用于獲取地震數(shù)據(jù)的無線系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?00780039182. 1、申請(qǐng)日為2007年9月13日、發(fā)明名稱為"用 于獲取地震數(shù)據(jù)的無線系統(tǒng)和方法"的專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0003] 本申請(qǐng)要求針對(duì)2006年9月14日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/844633的在 35U.S.C. § 119(e)之下的優(yōu)先權(quán)，并且還要求針對(duì)2007年3月8日提交的美國非臨時(shí)專利 申請(qǐng)序列號(hào)11/683883的在35U.S.C. § 120之下的優(yōu)先權(quán)（14. 0331)，其全部內(nèi)容通過引用 并入于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及地震數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和利用其的方法的領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及 用于在陸基地震勘測期間有效收集地震數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0005] 陸地地震（landseismic)獲取旨在捕獲通過地下（subsurface)傳播的聲能和彈 性能。這種能量可以由諸如振動(dòng)源（振動(dòng)器）的一個(gè)或多個(gè)地面（surface)源生成。振動(dòng) 器生成通過大地傳播到不同地下層（subsurfacelayer)中的壓力信號(hào)。這里，通過與地下 層中的地質(zhì)構(gòu)造相互作用而形成彈性波。彈性波以地下層中的局部應(yīng)力的變化和質(zhì)點(diǎn)位移 為特征，該質(zhì)點(diǎn)位移基本上處于和波陣面相同的平面中。聲波和彈性波還已知為壓力波和 剪切波。聲波和彈性波統(tǒng)稱為地震波場。
[0006] 地下構(gòu)造可以以諸如密度、可壓縮性以及多孔性的物理參數(shù)為特征。這些參數(shù)值 的變化被稱為聲學(xué)差異（contrast)或彈性差異，并且可以表示地下層（其可以包含碳?xì)浠?合物）中的變化。當(dāng)聲波或彈性波遭遇聲學(xué)差異或彈性差異時(shí)，一部分波將反射回地面，而 另一部分波將傳導(dǎo)至地下更深部分中。到達(dá)陸地地面的彈性波可以被定位在陸地上的運(yùn)動(dòng) 傳感器（用于測量位移、速度或加速度，如地震檢波器、加速計(jì)等）測量到。陸地地面處的 彈性波測量可以被用于生成地下的詳細(xì)影像（包括諸如密度、可壓縮性、多孔性等的物理 特性的定量評(píng)價(jià)）。這通過對(duì)地震數(shù)據(jù)的恰當(dāng)處理來實(shí)現(xiàn)。
[0007] 地震傳感器單元典型地還包含為數(shù)字化并記錄地震數(shù)據(jù)所需的電子裝置。在一個(gè) 已知實(shí)施方式中，每一個(gè)傳感器單元都連接至陸地地震線纜，其經(jīng)由線纜連接至地面車輛 或諸如平臺(tái)的其它地面設(shè)施上的記錄儀器。陸地地震線纜提供電力和用于向計(jì)量儀器傳送 記錄并數(shù)字化的地震信號(hào)的手段。陸地地震是保證發(fā)現(xiàn)并有效生產(chǎn)碳?xì)浠衔飪烧叩囊粋€(gè) 重要角色。然而，如現(xiàn)今普遍實(shí)行的，陸地地震需要廣泛使用線纜來連接傳感器網(wǎng)絡(luò)，以生 成地面下層的影像。涉及線纜的諸如運(yùn)輸、敷設(shè)以及卷繞的活動(dòng)可能包括多達(dá)總后勤活動(dòng) 的50%。而且，線纜和連接器可能占超過地面設(shè)備總成本的30%。涉及線纜和連接器的諸 如短路、開路以及斷續(xù)問題的問題可能縮減多達(dá)50%的有效獲取時(shí)間。線纜可能引入對(duì)于 現(xiàn)場工作人員（fieldcrews)、其它人以及動(dòng)物的安全風(fēng)險(xiǎn)，并且可能因留下操作痕跡而破 壞環(huán)境。而且最終，線纜可能限制按新的和非常規(guī)模式敷設(shè)傳感器的自由度。
[0008] 在進(jìn)行陸地地震時(shí)已經(jīng)努力減少使用線纜。例如，在美國專利No. 7124028、 No. 6219620以及No. 6070129中公開了無線陸地地震系統(tǒng)和方法。在一些已知實(shí)施方式中， 將射頻信號(hào)用于從多個(gè)地震檢波器向中間收集節(jié)點(diǎn)傳送地震數(shù)據(jù)，該中間收集節(jié)點(diǎn)接著經(jīng) 由射頻無線、線纜或光纖向中央控制站傳送收集的數(shù)據(jù)。在更多新近實(shí)施方式（如在'028 專利中公開的）中，沒有使用收集節(jié)點(diǎn)，而相反，地震檢波器包括按逐跳（hop-to-hop)通信 方式在地震檢波器之間實(shí)現(xiàn)短距無線電通信的組件。
[0009] 美國公布的申請(qǐng)?zhí)?0060247505公開了一種特別用于醫(yī)學(xué)用途的傳感器系統(tǒng)，其 允許從任何遠(yuǎn)程位置監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)。其側(cè)重點(diǎn)是為移動(dòng)的、而非必須呆在家里或其它單 一位置（如醫(yī)院病房）的用戶（典型為內(nèi)科病人）提供機(jī)會(huì)。該傳感器系統(tǒng)的用戶和外部實(shí) 體可以監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，并且可以提供該用戶與急救人員之間的通信鏈路。該傳感器系統(tǒng) 包括具有傳感器的傳感器模塊，和第一無線鏈路，該第一無線鏈路向移動(dòng)通信裝置（如蜂 窩電話或個(gè)人數(shù)字助理PDA)無線地傳送從傳感器采樣的數(shù)據(jù)，該移動(dòng)通信裝置具有接收 來自該傳感器模塊的數(shù)據(jù)并且向服務(wù)器無線地傳送該數(shù)據(jù)的第二無線鏈路。該第一無線鏈 路可以包括從射頻通信協(xié)議、磁感應(yīng)協(xié)議以及無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)協(xié)議（WPAN)的組中選擇的 無線通信協(xié)議。該第二無線鏈路可以包括從GSM標(biāo)準(zhǔn)、GPRS、GPS、3G、WIFI(801.11)、WiMAX 以及射頻通信協(xié)議的組中選擇的無線通信協(xié)議。在討論先前已知醫(yī)學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的問題時(shí)， 本發(fā)明人提到類似缺陷還適用于其它數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，如環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，和地震監(jiān)測系統(tǒng)，然 而，不存在關(guān)于地震傳感器系統(tǒng)或獲取地震數(shù)據(jù)的進(jìn)一步公開、教導(dǎo)或建議。在如網(wǎng)絡(luò)字 典（NetworkDictionary)(例如，參見在http://www.networkdictionary.com/wireless/WirelessDataNetworking.php討論的無線數(shù)據(jù)連網(wǎng)及其移動(dòng)無線的分離處理）的參考文 獻(xiàn)中，已證明，例如通過其分離處理，移動(dòng)無線技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與無線數(shù)據(jù)連網(wǎng)分離的狀 O
[0010] 盡管在陸地地震數(shù)據(jù)獲取領(lǐng)域中已經(jīng)存在一些有關(guān)無線數(shù)據(jù)發(fā)送的使用，但仍然 在魯棒性、可量測性、成本以及功效方面存在改進(jìn)空間。本發(fā)明致力于尋求這些方面中的一 個(gè)或多個(gè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 根據(jù)本發(fā)明，描述了在魯棒性、可量測性、成本以及功效中的一個(gè)或多個(gè)方面減少 或克服了先前已知無線系統(tǒng)和方法的缺點(diǎn)的、用于獲取陸地地震數(shù)據(jù)的無線系統(tǒng)和方法。 本發(fā)明的系統(tǒng)和方法允許更有效地獲取陸地地震數(shù)據(jù)，舉例來說，如在針對(duì)地下含油氣儲(chǔ) 集層（hydrocarbon-bearingreservoir)的勘探或監(jiān)測現(xiàn)有IC藏期間，獲取3-D和4-D陸 地地震數(shù)據(jù)。電磁信號(hào)可被用于向傳感器單元和/或從傳感器單元傳送數(shù)據(jù)、傳送功率、以 及/或接收指令以操作傳感器單元。
[0012] 本發(fā)明的第一方面是一種陸地地震數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0013] -個(gè)或多個(gè)振動(dòng)器，
[0014] 一個(gè)或多個(gè)基站，
[0015] 地震數(shù)據(jù)記錄站，
[0016] 以及傳感器系統(tǒng)，該傳感器系統(tǒng)用于獲取和/或監(jiān)測陸地地震傳感器數(shù)據(jù)并向所 述一個(gè)或多個(gè)基站發(fā)送該數(shù)據(jù)，該傳感器系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器模塊，每一個(gè)傳感器模塊都 包括一地震傳感器，其中，振動(dòng)器、基站、記錄站以及地震傳感器之間的全部通信完全是無 線的。本發(fā)明的系統(tǒng)的特征在于包括無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，其中，該無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)包括地震傳感 器，該地震傳感器通過第一無線鏈路向所述一個(gè)或多個(gè)基站發(fā)送所述數(shù)據(jù)的至少一部分， 所述一個(gè)或多個(gè)基站繼而通過第二無線鏈路向記錄站發(fā)送它們接收到的至少一些數(shù)據(jù)，如 在此進(jìn)一步說明的。而且，如在此進(jìn)一步說明的，記錄站不需要在陸地上，并且不需要固定 不動(dòng)。例如，記錄站可以從固定陸地車輛、移動(dòng)陸地車輛、固定海洋船只、移動(dòng)海洋船只以及 諸如直升飛機(jī)、飛艇或飛機(jī)的移動(dòng)航空器中選擇。
[0017] 如在此使用的，術(shù)語"完全無線"意指各傳感器單元之間、各振動(dòng)器之間、各基站之 間、任何傳感器單元與基站之間、任何傳感器單元與數(shù)據(jù)記錄站之間、任何傳感器單元與任 何振動(dòng)器之間、任何振動(dòng)器與數(shù)據(jù)記錄站之間、任何振動(dòng)器與任何基站之間等不存在有線、 纖維（包括光纖）或其它物理通信連接。然而，這不排除例如同一振動(dòng)區(qū)域中兩個(gè)振動(dòng)器 之間的物理連接的可能性。
[0018] 如在此進(jìn)一步例示的，基站可被戰(zhàn)略性地定位為覆蓋預(yù)定傳感器模塊組。在這些 實(shí)施方式中，每一組傳感器模塊都可以經(jīng)由網(wǎng)狀拓?fù)浜?或以逐跳的方式（在此還稱為多 跳）無線地中繼數(shù)據(jù)。還可以使用星形拓?fù)浜推渌負(fù)?，但網(wǎng)狀拓?fù)鋵⑸勺畲笕哂?。?每一個(gè)基站與數(shù)據(jù)記錄站（例如，記錄車）之間，可以從基站向記錄站直接傳送地震數(shù)據(jù)。 在本發(fā)明的系統(tǒng)中，傳感器模塊可以共同彼此相對(duì)靠近地隔開，例如，范圍從1米直到約10 米的距離。因?yàn)閭鞲衅髂K之間的距離相對(duì)較短，所以多跳可以避開不平坦地形或包括人 造障礙物的地形中的潛在無線通信（RF、微波、紅外線）問題。已知的是，對(duì)于在隔開達(dá)較大 距離的點(diǎn)A與點(diǎn)B之間無線地傳送數(shù)據(jù)來說，與點(diǎn)A和點(diǎn)B之間的直接無線通信相比，A與 B之間的多個(gè)地點(diǎn)之間的中繼將消耗更少能量。
[0019] 本發(fā)明中的系統(tǒng)包括以下部分，包括第一無線鏈路，該第一無線鏈路向基站（其 可以是移動(dòng)或非移動(dòng)通信裝置）無線地傳送從地震傳感器采樣的地震數(shù)據(jù)，該基站具有第 二無線鏈路，該第二無線鏈路接收來自傳感器模塊的地震數(shù)據(jù)，并且向陸地地震數(shù)據(jù)記錄 站無線地傳送該地震數(shù)據(jù)，所述一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)器具有第三無線鏈路，該第三無線鏈路接 收來自陸地地震數(shù)據(jù)記錄站的命令并且向該陸地地震數(shù)據(jù)記錄站無線地傳送振動(dòng)器數(shù)據(jù) (如狀態(tài)信息）。如在此使用的，術(shù)語"移動(dòng)"在被用于描述一裝置時(shí)，包括手持式裝置和可 以佩戴在人體上的裝置，例如，佩戴在皮帶上、放在口袋中、放在錢包中等的裝置。并不意味 著包括如用很大的力氣才能移動(dòng)的建筑物或小屋或用較小的力氣就能移動(dòng)的臺(tái)式計(jì)算機(jī) 那樣的實(shí)際上可被移動(dòng)的物體。
[0020] 在特定系統(tǒng)實(shí)施方式中，第一無線鏈路可以從任何無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WPAN)通信 協(xié)議中選擇。第二和第三無線鏈路可以從支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（PMP)寬帶無線訪問的任何無線通 信協(xié)議中獨(dú)立地選擇。這些協(xié)議可以包括，但不限于IEEE標(biāo)準(zhǔn)802. 16 (有時(shí)稱為WiMax(微 波存取全球互通）標(biāo)準(zhǔn)）、IEEE標(biāo)準(zhǔn)802. 20等。第二和第三無線鏈路可以使用相同或不同 協(xié)議。
[0021] 本發(fā)明的特定陸地地震數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可以利用允許在傳感器模塊、振動(dòng)器、基站 以及記錄站之間或者僅在傳感器模塊之間廣播消息（音頻、視頻、字母數(shù)字混編、數(shù)字、模 擬及其組合）的無線鏈路和設(shè)備。該消息可以被時(shí)間標(biāo)記和被用于距離測量以及時(shí)鐘校 準(zhǔn)。該通信網(wǎng)絡(luò)還可以被用于傳送狀態(tài)信息和/或質(zhì)量控制（QC)。
[0022] 本發(fā)明的第二方面包括獲取陸地地震數(shù)據(jù)（包括延時(shí)陸地地震數(shù)據(jù)獲?。┑姆?法，該方法包括以下步驟：
[0023] a)從記錄站無線地啟動(dòng)一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)器，該振動(dòng)器通過陸地區(qū)域生成一個(gè)或多 個(gè)振動(dòng)信號(hào)；
[0024] b)利用定位在所述陸地區(qū)域上的傳感器系統(tǒng)測量反射的陸地地震數(shù)據(jù)，該傳感器 系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器模塊，每一個(gè)傳感器模塊都包括一地震傳感器；
[0025] c)從所述多個(gè)傳感器模塊向一個(gè)或多個(gè)基站無線地發(fā)送該地震數(shù)據(jù)中的至少一 Jifcb. ??，
[0026] d)向記錄站無線地發(fā)送由所述一個(gè)或多個(gè)基站接收到的至少一些