用於地震傳感器校準的方法和系統的製作方法

2023-11-30 12:45:21

專利名稱：用於地震傳感器校準的方法和系統的製作方法
技術領域：
本公開涉及用於進行精確地震測量的技術，更具體地，涉及通過將指定量的電流 施加到地震傳感器的動圈(moving coil)來校準和消除地震傳感器中的噪聲。
背景技術：
在此呈現的技術涉及用於感測地球地層中的振動的設 備(如電動力學 ((electrodynamic))感測設備)，包括具有放置在磁場中心位置的動圈的地音探聽器 (geophone)和地震檢波器(seismometer)。在感測或傳輸操作中，本公開可應用於其它類 型的振動換能器。地震測量和/或監視檢測源於地震能量源的地球的振動，其通過傳感器在分立位 置感測。在一些應用中，傳感器的輸出用於確定地下地層的結構。地震能量源可以是自然 的(如地震和其它構造活動、下沉、火山活動等)或人為的(如來自地表或地下操作或來自 在地表或地下的地震源的蓄意操作的聲學信號)。例如，感測的地震信號可以是從通過巖層 斷裂或水庫坍塌或蝕變(alteration)誘發的微型地震活動導出的直接信號、或從人工能 量源導出的反射信號。傳感器主要分兩類水聽器(hydrophone)，其感測源於地震源的壓力場；或地音 探聽器，其感測源自地震源的質點運動。當地球由於從源直接傳播或經由地下反射器傳播的地震能量而移動時，可以位於 地球表面和穿入地球的鑽孔的壁上的地音探聽器在能量的傳播方向上移動(在P波的示例 中)。然而，如果地音探聽器的軸與運動方向對齊，則安裝在地音探聽器內部的彈簧上的動 圈停留在相同位置，導致線圈相對於外殼的相對運動。當線圈在磁場中移動時，在線圈中感 應電壓，其可以輸出為信號。地音探聽器的響應依賴於頻率。為了確保地音探聽器的正確工作，典型地在製造後和/或在每次使用前，定期在 工廠校準地音探聽器。因此，地音探聽器製造商和廠商通常在其地音探聽器單元賣給客戶 前，對該地音探聽器單元不執行任何校準。製造商寧可提供地音探聽器單元的響應在特定 溫度(如室溫)下在指定容許範圍內的保證。然而，這種容許保證不是對地音探聽器單元 的正確校準的替代。因此，許多地音探聽器單元的購買者在將這種單元部署在現場或在現 場使用期間，對購買的地音探聽器單元執行他們自己的校準測試。然而，傳統的地音探聽器校準測試經常不適於確保許多如今的地震測量活動典型 要求的地音探聽器測量的期望精度。在用於測量動圈的DC電阻(DCR)的某些校準技術中， 將電流注入線圈中，並且從跨越線圈出現的電壓確定電阻。然而，因為動圈還對地音探聽器 的振動敏感，所以DCR測量精度依賴於環境噪聲。如果地音探聽器敏感度高，則測量的噪聲 大，並且DCR測量的精度劣化。此外，DCR值的不精確影響其他地震傳感器參數，如敏感度 和衰減因子，因為DCR是用於計算地音探聽器參數的基本值。因此，將意識到存在對改進傳統地音探聽器校準技術以便改進地震測量的精度的期望。
前面所述的傳統地震傳感器的限制意圖不在於是窮盡性的，而只是可能減少之前已知的傳感器校準技術的有效性的許多中的一些。然而，上面應足以說明過去存在的地震 傳感器技術將值得改進。

發明內容
在此公開的實施例提供用於地震傳感器(如地音探聽器和地震檢波器)的方法和 系統。本公開的原理貫注於用於校正由於環境噪聲(如周圍振動噪聲)導致的DCR測量中 的誤差、由於內部電路導致的誤差(如DC偏移和DC漂移)、由於珀耳帖(Peltier)效應和 電信號噪聲導致的外部誤差和由於系統(如測量電路中的熱量產生)導致的誤差的技術。 具體地，本公開的一些實施例提供用於校準地震傳感器的方法和系統，其中改進了 DCR測 量並且減少了由於環境噪聲導致的誤差。這裡的其他實施例貫注於對DCR上的熱量產生效 應進行補償。本公開的另外的實施例提供用於校準地震傳感器的系統，包括一個或多個數 字信號處理器。另外的實施例貫注於用於通過在噪聲頻率的周期上平均測量數據來抑制測 量的電壓數據中的電源噪聲(electrical mainsnoise)的技術。通常，通過使用萬用表、歐姆表或電阻表測量地震傳感器動圈的DCR。這種測量儀 器將電流注入電阻性組件並讀取跨越組件的電壓。該儀器顯示或輸出與電壓和電流有關的 電阻量。然而，因為注入的電流量依賴於測量儀器，所以用戶不知道注入了多少電流。在地 音探聽器線圈電阻的情況下，動圈部分地被注入的電流浮起未知量，並且動圈還響應振動 環境噪聲。如果用於平均數據的測量時間相比於環境噪聲的時段不是足夠長，則測量不可 重複。例如，如果自然頻率為1Hz，則0. 5秒的測量時間不夠用來平均在大約IHz的環境噪 聲。測量電子器件可能具有DC偏移或DC漂移，導致確定DCR中的誤差。經常一個測 量儀器示出與另一個測量儀器的不同電阻值。原因部分可能是由於測量儀器的不精確，但 是經常還可能是由於外部因素，如珀耳帖效應的差，一些充電效應，即，二極體效應，特別是 由於金屬腐蝕。因此，依賴於這種外部因素，電阻測量有時經常改變。申請人:認識到，通過施加預定電流到地震傳感器，可以鎖定地震傳感器的動圈，使 得可以最小化或消除由於傳感器周圍環境中的振動導致的不期望的噪聲。申請人還認識 至IJ，注入來鎖定動圈的電流可能產生熱量並且這種熱量產生可能影響DCR。申請人還認識 至IJ，期望基於DCR測量中的期望精度補償這種熱量產生。申請人還認識到，電噪聲在測量的 電信號中可能是普遍的，並且應當被抑制以消除測量中的誤差。在本公開的一些實施例中，一種校準地震傳感器的方法包括將電流注入地震傳
感器的動圈中；測量跨越動圈的電壓；以及鎖定線圈，使得在測量動圈電壓的同時減少環
境噪聲。在本公開的一個可能實施例中，確定動圈的DCR。在這裡的某些方面，該方法包括
通過連續測量DCR隨著時間的改變，對由注入地震傳感器的動圈的電流產生的熱量進行補 m
te ο本公開在一些實施例中提供通過將不同電流注入地震傳感器的動圈來消除珀耳 帖效應、DC偏移和DC漂移的一個或多個。可以翻轉電流的極性，並且將具有翻轉極性的電 流注入地震傳感器的動圈中。在這裡的某些方面中，一種測量地震傳感器的DCR的方法包括將第一電流注入地震傳感器的動圈中；測量跨越動圈的第一電壓；將第二電流注入動圈中，其中第二電流 不同於第一電流；測量跨越動圈的第二電壓；固定動圈，使得在測量第一和第二動圈電壓 的同時減少環境噪聲；以及基於跨越動圈的第一電壓和第二電壓確定動圈的DCR。在本公開的某些實施例中，動圈的DCR通過"—E02-Em丨確定，其中r是動圈的
Ei: - Ecl
DCR ;R是串聯電阻；以及Etll和E02是電源電壓，並且Ecl和Ec2分別是在不同電流量I1和I2 的動圈電壓。在本公開的其他方面，該方法包括將第二不同電流注入地震傳感器的動圈中； 測量跨越動圈的電壓；以及確定動圈的DCR。在本公開的一些實施例中，一種用於校準地震傳感器的系統包括電源，用於施 加跨 越地震傳感器的動圈的電壓；測量設備，用於測量跨越動圈的電壓；與地震傳感器通 信的數位訊號處理器；以及可由處理器執行的一組指令，在執行時，將電壓施加給地震傳感 器，並且確定動圈是否已經鎖定，其中該系統配置或設計為在測量動圈電壓的同時減少環 境噪聲。該系統還可以包括通信地耦合到測量設備的接口，用於在線圈已經鎖定後顯示跨 越線圈的電壓。在本公開的另外方面，一種校準地震傳感器的方法包括將電流注入地震傳感器 的動圈中；測量跨越動圈的電壓；以及通過在噪聲頻率的周期上平均測量的數據來抑制測 量的電壓數據中的電源噪聲。在本公開的某些實施例中，測量的數據在噪聲頻率的η個周 期上平均，其中η是整數。在其他實施例中，電源噪聲包括50Hz或60Hz電源噪聲；以及測 量的數據在IOOms周期或IOOms的任何倍數上平均。另外的優點和新穎特徵將在下面的描述中提出，並且可以通過閱讀這裡的材料或 實踐這裡描述的原理被本領域技術人員學習。這裡描述的一些優點可以通過權利要求中所 述的部件實現。


附示某些實施例並且是說明書的一部分。與下面的描述一起，附圖演示和說 明本發明的一些原理。圖1是傳統地音探聽器地震傳感器的示意圖；圖2A是傳統地音探聽器DCR測量和階躍測試(step test)中涉及的電路的示意 圖；圖2B是響應於地音探聽器階躍測試中輸入的階躍信號的地音探聽器的階躍響應 的圖形表示；圖3描繪在階躍測試期間在傳統DCR測量技術中普遍的噪聲；圖4是描繪作為溫度的函數的地音探聽器線圈DCR測量的曲線圖；圖5示出描繪作為溫度的函數的地音探聽器響應參數、固有頻率&、開路衰減Dtl和 開路靈敏度Stl的曲線圖；圖6是連同根據本公開的原理的電路圖的一個實施例一起的地音探聽器的示 意 圖；圖7示出如這裡提出的一種可能DCR測量中的改進的噪聲結果；
圖8A是示出當電池連接到動圈時建模的地音探聽器中的珀耳帖效應的電路圖，並且圖8B是表示在儀器的電路中的DC漂移和DC偏移、儀器連接時的珀耳帖效應的另一電 路圖；圖9是通過電流注入的熱消散和從地震傳感器的動圈到環境溫度的熱對流的方 塊圖表示；圖IOA是圖示隨著時間由於電流注入導致的地震傳感器動圈中的溫度改變的曲 線圖；圖IOB是示出由於熱量產生導致的DCR中的早期改變的仿真結果的曲線圖；圖IlA描繪一種示例性已知濾波技術；圖IlB描繪圖IlA中的濾波技術的頻率響應(左)和時間響應(右)；圖IlC示出根據本公開的平均技術的效果；圖IlD示出根據本公開的一個實施例的對於50Hz和60Hz噪聲的噪聲減少；圖12示出用於校準部署在地表上的地震傳感器的陸地地震操作中的應用；圖13示出根據本公開的系統方塊圖；以及圖14A-14C示出根據本公開的用於校準地震傳感器的一些可能技術的流程圖。貫穿各圖，相同參照標號和描述指示類似的但不必相同的元件。儘管在此描述的 原理能有各種修改和替代形式，但是特定實施例已經通過附圖中的示例示出並且將在這裡 詳細描述。然而，應當理解的是，本發明意圖不在於限於公開的特定形式。而是，本發明包 括權利要求範圍內的所有修改、等效和替代。
具體實施例方式下面描述本發明的說明性實施例和各方面。當然將意識到，在任何這種實際實施 例的開發中，必須進行多個實施特定的決定以實現開發者的特定目的，如與系統有關的和 業務有關的約束的兼容性，該約束對每個實現相互不同。此外，將意識到，這種開發努力可 能是複雜的和耗時的，但不論如何將是從本公開受益的本領域普通技術人員的常規任務。貫穿說明書所稱「一個實施例」、「實施例」、「一些實施例」、「一個方面」或「一些方 面」意味著關於實施例或方面描述的特定特徵、結構、方法或特性包括在本發明的至少一個 實施例中。因此，貫穿說明書在各個地方出現的短語「在一個實施例中」、或「在實施例中」、 或「在一些實施例中」不必全部指相同實施例。此外，特定特徵、結構、方法或特性可以在一 個或多個實施例中以任何適當方式組合。詞語「包括」和「具有」應當與詞語「包含」具有相 同的含義。此外，創造性方面少於單個公開的實施例的所有特徵。因此，詳細描述後的權利要 求因此明確併入詳細描述中，其中每個權利要求其自己表示本發明的單獨的實施例。現在轉到附圖，其中相似標號指示相似部分，這裡的公開貫注於可用於便利和改 進地震信號檢測的各種技術構思。本公開預期公開的技術可應用於電動力學型傳感器(如 地音探聽器和地震檢波器)，其在地震勘探或地下水庫的有源或無源監視的領域中使用。 如在本申請中使用的，術語「地音探聽器」意圖包括傳統型地音探聽器(如圖1所示的地 音探聽器)和超低頻地音探聽器(如地震檢波器型電動學力傳感器)、以及來自斯倫貝謝 (Schlumberger)公司的地音探聽器加速計(GAC)傳感器，其例如可以配置或設計為測量比傳統型地音探聽器相對更寬的加速度範圍。傳感器可以部署在關於垂直方向偏離的勘探和/或生產井中，並且包括用於檢測 沿著三個正交坐標軸接收的信號分量的多分量地音探聽器。在根據本公開的方面中，地震 傳感器可用於有線線路(wireline)、陸地地震、海底地震、永久或其它監視、水力巖層斷裂監視、生產日誌記錄，其中，包括用於地震監視、對水和CO2貯存池的長期監視、核試驗監視、 以及類似活動的系統，這些活動要求地震數據的精確和有效獲取。本公開的一些原理還在題為「Methods and System for TemperatureCompensated Temperature Measurements」的、同時待審的共同擁有的美國專利申請No. 12/365，889中公 開，在此通過引用併入其全部內容。如下面更詳細描述的，本公開提供各種技術，其可以用於通過減少或消除在地震 傳感器校準期間在環境中普遍的噪聲(即，環境噪聲)的影響，便利和改進地震信號檢測， 該噪聲趨於扭曲或歪曲確定的參數值，如動圈地震傳感器的DCR。這裡公開的技術可以用 於在地震傳感器的製造期間或之後的工廠測試和校準、在實驗室或測試機構中、在現場、和 /或在地震傳感器的部署之後。本公開提供這樣的技術，其中通過適合的電流量的注入鎖定地震傳感器的動圈， 在地震信號測量中減少或消除了環境噪聲影響。此外，本公開提出這樣的技術，其補償可能 由於電流注入動圈導致的熱效應。此外，本公開處理可能在地震信號測量中引入誤差的其 它外部因素，如珀耳帖效應、DC漂移和/或DC偏移。在本公開中討論了用於抑制電噪聲的 技術。為了獲得對本申請中描述的各種技術和特徵的更好理解，現在將提供地音探聽器 測量技術的簡單描述。在地震觀察中，測量通過地球傳播的地震波以描繪地球中的結構圖 像。地音探聽器經常用於檢測在各種位置的地震信號，如例如在地表和/或在海底的鑽孔。 圖1中示出傳統地音探聽器的示例。圖1的地音探聽器10包括安裝在線軸上的動圈12、磁體15、具有懸掛彈簧20和 外殼14的一對極片(pole piece) 16。極片16和外殼14由透磁材料製成，並且形成其中懸 掛動圈12的磁場。在圖1的示例中，安裝在線軸上的動圈12和懸掛彈簧20共同形成地音 探聽器的有效移動質量部分m。如圖1所示，動圈12通過一對彈簧20懸掛在磁場中。彈簧設計為控制線圈的徑 向運動並提供質量彈簧系統的期望的固有頻率。動圈在地音探聽器的外殼響應於外部振動 而移動的同時試圖停留在相同位置。動圈相對於外殼(具有磁通量場)的運動導致線圈產 生電信號，其與動圈相對於其中附接磁體的外殼的速度成比例。如之前提到的，地音探聽器校準包括傳感器的動圈的DCR的測量。如圖2A所示， 通過電阻將DC電壓施加到線圈，並且測量跨越線圈的電壓。在該示例性實施例中，Etl是電 源電壓，Ec是線圈電壓，R是串聯電阻，並且r是線圈的DCR。當跨越線圈施加DC電壓時，線圈被提起，並且線圈經歷固有振蕩。固有振蕩的持 續時間或時間可以通過調整R來最小化，使得固有頻率嚴重衰減，如圖2B所示。在移除DC之後，從線圈的固有振蕩校準地音探聽器響應參數。從零交叉 (crossing)計算固有頻率，並且從振蕩的延遲計算衰減。從施加的初始電壓和響應幅度計 算靈敏度。
圖3示出已經設置(settle)由於電流注入導致的線圈運動(即，線圈也響應環境 噪聲)後的動圈電壓。假設s為測量的信號。線圈電壓為信號s的平均值。該信號包含惡 化或劣化線圈電壓的確定的噪聲。從測量的信號S，線圈電壓E。和噪聲電壓En可以計算如 下Ec = Average (s) = 0. 0484V En = rms (s_Ec) = 0. 0029V然後，信噪比SNR計算為SNR = 20*log(Ec/En) = 24dB。如從上面數據明顯的，SNR指示在測量的信號中存在過量噪聲，其部分由於環境噪 聲引起。除了由於環境噪聲導致的DCR測量中的劣化，申請人注意到地震傳感器的響應參 數是操作溫度的函數。DCR也是溫度依賴的。因此，本公開包括這樣的技術，其補償由於注 入來鎖定動圈的電流可能產生的熱量。因為這種熱量產生可能影響DCR，所以期望基於DCR 測量中的期望精度補償產生的熱量。圖4示出作為溫度的函數的測量的地音探聽器DCR。溫度計附接到地音探聽器外 殼，並且在以恆定溫度將地音探聽器保持在恆溫箱中時測量DCR。恆溫箱中的溫度從室溫 改變為更高溫度，然後冷卻。處理重複兩次。對於每次測量，在溫度變穩定後測量電阻。在 升高溫度和冷卻循環中存在一些滯後現象。這是因為地音探聽器線圈沒有快速響應外殼溫 度。如果以恆定溫度將地音探聽器長時間保持在恆溫箱中，則可以減少差異。圖4中的實 線是通過使用作為工業標準定義的溫度係數0. 00393攝氏度仿真的電磁線(magnetwire) 的電阻。一段電磁線的電阻表示如下r (T) = r (20) {1+0. 00393 (T-20)}等式 1通過知道在20攝氏度的電阻，並且測量在使用地音探聽器的溫度的電阻，線的溫
度可以表示如下
1 r(T)T =-+ 等式 2
L 」0.00393V(20) S 寸注意到，地音探聽器的響應與其溫度有關。圖5示出作為溫度的函數的、地音探聽 器響應參數(固有頻率&、開路衰減Dtl和開路靈敏度Stl)的比較。左邊繪圖示出相對外殼 溫度繪製的地音探聽器參數結果，並且右邊繪圖示出相對從線圈計算的溫度繪製的地音探 聽器參數結果。如從圖5明顯的，從線圈得出的溫度比從地音探聽器外殼得出的溫度顯示 更好的與地音探聽器參數的一致性。這指示線圈的溫度比外殼溫度更多地表示地音探聽器 響應。從右邊的繪圖，作為溫度的函數將響應確定為f0 (T) = f0 (20) X (1. 361 X 10" Δ Τ2_9· 627 X 1(Γ5 Δ Τ+1)D0 (T) = D0 (20) X (3. 395 X 1(Γ2 Δ Τ2_2· 467 X 1(Γ3 Δ Τ+1)S0 (T) = S0 (20) X (-4. 921 X IO-7 Δ Τ2-3. 116 X IO-4 Δ Τ+1)其中，ΔΤ = Τ_20攝氏度。因此，可以從由線圈的DCR確定的溫度估計地音探聽 器響應參數。為了處理上述缺點類型，申請人已經提出用於減少或消除地震傳感器校準中的劣 化的新穎的和有效的技術。在本公開的一個方面中，將預定電壓施加到地震傳感器，使得傳感器的動圈被推倒傳感器外殼的底部或頂部，如圖6中的示例性實施例所示。如從圖6中 明顯的，動圈相對外殼的底部按壓，以便鎖定到其並且不受環境噪聲的影響。在圖6的技術中，如果注入的電流大，則電流引起熱量，S卩，自發熱效應，並且動圈 的溫度增加。如果注入動圈的電流過大，則線圈可能燒毀。因此，期望優化注入的電流量， 使得動圈被推倒傳感器外殼的頂部或底部，並且通過鎖定到其變得對環境噪聲不敏感，但 是線圈的溫度沒有被不利地影響。由電流引起的力為S。乘以I，並且與由線圈的位移引起的彈簧力和用於移動質量 (對於垂直放置的地音探聽器)m的重力平衡。對於具有沒有預先按壓的彈簧並且垂直定位 的地音探聽器，kx 士Hig = StlI等式 3其中「 + 」符號指示相對於重力加速度g將線圈提升到外殼的頂部。因為質量和彈簧系統的固有角頻率為 k/m=w024 m那麼將移動質量位移到可移動空間的頂部或底部所需的電壓為Ec = mr/S0 (x0w0±g)等式 5其中Xtl是從中心位置到最大位置的距離，並且「 + 」符號是將線圈提升到外殼的頂 部。對於水平放置的地音探聽器或具有預先按壓的彈簧的垂直地音探聽器，丟掉重力項。對地音探聽器假設以下參數F0 = 18Hz ；S0 = 78V/ (m/s)；m = 3. 14gm ；r= 1500 歐姆；以及x0 = 1. 5mm。將動圈提升到頂部位置要求的電壓為1. 75V。因為電功率為P = I2r，則作為熱量 消耗2mW。銅線圈的比熱c為380J/(kg0C )。如果將1. 75V施加到線圈持續t = 1秒，則線 圈溫度增加△T=Pt/mc=0.002(w)*1(s)/0.00314(kg)*380(J/(kg.K)=0.0015K等式6隻要測量時間保持短，這非常小，並且可能不幹擾DCR測量。本公開預想施加適當的電壓，使得動圈不發熱，但是該電壓足夠高到將動圈位移 到最大鎖定位置。實際電壓可以是通過等式5獲得的最小電壓的兩倍，以便確保線圈被推 倒極限並且將不響應環境振動。預定電壓可以依賴於地音探聽器參數的公差和環境噪聲的
量設置。圖7描繪這樣的情況，其中通過將線圈鎖定在蓋上沒有環境噪聲，而只觀察到電 噪聲。在該測量中，Ec = Average (s) = 1. 8729VEn = rms (s-Ec) = 0. 0016V
SNR = 20*log (Ec/En) = 56dB上面的SNR = 56dB與如上所述在沒有鎖定動圈的情況下得到的SNR = 24dB相比 要好。明顯的，信噪比提高了 32dB。在該示例中，還將電源電壓的極性翻轉，以了解在測量系統中是否存在珀耳帖效 應和DC偏移或DC漂移。地震傳感器具有不同金屬的電觸點。此外，地音探聽器接線到電 子器件，並且連接線在印刷電路板上利用不同金屬焊接到管腳。各個觸點的溫度不必相同， 並且存在有限的溫度差。在金屬觸點和溫度的這種變化之下，可以存在導致測量中的額外 電壓的不同的珀耳帖效應。此外，電子器件可以具有到某個程度的DC漂移。這種珀耳帖效 應和DC漂移和偏置導致DCR測量中的有限誤差。地音探聽器中的珀耳帖效應可以建模為連接到線圈的電池，如圖8A所示。圖8B 的電路還可以表示地音探聽器外的珀耳帖效應、以及測量電路中的DC漂移和DC偏移。在 任一情況下，電壓誤差艮可以表示為Ec = Ir+Er等式 7珀耳帖效應誤差和DC漂移或偏置誤差可以通過施加兩個不同電流來抵消，如翻 轉注入電流的極性。如之前討論的，通常，DC誤差可以通過施加不同電流量I1和I2來抵消Ecl = I1HEr等式 8Ec2 = I2r+Er等式 9從等式9減去等式8得到r=Ec2-Ec1/I2-I1等式 10電流可以通過測量Etl和E。確定，然後I1=E01-EC1/R等式 11I2=E02-EC2/R等式 12 通過使用等式11和12，等式10可以重寫為
等式 13翻轉極性是改變電壓的特殊情況，並且等式13可應用於改變電壓的任何情況。在之前討論中，暗示由於電流注入導致的熱量可能小。然而，如果在如測量時間需 要為長和/或需要注入大量電流以提起具有大的質量的動圈時的情況下期望補償熱量，則 可以如下所述執行補償。圖9示出通過電流注入的熱消散和從線圈到周圍溫度的熱對流。隨著熱量在動圈 中積累，溫度在時間上線性增加。熱量然後傳導到動圈的其他材料、到空氣、到極片、磁體， 並且最後到地音探聽器的外殼。一旦傳導到達外殼，外殼溫度就上升，並且對流影響在靠近 地音探聽器的空氣中開始，使得在時間上外殼溫度到達穩定狀態。如果溫度梯度大，則對流 可能出現在地音探聽器中的空氣中；然而，這種結果在傳感器外殼中典型存在的小的間隙 (例如，在0. Imm的量級)中不可能。圖IOA圖示線圈的上述溫度改變。
從等式6，早期的溫度增加通過施加到線圈的功率P(電流乘以電壓)估計為Γ— 7； =^i等式 14
mc
線圈的DCR也根據溫度改變而改變。r = r0{l+α (T-T0)}等式 15其中，α是電磁線的溫度係數，並且對於銅等於0.00393。圖IOB示出DCR改變的早期的仿真結果。可以假設溫度增加小，並且傳導和對流 熱量傳送還沒有開始。地音探聽器參數假設為f0 = 20Hz ；S0 = 25V/ (m/s)；m=20gm;r= 1500 歐姆；以及x0 = 2mm。彈簧沒有預壓縮，並且地音探聽器垂直定位。動圈鎖定在地音探聽器的頂部。增 加隨機數以表示噪聲。在注入電流後連續記錄跨越線圈的電壓20秒，並且從施加的電壓Etl 和線圈電壓E。計算DCR。如下求出在初始溫度Ttl的電阻。首先，地音探聽器暴露給恆定溫度，並且建立穩 定狀態。通過將溫度傳感器放置在地音探聽器外殼上而不注入電流來測量初始溫度Ttl，使 得外殼溫度表示初始動圈溫度。然後，注入所需電流並且如圖IOB所示連續記錄DCR。在t =0，通過插值DCR時間記錄評估在Ttl的DCR。圖11A-11D描繪根據本公開的用於抑制電噪聲的技術。如之前討論的，可以通過 施加電流到地震傳感器的動圈以鎖定動圈來抑制或控制環境噪聲。然而，除了之前討論的 噪聲，在信號Etl和E。中存在普遍的電噪聲。注意圖11A。抑制電噪聲的一種方式是應用如 圖IlA所示的低通濾波器。噪聲可能是50Hz或60Hz電源噪聲。為了移除這種電噪聲，低 通濾波器的截止頻率可以設置為例如5Hz。圖IlB的左手側的曲線圖示出圖IlA所示的電路的一階濾波器響應。濾波器將 50Hz衰減20dB。濾波器的階躍響應(st印response)顯示在圖IlB的右手側曲線圖中。直 到電壓設置在誤差內大約花150ms。然而，注意到，應用濾波器導致電壓測量中的誤差， 並且必須等待直到測量誤差變小。在這點上，要求的等待時間依賴於測量的精度。因為50Hz或60Hz的電源噪聲是正弦的，所以這種電噪聲還可以通過在噪聲頻率 的周期上或在「η」個周期上平均數據來移除，其中「η」是整數。在這點上，注意到精確周期 上正弦噪聲的平均值為0。圖IlC示出正弦波的平均。圖IlC中的實線曲線為50Hz噪聲， 並且虛線曲線為從時間0開始的平均值。看到當時間經過每一個周期後平均變為0。對於 50Hz噪聲，平均的最小長度只有20ms。還注意到，依賴於地點，AC電源的頻率可以是50Hz或60Hz。可以使用50Hz或 60Hz的最小公倍數，即，100ms。只要平均超過100ms，或IOOms的任何倍數，結果沒有50Hz 或60Hz電噪聲的任何影響。注意圖11D。圖12描繪用於本公開中討論的原理的一種可能的操作環境。圖12示出陸地地震 操作，其中振動器206產生穿入地球並且從地下結構反射回地表的地震信號。振動器206產生連續信號，並且通過地音探聽器202和裝置214連續獲取地震數據。然而，大多數地震能量不進入地球，並且能量的主要部分作為表面波在地表上傳播。這已知為面波(ground roll)，並且它是表面噪聲的主要部分。在陸地地震操作中，通過將地音探聽器和相關裝置從完成獲取的區域移到新的區 域，建立新的獲取區域。在建立新的獲取區域期間，在開始新的區域中的地震數據獲取之 前，必須測試地音探聽器和儀器。地音探聽器和儀器實用卡車運輸，並且通常地音探聽器在 具有臨近劣化和惡化校準測量的面波和卡車的噪聲環境中校準。例如，如在圖12的示例性 環境中表示的，本公開的原理提供用於處理油田地震調查中的這種需要和要求的新穎的和 有效的機制。圖13描繪根據本公開的原理的用於確定DCR的系統的一個實施例。如圖13所示，地音探聽器連接到該系統。標稱地音探聽器參數(如&、％、&、r和m)的輸入提供給該系 統。如之前在上面討論的，數位訊號處理器(DSP)或處理器(CPU)計算最佳電壓並調整電 源電壓Etl，在考慮輸入參數中的任何誤差後，該最佳電壓足夠鎖定地音探聽器的動圈。DSP 激活S1並等待。DSP翻轉S2並且模擬到數字轉換器(ADC)採樣Etl和E。，然後DSP讀取Etl 和E。數據，並且計算DCR。DSP可以通過改變Etl採樣Etl和E。兩次，以便移除珀耳帖效應、DC 偏移和/或DC漂移。儘管DSP知道Etl，因為其設置電壓；然而，在設置和施加的實際電源之 間存在任何差異的情況下，測量Etl更好。圖14A-14C是根據本公開的用於校準地震傳感器的一些可能的方法的流程圖。參考圖14A，放置這裡描述的類型的地震傳感器用於DCR測量(步驟100)。施加 第一電流以鎖定地震傳感器的動圈(步驟102)，並且測量跨越動圈的第一電壓和注入動圈 的第一電流(步驟104)。根據這裡描述的技術確定動圈的DCR(步驟106)。在另一可能實施例中，圖14B的技術還包括施加第二電流以鎖定地震傳感器的動 圈(步驟108)，並且測量跨越動圈的第二電壓和流入動圈的第二電流(步驟110)。在圖14C的實施例中，測量背景噪聲並且施加DC以將地震傳感器的動圈鎖定到傳 感器外殼的一端。測量參考和線圈電壓，並且計算SNR。施加不同的DC以將地震傳感器的 動圈鎖定到傳感器外殼的另一端，測量參考和線圈電壓，並且計算SNR。如這裡之前所述，通 過抵消珀耳帖效應和DC偏移確定DCR。可以計算噪聲的減少，並且可以從DCR得出溫度。通常，這裡公開的技術可以在硬體和/或硬體和軟體上實現。例如，它們可以在 作業系統內核中、在分開的用戶處理中、在綁入遙測和/或網絡應用的庫封裝中、在特定構 造的機器上或在網絡接口卡上實現。在一個實施例中，這裡公開的技術部分可以使用軟體 (如作業系統或在作業系統上運行的應用中)實現。本技術的硬體或硬體/軟體混合實現可以在通用可編程機器上實現，該機器通過 存儲在存儲器中的電腦程式選擇性地激活或重新配置。這種可編程機器可以在通用網絡 主機(如個人計算機或工作站)上實現。此為，這裡公開的技術可以至少部分地在用於網 絡設備或通用計算設備的卡(例如接口卡)上實現。選擇和描述各實施例和方面以便最佳地說明本發明及其實踐應用的原理。之前的 描述意圖在於使得本領域技術人員能夠最佳地利用這裡各個實施例中描述的原理，並且各 種修改適於預期的特定使用。意圖在於本發明的範圍通過權利要求限定。相關申請
本申請要求於2009年3月11日提交的美國臨時專利申請序列號No.61/159，416 的優先權，在此通過弓I用併入其全部內容用於全部目的。
權利要求
一種校準地震傳感器的方法，包括將電流注入所述地震傳感器的動圈中；測量跨越所述動圈的電壓；以及鎖定線圈，使得在測量動圈電壓的同時減少環境噪聲。
2.如權利要求1所述的方法，還包括 確定所述動圈的DC電阻DCR。
3.如權利要求2所述的方法，還包括對由注入所述地震傳感器的所述動圈的電流產生的熱量進行補償。
4.如權利要求3所述的方法，其中對由注入電流產生的熱量進行補償包括連續監視隨著時間DCR的改變。
5.如權利要求2所述的方法，其中 所述動圈的DCR通過以下確定r=R/E02-E01/EC2-EC1-1其中r是所述動圈的DCR; R是串聯電阻；以及E01和Etl2是電源電壓，並且Ecl和E。2分別是在不同電流量I1和I2的動圈電壓。
6.如權利要求1所述的方法，還包括將第二不同電流注入所述地震傳感器的所述動圈中； 測量跨越所述動圈的第二電壓；以及 確定所述動圈的DCR。
7.如權利要求1所述的方法，還包括通過將不同電流注入所述地震傳感器的所述動圈來抵消珀耳帖效應、DC偏移和DC漂 移的一個或多個。
8.如權利要求1所述的方法，還包括翻轉電流的極性，並且將具有翻轉極性的電流注入所述地震傳感器的所述動圈中。
9.一種測量地震傳感器的DC電阻DCR的方法，包括 將第一電流注入所述地震傳感器的動圈中；測量跨越所述動圈的第一電壓；將第二電流注入所述動圈中，其中所述第二電流不同於所述第一電流； 測量跨越所述動圈的第二電壓；固定所述動圈，使得在測量所述第一和第二動圈電壓的同時減少環境噪聲；以及 基於跨越所述動圈的所述第一電壓和第二電壓確定所述動圈的DCR。
10.如權利要求9所述的方法，其中 所述動圈的DCR通過以下確定r=R/E02-E01/EC2-EC1-1其中r是所述動圈的DCR ； R是串聯電阻；以及E01和Etl2是電源電壓，並且Ecl和E。2分別是在所述第一和第二電流的跨越所述動圈的 所述第一和第二電壓。
11.一種用於校準地震傳感器的系統，包括 電源，用於跨越地震傳感器的動圈施加電壓； 測量設備，用於測量跨越所述動圈的電壓； 與所述地震傳感器通信的數位訊號處理器；以及 由處理器執行的一組指令，在執行時將電壓施加給所述地震傳感器，並且確定所述動圈是否已經鎖定， 其中該系統配置或設計為在測量動圈電壓的同時減少環境噪聲。
12.如權利要求11所述的系統，還包括通信耦合到所述測量設備的接口，用於在線圈已經鎖定後顯示跨越線圈的電壓。
13.一種校準地震傳感器的方法，包括 將電流注入所述地震傳感器的動圈中； 測量跨越所述動圈的電壓；以及通過在噪聲頻率的周期上平均測量的數據來抑制測量的電壓中的電源噪聲。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述測量的數據在噪聲頻率的η個周期上平均，其中η是整數。
15.如權利要求13所述的方法，其中所述電源噪聲包括50Hz或60Hz電源噪聲；以及 所述測量的數據在IOOms周期或IOOms的任何倍數上平均。
全文摘要
用於校準配置或設計用於地震信號檢測的地震傳感器的方法和系統。根據本發明的某些實施例，將電流注入地震傳感器的動圈中，並且測量跨越動圈的電壓。動圈通過注入的電流鎖定，使得在測量動圈電壓的同時減少環境噪聲。
文檔編號G01V13/00GK101840009SQ20101013425
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月11日 優先權日2009年3月11日
發明者鎌田正博 申請人:普拉德研究及開發股份有限公司