微震记录仪、微震信号采集去噪方法和微震信号采集方法

摘要

一种微震记录仪，包括数据采集模块、控制模块、存储模块、电源模块和检波器,所述接收微震信号的检波器与数据采集模块连接，所述对微震信号进行预处理的数据采集模块与控制模块连接，所述控制模块与存储模块连接；所述的微震记录仪还包括提供定位和定时信息的GPS模块，所述GPS模块与控制模块连接;所述检波器包括至少一组振动传感器和至少一组能感知电信号且不能感知振动信号的电信号传感器，所述电信号传感器具有一电气性能与振动传感器的电气性能相同的电阻,所述数据采集模块包括不少于所述振动传感器和电信号传感器数量之和的采样通道接口。能够有效去除电气噪音干扰，提高信噪比，适合于野外恶劣气候环境下作业。

说明书

技术领域

本发明涉及一种记录仪，具体涉及一种适用于野外作业的监测大地震动/波 动的记录仪。

背景技术

众所周知，微震记录仪是一种用于记录震动/波动的仪器，其功能是将检波 器（即感应震动/波动的传感器）传输来的信号记录下来，并按预定的记录格式 要求将信号储存起来或传输给下游的设备。记录仪本身可以是一种通用的设备。 但是，由于记录格式要求的不同和所采集的数据内容不同（如频率范围不同）， 所以通用的记录仪很难满足特定需要。本发明的微震记录仪，是一种用于监测 地下微破裂和记录微地震物理参数的微震记录仪。

对于空间的目标（如隐形飞机、地下微破裂），可以通过监测阵观测其发出 或反射的震动/波动的微弱信号，并针对某些物理参数经适当数据处理后，可以 获得目标随时空分布的影像图。在现有的油气开采技术中，由于天然构造或生 产诱发的地下微破裂释放的能量极为微弱，在地表布设地震台网观测时，通常 无法像定位天然大地震或人工勘探中较大爆破那样，在记录波形中提取破裂初 至的波来进行传统定位，为此人们常常使用费用高昂、施工复杂、且限制条件 苛刻的邻近破裂处几百米的井中布设地震检波器和记录仪，来实施观测和传统 定位。鉴此，包括油气开采的工、矿业，急需研发一种能在地表布设包括微震 检波器和微震记录仪的微震监测台站，用简单易行、经济高效的地表观测法实 施对地下微破裂的观测和定位。然而，由于观测目标的微破裂释放的能量极为 微弱，其破裂震动传到地表的微震动极弱，所以，地表的多而杂的干扰噪音（如 车辆、机械设备等发出的震动）相对于微破裂释放的微震动显得极强，从而存 在无法从极强的干扰信号中识别和提取微震信号的问题，这也是现有的地表观 测法尚未取得成功的主要原因。在大量试验研究的基础上，申请人克服了现有 地表观测法存在的问题，掌握了在地表监测地下微破裂的准确方法，以及成功 显示预设目标的微破裂在空间分布的影像的技术，该技术包括：（A）解决现有 技术的观测仪器不适用于地表微震监测台站的问题，设计制造出适用于地表微 震监测台站的观测仪器，其中包括微震记录仪和微震检波器，这些观测仪器至 少应具备能监测到并能记录下预设目标的微破裂产生的微震波、能过滤掉大部 分干扰噪音、能适合于野外及恶劣环境下持续稳定工作50小时的功能；（B）解 决现有技术的数据处理不正确的问题，找到能正确、有效处理由地表微震监测 台站采集到的数据的方法，编制出专用的计算机数据处理软件，并能显示地下 微破裂的裂缝形状和在空间的分布状态；（C）找到符合地表微震监测台站采集 数据所要求的野外布设台网的方法，尽可能避开地面噪声干扰和去除电气干扰。

现有的微震记录仪，大都采用带有操作系统的计算机系统外加采集板卡等 部件构成，系统庞大，运行效率比较低，功耗大，电池容量自然也要求比较大， 而为了适应在野外环境的搬动和运输，这些仪器必须结构坚固，造成总体比较 笨重，导致工程费用增加，仪器搬运中易损坏，影响正常工作。而且现有记录 仪没有很好的去噪处理，本身就是一个噪音来源，不适用于对地下微弱破裂信 号的采集。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种微震记录仪，能够有效 去除噪音干扰提高采集数据的信噪比。并且进一步能够野外独立工作，适应野 外复杂的工作环境。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种微震记录仪，包括数据采集模块、控制模块、存储模块、电源模块和 检波器，所述接收微震信号的检波器与数据采集模块连接，所述对微震信号进 行预处理的数据采集模块与控制模块连接，所述控制模块与存储模块连接；所 述的微震记录仪还包括提供定位和定时信息的GPS模块，所述GPS模块与控制 模块连接;所述检波器包括至少一组振动传感器和至少一组能感知电信号且不 能感知振动信号的电信号传感器，所述电信号传感器具有一电气性能与振动传 感器的电气性能相同的电阻,所述数据采集模块包括不少于所述振动传感器和 电信号传感器数量之和的采样通道接口。

进一步，所述检波器为三分量检波器，包括三组振动传感器和一组能感知 电信号且不能感知振动信号的电信号传感器，所述数据采集模块包括至少4个 采样通道接口。

进一步，所述数据采集模块设有低通滤波器，可压制频率高于45Hz的信号 的强度。

进一步，所述微震记录仪还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与控制 模块连接。

进一步，所述数据采集模块包括可将模拟信号放大并转换为数字信号的模 拟信号放大采集板。

进一步，所述的数据采集模块采样精度为16位至24位，且采样速度可达 2000次/秒。

进一步，所述微震记录仪采用适合野外作业的箱式结构，包括由箱体71和 箱盖72组合形成的密封的仪器箱7，所述数据采集模块、控制模块、存储模块、 GPS模块集成为一体，和电源模块均通过柔性连接结构安装在箱体71内。

进一步，所述存储模块为移动存储卡，在所述箱体71侧面壁上设有可连接 移动存储卡的存储卡座51和保护移动存储卡的保护门机构6；所述保护门机构 6包括弹性翻盖61、门座62、铰链结构63，门座62固定安装在存储卡座51外 露部位的箱体71上，弹性翻盖61通过铰链结构63与门座62连接；在弹性翻 盖61与门座62闭合状态下，门座62、弹性翻盖61与箱体71之间设有用于容 纳存储卡座51的外露部分的密封空隙64；在弹性翻盖61与门座62打开状态下， 门座62与弹性翻盖61之间设有便于人手介入的操作空间65。

本发明还提供了一种微震信号采集去噪方法，包括步骤：

（1）接收经数据采集模块处理过的来自检波器内振动传感器和电信号传感 器采集的信号；

（2）将振动传感器采集的包括微震信号和电干扰信号的混合信号与经过反 向的电信号传感器采集的电干扰信号叠加可有效去除电气噪音。

本发明还提供了一种微震信号采集方法，包括步骤：

（1）接收经数据采集模块处理过的来自检波器内振动传感器和电信号传感 器采集的信号；

（2）将振动传感器采集的包括微震信号和电干扰信号的混合信号与经过反 向的电信号传感器采集的电干扰信号叠加可有效去除电气噪音；

（3）基于GPS模块的授时系统用格林威治绝对时间标记所采集的微震信号 数据的时间；

（4）将具有时间标记的微震信号数据记录到存储模块上。

附图说明

图1是本发明微震记录仪的结构框图。

图2是本发明微震记录仪的实施例的外形立体示意图。

图3是图2所示微震记录仪的实施例的结构示意图。

图4是本发明微震记录仪的检波器的外形示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的微震记录仪，包括数据采集模块、控制模块、存储 模块、电源模块和检波器,所述接收微震信号的检波器与数据采集模块连接，所 述对微震信号进行预处理的数据采集模块与控制模块连接，所述控制模块与存 储模块连接；所述的微震记录仪还包括提供定位和定时信息的GPS模块，所述 GPS模块与控制模块连接。

本发明的微震记录仪通过GPS模块实现对微震记录仪进行微震监测时所处 的经纬度和高程精确的记录，并且通过GPS模块利用GPS授时系统，基于格林 威治绝对时间标记所采集的微震信号数据的时间，GPS授时精度达1.0E-7ms。 基于GPS模块的高精度授时功能，使得后续基于多台微震记录仪记录的监测数 据进行分析实现地下破裂点定位时，可以对数据进行时域分析以实现各台微震 记录仪采集数据的同步，使得各微震记录仪可以独立工作，不必联网统一时间。 上述的经纬度、高程和GPS授时信息通过控制模块处理后记录到存储模块中。

本发明的微震记录仪还可以包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与控制 模块连接。基于无线通讯模块，可以实现在微地震或微破裂的监测过程中微震 记录仪与外部控制系统的通讯，实现对微震记录仪背景噪音及工作状态的实时 观察分析以提高站点的布设和监测质量，通过外部控制系统实现对微震记录仪 的远程控制。当然也可以通过无线通讯模块将所采集的微震信号数据实时传回 外部控制系统，但由于数据量较大，基于无线信号稳定性差和传输速率低的原 因，微震信号数据首先需要记录在存储模块中。

为了有效降低微震信号采集中的噪音干扰，提高信噪比，本发明的微震记 录仪带有降噪处理功能。具体的说，本发明的检波器采用三分量检波器，包括 三组振动传感器，同时还包括一组能感知电信号且不能感知振动信号的电信号 传感器，所述电信号传感器具有一电气性能与振动传感器的电气性能相同的电 阻,所述数据采集模块包括至少4个采样通道接口,数据采集模块其中4个采样 通道接口分别与三组振动传感器和一组电信号传感器连接。在进行微震信号采 集时，仪器外部和内部的电磁干扰信号和电串扰信号同时作用在这4组传感器 上，所造成的电干扰波形是非常相像的，接电信号传感器的这一路波形可以认 为是完全的电干扰波形，其它三路波形是振动波形和电干扰波形的混合波形， 用混合波形去叠加经过反向的电干扰波形，可以有效地去除很大一部分电气的 干扰，这个方法可以简称为电气噪音采样反向叠加的去噪方法。显而易见,基于 不同的微震信号采集需要，所述的检波器只需要包括至少一组振动传感器和至 少一组能感知电信号且不能感知振动信号的电信号传感器，所述电信号传感器 具有一电气性能与振动传感器的电气性能相同的电阻即可实现电气噪音采样反 向叠加的去噪方法。

以下结合附图2至4，进一步说明本发明的微震记录仪的一个具体实施方式。

本发明的微震记录仪的外形如图2所示，微震记录仪采用适合野外作业的 箱式结构，包括由箱体71和箱盖72组合形成的密封的仪器箱7，所述的组合是 指通过铰链机构（如常用的合页）将71与箱盖72连接组合，以形成箱体71与 箱盖72之间的密封结合，同时也能在需要时打开。在密封的仪器箱7内安装微 震记录仪除检波器外的所有的机械零部件和电子器件。所述的密封结合，能使 仪器箱7具有理想的密封性能和适合于野外恶劣气候环境下作业所要求的便于 人工搬运携带、坚固、耐撞击、防水、防尘的效果。箱体71的一个侧面用作微 震记录仪的操作面板，在这个侧面上设有人机配合所必需的机械零部件和电子 器件，其中包括：检波器输入插口11、可连接移动存储卡的存储卡座51、电源 开关42、充电插座43、LED指示灯8。

本发明微震记录仪的检波器外形则如图4所示，检波器的外壳为带螺纹的 柱状体,在进行微震信号监测在埋设时,使用螺纹匹配且直径略小于检波器外壳 的钻垂直地面钻出一个洞，再将检波器旋入洞中，使检波器和洞壁作紧配合， 不破坏地表的原来密度，不破坏土质的整体性，达到检波器和大地的高度耦合， 可以大大提高监测数据的有效性。检波器的振动传感器和电信号传感器则固定 安装在检波器柱状壳体内。

如图3所示，本发明的微震记录仪的一个具体实施例，所述的电源模块包 括电池盒41、电源开关42和充电插座；所述存储模块包括存储卡座51和可移 动的存储卡；所述的控制模块包括采用ARM系列MCU芯片的MCU控制模块2；所 述的数据采集模块包括模拟信号放大采集板1、与模拟信号放大采集板1连接的 检波器输入插口11；所述的无线通讯模块包括无线数据传输模块52和与其连接 的数据传输天线53；所述的GPS模块为带有GPS天线31的GPS模块3；本实施 例的微震记录仪还设有转接板9，用于MCU控制模块2与电源开关42、LED指示 灯8、存储卡座51的连接。

本发明的数据采集模块预处理包括将微震信号放大并将模拟信号转换为数 字信号输出给控制模块。数据采集模块可以采用可将模拟信号放大并转换为数 字信号的模拟信号放大采集板1。也可以为包括信号放大器和数模转换器的电 路，所述微震信号经信号放大器放大并经数模转换器转换为数字信号后输出到 控制模块。为了实现微震信号的精确采集，所述的数据采集模块采样精度应为 16位至24位，且采样速度可达2000次/秒，可实现0.5ms、1ms、2ms、4ms等 不同的采样率，采样通道则优选为4个至8个。基于微震信号的频段，本发明 的数据采集模块中还可设有可压制频率高于45Hz的信号的低通滤波器，可以压 制大部分震动干扰噪音，特别是45Hz以上的震动噪音，使它能准确、灵敏地感 应1—45Hz频率范围内的地震波。当然，这是一种优选的方案，因为在检波器 中如果已增设了滤波器，那么在数据采集模块中可以不设滤波器，但不管检波 器中是否设有滤波器，选择在数据采集模块中增设滤波器能起到有备无患的效 果，而且双重滤波还会增加抗干扰的效果。

为适应野外搬运及长期工作，本发明的控制模块采用低功耗的ARM系列MCU 替代通常使用的计算机系统，不使用通用的操作系统，只运行特定的软件，整 体功耗低，对电池容量要求低，可大大减轻电池重量；适合野外环境的搬动和 运输，且功耗低可能基于电池在野外连续工作几十个小时。

本发明的数据采集模块、控制模块、存储模块、GPS模块集成为一体，当包 括无线通讯模块时，无线通讯模块也可以一起集成。同样为了适应野外工作环 境使本发明的微震记录仪具有很好的防震性能，微震记录仪的集成为一体的各 模块和电源模块均通过柔性连接结构100安装在箱体71内。所述的柔性连接结 构100是指一种用弹性材料（如橡胶、塑料）制成的连接构件，它的外形与箱 体71内腔匹配并与箱体71固定连接，在该连接构件上设有容纳安装包括本发 明各功能模块、电池盒41的安装结构，部件之间通过软线相互连接。微震记录 仪的主要部件和电池均不使用螺丝固定在机箱上，而是使用柔性连接的包装方 法，在密封箱中采用软橡胶加工成特定的形状，将电路板和电池嵌入其中，使 用软线相互连接，使其达到最好的防震性能，亦可减轻重量，有利于野外环境 下使用及长途运输。本发明的微震记录仪的转接板9则固定安装在箱体71内， 以确保转接板9与安装在箱体71固定连接的存储卡座51、LED指示灯8、电源 开关42保持可靠的电连接，特别是在箱体71受到撞击、震动等意外情况下仍 能保证可靠的电连接。GPS天线31、数据传输天线53均安装在箱体71内，但 为了避免仪器箱7的屏蔽影响，一种优选解决该问题的方案是，所述的箱体71 和箱盖72均采用不含金属成分的工程塑料等材料制成。

同样为了适应野外工作环境，在所述箱体71侧面壁上设有保护移动存储卡 的保护门机构6，具有防尘防水性能，便于操作适用于野外环境中使用。所述保 护门机构6包括弹性翻盖61、门座62、铰链结构63，门座62固定安装在存储 卡座51外露部位的箱体71上，弹性翻盖61通过铰链结构63与门座62连接； 在弹性翻盖61与门座62闭合状态下，门座62、弹性翻盖61与箱体71之间设 有用于容纳存储卡座51的外露部分的密封空隙64；在弹性翻盖61与门座62打 开状态下，门座62与弹性翻盖61之间设有便于人手介入的操作空间65。附图 给出的保护门机构6实施方案是单独用于存储卡座51的情况，但所述保护门机 构6还适用于单独用于电源开关42的情况，或存储卡座51和电源开关42共同 使用一个保护门机构6。

基于本发明采用的上述一系列技术方案，本发明的微震记录仪能够有效去 除电气噪音干扰，提高信噪比，适合于野外恶劣气候环境下作业。本发明的微 震记录仪结构简单合理，专用性强，不需要通用的操作系统，只运行特定的软 件，整体功耗低，可大大减小电池的体积和减轻电池的重量，能在环境温度－ 20～+70度、环境湿度不大于95%的条件下正常工作50小时以上，体积小、重 量轻、便于人工搬运携带、坚固、耐撞击，防水、防尘等特点，更适合于野外 恶劣气候环境下地表监测微破裂影像技术的作业。

本发明的控制模块采用低功耗的ARM系列MCU替代通常使用的计算机系统， 不使用通用的操作系统，只运行特定的软件，实现微震信号采集，其具有的功 能包括：使用电气噪音采样反向叠加的去噪方法对采集的数据进行去噪处理； 基于GPS模块的授时系统用格林威治绝对时间标记所采集的微震信号数据的时 间；将具有时间标记的微震信号数据记录到存储模块上；用无线通讯模块将采 集的具有时间标记的微震信号数据发送传出。所述的去噪处理步骤包括，（1） 接收经数据采集模块处理过的来自检波器内振动传感器和电信号传感器采集的 信号；（2）将振动传感器采集的包括微震信号和电干扰信号的混合信号与经过 反向的电信号传感器采集的电干扰信号叠加可有效去除电气噪音，获得有效的 微震信号。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的说明，不能认定本发 明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说， 在不脱离本发明原理和构思的前提下，还可做出若干简单推演或替换，都应视 为属于本发明的保护范围。