實時傳輸多功能海底地震儀的製作方法

2023-05-12 23:54:36

專利名稱：實時傳輸多功能海底地震儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及海洋勘探領域，具體為海洋地震觀測技術領域和水下聲學傳播技術，特別涉及一種具有實時傳輸數據的多功能海底地震儀。
背景技術：
中國科學院地質與地球物理研究所是我國研製海底地震儀的主要單位，承擔了國內絕大多數的海底地震儀研製任務。十一五」期間在財政部支持的國家重大科研裝備研製專項中，中國科學院地質與地球物理研究所自主研製的七通道多功能寬帶海底地震儀打破了國外對我國海底寬頻帶地震儀的壟斷，並在南海、黃海、渤海進行了成功地應用，取得了大量的寶貴的科學數據。2009年4月，利用我們自主研製的寬帶海底地震儀，我國首次在深水海區(4300米)記錄到天然地震數據。
隨著油氣勘探向深水和海洋殘留盆地發展的進程以及對天然氣水合物的勘探研究需求,對海底數字地震儀性能指標的要求也越來越高,例如海底地震儀要適應大於3000m的水深、海底地震儀要具有高解析度和長時間的連續工作能力以及實時傳輸數據等能力。其中，海底地震儀特別是具有實時傳輸功能的海底地震儀越來越被很多國家和地球科學研究單位所重視。早期水聲通信機使用的是模擬信號通信，模擬信號容易受到海洋中的魚類、艦船、波浪等產生的混亂噪聲的影響；這些噪聲有時混雜在一起進一步地使海洋中的聲場變得極為混亂，導致海底地震儀接收到的信號更加模糊不清。隨著計算機技術的發展，使得水聲數字通信成為可能，特別是數位訊號處理器的出現，成功解決了大量水下信息的傳播問題。例如中國專利申請第200510110671號公開的光電雙通道自動瞭望跟隨半潛器，該半潛器既可全潛於水下隱蔽，又可僅露出潛望窗進行探測，它將探測的圖像信號經加密後以水聲無線信號傳輸到水下母艇。水下母艇發出的加密控制指令，以水聲數字通信的數據傳輸形式傳送到半潛器，經解密後指揮半潛器工作。但是在該光電雙通道自動瞭望跟隨半潛器申請中沒有公開如何具體地實現數據通信的，這也正如申請人所言「經過加密處理的水聲無線信號不致被敵人修改、破譯、截獲或利用」。也就是，僅僅給出了數字通信的設想，而沒有給出具體實現的手段。此外，還有中國專利申請第02154475號公開的基於CAN總線的深海長距離數字通信系統，該基於CAN總線的深海長距離數字通信系統包括一個水上主機節點和一個水下終端節點，水上主機節點由O號節點通信模塊和控制主機組成，水下終端節點由與O號節點通信模塊結構相同的I號節點通信模塊和水下拖體控制器組成，節點內部通過串行通信接口RS-232交換數據，節點通過CAN總線接口掛接在萬米鎧裝電纜的兩端。該發明主要依託於CAN現場總線技術，實現深海海底長距離無中繼數字通信的要求，不用進行數模轉換。但是該技術依託於CAN現場總線技術，無法大範圍推廣使用。由於海底地震儀工作的環境以及數據傳輸的需要，繼續一種能將數字通訊有效地結合到海底地震儀器設備中，實現了海底地震儀與水面的實時傳輸的方法及設備。

發明內容
本發明的目的是公開一種實時傳輸多功能海底地震儀，是在已有七通道多功能海底地震儀的基礎上，通過對國外產品技術的消化吸收改進而成，其提高了性能指標，可以更好的滿足海洋科學研究與海洋油氣探測的需要。為達到上述目的，依據本發明的第一方面，提供一種實時傳輸多功能海底地震儀，其包括儀器艙、水下聲學數據機、脫鉤機構、沉耦架；儀器艙包含玻璃儀器艙和塑料儀器艙，玻璃儀器艙固裝於塑料儀器艙內，脫鉤機構位於塑料儀器艙頂端，水下聲學數據機的水下modom固裝於脫鉤機構的側面，在脫鉤機構與沉耦架之間以拉緊鋼絲固接，將儀器艙固定於沉耦架中；其中，儀器艙內部集成了七通道採集器系統、水聲通訊模塊以及三分量姿控寬帶地震計和三分量高頻檢波器，所述七通道採集器系統、水聲通訊模塊以及三分量姿控寬帶地震計和三分量高頻檢波器為集成一體化的地震計組合體，使玻璃儀器艙球內部成為ー個整體；在玻璃儀器艙球外對七通道採集器系統、水聲通訊模塊以及三分量姿控寬帶地震計和三分量高頻檢波器進行組裝、調試，然後放進玻璃儀器艙球內，通過玻璃儀器艙球擠壓O型圈來固定；水下聲學數據機，用於實現儀器艙與水面的接收設備的通信。優選地，實時傳輸多功能海底地震儀以7個通道採集地震數據，數字記錄海底地震信息，採用無線藍牙技術進行現場檢測；玻璃儀器艙球內部為單球一體化結構。優選地，水下聲學數據機是由水下modom和水上modom兩部分組成；水下modom通過固定卡和尼龍扎帶安裝在脫鉤機構的側面，由一根水密線纜與玻璃艙內部微機通訊模塊相連，實現了海底地震儀與水面的接收設備(微機)實時傳輸功能。優選地，在設計水下聲學數據機的工作模式時採用微功耗方案，在水聲MODEM控制時採用了睡眠模式功率消耗8mW ;只是在固定時段使水聲modem處於接收模式功率消耗0. 75瓦，在此時段若沒有收到通訊請求就再次進入睡眠模式。優選地，玻璃儀器艙包含常平裝置、三分量姿控寬帶地震計、採集器系統和海底地震儀電源，常平裝置利用姿態傳感器(7)和姿態調整電機(3)對三分量姿控寬帶地震計(4)以及三分量高頻檢波器(9)進行姿態調整；在採集器系統的前放電路中在信號輸入端加配一階無源LC低通抗混疊濾波器，採集器系統採用溫補晶振構成的振蕩電路作為內部時鐘；海底地震儀電源採用10AH鋰電池。優選地，儀器艙還包括頻閃燈；當儀器艙上浮時，頻閃燈在黑夜裡能有效的指示儀器艙所在方位且方便回收。進ー步地，頻閃燈被置於儀器艙艙球的上部利用水壓開關進行控制，當儀器艙上浮，水壓減小，頻閃燈工作，頻閃燈的光源採用發光效率高，穿透性較好的高亮度發光二極體，可以連續工作12小時以上。優選地，脫鉤機構25為雙層結構，脫鉤機構25包括不鏽鋼鏍柱16、鏍杆支撐板17、繞絲固定板21，其中，片狀環繞絲固定板21和片狀環鏍杆支撐板17上下平行設置，以多數個不鏽鋼鏍柱16將兩者固接，其中兩個位於直徑上的鏍柱16上端伸出固定板21的上表面相互連接，構成吊鉤20 ;鏍杆支撐板17內孔直徑與塑料儀器艙26頂部外圓直徑相適配。進ー步地，片狀環繞絲固定板21上表面設有正極13、脫鉤滑塊18、繞絲釘19、負極22，正極13、負極22位於固定板21內孔直徑方向的相對兩側，正極13上套接壓絲墊片15後螺接鎖緊螺母14，負極22上套接負極保護套23 ;在與正極13、負極22構成的直徑方向相垂直的直徑方向上兩端，於固定板21周緣上設有向圓心的凹槽211,兩凹槽211內各設有一脫鉤滑塊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上設有多個繞絲釘19和一禁錮鏍栓184 ;在固定板21上表面還設有多個繞絲釘19，繞絲釘19均勻分布，分布的位置與正極13、負極22的位置構成圓環形。依據本發明的第二方面，提供一種實時傳輸多功能海底地震儀進行數據採集的方法，其包括步驟 I)選擇好投放地點和方位，作業船行駛到指定地點；2)用拉緊鋼纜把儀器艙與沉耦架固定好，通過藍牙設置實時傳輸多功能海底地震儀的採集參數，並關閉藍牙通訊；3)把實時傳輸多功能海底地震儀投放到海底；4)實時傳輸多功能海底地震儀著地後，立即用水下聲學數據機系統進行準確定位；5)通過水下聲學數據機，可以隨時在水下聲學數據機工作範圍內，對實時傳輸多功能海底地震儀進行參數檢測和數據提取等相關操作；6)當需要回收實時傳輸多功能海底地震儀時，在該實時傳輸多功能海底地震儀所在的位置附近海域通過水下聲學數據機系統發出回收信號，實時傳輸多功能海底地震儀接到信號後，開始熔斷鋼絲，約5分鐘儀器艙與沉耦架28脫離，自動上浮至水面；7)儀器艙浮出海面後通過GPS天線33發送儀器艙所在的位置信息，根據該信息或目測方式確定儀器艙方位，進行打撈上船；然後提取所記錄的數據供分析和研究。在本發明中，實時傳輸多功能海底地震儀以7個通道採集地震數據，數字記錄海底地震信息，採用無線藍牙技術進行現場檢測，通過水聲數據機實現水下實時傳輸，能夠在海上連續多次進行地震觀測作業。實時傳輸多功能海底地震儀具有以下特點(I)可以定期巡航，定時檢查並控制實時傳輸多功能海底地震儀的工作狀態，監測工作電壓、查看地震計狀態、隨時啟動和關閉記錄器等；(2)不需要回收儀器艙，就可以在地震事件後提取特定所需的數據；(3)實現了實時連續地海底地震觀測


圖I為本發明的實時傳輸多功能海底地震儀常平架裝置的結構圖；圖2為本發明的實時傳輸多功能海底地震儀脫鉤機構示意圖；圖3為本發明的實時傳輸多功能海底地震儀脫鉤機構的熔斷鋼絲繞線示意圖；圖4為本發明的實時傳輸多功能海底地震儀外觀立體結構圖；圖5為本發明的實時傳輸多功能海底地震儀總結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。在本發明中，實時傳輸多功能海底地震儀包括儀器艙、水下聲學數據機、脫鉤機構、沉耦架；儀器艙包含玻璃儀器艙和塑料儀器艙，玻璃儀器艙固裝於塑料儀器艙內，脫鉤機構位於塑料儀器艙頂端，水下聲學數據機的水下modom固裝於脫鉤機構的側面，在脫鉤機構與沉耦架之間以拉緊鋼絲固接，將儀器艙固定於沉耦架中；其中，儀器艙內部集成了七通道採集器系統、水聲通訊模塊以及三分量姿控寬帶地震計和三分量高頻檢波器，所述七通道採集器系統、水聲通訊模塊以及三 分量姿控寬帶地震計和三分量高頻檢波器為集成一體化的地震計組合體，使玻璃儀器艙球內部成為一個整體；在玻璃儀器艙球外對七通道採集器系統、水聲通訊模塊以及三分量姿控寬帶地震計和三分量高頻檢波器進行組裝、調試，然後放進玻璃儀器艙球內，通過玻璃儀器艙球擠壓O型圈來固定；水下聲學數據機，用於實現儀器艙與水面的接收設備的通信。具體地，請參閱圖I 圖5所示，為本發明的實時傳輸多功能海底地震儀結構示意圖。其中各個附圖標記指示如下直流電機I、常平環2、姿態調整電機3、三分量姿控寬帶地震計4、電機套5、凸型底座(常平裝置支架1)6、姿態傳感器7、半圓壓板8、三分量高頻檢波器9、軸承座(常平裝置支架2) 10、電池圈底座11、軸承12、正極13、鎖緊螺母14、壓絲墊片15、不鏽鋼鏍柱16、鏍杆支撐板17、脫鉤滑塊18、繞絲釘19、不鏽鋼吊鉤20、繞絲固定板21、負極22、負極保護套23、熔斷鋼絲24、脫鉤機構25、塑料儀器艙26、拉緊鋼27、沉耦架28、安全圈29、鎖緊鏍栓30、微處理機31、真空氣嘴32、GPS天線33、電子電路板34、玻璃儀器艙球35、0型圈36、電池組37、常平裝置38、耦合圈39、熔斷鋼絲熔斷點(兩處)40、水密電纜41、水下modom42、尼龍扎帶43、固定卡44。還有凹槽211、固定壁181、固接口 182，、底座183、禁錮鏍栓184、固定圓盤281、圓環狀突起282、支撐杆283、頂環284。本發明的實時傳輸多功能海底地震儀由塑料儀器艙26、脫鉤機構25、沉耦架28三部分組成。下面參考附圖結合各個部件，對本發明進行更加詳盡的說明。一、儀器艙儀器艙26是實時傳輸多功能海底地震儀可回收部分，它是由玻璃儀器艙和塑料儀器艙組成的，玻璃儀器艙內部採用單球一體化結構，主要包括(I)常平裝置在本發明中，設計了利用姿態傳感器7和姿態調整電機3對三分量姿控寬帶地震計4以及三分量高頻檢波器9 (地震計組合體)進行姿態調整的改進方案，通過改進常平裝置的結構原理，使得內部地震計組合體的常平動作的保持不需要灌注矽油，不需要呈密封結構，且體積重量均能大大地降低，更為重要的改善是，姿控調整的範圍能有較大的提高，擴展為30度左右。將使實時傳輸多功能海底地震儀在更為複雜的海底地形下正常的工作。最大工作傾斜角度達到了國外同類寬帶海底地震儀的水平。姿態傳感器7米用固態mems (微型傳感器)器件微機械結構，工作穩定可靠。其工作方式如下三分量姿控寬帶地震計4放置於常平環2上，再整體通過軸承固定於常平裝置的支架上，玻璃儀器艙球35至三分量姿控寬帶地震計4為剛性連接，由此保證地動信號的低失真傳遞。當實時傳輸多功能海底地震儀在海底著地後，姿態傳感器7，感知到海底姿態調平時，常平面由位於常平環2頂部的垂直向步進電機I上拉脫離開玻璃儀器艙球35根據姿態傳感器7的信號由步進電機I調至水平並重新放回玻璃儀器艙球35底部並加壓固定。常平裝置38將電池組37、三分量姿控寬帶地震計4、電子電路34和高頻檢波器9聯結成了一個整體，形成了內部結構的一體化。儀器艙組裝、調試工作都可以在耐壓玻璃儀器艙球35外完成。玻璃儀器艙球35可看成僅是個機殼，將測試好的實時傳輸多功能海底地震儀放入玻璃儀器艙球35中，由O型圈36壓縮固定，完成組裝。這種結構也降低了實時傳輸多功能海底地震儀的附加振顫。(2)採用姿控寬帶地震計實時傳輸多功能海底地震儀中集成了三分量姿控寬帶地震計4，三分量姿控寬帶地震計4是近年來新興的技術，它是一種電化學換能的地震計，沒有機械零點和鎖擺的問題使實時傳輸多功能海底地震儀的工作可靠性大大提高。(3)採集器系統a)前放電路採用廠家推薦的放大電路形式，在信號輸入端加配一階無源LC低通抗混疊濾波器，採用極低噪音精密雙運算放大器構成實時傳輸多功能海底地震儀的放大電路，增益為30dB，放大電路噪音折合到輸入端為O. 4 μ V (峰-峰值)。具有很高的抗幹擾能力。b)實時傳輸多功能海底地震儀採用溫補晶振構成的振蕩電路作為內部時鐘，在(TC至4°C溫度範圍內其精度優於5Χ10Λ影響石英晶體振蕩頻率精度的主要是溫度因素，而海底的溫度相對恆定，在2000米深的海底，溫度的年變化僅在O. 5度，所以時鐘精度能有效地保證。為減小線路板的噪音，系統所需的所有不同頻率的時鐘(主要是模數轉換時鐘和單片機時鐘)採用對同一時鐘分頻獲得。 c)數據存儲採用數位相機和播放機上廣泛採用的SD(Secure Digital)卡,具有統一接口，容量可從16G擴展到32G或更高。d)在電路設計中堅持微功耗設計原則；為了系統功耗微功耗的目的，數據採集器的硬體電路設計遵從了以下的原則(I)採用CMOS型器件，⑵採用I. 8V、3V和5V單電源低電壓供電；(3)數字電路儘量採用較低頻率的工作時鐘；(4)儘量降低系統的無功功耗，整體功耗 120dB)，還能根據實際的不同需要，動態調整其頻率-相位特性。控制模塊採用ARM7內核高性能單片機(NXP公司LPC2103)。工作電壓
3.3/1. 8V，60M主頻，在完成A/D轉換數字濾波的同時控制存儲、通訊等其它模塊工作。單片機工作在空閒模式(idle mode)，中斷驅動模式。g)控制器連接了 7通道完全相同的AD模塊(第1-3通道連接寬帶地震計，第4-6通道連接高頻檢波器、第7通道連接水聽計通道)，通過多路開關(MAX4052)進行切換，利用單片機的6PI0腳作為地址線選通讀入1-7通道的AD數據。(4)實時傳輸多功能海底地震儀電源實時傳輸多功能海底地震儀電池採用IOAH鋰電池，每套儀器艙安裝10枚。每個鋰電池單獨帶保護器，的電池按環狀固定在玻璃艙球的下部，地震儀通過單片機對每個電池的充放電狀態和電壓進行檢測，並能通過交互界面顯示。充電通過艙球上的插座進行，用戶可以了解每個電池的充電電量、充電時間等信息。通過專用的充電器用戶可以在數十小時內完成對實時傳輸多功能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後電池電壓狀態，充電電量等信息，能及時發現電池失效或性能降低的情況。從而對失效電池及時進行更換，或根據電池性能降低的情況縮短實時傳輸多功能海底地震儀在海底工作的時間。內置的電源管理模塊能實時地監督電池的電能儲量，當能量低於某一預定值，地 震儀會關閉除了水聲通信之外的所有耗電設備，使地震儀在海底滯留一年以上的時間仍能正常回收。(5)數據提取方式為了保證海上的多次作業順利進行，數據提取模塊必須操作方便並且需要較快的傳輸速度。OBS中內嵌了 USB接口模塊與PC機進行高速數據交換，能在不打開艙球的前提下，以較高的速度(2M字節/秒)實現OBS的數據提取。USB接口採用A型USB插頭和A型USB插座數據提取方法I.儀器艙回收以後，接上電源線2.連接藍牙，PC機與儀器艙進行交互通訊3.在交互軟體中打開儀器儀器艙內置讀卡器，插上USB插頭端，進行數據讀取。(6)無線數傳模塊無線數傳模塊採用OEM產品。其發射功率為I 5W，有效距離約5_10Km左右。定位精度可達數十米以內。考慮到無線數傳模塊內置於玻璃艙球內空間的限制採用50歐450MHz鞭裝膠套天線與發射機配套，接收系統幾乎不受空間的限制所以採用50歐12dB高增益天線與接收機配套。無線數傳模塊調製方式採用FSK(頻移鍵控)方式，抗幹擾能力強。為進一步提高抗設備幹擾能力，通訊速度採用較低的1200bps。通訊協議為RS232格式1位起始位，8位數據位,偶校驗,I位停止位。傳輸距離對發射機的天線高度非常敏感。由於發射機天線內置於球內，安裝高度受到極大限制。為此採取以下措施(a)減輕回收重量(b)天線貼近球壁安裝(C)通過配重使回收時天線位於球的頂部。採用交織編碼技術能夠有效減少突發性幹擾引起的誤碼，其原理為將待發數碼按列排成矩陣，再按行的順序發送，如信道中因突發性幹擾發生連續誤碼，解交織的誤碼被分散到不同碼字能被BCH有效糾錯。採用同步機制減少前導同步碼，有效的減少發射的時間，提高發射效率；避免電池連續大電流放電引起「極化現象」。具體地說，每次發送和接收的起始時間都由GPS輸出PPS的沿確定。實施傳輸多功能實時傳輸多功能海底地震儀的無線數據傳輸方法
I.當儀器艙釋放後，儀器艙內部的GPS打開，上浮至水面接收GPS信號；2.當GPS信號被鎖定後，儀器艙當前經緯度被記錄在儀器艙的存儲空間內；3.再通過無線數傳模塊發送經緯度信息給附近的無線數傳模塊接收器；4.船上的PC機通過與無線數傳模塊接收器的通訊，讀取儀器艙當前所在經緯度，並迅速找到儀器艙所在位置。(7)頻閃燈當儀器艙上浮時，頻閃燈在黑夜裡能有效的指示儀器艙所在方位方便回收。頻閃燈被置於高壓艙球的上部利用水壓開關進行控制，當艙上浮，水壓減小，頻閃燈工作，光源採用發光效率高，穿透性較好的高亮度發光二極體。可以連續工作12小時以上。二、脫鉤機構脫鉤機構25為雙層結構，包括不鏽鋼鏍柱16、鏍杆支撐板17、繞絲固定板21，其中，片狀環繞絲固定板21和片狀環鏍杆支撐板17山下平行設置，以多數個不鏽鋼鏍柱16將兩者固接，其中兩個位於直徑上的鏍柱16上端伸出固定板21的上表面相互連接，構成吊鉤20 ;鏍杆支撐板17內孔直徑與塑料儀器艙26頂部外圓直徑相適配。片狀環繞絲固定板21上表面設有正極13、脫鉤滑塊18、繞絲釘19、負極22，正極13、負極22位於固定板21內孔直徑方向的相對兩側，正極13上套接壓絲墊片15後螺接鎖緊螺母14，負極22上套接負極保護套23 ;在與正極13、負極22構成的直徑方向相垂直的直徑方向上兩端，於固定板21周緣上設有向圓心的凹槽211，兩凹槽211內各設有一脫鉤滑塊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上設有多個繞絲釘19和一禁錮鏍栓184 ；在固定板21上表面還設有多個繞絲釘19，繞絲釘19均勻分布，分布的位置與正極13、負極22的位置構成圓環形。一熔斷鋼絲24經正極13和順序經所有的繞絲釘19繞成環，並以鎖緊螺母14和繞絲釘19固緊定位，將脫鉤滑塊18固於固定板21上，熔斷鋼絲24與兩負極22觸接；兩負極22即是兩熔斷點40。將塑料儀器艙26置於沉耦架28中，脫鉤機構25置於塑料儀器艙26頂端，鏍杆支撐板17內孔與塑料儀器艙26頂端相接，以多根拉緊鋼絲27纏繞於脫鉤滑塊18的固接口182後，用多個鎖緊螺栓30拉緊多根拉緊鋼絲27，以固定塑料儀器艙26。在固定塑料儀器艙26後，卸掉脫鉤滑塊18上的禁錮鏍栓184，再利用鎖緊螺栓30來拉緊鋼絲27調整儀器艙26的緊固程度；在儀器回收時利用海水特性，在兩熔斷點40處進行電腐蝕熔斷鋼絲24，脫鉤滑塊18被拉緊鋼絲27拉脫開，艙艙26即利用海水浮力上浮，以便回收。(I)繞絲固定板21採用具有高機械強度、高剛性、韌性強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是脫鉤機構中較為關鍵的部分，所以我們採用316L特殊不鏽鋼製成,這種材料對於海水及各種腐蝕介質的抗腐蝕性能均優於普通不鏽鋼。(3)熔斷鋼絲24是整個脫鉤機構的核心部件，我們選用的316耐腐蝕鋼絲，由7束49股細鋼絲經過特殊工藝加工而成，易曲而柔軟。在彎曲時不象單股鋼絲那樣顯得太硬，拉·緊時會緊貼繞絲釘。脫鉤機構25作為儀器艙回收過程的重要組成部件，機構的組裝、調試工作都可在室內進行試驗通過，才可安裝使用。測試好的脫鉤機構通過8組不鏽鋼鏍釘固定在儀器艙26的上部，能夠很方便地完成組裝。機構中的零件加工工藝和選材均可以保證長時間工作在海水裡，同時能夠實現在接到指令後，鋼絲在5分鐘內即被熔斷。直到儀器艙回收整個過程不超過10分鐘。三、水下聲學數據機我們米用型號UWM1000的水下聲學數據機，其由水下modom42和水面modom兩部分組成。水下modom通過固定卡44和尼龍扎帶43緊固在脫鉤機構外側，由水密電纜41與球內部的微處理機31連接。微處理機將傳感器或測量設備監測到的海洋要素數據進行採集並轉換成聲脈衝信號，再由水聲信號發射機通過水聲換能器將數據發出。在水面水域工作的水面modom接收通過水下modom42發出的數據信號,進行放大和處理,最後將水下modom傳輸的數據處理後進行貯存，從而實現實時傳輸多功能海底地震儀的水下實時傳輸。 在設計水下聲學數據機的工作模式時我們設計了微功耗方案。在水聲MODEM控制時採用了睡眠模式功率消耗8mW ;只是在固定時段使水聲modem處於接收模式功率消耗0. 75瓦。在此時段若沒有收到通訊請求就再次進入睡眠模式。UWM1000水下聲學數據機的工作特點I 傳輸速度可達 38，400bits/s2. RS-232數據速率9600位元組/秒3.淨荷載數據速率7000位元組/秒4.水聲鏈17，800位元組/秒5.字節誤差比特率< 10_96.有效工作範圍350m7.最大工作深度200m9.環境接近垂直或水平10.發射模式功率消耗1瓦(窄波束和寬波束)2瓦(全向天線-定向天線)11.接受接收模式功率消耗0. 75瓦12.睡眠模式功率消耗8mW13.換能器波束寬120° (寬波束)或210° (全向-定向)或70° (窄波束)14.工作頻率26· 77-44. 62kHz15.電壓12_24V16.總長235. 7mm17.外殼直徑87. 2-126. 2mm18.空氣中重量4. 2kg19.水中重量2. 3kg20. RS-232輸入數據緩衝器900KB21.可選的更高數據速率19,200波特實施傳輸多功能海底地震儀的水下聲學調製器工作方法I.將水下聲學數據機的水下modem固定在儀器艙的外面；
2.通過水密電纜與儀器艙內部微處理機31相連接，進行信號傳遞；3.當沉入到海底著地後,通過水麵modem發出高頻信號指令,水下modem接收到指令後，實時傳輸多功能海底地震儀傳輸功能開啟，此時可以通過岸上的電腦，對水下實時傳輸多功能海底地震儀進行參數設置，和數據讀取。四、沉耦架沉耦架28，採用表面附著防鏽漆的鋼鐵材料製成，在井字形上表面中部固設一固定圓盤281，固定圓盤281中心部有一圓環狀突起282，該圓環狀突起282的直徑與塑料儀器艙26底部外圓相適配，固定圓盤281周緣處均勻分布著固接的多數個向上正交的支撐杆283，支撐杆283上端固接有頂環284，頂環284上均勻分布有鎖緊螺栓30，頂環284的內孔 直徑大於塑料儀器艙26的球直徑；鎖緊螺栓30與拉緊鋼絲27下端可拆卸的固接，通過耐腐蝕拉緊鋼絲27與脫鉤機構25緊密相連，其重量和體積適合於在下沉過程中控制下沉速度和下沉姿態，以及當實時傳輸多功能海底地震儀沉入海底時能夠保持正確姿態並進入工作狀態，並為地震儀在海底工作提供穩定可靠的基座，提高實時傳輸多功能海底地震儀記錄數據的真實性。儀器艙上浮後，沉耦架丟棄在海水中。通過耐腐蝕拉緊鋼絲27把儀器艙緊固在沉耦架28上，用鎖緊螺栓30將帶塑料保護皮的耐腐蝕拉緊鋼絲27拉緊，由8股緊固，分兩組，每組4股拉緊一脫鉤機構25的脫鉤滑塊18，降低了單股鋼絲的受力程度，可以使儀器艙很穩定的固定在基座上。沉耦架28屬於不回收部分，考慮到它的工作性質，我們選擇標準角鐵作為主要的加工原料，不但滿足了其作為工作基座的剛性和硬度，且大大降低了加工成本。使用實時傳輸多功能海底地震儀進行數據採集的具體實施過程I.選擇好投放地點和方位，作業船行駛到指定地點；2.用拉緊鋼纜把儀器艙與沉耦架固定好，通過藍牙設置儀器艙的採集參數，並關閉藍牙通訊；3.把實時傳輸多功能海底地震儀投放到海底；4.實時傳輸多功能海底地震儀著地後，立即用水下聲學數據機系統進行準確定位;5.通過水下聲學數據機，可以隨時在其工作範圍內，對實時傳輸多功能海底地震儀進行參數檢測和數據提取等相關操作；6.當需要回收儀器艙時，在該儀器艙所在的位置附近海域通過水下聲學數據機系統發出回收信號，儀器艙接到信號後，開始熔斷鋼絲，約5分鐘儀器艙與沉耦架28脫離，自動上浮至水面；7.儀器艙浮出海面後通過無線33發送其所在的位置信息，根據該信息或目測方式確定儀器艙方位，進行打撈上船。然後提取所記錄的數據供分析和研究。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明實施例揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種實時傳輸多功能海底地震儀，包括儀器艙、水下聲學數據機、脫鉤機構、沉耦架；儀器艙包含玻璃儀器艙和塑料儀器艙，玻璃儀器艙固裝於塑料儀器艙內，脫鉤機構位於塑料儀器艙頂端，水下聲學數據機的水下modom固裝於脫鉤機構的側面，在脫鉤機構與沉耦架之間以拉緊鋼絲固接，將儀器艙固定於沉耦架中；其中， 儀器艙內部集成了七通道採集器系統、水聲通訊模塊以及三分量姿控寬帶地震計和三分量高頻檢波器，所述七通道採集器系統、水聲通訊模塊以及三分量姿控寬帶地震計和三分量高頻檢波器為集成一體化的地震計組合體，使玻璃儀器艙球內部成為一個整體；在玻璃儀器艙球外對七通道採集器系統、水聲通訊模塊以及三分量姿控寬帶地震計和三分量高頻檢波器進行組裝、調試，然後放進玻璃儀器艙球內，通過玻璃儀器艙球擠壓O型圈來固定; 水下聲學數據機，用於實現儀器艙與水面的接收設備的通信。
2.如權利要求I所述的實時傳輸多功能海底地震儀，其特徵在於實時傳輸多功能海底地震儀以7個通道採集地震數據，數字記錄海底地震信息，採用無線藍牙技術進行現場檢測；玻璃儀器艙球內部為單球一體化結構。
3.如權利要求2所述的實時傳輸多功能海底地震儀，其特徵在於水下聲學數據機是由水下modom和水上modom兩部分組成；水下modom通過固定卡和尼龍扎帶安裝在脫鉤機構的側面，由一根水密線纜與玻璃艙內部微機通訊模塊相連，實現了海底地震儀與水面的接收設備(微機)實時傳輸功能。
4.如權利要求I所述的實時傳輸多功能海底地震儀，其特徵在於在設計水下聲學數據機的工作模式時採用微功耗方案，在水聲MODEM控制時採用了睡眠模式功率消耗8mff ;只是在固定時段使水聲modem處於接收模式功率消耗0. 75瓦，在此時段若沒有收到通訊請求就再次進入睡眠模式。
5.如權利要求I所述的實時傳輸多功能海底地震儀，其特徵在於玻璃儀器艙包含常平裝置、三分量姿控寬帶地震計、採集器系統和海底地震儀電源，常平裝置利用姿態傳感器(7)和姿態調整電機(3)對三分量姿控寬帶地震計(4)以及三分量高頻檢波器(9)進行姿態調整；在採集器系統的前放電路中在信號輸入端加配一階無源LC低通抗混疊濾波器，採集器系統採用溫補晶振構成的振蕩電路作為內部時鐘；海底地震儀電源採用IOAH鋰電池。
6.如權利要求5所述的實時傳輸多功能海底地震儀，其特徵在於儀器艙還包括頻閃燈；當儀器艙上浮時，頻閃燈在黑夜裡能有效的指示儀器艙所在方位且方便回收。
7.如權利要求6所述的實時傳輸多功能海底地震儀，其特徵在於頻閃燈被置於儀器艙艙球的上部利用水壓開關進行控制，當儀器艙上浮，水壓減小，頻閃燈工作，頻閃燈的光源採用發光效率高，穿透性較好的高亮度發光二極體，可以連續工作12小時以上。
8.如權利要求I所述的實時傳輸多功能海底地震儀，其特徵在於脫鉤機構(25)為雙層結構，脫鉤機構(25)包括不鏽鋼鏍柱(16)、鏍杆支撐板(17)、繞絲固定板(21)，其中，片狀環繞絲固定板(21)和片狀環鏍杆支撐板(17)上下平行設置，以多數個不鏽鋼鏍柱(16)將兩者固接，其中兩個位於直徑上的鏍柱(16)上端伸出固定板(21)的上表面相互連接，構成吊鉤(20);鏍杆支撐板(17)內孔直徑與塑料儀器艙(26)頂部外圓直徑相適配。
9.如權利要求7所述的實時傳輸多功能海底地震儀，其特徵在於片狀環繞絲固定板(21)上表面設有正極(13)、脫鉤滑塊(18)、繞絲釘(19)、負極(22)，正極(13)、負極(22)位於固定板(21)內孔直徑方向的相對兩側，正極(13)上套接壓絲墊片(15)後螺接鎖緊螺母(14)，負極(22)上套接負極保護套(23);在與正極(13)、負極(22)構成的直徑方向相垂直的直徑方向上兩端，於固定板(21)周緣上設有向圓心的凹槽(211)，兩凹槽(211)內各設有一脫鉤滑塊(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)上設有多個繞絲釘(19)和一禁錮鏍栓(184);在固定板(21)上表面還設有多個繞絲釘(19)，繞絲釘(19)均勻分布，分布的位置與正極(13)、負極(22)的位置構成圓環形。
10.使用上述權利要求中所述的實時傳輸多功能海底地震儀進行數據採集的方法，其包括步驟 1)選擇好投放地點和方位，作業船行駛到指定地點； 2)用拉緊鋼纜把儀器艙與沉耦架固定好，通過藍牙設置實時傳輸多功能海底地震儀的採集參數，並關閉藍牙通訊； 3)把實時傳輸多功能海底地震儀投放到海底； 4)實時傳輸多功能海底地震儀著地後，立即用水下聲學數據機系統進行準確定位； 5)通過水下聲學數據機，可以隨時在水下聲學數據機工作範圍內，對實時傳輸多功能海底地震儀進行參數檢測和數據提取等相關操作； 6)當需要回收實時傳輸多功能海底地震儀時，在該實時傳輸多功能海底地震儀所在的位置附近海域通過水下聲學數據機系統發出回收信號，實時傳輸多功能海底地震儀接到信號後，開始熔斷鋼絲，約5分鐘儀器艙與沉耦架28脫離，自動上浮至水面； 7)儀器艙浮出海面後通過GPS天線(33)發送儀器艙所在的位置信息，根據該信息或目測方式確定儀器艙方位，進行打撈上船；然後提取所記錄的數據供分析和研究。
全文摘要
一種實時傳輸多功能海底地震儀，實時傳輸多功能海底地震儀，包括儀器艙、水下聲學數據機、脫鉤機構、沉耦架；儀器艙包含玻璃儀器艙和塑料儀器艙，玻璃儀器艙固裝於塑料儀器艙內，脫鉤機構位於塑料儀器艙頂端，水下聲學數據機的水下modom固裝於脫鉤機構的側面，在脫鉤機構與沉耦架之間以拉緊鋼絲固接，將儀器艙固定於沉耦架中。由於本發明採用了先進的水下聲學數據機，先進的聲學帶寬擴頻技術，實現了實時傳輸多功能海底地震儀在水下的實時通訊功能，並且有效地克服了傳統產品在水下通信中存在的低可靠性、低數據速率和高功耗等問題。適用於淺海海洋地質觀測。
文檔編號G01V1/18GK102914798SQ201210364589
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者遊慶瑜, 郝天珧, 趙春蕾 申請人:中國科學院地質與地球物理研究所