基於計算機網絡的新型數字地震儀的製作方法
2023-11-05 13:22:47
專利名稱：基於計算機網絡的新型數字地震儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種地震儀，特別是涉及一種基於計算機網絡的新型數字地震儀。
背景技術：
1、地震儀器現狀高精度數字地震儀是用來記錄人工或天然地震信號，然後根據這些地震信號的記錄來尋找油、氣、煤和其他礦產資源的地質勘探儀器，並可用於探測地球內部結構、進行工程及地質災害預測等。地震勘探法目前仍然是在陸地和海洋勘探石油和天然氣的主要手段，同時也是其他礦產資源的重要勘探方法，並廣泛應用於研究地球內部結構、工程勘探和檢測、地質災害預測等等方面。其基本方法是在勘探靶區的地面上埋放數千乃至上萬隻地震波傳感器(即地震檢波器)，在海上則是用海洋勘探船拖放數根l_2km長的海上漂纜(漂纜每隔數十米包裹一個地震檢波器)，然後用炸藥或可控震源(在陸地)或高壓空氣槍(在海上)激發人工地震。地震波向地下深處傳播，遇到不同性質地層的分界面就會產生反射，地震檢波器拾取到反射波並將其轉換成模擬電信號，然後由高精度的數字地震儀把這些模擬電信號轉換成數位訊號記錄下來。野外勘探接收到的大量數據通過室內用高速計算機進行複雜的信號處理和反演計算，才能得到清晰可靠的地下結構圖像，最終確定礦產資源的位置和深度。目前在我國石油和天然氣勘探行業使用的儀器極大部分是從國外進口的有線遙測地震儀。有線遙測地震儀的特徵是完全由有線系統發送指令和傳送採集數據。在目前的野外實際應用中佔有主導地位，佔據世界地震儀市場的絕大部分份額，常用的有Sercel公司的408/428系列、ION公司的System IV、Scorpion和Aries II系統、德國DMT公司的 Summit系統、美國Seismic Instrument公司的SI系統和美國WesternGeco公司的Uni Q 系統等。地震採集系統可分為地震信號的拾取(地震檢波器)、地震信號的傳輸、地震信號的記錄與存儲三部分。地震採集儀器的發展大約經歷下面的過程(1)全模擬地震儀器系統——第一代電子管儀器和第二代電晶體儀器；(2)主機系統數字記錄的實現——第三代數字地震儀；(3)地震電纜數字傳輸系統——第四代早期遙測地震儀；(4)多種數據傳輸方式——第五代24位遙測地震儀，國內外主要24位遙測地震儀可分為三類有線遙測地震儀、無線遙測地震儀、存儲式數據回收遙控地震儀。這三類遙測地震儀中，有線遙測地震儀仍佔主導地位，佔據世界市場的絕大部分份額。這一時代地震儀器的主要特徵是在採集系統最重要的部分——採集站中使用了 Δ-Σ 24位ADC技術；在地震採集排列的布置和遙測數據傳輸方面出現了網絡遙測技術和其它一些先進技術；系統具有更完善、快捷、自動化程度高的故障檢測和狀態測試功能；系統具有較為強大的實時數據分析處理和現場QA/QC功能；整個系統的硬體結構、軟體結構，以及系統內部的數據、命令、地址等信息的組織、管理、 運行等全面實現了計算機化。如果單純從數據傳輸的性質和特點來看，這一代地震儀器主流傳輸技術仍然以地震電纜的數字傳輸為特點，但數據傳輸結構和理論發生了變化，即由普通數據傳輸發展到網絡數據傳輸。另外，無線數據傳輸理論與技術也大大向前發展。同時，又出現了新的數據傳輸類型，即數據存儲後人工回收方式、無線蜂窩技術等等。以上都是出現在地面站單元直到主機這一過程中的地震數據傳輸方式與技術，而另一方面，即檢波器的地面振動拾取與信號輸出和檢波器電纜(小線)中的信號傳輸仍與第四代遙測地震儀一樣，也是模擬信號傳輸。(5)全數字地震數據傳輸與記錄系統——第六代全數字遙測地震儀，儀器系統結構有重大改變。在全數字遙測地震儀系統中，採集站的概念實際上沒有了。原來採集站中地震道部分的電路(包括Δ - Σ 24位ADC和DSP電路等)已分離出來， 微化集成到數字地震傳感器中，與振動拾取部分(MEMS)傳感器緊密結合在一起。因此，傳感器本身輸出的信號已經是24位數位訊號，採集站只保留數據傳輸、整形、存儲，並增加了新型地震傳感器的供電、檢測、管理等功能。在全數字遙測地震儀系統中，包括各種地震電纜在內的全部地震數據傳輸環節傳輸的都是數位訊號，不再有模擬地震數據傳輸。美國I/ 0公司投入巨額資金，經過十幾年的研究，於1999年前後率先推出用於石油地震勘探的數字傳感器——VectorSeis三分量數字地震傳感器，到2002年又推出了數字地震傳感器的應用平臺——主機系統，至此宣告了全數字遙測地震儀——I/O System Four的誕生。法國Sercel公司於1999年前後率先推出數字地震傳感器的應用平臺——408UL主機系統，到 2002年前後又推出了數字地震傳感器——DSU單元。408UL主機系統是法國Sercel公司面向第六代全數字遙測地震儀設計的系統平臺，它同時可兼容傳統模擬檢波器構成當前我們大量使用的408UL 24位遙測地震儀系統。美國I/O System Four和法國Sercel408UL_DSU 全數字遙測地震儀的誕生，標誌著世界地震勘探儀器的發展開始進入新的一代——第六代。法國Sercel公司是CGG控股從事地震儀器研製的專業公司，具有五十多年的地震儀器製造經驗。典型的陸上地震儀器有SN338、SN368、SN388和目前廣泛使用的400系列。408U是Sercel公司九十年代末期推向勘探市場的網絡地震儀，採用採集鏈結構形式使採集站和電纜成為一體。408UL系統率先引入了地震區域網絡的概念，其核心思想是把計算機網絡節點概念引入到遙測地震儀系統中，從而將遙測儀器系統作為一個計算機網絡。主機記錄系統、LAUL、LAUX作為網絡節點，配合系統軟體完成控制和管理。408UL大線數傳速率為8. 192MHz，交叉線教傳速率為16. 384MHz，2ms採樣率下大線實時傳輸1000道， 交叉線實時傳輸2000道。與408UL相比，428XL的主機系統和數據傳輸結構有重大改進， 主機結構採用伺服器/客戶機模式，其大線數傳速率為16. 384MHz，單線道能力達到了 2000 道/2ms，三維實時道能力為10000道/2ms。美國I/O司也是國際知名的地震儀器、可控震源、地震檢波器、激發源同步系統等地球物理裝備製造商。上世紀八十年代開始涉足地震儀器製造，當時推出的系統-I和系統-II儀器深受用戶歡迎。I/O公司非常重視產品的超前研究，近年來率先推出24位A/D 地震儀器，Vectorseis數字檢波器(MEMS)，使地震儀器兩次發生革命性的進步。但其在跟蹤用戶需求，開發適用性產品方面落後於Sercel公司。I/O公司生產的陸上地震儀器主要包括系統IV，Scorpion和Aries II系統。上世紀90年代隨著採用24位模數轉換技術地震儀的出現，國內儀器廠組織研發了 GYZ4000、SK-1006等類型的24位高精度遙測地震儀，但在可靠性方面與國外同類儀器相比存在一定的差距，而且功能也沒有得到完善，因此沒有推廣應用。
發明內容
本發明目的在於提供一種能充分發揮現代計算機網絡和數字地震儀優勢，成本低、功耗低和功能強大的基於計算機網絡的新型數字地震儀。為實現上述目的，本發明基於計算機網絡的新型數字地震儀硬體部分由包括下列八大單元組成中央控制作業系統、根節點、主節點、基站、電源站、採集鏈、光纜、大線電纜； 中央控制作業系統通過多條綁定的千兆網線與根節點連接；根節點通過多條光纜與主節點連接，並與激發控制器和輔助道連接；多個主節點之間用千兆光纜連接，形成數據傳輸主幹網；主節點通過大線電纜連接基站；基站之間用百兆大線電纜連接，形成數據傳輸次幹網； 基站提供多個專用同步傳送接口連接採集鏈和電源站；採集鏈由多個採集站組成；電源站為採集鏈供電，實現電源遠供；基站具有電源站功能為採集鏈供電。本發明新型數字地震儀的特點是充分考慮了十萬道級數字地震儀的數據傳輸特點，可以利用了不同的計算機網絡滿足不同的數據傳輸要求，能採用千兆光纖完成數據主幹網的數據傳送，能採用百兆電纜完成數據次幹網的數據傳送，採能用類令牌網實現數據採集鏈的實時數據傳送，達到了低成本、低功耗，強大功能的最佳配置，能以可靠方式實現十萬道級數字地震儀數據傳輸。與國內外目前地震儀的不同之處是充分利用了計算機網絡實現了一種特有的十萬道級的地震採集儀器構架。作為優化，所述中央控制作業系統置於儀器車上，是整個數字地震儀中軟體和硬體相結合的主要控制單元，硬體部分由計算機伺服器、網絡交換機、客戶計算機終端、存儲設備、顯示設備和GPS模塊組成；網絡交換機連接存儲設備、顯示設備、GPS模塊、計算機伺服器和客戶終端，計算機伺服器再連接根接點。作為優化，中央控制作業系統實現下列功能1)人機互動運行軟體系統，實現人機互動功能，滿足操作人員對採集系統的控
制和管理。2)排列控制通過根節點實現對野外地面排列的控制和管理，包括野外部件的識別和檢測。3)採集同步通過根節點實現激發震源與採集系統的同步採集。4)數據回收通過根節點實現對野外地面部件採集數據的回收、預處理和存儲。5)質量控制通過繪圖儀和屏幕繪圖實現質量控制。作為優化，所述根節點由高速數據交換模塊、控制模塊、激發源控制接口模塊、電源模塊、輔助道接口模塊和GPS模塊組成；高速數據交換模塊為8 口千兆交換機模塊，4 口為RJ45接口，提供兩條或四條綁定的千兆網線與中央控制作業系統連接，4 口為光纜接口， 提供2條或4條光纜接口與主節點MU和其它野外地面設備連接；控制模塊通過中央控制作業系統的指令實現控制高速數據交換模塊、激發源控制接口模塊和輔助道接口模塊；激發源控制接口模塊提供與激發源控制器的通信接口 ；電源模塊為各模塊提供電源支持。中央控制作業系統通過兩條或四條綁定的千兆網線與根節點連接。根節點的功能與標準的千兆網交換機功能相似，但是增加特有的了智能控制、輔助道接口和同步激發控制接口。作為優化，所述主節點由高速數據交換模塊、控制模塊、電源模塊和GPS模塊組成；高速數據交換模塊為4 口百兆/千兆交換機模塊，2 口為千兆光纜接口，分別連接上一級主節點、根節點和下一級主節點，2 口為百兆RJ45接口分別連接左右兩條大線電纜；控制模塊根據中央控制作業系統的指令控制高速數據交換模塊；電源模塊為各模塊提供電源支持。主節點之間用千兆光纜連接，形成數據傳輸主幹網。作為優化，所述基站由數據交換模塊、控制模塊、電源模塊、數據接口模塊和GPS 模塊組成；數據交換模塊為PoWerPC8313CPU內置的2 口百兆交換機模塊，為百兆RJ45接口， 分別連接上一級基站、主節點和下一級基站；控制模塊選用PowerPC8313CPU，根據中央控制作業系統的指令控制數據交換模塊和數據接口模塊；電源模塊為各模塊提供電源支持； 數據接口模塊提供2或4個高速同步傳送接口連接採集鏈和電源站；GPS模塊連接控制模塊。基站之間用百兆大線電纜連接，形成數據傳輸次幹網。所述基站把12V電壓升壓48V為採集鏈供電，實現電源遠供，左右兩邊各供60 240個採集站；電源站PS把12V電壓升壓48V為採集鏈供電，實現電源遠供，一個電源站可以左右兩邊各供30 60個採集站。即基站具有電源站功能，把12V電壓升壓48V為採集鏈供電，實現電源遠供，左右兩邊各供60 240個採集站。所述電源站把12V電壓升壓48V 為採集鏈供電，實現電源遠供，一個電源站可以左右兩邊各供30 60個採集站。作為優化，所述數據接口模塊為專用高速同步傳送接口由FPGA、晶振、通信隔離和鬼對供電變壓器等組成，FPGA和晶振提供通信支持，變壓器提供通信匹配和隔離，並作為鬼對供電變壓器實現遠程供電；所述接口相互串接組成數據傳輸通道，每個數據傳輸接口連接30 120個通道的數字檢波器，所以每個基站連接120 480個通道的數字檢波器。作為優化，所述採集鏈由6個 12個採集站組成，採集站分為A型和D型二種類型A型採集站為連接模擬檢波器，由通信接口、控制模塊、A/D轉換模塊、前置放大模塊、檢波器、D/A轉換模塊和GPS模塊組成；檢波器依次連接前置放大模塊、A/D轉換模塊、 控制模塊和通信接口，控制模塊連接GPS模塊，並通過D/A轉換模塊連接前置放大模塊；其中控制模塊、A/D轉換模塊、前置放大模塊和D/A轉換模塊組成數位化單元；D型採集站為連接MEMS數字檢波器，由通信接口、控制模塊、ASIC集成電路、MEMS 傳感器和GPS模塊組成；MEMS傳感器通過ASIC集成電路連接控制模塊，控制模塊再連接通信接口和GPS模塊；其中控制模塊和ASIC集成電路組成數位化單元；採集鏈之間採用高速同步傳送方式進行通信和數據傳送。作為優化，所述採集站整體結構由上蓋、引出電纜、數位化單元式數位化板、GPS模塊、數傳接口板、檢波器芯體、外殼和尾錐組成；數位化板、數傳接口板和檢波器芯體由上蓋封裝在塑料外殼內，檢波器芯體引出電極連接到數位化板上，數傳接口板引出二組電纜，進行數據傳送和供電串接，尾錐安裝在外殼的下端。作為優化，時間同步方式在網絡傳輸方式，採用GPS授時或用IEEE1588協議實現時間同步；在高速同步傳送方式時，採用計算延遲時間方式進行時間同步；採用千兆光纖完成數據主幹網的數據傳送，採用百兆電纜完成數據次幹網的數據傳送，採用類令牌網實現數據採集鏈的實時數據傳送。本發明新型數字地震儀的特點是充分考慮了十萬道級數字地震儀的數據傳輸特
7點，利用了不同的計算機網絡滿足不同的數據傳輸要求，採用千兆光纖完成數據主幹網的數據傳送，採用百兆電纜完成數據次幹網的數據傳送，採用類令牌網實現數據採集鏈的實時數據傳送，達到了低成本、低功耗，強大功能的最佳配置，能以可靠方式實現十萬道級數字地震儀數據傳輸。與國內外目前地震儀的不同之處是充分利用了計算機網絡實現了一種特有的十萬道級的地震採集儀器構架。本發明另一大特色是利用多GPS站聯合定位技術實現釐米級定位精度。由於GPS單點定位精度較低，一般為士 10m，而地震勘探的定位精度要求在分米級，所以用單個GPS定位不能滿足要求。而地震勘探的優勢是幾十或幾百平方公裡的範圍內，可以布設幾百甚至幾萬個GPS站點進行測量，從而形成大型GPS站點網絡，利用這個大型GPS網絡進行測量誤差消除後，可以達到釐米級的定位精度。本發明新型地震儀在儀器車和所有野外部件上安裝了 GPS模塊，更便於進行實時管理和監控。
圖1是本發明基於計算機網絡的新型數字地震儀的電路原理圖；圖2是本發明基於計算機網絡的新型數字地震儀的中央控制作業系統CCOS電路原理圖；圖3是本發明基於計算機網絡的新型數字地震儀的根節點RU電路原理圖；圖4是本發明基於計算機網絡的新型數字地震儀的主節點MU電路原理圖；圖5是本發明基於計算機網絡的新型數字地震儀的基站BS電路原理圖；圖6-7是本發明基於計算機網絡的新型數字地震儀的A型和D型兩種採集站AS 電路原理圖；圖8是本發明基於計算機網絡的新型數字地震儀的採集站AS結構示意圖；圖9-10是本發明基於計算機網絡的新型數字地震儀的兩種三維採集方式示意圖。
具體實施例方式本發明裝置基於計算機網絡的新型數字地震儀的特點是充分考慮了十萬道級數字地震儀的數據傳輸特點，利用了不同的計算機網絡滿足不同的數據傳輸要求，採用千兆光纖完成數據主幹網的數據傳送，採用百兆電纜完成數據次幹網的數據傳送，採用類令牌網實現數據採集鏈的實時數據傳送，達到了低成本、低功耗、功能強大的最佳配置。與國內外目前地震儀的不同之處是充分利用了計算機網絡實現了一種特有的十萬道級的地震採集儀器構架。如圖1所示，本發明基於計算機網絡的新型數字地震儀由八大單元中央控制作業系統(儀器車)CC0S、根節點Ru、主節點MU、基站BS、電源站PS、採集鏈AS、光纜FL、大線 L組成。中央控制作業系統CCOS通過多條綁定的千兆網線與根節點RU連接；根節點RU通過多條光纜FL與主節點MU和其它野外地面設備連接；多個主節點MU之間用千兆光纜FL 連接，形成數據傳輸主幹網；主節點MU通過大線電纜L連接基站BS ；基站BS之間用百兆大線電纜L連接，形成數據傳輸次幹網；基站提供多個專用同步傳送接口連接採集鏈AS和電源站PS ；採集鏈AS由多個採集站TSU組成；電源站PS為採集鏈AS供電，實現電源遠供；基站BS具有電源站功能為採集鏈AS供電。
如圖2所示，所述中央控制作業系統CCOS置於儀器車上，是整個數字地震儀的主要控制單元，軟體和硬體相結合。其硬體部分由計算機伺服器C4、網絡交換機C3、客戶計算機終端C5、存儲設備(磁碟陣列、磁帶機)Cl、顯示設備(繪圖儀)C2和GPS模塊C6組成。 計算機伺服器C4可以採用曙光PHPC100高性能計算機，標配擁有PHPC100計算模塊5套， 10個CPU，40G內存，5塊146G SAS硬碟，並可以實現3+1冗餘電源配置。網絡交換機C3選用12 口的高性能網絡交換機。客戶計算機終端C5選用工業控制級計算機，採用M時液晶屏。磁碟陣列採用5T的RAID5小型磁碟陣列，磁帶機可以選用IBM3590磁帶機。網絡交換機連接存儲設備、顯示設備、GPS模塊、計算機伺服器和客戶終端，計算機伺服器再連接根接點ο軟體由作業系統軟體和控制操作軟體等組成。作業系統軟體採用Linux和Qt。中央控制作業系統CCOS實現下列功能1)人機互動運行軟體系統，實現人機互動功能，滿足操作人員對採集系統的控
制和管理。2)排列控制通過根節點RU實現對野外地面排列的控制和管理，包括野外部件的識別和檢測。3)採集同步通過根節點RU實現激發震源與採集系統的同步採集。4)數據回收通過根節點RU實現對野外地面部件採集數據的回收、預處理和存儲。5)質量控制通過繪圖儀和屏幕繪圖實現質量控制。如圖3所示，中央控制作業系統CCOS通過兩條或四條綁定的千兆網線與根節點RU 連接。根節點RU置於儀器車上，由高速數據交換模塊RU1、控制模塊RU2、激發源控制接口模塊RU3、電源模塊RU4、輔助道接口模塊RU5和GPS模塊C6組成。高速數據交換模塊RUl 為8 口千兆交換機模塊，4 口為RJ45接口，提供兩條(或四條)綁定的千兆網線與中央控制作業系統CCOS連接，4 口為光纜接口，提供2條或4條光纜與主節點MU等野外地面設備連接；控制模塊RU2選用PoWerPC8313CPU，根據中央控制作業系統CCOS的指令控制高速數據交換模塊RU1、激發源控制接口模塊RU3和輔助道接口模塊RU5 ；激發源控制接口模塊RU3 提供與激發源控制器的通信接口 ；電源模塊RU4為各模塊提供電源支持。根節點RU的功能與標準的千兆網交換機功能相似，但是多了智能控制、輔助道接口和同步激發控制接口。如圖4所示，主節點MU由高速數據交換模塊RU1、控制模塊RU2、電源模塊RU4和 GPS模塊C6組成，高速數據交換模塊RUl為4 口百兆/千兆交換機模塊，2 口為千兆光纜接口，分別連接上一級主節點MU(也可以是根節點RU)和下一級主節點MU，2 口為百兆RJ45 接口分別連接左右兩條大線電纜L ；控制模塊RU2選用PoWerPC8313CPU，根據中央控制作業系統CCOS的指令控制高速數據交換模塊RUl ；電源模塊RU4為各模塊提供電源支持。主節點MU之間用千兆光纜連接，形成數據傳輸主幹網。如圖5所示，基站BS由數據交換模塊RU1、控制模塊RU2、電源模塊RU4、數據接口模塊BS4和GPS模塊C6組成。控制模塊RU2選用PowerPC8313CPU，根據中央控制作業系統CCOS的指令控制數據交換模塊RUl和數據接口模塊BS4 ；數據交換模塊RUl利用PoWerPC8313CPU內置的2 口交換機模塊，分別連接上一級基站BS (也可以是主節點MU)和下一級基站BS ；電源模塊RU4
9為各模塊提供電源支持；數據接口模塊BS4提供2或4個專用高速同步傳送接口連接採集鏈AS和電源站PS。GPS模塊連接控制模塊。所述數據接口模塊為專用高速同步傳送接口由FPGA、晶振、通信隔離和鬼對供電變壓器等組成，FPGA和晶振提供通信支持，變壓器提供通信匹配和隔離，並作為鬼對供電變壓器實現遠程供電。所述接口相互串接組成數據傳輸通道，每個數據傳輸接口可以連接 30 120個通道的數字檢波器，所以每個基站可以連接120 480個通道的數字檢波器。 基站之間用百兆大線電纜連接，形成數據傳輸次幹網。電源站把12V電壓升壓48V為採集鏈供電，實現電源遠供。一個電源站可以左右兩邊各供60 240個採集站。所述基站還可把12V電壓升壓48V為採集鏈供電，左右兩邊各供40 60個採集站。如圖6-7所示，所述採集鏈AS由若干個(6個 12個)採集站組成，採集站分為 A型和D型二種類型A型採集站為連接模擬檢波器，由通信接口 Al、控制模塊RU2、A/D轉換模塊A3、前置放大模塊A4、檢波器A5、D/A轉換模塊A6和GPS模塊C6組成。其中通信接口 Al與基站BS 中的專用高速同步傳送接口相對應；控制模塊RU2有C51嵌入式CPU和FPGA等組成；前置放大模塊A4、A/D轉換模塊A3和D/A轉換模塊A6分別採用Cirrus Logic公司的CS3301A/ CS3302A、CS5373A 和 CS5378A 等模數轉換套片，可以程序設置 0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、 30dB或36dB的前放增益，實現M位模數轉換，並提供4、2、1、0. 5、或0. 25的採樣率。檢波器依次連接前置放大模塊、前置放大模塊、控制模塊，控制模塊再連接通信接口、GPS模塊和通過D/A轉換模塊連接前置放大模塊。其中控制模塊、A/D轉換模塊、前置放大模塊和D/A 轉換模塊組成數位化單元。D型採集站為連接MEMS數字檢波器，由通信接口 Al、控制模塊RU2、ASIC集成電路 D3、MEMS傳感器D4和GPS模塊C6組成。採集鏈(站)(AS)之間採用專用高速同步傳送方式進行通信和數據傳送。MEMS傳感器通過ASIC集成電路連接控制模塊，控制模塊再連接通信接口和GPS模塊；其中控制模塊和ASIC集成電路組成數位化單元。如圖8所示，採集站整體結構由上蓋R1、引出電纜R2、數位化單元式數位化板R3、 GPS模塊C6、數傳接口板R5、檢波器芯體R6、外殼R7和尾錐R8組成。數位化板、數傳接口板和檢波器芯體由上蓋封裝在塑料外殼內，檢波器芯體引出電極連接到數位化板上，數傳接口板引出二組電纜，進行數據傳送和供電串接，尾錐安裝在外殼的下端。由於GPS單點定位精度較低，一般為士 10m，而地震勘探的定位精度要求在分米級，所以用單個GPS定位不能滿足要求。而地震勘探的優勢是幾十或幾百平方公裡的範圍內，可以布設幾百甚至幾萬個GPS站點進行測量，從而形成大型GPS站點網絡，利用這個大型GPS網絡進行測量誤差消除後，可以達到釐米級的定位精度。本新型地震儀在儀器車和所有野外部件上安裝了 GPS模塊，便於進行實時管理和監控。中央控制作業系統CC0S、根節點RU、主節點MU、基站BS和採集站中的GPS模塊選用Fastrax公司IT03 OEM GPS接收模塊，特點是尺寸小7mm)、功耗超低 (< 95m腳2. 7V)、靈敏度非常高(_156dBm(跟蹤))、精確的IPPS授時信號輸出可以達到 RMS20nS的精度和價格低廉。根節點RU、主節點MU和基站BS中的控制模塊均選用PowerPC8313CPU，一方面是選用同樣的CPU有利於開發和成本控制，另一方面PowerPC8313 CPU符合IEEE1588協議， 有利於採用IEEE1588協議實現時間同步。時間同步方式在網絡傳輸方式，採用GPS授時或用IEEE1588協議實現時間同步； 在高速同步傳送方式時，採用計算延遲時間方式進行時間同步。如圖9所示，三維地震勘探測線布設實例1 設高密度單檢波器勘探，要求測線方向為1000道檢波器，檢波器間距為10m，共有100條測線，共計參與採集的檢波器道數為10 萬道。設每個基站的採集道數為2X 180道，則在測線方向需要3個基站組成1080道，測線長度為10790m。縱向需要100條測線，總共需要3000個基站和6000個電源站。如圖10所示，三維地震勘探測線布設實例2 設高密度單檢波器勘探，要求測線方向為1000道檢波器，檢波器間距為10m，共有100條測線，共計參與採集的檢波器道數為10 萬道。設每個基站的採集道數為8X60道，則在測線方向需要17個基站組成1020道，測線長度為10190m。縱向需要100條測線，總共需要425個基站。由於充分考慮了十萬道級數字地震儀的數據傳輸特點，利用了不同的計算機網絡滿足不同的數據傳輸要求，整個架構設計非常靈活，還可以設計出很多種三維地震勘探測線布設方案。
1權利要求
1.一種基於計算機網絡的新型數字地震儀，其特徵在於硬體部分由包括下列八大單元組成中央控制作業系統、根節點、主節點、基站、電源站、採集鏈、光纜、大線電纜；中央控制作業系統通過多條綁定的千兆網線與根節點連接；根節點通過多條光纜與主節點連接， 並與激發控制器和輔助道連接；多個主節點之間用千兆光纜連接，形成數據傳輸主幹網； 主節點通過大線電纜連接基站；基站之間用百兆大線電纜連接，形成數據傳輸次幹網；基站提供多個專用同步傳送接口連接採集鏈和電源站；採集鏈由多個採集站組成；電源站為採集鏈供電，實現電源遠供；基站具有電源站功能為採集鏈供電。
2.根據權利要求1所述基於計算機網絡的新型數字地震儀，其特徵在於所述中央控制作業系統置於儀器車上，是整個數字地震儀中軟體和硬體相結合的主要控制單元，硬體部分由計算機伺服器、網絡交換機、客戶計算機終端、存儲設備、顯示設備和GPS模塊組成；網絡交換機連接存儲設備、顯示設備、GPS模塊、計算機伺服器和客戶終端，計算機伺服器再連接根接點。
3.根據權利要求2所述基於計算機網絡的新型數字地震儀，其特徵在於中央控制作業系統實現下列功能1)人機互動運行軟體系統，實現人機互動功能，滿足操作人員對採集系統的控制和管理；2)排列控制通過根節點實現對野外地面排列的控制和管理，包括野外部件的識別和檢測；3)採集同步通過根節點實現激發震源與採集系統的同步採集；4)數據回收通過根節點實現對野外地面部件採集數據的回收、預處理和存儲；5)質量控制通過繪圖儀和屏幕繪圖實現質量控制。
4.根據權利要求1所述基於計算機網絡的新型數字地震儀，其特徵在於所述根節點由高速數據交換模塊、控制模塊、激發源控制接口模塊、電源模塊、輔助道接口模塊和GPS模塊組成；高速數據交換模塊為8 口千兆交換機模塊，4 口為RJ45接口，提供兩條或四條綁定的千兆網線與中央控制作業系統連接，4 口為光纜接口，提供2條或4條光纜接口與主節點 MU和其它野外地面設備連接；控制模塊通過中央控制作業系統的指令實現控制高速數據交換模塊、激發源控制接口模塊和輔助道接口模塊；激發源控制接口模塊提供與激發源控制器的通信接口 ；電源模塊為各模塊提供電源支持。
5.根據權利要求1所述基於計算機網絡的新型數字地震儀，其特徵在於所述主節點由高速數據交換模塊、控制模塊、電源模塊和GPS模塊組成；高速數據交換模塊為4 口百兆/ 千兆交換機模塊，2 口為千兆光纜接口，分別連接上一級主節點、根節點和下一級主節點，2 口為百兆RJ45接口分別連接左右兩條大線電纜；控制模塊根據中央控制作業系統的指令控制高速數據交換模塊；電源模塊為各模塊提供電源支持。
6.根據權利要求1所述基於計算機網絡的新型數字地震儀，其特徵在於所述基站由數據交換模塊、控制模塊、電源模塊、數據接口模塊和GPS模塊組成；數據交換模塊為PowerPC8313 CPU內置的2 口百兆交換機模塊，為百兆RJ45接口，分別連接上一級基站、主節點和下一級基站；控制模塊選用PowerPC8313 CPU，根據中央控制作業系統的指令控制數據交換模塊和數據接口模塊；電源模塊為各模塊提供電源支持；數據接口模塊提供2或4個高速同步傳送接口連接採集鏈和電源站；GPS模塊連接控制模塊；所述基站把12V電壓升壓48V為採集鏈供電，實現電源遠供，左右兩邊各供60 240 個採集站；電源站把12V電壓升壓48V為採集鏈供電，實現電源遠供，一個電源站可以左右兩邊各供30 60個採集站。
7.根據權利要求6所述基於計算機網絡的新型數字地震儀，其特徵在於所述數據接口模塊為專用高速同步傳送接口由FPGA、晶振、通信隔離和鬼對供電變壓器等組成，FPGA和晶振提供通信支持，變壓器提供通信匹配和隔離，並作為鬼對供電變壓器實現遠程供電；所述接口相互串接組成數據傳輸通道，每個數據傳輸接口連接30 120個通道的數字檢波器，所以每個基站連接120 480個通道的數字檢波器。
8.根據權利要求1所述基於計算機網絡的新型數字地震儀，其特徵在於所述採集鏈由 6個 12個採集站組成，採集站分為A型和D型二種類型A型採集站為連接模擬檢波器，由通信接口、控制模塊、A/D轉換模塊、前置放大模塊、 檢波器、D/A轉換模塊和GPS模塊組成；檢波器依次連接前置放大模塊、A/D轉換模塊、控制模塊和通信接口，控制模塊連接GPS模塊，並通過D/A轉換模塊連接前置放大模塊；其中控制模塊、A/D轉換模塊、前置放大模塊和D/A轉換模塊組成數位化單元；D型採集站為連接MEMS數字檢波器，由通信接口、控制模塊、ASIC集成電路、MEMS傳感器和GPS模塊組成；MEMS傳感器通過ASIC集成電路連接控制模塊，控制模塊再連接通信接口和GPS模塊；其中控制模塊和ASIC集成電路組成數位化單元；採集鏈之間採用高速同步傳送方式進行通信和數據傳送。
9.根據權利要求1所述基於計算機網絡的新型數字地震儀，其特徵在於所述採集站整體結構由上蓋、引出電纜、數位化單元式數位化板、GPS模塊、數傳接口板、檢波器芯體、外殼和尾錐組成；數位化板、數傳接口板和檢波器芯體由上蓋封裝在塑料外殼內，檢波器芯體引出電極連接到數位化板上，數傳接口板引出二組電纜，進行數據傳送和供電串接，尾錐安裝在外殼的下端。
10.根據權利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述基於計算機網絡的新型數字地震儀，其特徵在於時間同步方式在網絡傳輸方式，採用GPS授時或用IEEE1588協議實現時間同步；在高速同步傳送方式時，採用計算延遲時間方式進行時間同步；採用千兆光纖完成數據主幹網的數據傳送，採用百兆電纜完成數據次幹網的數據傳送，採用類令牌網實現數據採集鏈的實時數據傳送。
全文摘要
本發明涉及一種基於計算機網絡的新型數字地震儀，為解決現有地震儀成本、功耗高，功能弱問題，其由中央控制作業系統、根節點、主節點、基站、為採集鏈供電的電源站、採集鏈、光纜、大線電纜單元組成。中央控制作業系統通過多條綁定的千兆網線與根節點連接；根節點通過多條光纜與主節點和其它野外地面設備連接；多個主節點之間用千兆光纜連接成主幹網；主節點通過大線電纜連接基站；基站之間用百兆大線電纜連接成次幹網；基站提供多個專用同步傳送接口連接採集鏈和電源站；採集鏈由多個採集站組成；基站具有電源站功能為採集鏈供電。其採用千兆光纖完成數據主幹網的數據傳送，採用百兆電纜完成數據次幹網的數據傳送，採用類令牌網實現數據採集鏈的實時數據傳送，具有成本、功耗低，功能強大，能以可靠方式實現十萬道級數字地震儀數據傳輸的優點。
文檔編號G01V1/18GK102213768SQ20101014266
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者劉光鼎, 宋祁真, 羅維炳, 郭建 申請人:中國科學院地質與地球物理研究所, 北京吉奧菲斯科技有限責任公司