀器艙球頂部有水聲壓力傳感器，內(nèi)部有全姿態(tài)高頻檢波器、水聲通訊模塊、無線信標(biāo)機(jī)、gps、電子羅盤和電源，沉耦架為基座；其具有很高的諧振頻率，工作頻率300hz，適用海底精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測，其三分量高頻檢波器和水聲壓力傳感器，可與各種人工震源配合進(jìn)行高效高密度海底地震探測、地質(zhì)調(diào)查。但隨著海底觀測的發(fā)展需要，其工作頻帶不足以勝任，已經(jīng)不能滿足長期天然地震觀測的需要。

因此，需要一種工作頻帶足夠?qū)?、工作穩(wěn)定、能滿足復(fù)雜的海洋盆地狀況，更要求其結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕；并且滿足留海時(shí)間足夠長、回收率高、記錄數(shù)據(jù)質(zhì)量高的要求的地震儀實(shí)屬當(dāng)務(wù)之急。因此在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，如何對海底地震儀的性能進(jìn)行進(jìn)一步的提升，是各位科學(xué)家為之努力的目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明人經(jīng)過多次設(shè)計(jì)和研究，提出了一種分體組合式寬帶海底地震儀，其是在已有單儀器艙球海底地震儀的基礎(chǔ)上，通過適應(yīng)現(xiàn)場需要改進(jìn)而成，其提高了性能指標(biāo)，延長了觀測時(shí)間，可以更好地滿足海洋科學(xué)研究與海洋油氣探測的需要。

依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種分體組合式海底地震儀，其包含兩個(gè)獨(dú)立的儀器艙球、自沉浮機(jī)構(gòu)和配重彈起架；所述儀器艙球均包括一個(gè)內(nèi)置的玻璃儀器艙球和一個(gè)外置的塑料艙球，兩個(gè)儀器艙球的核心部件都安裝在玻璃艙球內(nèi)，玻璃艙球外部安裝有塑料艙球作為保護(hù)；兩個(gè)獨(dú)立的儀器艙球上下垂直放置，中間通過連接件進(jìn)行固定連接，自沉浮機(jī)構(gòu)安裝在上儀器艙的塑料艙體頂端，與配重彈起架通過多股拉緊鋼絲連接，將兩個(gè)分體組合式的儀器艙球固定于配重架中；上儀器艙為釋放儀器艙，用于獨(dú)立完成海底地震儀的水聲通訊、釋放、回收定位及回收指示燈的功能；下儀器艙為采集儀器艙，用于完成地動(dòng)速度信號的數(shù)據(jù)采集、存儲、通訊功能。

其中，兩個(gè)獨(dú)立的儀器艙球之間沒有連線，彼此獨(dú)立工作。上儀器艙的外置塑料保護(hù)艙底端和下儀器艙的外置塑料保護(hù)艙頂端分別安裝一塊連接板；儲存和運(yùn)輸過程中，上、下儀器艙可以分開放置，實(shí)現(xiàn)分體式的功能；儀器投放前，按照采集儀器艙在下面、釋放儀器艙在上面的順序?qū)蓚€(gè)儀器艙上下垂直放置，用固定螺絲把兩塊連接板進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)組合式的功能。

進(jìn)一步地，上儀器艙球頂部安裝一個(gè)水聲換能模塊，實(shí)現(xiàn)與聲納系統(tǒng)的通訊功能；內(nèi)部集成了水聲通訊模塊、gps接收模塊、無線數(shù)傳、回收頻閃燈、一次性電池組，對外有一個(gè)四芯水密插頭，負(fù)責(zé)輸出釋放電壓信號；上儀器艙球內(nèi)部剩余空間大，可以將gps天線和無線數(shù)傳天線安裝在靠近儀器艙球頂端的位置，能提高儀器回收時(shí)gps信號鎖定的速度和無線數(shù)傳發(fā)送位置信息的準(zhǔn)確率，進(jìn)一步提高儀器回收效率。

進(jìn)一步地，下儀器艙球配置有對外負(fù)責(zé)完成充電電壓輸入、采集數(shù)據(jù)提取、儀器程序升級功能的一個(gè)十芯水密插頭；艙球內(nèi)部集成了采集系統(tǒng)、寬帶地震計(jì)、gps模塊、無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，能獨(dú)立完成地動(dòng)速度信號的數(shù)據(jù)采集、存儲、通訊功能；上儀器艙球能提供浮力，下儀器艙球設(shè)計(jì)為負(fù)浮力狀態(tài)，安裝多塊可充電鋰電池。

優(yōu)選地，內(nèi)部傳感器采用經(jīng)過電子反饋實(shí)現(xiàn)的寬帶地震計(jì)；該寬帶地震計(jì)采用動(dòng)圈換能的擺體結(jié)構(gòu)且有獨(dú)立的反饋線圈和標(biāo)定線圈，將主線圈的輸出經(jīng)過濾波放大后輸入到反饋線圈，通過增大檢波器的阻尼系數(shù)和降低整機(jī)靈敏度的方法對寬帶地震計(jì)頻帶進(jìn)行了有效擴(kuò)展。

更進(jìn)一步地，分體組合式海底地震儀具有了進(jìn)行標(biāo)定自檢的功能。

依據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供使用上述分體組合式海底地震儀的方法，包括以下步驟：

(一)選擇好投放地點(diǎn)和方位，在船上將分體組合式海底地震儀進(jìn)行上下儀器艙的組合安裝，然后進(jìn)入采集模式；

(二)將分體組合式海底地震儀投放到海底，分體組合式海底地震儀著地后，立即用聲納系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位；

(三)每隔一定的時(shí)間，內(nèi)部姿態(tài)傳感器會對分體組合式海底地震儀姿態(tài)進(jìn)行測試，當(dāng)其感知到分體組合式海底地震儀姿態(tài)不平時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)調(diào)零流程，位于常平架頂部的垂直向步進(jìn)電機(jī)上拉寬頻帶地震計(jì)，使之脫離開玻璃儀器艙球27。在自重的作用下，地震計(jì)在自由狀態(tài)下會恢復(fù)到水平的位置，此時(shí)根據(jù)姿態(tài)傳感器返回的信號判斷地震計(jì)是否已經(jīng)恢復(fù)水平。如果已經(jīng)恢復(fù)水平，則由垂直向步進(jìn)電機(jī)反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，將地震計(jì)重新放回玻璃儀器艙球底部并加壓固定，此后內(nèi)部寬頻帶地震計(jì)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，數(shù)字采集器連續(xù)記錄海底干擾和地震信號，并存儲在內(nèi)部sd中；

(四)當(dāng)需要回收分體組合式海底地震儀時(shí)，在投放位置附近海域通過聲納系統(tǒng)發(fā)出回收信號，分體組合式海底地震儀接到信號后，開始熔斷鋼絲，約5分鐘雙球儀器艙與配重彈起架脫離，自動(dòng)上浮至水面，點(diǎn)亮回收頻閃燈，浮出海面后釋放儀器艙球的gps接收模塊開始進(jìn)行定位操作；

(五)定位完成后，通過上儀器艙球的無線發(fā)送模塊發(fā)送其所在的位置信息，根據(jù)該信息或目測方式確定分體組合式海底地震儀方位，進(jìn)行打撈上船；然后提取所記錄的數(shù)據(jù)供分析和研究。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的分體組合式海底地震儀，雙儀器艙球各自獨(dú)立工作，功能劃分明確，使用靈活性強(qiáng)，留海工作時(shí)間長，能夠?qū)崿F(xiàn)海底自然地震的長期觀測作業(yè)，在海底工作時(shí)間長達(dá)4年以上，為地殼和上地幔結(jié)構(gòu)的研究提供有力的研究手段。采用了自研制的寬帶地震計(jì)，降低了生產(chǎn)成本，提高了工作穩(wěn)定性，并且由于標(biāo)定線圈的采用，在球外可以判斷地震計(jì)的工作是否正常，提高了采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的分體組合式寬帶海底地震儀下儀器艙球常平架裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的分體組合式寬帶海底地震儀下儀器艙球電池組安裝示意圖；

圖3為本發(fā)明的分體組合式寬帶海底地震儀自沉浮機(jī)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的分體組合式寬帶海底地震儀自沉浮機(jī)構(gòu)的熔斷鋼絲繞線示意圖；

圖5為本發(fā)明的分體組合式寬帶海底地震儀外觀立體結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明的分體組合式寬帶海底地震儀總結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明的分體組合式寬帶海底地震儀配重彈起架示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明公開了一種分體組合式寬帶海底地震儀，包括上下垂直安裝的兩個(gè)獨(dú)立儀器艙球、自沉浮機(jī)構(gòu)和配重彈起架。兩個(gè)獨(dú)立儀器艙球通過連接件進(jìn)行固定安裝。自沉浮機(jī)構(gòu)安裝在上儀器艙的塑料艙體頂端，與配重彈起架通過多股拉緊鋼絲連接。其中，上儀器艙球安裝有水聲通訊模塊、gps模塊、無線數(shù)傳模塊和一次性電池供電組，承擔(dān)水聲通訊、釋放和回收工作，并提供額外的浮力。下儀器艙球安裝有低功耗寬帶地震計(jì)、數(shù)據(jù)采集裝置和可充電鋰電池組，承擔(dān)地動(dòng)速度采集、存儲、通訊工作。由于上下兩個(gè)儀器艙球之間相互獨(dú)立，沒有中間連線，安裝簡單。上儀器艙球能提供額外的浮力，使得下儀器艙球可以配置多節(jié)鋰電池，顯著提高儀器留海工作時(shí)間。同時(shí)由于下儀器艙球設(shè)計(jì)為負(fù)浮力狀態(tài)，使得這種海底地震儀整機(jī)重心降低，回收時(shí)漂浮姿態(tài)穩(wěn)定，可以降低回收難度，提高海底地震儀的回收率。

詳細(xì)地，本發(fā)明所提供的分體組合式海底地震儀包含兩個(gè)獨(dú)立的儀器艙球、自沉浮機(jī)構(gòu)和配重彈起架。兩個(gè)儀器艙球的核心部件都安裝在玻璃儀器艙球內(nèi)，玻璃儀器艙球固裝于塑料保護(hù)艙內(nèi)，呈上下布置，垂直固定在連接件上，自沉浮機(jī)構(gòu)安裝在上儀器艙球的塑料艙體頂端，與配重彈起架通過多股拉緊鋼絲連接，將兩個(gè)分體組合式的儀器艙固定于配重架中。上儀器艙頂部有水聲換能模塊，對外有一個(gè)四芯水密插頭負(fù)責(zé)輸出釋放電壓信號，內(nèi)部集成了水聲通訊模塊、gps全向接收模塊、無線數(shù)傳、回收頻閃燈、一次性電池組。上半球水聲換能模塊下方安裝一個(gè)固定電路板，其中水聲通訊模塊布置在中間位置，gps全向接收模塊、無線數(shù)傳布置在電路板周圍，靠近玻璃儀器艙球內(nèi)壁位置，其目的是為了儀器回收時(shí)能接收到良好的gps位置信息，實(shí)現(xiàn)回收定位功能，提高回收效率。上儀器艙還包括頻閃燈，當(dāng)儀器艙上浮時(shí)，頻閃燈在黑夜里能有效的指示儀器艙所在方位且方便回收。上儀器艙球使用一次性電池獨(dú)立供電，電池組整體重量較輕，所以上儀器艙球能提供較大的浮力，實(shí)現(xiàn)釋放、回收、提供浮力三大功能。下儀器艙包含常平裝置、三分量寬帶地震計(jì)、采集器系統(tǒng)和海底地震儀電源，常平裝置利用姿態(tài)傳感器(7)和姿態(tài)調(diào)整電機(jī)(3)對三分量姿控寬帶地震計(jì)(4)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整；采集器系統(tǒng)采用溫補(bǔ)晶振構(gòu)成的振蕩電路作為內(nèi)部時(shí)鐘；海底地震儀電源采用多組3.2ah可充電鋰電池。

進(jìn)一步地，三分量寬帶地震計(jì)與常平裝置支架通過軸承連接，三分量寬帶地震計(jì)可自由旋轉(zhuǎn)，工作角度≤30度；三分量寬帶地震計(jì)與常平裝置連接好后，放入下半球，常平架的固定托圈上通過不同的弧形電池盒，布置大量的可充電鋰電組。采集電路系統(tǒng)在玻璃儀器艙球外進(jìn)行組裝、調(diào)試后，固定在三分量寬帶地震計(jì)上方的固定安裝板上，然后經(jīng)過上半球的壓緊使得玻璃儀器艙球內(nèi)部成為一個(gè)整體。優(yōu)選地，三分量寬帶地震計(jì)采用經(jīng)過電子反饋實(shí)現(xiàn)的寬帶地震計(jì)，該地震計(jì)采用動(dòng)圈換能的擺體結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立的反饋線圈和標(biāo)定線圈，將主線圈的輸出經(jīng)過濾波放大后輸入到反饋線圈，通過增大檢波器的阻尼系數(shù)和降低整機(jī)靈敏度的方法對其頻帶進(jìn)行了有效擴(kuò)展，得到了結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、低功耗的寬帶地震計(jì)，而且由于標(biāo)定線圈的存在，使得儀器具有了進(jìn)行標(biāo)定自檢的功能，突破了目前所有版本的海底地震計(jì)無法對傳感器進(jìn)行標(biāo)定的局限性，可以隨時(shí)查看地震計(jì)的工作狀態(tài)，有效提高海底地震計(jì)生產(chǎn)效率以及數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量。對于該寬頻帶地震計(jì)來說，不需要調(diào)節(jié)零點(diǎn)、不需要鎖擺、功耗低、體積小，應(yīng)用于海底地震儀有很大的優(yōu)勢。

下儀器艙球內(nèi)的電池可以按照空間尺寸和實(shí)際需求進(jìn)行盡量多的布放，最多可以增加52組電池組的布放，預(yù)期留海時(shí)間可以增加3.2ah*3.7v*8*52/0.17w＝1200天，即分體組合式海底地震儀的留海時(shí)間可以延長到四年。同時(shí)，對于這種分體組合式寬帶海底地震儀來說，所有的電池重量都在下半球，使得雙球連體后的重心很低，回收時(shí)儀器漂浮狀態(tài)的姿態(tài)穩(wěn)定，便于接收回收位置信息和頻閃指示燈信息。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

請參閱圖1～圖7所示，為本發(fā)明的分體組合式海底地震儀結(jié)構(gòu)示意圖。其中，直流電機(jī)1、常平環(huán)2、擴(kuò)頻電路板3、寬頻帶地震計(jì)4、姿態(tài)傳感器5、軸承座6、固定托圈7、軸承8、地震計(jì)外殼9、可充電鋰電池組10、電池安裝盒11、正極13、鎖緊螺母14、壓絲墊片15、不銹鋼鏍柱16、鏍桿支撐板17、脫鉤滑塊18、繞絲釘19、不銹鋼吊鉤20、繞絲固定板21、負(fù)極22、負(fù)極保護(hù)套23、熔斷鋼絲24、自沉浮機(jī)構(gòu)25、上儀器艙球26、下儀器艙球27、拉緊鋼纜28、配重彈起架29、鎖緊鏍栓30、水聲換能器31、水聲通訊模塊32、gps天線33、無線數(shù)傳天線34、上儀器艙球一次性電池組35、彈簧36、塑料柱37、常平裝置38、耦合圈39、熔斷鋼絲熔斷點(diǎn)(兩處)40、定位立柱41、緩沖槽42。

本發(fā)明的分體組合式海底地震儀，包含兩個(gè)獨(dú)立的儀器艙球、自沉浮機(jī)構(gòu)和配重彈起架三部分組成。

一、上、下儀器艙球

儀器艙分為上、下兩個(gè)獨(dú)立的玻璃儀器艙球，玻璃儀器艙球外部有塑料外殼作為保護(hù)艙。塑料保護(hù)艙作為玻璃艙的保護(hù)裝置，在海底地震儀的使用中有非常重要的作用：一是為了保護(hù)玻璃球體，運(yùn)輸過程中免于遭到損壞，并便于搬運(yùn)；二是為了固定玻璃球和安裝釋放機(jī)構(gòu)。

上下儀器艙球各自采用獨(dú)立的供電系統(tǒng)、完成獨(dú)立的功能任務(wù)。

上儀器艙球主要包括：

(1)水聲通訊模塊

采用8位元fsk數(shù)字編碼。fsk編碼的解調(diào)電路包括了振幅檢測、相位檢測、壓控振蕩器、比較輸出器等幾個(gè)部分。其基本原理是：根據(jù)輸入信號和本振信號的相位差，控制壓控振蕩器在一個(gè)相對較窄帶寬內(nèi)(～400hz)調(diào)節(jié)本振頻率，如果輸入信號頻率和本振頻率一致，相位差為零，本振頻率鎖定，則編碼解調(diào)電路輸出為低電平，反之為高電平。兩個(gè)編碼解調(diào)電路本振頻率分別為10khz和12.5khz，用以檢測信號中是否含有對應(yīng)的頻率信號。

水聲傳輸?shù)慕换旎仨憜栴}，采用首波提取的方式加以解決。原理是甲板機(jī)每100毫秒發(fā)送一個(gè)編碼頻率，持續(xù)時(shí)間約10毫秒。在接收端水聲通訊模塊在接收到的第一個(gè)編碼頻率信號后10毫秒內(nèi)關(guān)閉信號通道。以后每隔100毫秒打開信號通道進(jìn)行信號解調(diào)，持續(xù)時(shí)間為10毫秒，然后在關(guān)閉信號通道，直至該碼字節(jié)結(jié)束。

為了防止放大器飽和，設(shè)計(jì)了帶通頻率10-12.5khz的單t網(wǎng)絡(luò)選頻放大器，使信號頻帶之外的信號能被有效的壓制。

水聲發(fā)射與換能器的匹配設(shè)計(jì)，主要是從阻抗匹配和調(diào)諧匹配兩個(gè)環(huán)節(jié)考慮，并采取措施對推挽功放管進(jìn)行保護(hù)。

水聲通訊模塊收到岸上發(fā)出的釋放指令時(shí)，對外輸出的釋放電壓有效，釋放電壓加到熔斷絲和釋放電極上，經(jīng)海水腐蝕熔斷后，海底地震儀脫離沉耦架，向上浮出水面。

(2)gps接收模塊和無線數(shù)傳模塊

水聲通訊模塊收到船上發(fā)出的釋放指令時(shí)，打開釋放電壓的同時(shí)，打開內(nèi)部gps模塊和無線數(shù)傳模塊電源。等到儀器浮出水面后，gps模塊開始進(jìn)行搜索衛(wèi)星對鐘的過程，等到gps定位有效后，位置信息通過無線數(shù)傳模塊向外發(fā)射，船上有對應(yīng)的無線數(shù)傳接收裝置，接收到儀器發(fā)送過來的位置信息，可以按照儀器位置進(jìn)行打撈回收操作。

gps接收模塊由gps模塊和全向天線兩部分組成，能進(jìn)行快速定位，全向天線的安裝位置對提高儀器回收效率的有很大的影響。

無線數(shù)傳模塊輸出功率為30dbm,可靠傳輸距離達(dá)到4.5km，其具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低等特點(diǎn)，滿足海底地震儀的使用。接口波特率設(shè)置成與gps相同的速度9600bps，無線數(shù)傳的接收端與gps的發(fā)送端直連，將gps的相關(guān)位置信息和時(shí)間信息經(jīng)過無線天線進(jìn)行發(fā)送。無線數(shù)傳模塊配套的天線為可旋轉(zhuǎn)的螺旋天線，其增益為3.0db，天線的安裝位置對可靠傳輸距離有很大的影響。

本發(fā)明的雙球裝置，gps模塊和無線傳輸模塊均位于上儀器艙球，靠近頂部位置，由于上儀器艙球內(nèi)部空間大，兩根天線可以按照最優(yōu)位置設(shè)計(jì)進(jìn)行布置，并且保證相互之間的間隔距離，提高回收效率。

(3)回收頻閃燈

當(dāng)儀器上浮時(shí)，頻閃燈露出水面，使回收人員可以通過目測看到儀器所在位置，是保證夜晚儀器回收效率的另一重要手段。

頻閃燈采用光源采用發(fā)光效率高，穿透性較好的高亮度發(fā)光二極管。頻閃燈的電源也是在水聲通訊模塊執(zhí)行完釋放指令后打開。頻閃燈安裝在上儀器艙球靠近頂端處，并盡量靠近玻璃儀器艙球內(nèi)壁。

下儀器艙球主要包括：

(1)常平裝置

對于寬帶地震計(jì)來說，機(jī)械零位的要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于短周期的地震計(jì)。本發(fā)明設(shè)計(jì)了利用姿態(tài)傳感器5和姿態(tài)調(diào)整電機(jī)1對三分量寬帶地震計(jì)4進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的改進(jìn)方案，通過改進(jìn)常平裝置的結(jié)構(gòu)原理，使得地震計(jì)部分體積重量均大大地降低，關(guān)鍵是有效提高了姿控調(diào)整的范圍，擴(kuò)展為30度左右。最大工作傾斜角度達(dá)到了國外同類寬帶海底地震儀的水平。這將使海底地震儀能適應(yīng)更為復(fù)雜的海底地形。

姿態(tài)傳感器5采用固態(tài)mems器件，無機(jī)械結(jié)構(gòu)，工作穩(wěn)定可靠。

其工作方式如下：寬帶地震計(jì)4放置于常平環(huán)2上，再整體通過軸承6固定于常平裝置的支架上，下玻璃儀器艙球27至地震計(jì)4為剛性連接，由此保證地動(dòng)信號的低失真?zhèn)鬟f。當(dāng)海底地震儀在海底著地后，姿態(tài)傳感器5感知到海底姿態(tài)調(diào)平時(shí)，常平面由位于常平環(huán)2頂部的直流電機(jī)1上拉脫離開玻璃儀器艙球27，在自重的作用下，寬帶地震計(jì)4在自由狀態(tài)下會恢復(fù)到水平的位置，此時(shí)又根據(jù)姿態(tài)傳感器5返回的信號判斷地震計(jì)是否已經(jīng)恢復(fù)水平，如果已經(jīng)恢復(fù)水平則由垂直向步進(jìn)電機(jī)1反方向運(yùn)轉(zhuǎn)將地震計(jì)重新放回玻璃儀器艙球27底部并加壓固定，

常平裝置2將電池組11、三分量寬帶地震計(jì)4、電子電路43聯(lián)結(jié)成了一個(gè)整體，形成了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一體化。儀器組裝、調(diào)試工作都可以在耐壓玻璃儀器艙球27外完成。玻璃儀器艙球27可看成僅是個(gè)機(jī)殼，將測試好的海底地震儀放入玻璃儀器艙球27中，由o型圈壓縮固定，完成組裝。這種結(jié)構(gòu)也降低了儀器的附加振顫。

(2)寬帶地震計(jì)

海底地震儀中我們采用了自研制的了寬帶地震儀4。該地震計(jì)采用動(dòng)圈換能的擺體結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立的反饋線圈和標(biāo)定線圈，將主線圈的輸出經(jīng)過濾波放大后輸入到反饋線圈，通過增大檢波器的阻尼系數(shù)和降低整機(jī)靈敏度的方法對其頻帶進(jìn)行了有效擴(kuò)展，得到了結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、低功耗的寬帶地震計(jì)。

由于標(biāo)定線圈的存在，使得儀器具有了進(jìn)行標(biāo)定自檢的功能，突破了目前所有版本的海底地震計(jì)無法對傳感器進(jìn)行標(biāo)定的局限性，可以隨時(shí)查看地震計(jì)的工作狀態(tài)，有效提高海底地震計(jì)生產(chǎn)效率以及數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量。對于該寬頻帶地震計(jì)來說，不需要調(diào)節(jié)零點(diǎn)、不需要鎖擺、功耗低、體積小，應(yīng)用于海底地震儀有很大的優(yōu)勢。

(3)采集器系統(tǒng)

儀器采用溫補(bǔ)晶振構(gòu)成的振蕩電路作為內(nèi)部時(shí)鐘，在0℃至4℃溫度范圍內(nèi)其精度優(yōu)于5×10^-8。影響石英晶體振蕩頻率精度的主要是溫度因素,而海底的溫度相對恒定，在2000米深的海底，溫度的年變化僅在0.5度，所以時(shí)鐘精度能有效地保證。為減小線路板的噪音，系統(tǒng)所需的所有不同頻率的時(shí)鐘(主要是模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和單片機(jī)時(shí)鐘)采用對同一時(shí)鐘分頻獲得。

數(shù)據(jù)存儲采用數(shù)碼相機(jī)和播放機(jī)上廣泛采用的sd(securedigital)卡，具有統(tǒng)一接口，容量可從32g擴(kuò)展到更高。

在電路設(shè)計(jì)中堅(jiān)持微功耗設(shè)計(jì)原則；為了系統(tǒng)功耗微功耗的目的,數(shù)據(jù)采集器的硬件電路設(shè)計(jì)遵從了以下的原則：(1)采用cmos型器件，(2)采用1.8v、3v和5v單電源低電壓供電；(3)數(shù)字電路盡量采用較低頻率的工作時(shí)鐘；(4)盡量降低系統(tǒng)的無功功耗,整體功耗<0.17w；(5)進(jìn)入采集狀態(tài)后，關(guān)閉不必要的模塊，譬如wifi模塊、gps模塊等。

采集器的a/d轉(zhuǎn)換采用4階σ-δ型ads1251增量調(diào)制器，ad時(shí)鐘由單片機(jī)lpc11u68分頻輸出，數(shù)字濾波的功能采用軟件編程完成。ad每完成一次轉(zhuǎn)換，觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生一次中斷，單片機(jī)的中斷程序?qū)d數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。這種方式不僅可以在降低功耗和縮小體積的基礎(chǔ)上得到足夠的動(dòng)態(tài)范圍(>120db)，還能根據(jù)實(shí)際的不同需要，動(dòng)態(tài)調(diào)整其頻率-相位特性。

核心處理器采用cortex-m0的arm處理器(nxp公司lpc11u68)。工作電壓3.3/1.8v，60m主頻，在完成a/d轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波的同時(shí)控制存儲、通訊等其它模塊工作。單片機(jī)工作在空閑模式(idlemode),中斷驅(qū)動(dòng)模式。

控制器連接了4通道完全相同的ad模塊(第1-3通道連接寬帶地震計(jì)、第4通道連接水聽計(jì)通道)，通過多路開關(guān)(max4052)進(jìn)行切換，利用單片機(jī)的gpio腳作為地址線選通讀入1-7通道的ad數(shù)據(jù)。

(4)地震儀電源

海底地震儀電池采用3.2ah鋰電池，每組8個(gè)，每套儀器最多安裝68組。每個(gè)鋰電池單獨(dú)帶保護(hù)器，的電池按環(huán)狀固定在玻璃儀器艙球的下部，地震儀通過單片機(jī)對每個(gè)電池的充放電狀態(tài)和電壓進(jìn)行檢測，并能通過交互界面顯示。充電通過儀器艙球上的插座進(jìn)行，用戶可以了解每個(gè)電池的充電電量、充電時(shí)間等信息。通過專用的充電器用戶可以在數(shù)十小時(shí)內(nèi)完成對海底地震儀的充電工作。每次充電操作用戶都能掌握充電前后電池電壓狀態(tài)，充電電量等信息，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池失效或性能降低的情況。從而對失效電池及時(shí)進(jìn)行更換，或根據(jù)電池性能降低的情況縮短儀器在海底工作的時(shí)間。

內(nèi)置的電源管理模塊能實(shí)時(shí)地監(jiān)督電池的電能儲量，當(dāng)能量低于某一預(yù)定值，地震儀會關(guān)閉

除了水聲通信之外的所有耗電設(shè)備，使地震儀在海底滯留一年以上的時(shí)間仍能正常回收。

(5)數(shù)據(jù)提取方式

為了保證海上的多次作業(yè)順利進(jìn)行，數(shù)據(jù)提取模塊必須操作方便并且需要較快的傳輸速度。obs中內(nèi)嵌了usb接口模塊與pc機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換,能在不打開儀器艙球的前提下,以較高的速度(2m字節(jié)/秒)實(shí)現(xiàn)obs的數(shù)據(jù)提取。

二、自沉浮機(jī)構(gòu)：

自沉浮機(jī)構(gòu)25為雙層結(jié)構(gòu)，包括不銹鋼鏍柱16、鏍桿支撐板17、繞絲固定板21，其中，片狀環(huán)繞絲固定板21和片狀環(huán)鏍桿支撐板17山下平行設(shè)置，以多數(shù)個(gè)不銹鋼鏍柱16將兩者固接，其中兩個(gè)位于直徑上的鏍柱16上端伸出固定板21的上表面相互連接，構(gòu)成吊鉤20；鏍桿支撐板17內(nèi)孔直徑與上儀器艙球塑料保護(hù)艙26頂部外圓直徑相適配。

片狀環(huán)繞絲固定板21上表面設(shè)有正極13、脫鉤滑塊18、繞絲釘19、負(fù)極22，正極13、負(fù)極22位于固定板21內(nèi)孔直徑方向的相對兩側(cè)，正極13上套接壓絲墊片15后螺接鎖緊螺母14，負(fù)極22上套接負(fù)極保護(hù)套23；在與正極13、負(fù)極22構(gòu)成的直徑方向相垂直的直徑方向上兩端，于固定板21周緣上設(shè)有向圓心的凹槽211，兩凹槽211內(nèi)各設(shè)有一脫鉤滑塊18，l狀脫鉤滑塊18與凹槽211相適配，其向上突起的固定壁181中間有一固接口182，固接口182供拉緊鋼絲27纏繞連接，其底座183上設(shè)有多個(gè)繞絲釘19和一緊錮鏍栓184；在固定板21上表面還設(shè)有多個(gè)繞絲釘19，繞絲釘19均勻分布，分布的位置與正極13、負(fù)極22的位置構(gòu)成圓環(huán)形。

一熔斷鋼絲24經(jīng)正極13和順序經(jīng)所有的繞絲釘19繞成環(huán)，并以鎖緊螺母14和繞絲釘19固緊定位，將脫鉤滑塊18固于固定板21上，熔斷鋼絲24與兩負(fù)極22觸接；兩負(fù)極22即是兩熔斷點(diǎn)40。

將上儀器艙球26與下儀器艙球27經(jīng)過中間一個(gè)連接件進(jìn)行固定，置于配重彈起架29中，自沉浮機(jī)構(gòu)25置于上儀器艙球26塑料保護(hù)艙頂端，鏍桿支撐板17內(nèi)孔與塑料儀器艙26頂端相接，以多根拉緊鋼絲27纏繞于脫鉤滑塊18的固接口182后，用多個(gè)鎖緊螺栓30拉緊多根拉緊鋼絲27，以固定塑料外殼26。

在固定塑料外殼26后，卸掉脫鉤滑塊18上的緊錮鏍栓184，再利用鎖緊螺栓30來拉緊鋼絲27調(diào)整儀器艙26的緊固程度；在儀器回收時(shí)利用海水特性，在兩熔斷點(diǎn)40處進(jìn)行電腐蝕熔斷鋼絲24，脫鉤滑塊18被拉緊鋼絲27拉脫開，儀器艙26即利用海水浮力上浮，以便回收。

(1)繞絲固定板21采用具有高機(jī)械強(qiáng)度、高剛性、韌性強(qiáng)的工程塑料尼龍加工而成，在水中不易變形，不易被腐蝕。

(2)繞絲釘19是自沉浮機(jī)構(gòu)中較為關(guān)鍵的部分，所以我們采用316l特殊不銹鋼制成，這種材料對于海水及各種腐蝕介質(zhì)的抗腐蝕性能均優(yōu)于普通不銹鋼。

(3)熔斷鋼絲24是整個(gè)自沉浮機(jī)構(gòu)的核心部件，我們選用的316耐腐蝕鋼絲，由7束49股細(xì)鋼絲經(jīng)過特殊工藝加工而成，易曲而柔軟。在彎曲時(shí)不象單股鋼絲那樣顯得太硬，拉緊時(shí)會緊貼繞絲釘。

自沉浮機(jī)構(gòu)25作為儀器回收過程的重要組成部件，機(jī)構(gòu)的組裝、調(diào)試工作都可在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)通過，才可安裝使用。測試好的自沉浮機(jī)構(gòu)通過8組不銹鋼鏍釘固定在儀器艙26的上部，能夠很方便地完成組裝。機(jī)構(gòu)中的零件加工工藝和選材均可以保證長時(shí)間工作在海水里，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)在接到指令后，鋼絲在5分鐘內(nèi)即被熔斷。直到儀器回收整個(gè)過程不超過10分鐘。

三、配重彈起架：

配重彈起架29，采用表面附著防銹漆的鋼鐵材料制成，在支架中間的圓盤上裝有四根塑料柱37，每根塑料柱上面安裝四個(gè)彈簧36，當(dāng)儀器上浮瞬間，提供必要的彈力以便儀器可以順利上浮，不被周圍的淤泥陷住，保證儀器順利回收。

配重彈起架通過耐腐蝕拉緊鋼絲與自沉浮機(jī)構(gòu)緊密相連，其重量和體積適合于在下沉過程中控制下沉速度和下沉姿態(tài)，并為地震儀在海底工作提供穩(wěn)定的基座，儀器上浮后，配重彈起架丟棄在海水中。

使用本發(fā)明的分體組合式海底地震儀的工作流程如下(使用方法)：

(一)選擇好投放地點(diǎn)和方位，在船上將分體組合式海底地震儀進(jìn)行上下儀器艙的組合安裝，然后進(jìn)入采集模式；

(二)將分體組合式海底地震儀投放到海底，分體組合式海底地震儀著地后，立即用聲納系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

(三)每隔一定的時(shí)間，內(nèi)部姿態(tài)傳感器5會對分體組合式海底地震儀姿態(tài)進(jìn)行測試，當(dāng)其感知到分體組合式海底地震儀姿態(tài)不平時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)調(diào)零流程，由位于常平架頂部的垂直向步進(jìn)電機(jī)1上拉寬頻帶地震計(jì)4，使之脫離開玻璃儀器艙球27，在自重的作用下，地震計(jì)在自由狀態(tài)下會恢復(fù)到水平的位置，此時(shí)有根據(jù)姿態(tài)傳感器7返回的信號判斷地震計(jì)是否已經(jīng)恢復(fù)水平，如果已經(jīng)恢復(fù)水平則由垂直向步進(jìn)電機(jī)1反方向運(yùn)轉(zhuǎn)將地震計(jì)重新放回玻璃儀器艙球27底部并加壓固定，此后內(nèi)部寬頻帶地震計(jì)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，數(shù)字采集器連續(xù)記錄海底干擾和地震信號，并存儲在內(nèi)部sd中。

(四)當(dāng)需要回收分體組合式海底地震儀時(shí)，在該分體組合式海底地震儀所在的位置附近海域通過聲納系統(tǒng)發(fā)出回收信號，分體組合式海底地震儀接到信號后，開始熔斷鋼絲，約5分鐘雙球儀器艙與配重彈起架29脫離，自動(dòng)上浮至水面，點(diǎn)亮回收頻閃燈，浮出海面后上儀器艙球的gps接收模塊33開始進(jìn)行定位操作；

(五)定位完成后，通過上儀器艙球的無線發(fā)送模塊34發(fā)送其所在的位置信息，根據(jù)該信息或目測方式確定分體組合式海底地震儀方位，進(jìn)行打撈上船。然后提取所記錄的數(shù)據(jù)供分析和研究。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本領(lǐng)域普通的技術(shù)人員可以理解，在不背離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)中做出各種各樣的修改。