无线实时传输节点式地震仪系统及同步校准方法

摘要

本发明涉及一种无线实时传输节点式地震仪系统，包括至少一个相互串联的一级采集网络、二级网无线控制主机和控制终端，每一所述一级采集网络包括一级网无线控制主机和与所述一级网无线控制主机相连的数个无线节点仪，二级网无线控制主机收集到多个一级网无线控制主机采集的数据后，通过二级网无线控制主机的高速网络接口将数据实时转发至控制终端，所述控制终端对地震数据实时显示、存储。还设计一种采用无线实时传输节点式地震仪系统进行同步校准的方法本发明不仅大大提高了无线地震采集系统的使用范围和施工效率，且实现了地震数据的无线实时采集与传输。

说明书

技术领域

本发明涉及地震勘探领域，具体说是一种无线实时传输节点式地震仪系统及同步校准的方法。

背景技术

地震勘探法在陆地和海洋勘探石油和天然气的主要手段，同时也是其他矿产资源的重要勘探方法，并广泛应用于研究地球内部结构、工程地震勘探和检测、地灾害预测等等方面。

传统的高精度多道数字地震数据采集系统主要由若干地震检波器﹑地震大线﹑地震记录仪3部分组成。地震检波器主要用于直接拾取人工或天然地震信号，并将振动转换成能被地震记录仪采集的电信号形式。地震记录系统对检波器输出的微弱电信号进行滤除干扰和增益放大控制，并将信号完整记录下来。而地震大线用于检波器和地震记录仪之间的连接。由于传统的有线地震勘探系统采用的有线连接，各通道同步采集和数据实时传输非常简单。

随着无线通讯技术的发展，利用无线通讯技术发送指令和传送采集数据的无线地震仪应用越来越广泛。目前应用在地震数据采集和传输方面的无线通讯技术主要有蓝牙、zigbee、WIFI、3G/4G/5G等。蓝牙、zigbee因为无线数据传输带宽不足、传输距离较近、无法实时传输多通道数据等问题，从而限制了仪器道数、排列布设范围，所以较少投入实际使用。基于WIFI技术的无线地震仪在传输带宽、实时传输等均可以满足需求，在直线可视距离下WIFI传输距离和稳定性都比较理想，但是检波器排列之间若有建筑物遮挡，或者地表存在高低起伏等，均会影响WIFI信号传输距离和稳定性，一般路由器WIFI传输最大距离在100～200米左右，对于更大的勘探场地无能为力。基于3G/4G/5G技术的无线地震仪在城市环境下使用非常方便，且在数据实时传输及通讯距离均可满足要求，但是石油地震勘探、工程地震勘探项目经常在偏远地区，甚至无人区内，场地周围基站稀少，3G/4G/5G手机信号非常弱、甚至无信号覆盖，因而在偏远地区经常无法开展工作。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种无线实时传输节点式地震仪系统及同步校准的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种无线实时传输节点式地震仪系统及同步校准的方法，包括至少一个相互串联的一级采集网络、二级网无线控制主机和控制终端，每一所述一级采集网络包括一级网无线控制主机和与所述一级网无线控制主机相连的数个无线节点仪，二级网无线控制主机收集到多个一级网无线控制主机采集的数据后，通过二级网无线控制主机的高速网络接口将数据实时转发至控制终端，所述控制终端对地震数据实时显示、存储。

作为优选，所述无线节点仪包括地震传感器、信号放大/滤波调理电路、A/D转换电路、GPS定位和授时模块、无线传输模块、控制及存储模块，所述地震传感器接收地震信号后，将振动信号转换为电信号，然后通过信号放大/滤波调理电路进行处理，再通过A/D转换电路转换为数字信号由无线传输模块发送至无线控制主机。

作为优选，所述一级网无线控制主机包括锂电池及DC/DC稳压模块、一级网触发控制模块、一级网GPS定位和授时模块、一级网控制及存储模块，一级网无线控制主机还提供一个网络接口与控制终端的连接，将一级无线地震数据采集网络内的各个无线节点仪采集的数据实时转发至控制终端，控制终端对数据实时显示。

作为优选，二级网无线控制主机包括二级网GPS定位和授时模块、二级网控制及存储模块、二级网触发控制模块，二级网无线控制主机还提供一个网络接口与控制终端连接，二级网无线控制主机收集到多个一级网无线控制主机采集的数据后，通过二级网无线控制主机的高速网络接口将数据实时转发至控制终端，控制终端对地震数据实时显示、存储。

作为优选，所述地震传感器为单轴/三轴地震传感器。

作为优选，二级网无线控制主机设计有2.4GHz无线高速网络，二级网无线控制主机通过2.4GHz无线网与多个一级无线网无线控制主机进行通讯和数据传输。

作为优选，所述一级网无线控制主机设计有两套无线网络，为900MHz和2.4GHz的无线网络，其中900MHz无线网络主要用于和无线节点仪之间的通讯及数据传输，2.4GHz无线网络主要用于多个一级无线网之间的互联。

本发明还提供一种采用所述无线实时传输节点式地震仪系统进行同步校准的方法，包括如下步骤：

(1)开机后，每一无线节点仪内置的GPS定位和授时模块自动搜索GPS卫星；

(2)无线节点仪启动后，采集10917个数据，同时在每组数据尾部加上GPS时间，并将数据+GPS时间实时发送至一级网无线控制主机，连续采集10次，并将PPS时间记录下来，系统将GPS卫星上获取的时间脉冲信号作为系统晶体振荡器的标准时间；

(3)获取GPS时间后，关闭每个无线节点仪的GPS定位和授时模块，同时启动无线节点仪内部的晶体振荡器；

(4)无线节点仪内部时钟电路采用16384MHz高精度压控石英晶体振荡器，晶体连续产生一定频率的时钟脉冲，计数器则对这些脉冲进行累计得到时间值，每次启动晶振后，无线节点仪采集电路连续采集20次数据；

(5)因此在采集20次后，启动GPS时钟再采集10次，并比较GPS时钟和晶体振荡器的时钟误差，并通过微调压控晶体振荡器两端的电压，从而调节晶振频率，使之与GPS时钟完全一致；

(6)重复上述(3)、(4)、(5)步骤，进行时钟误差修正，使系统同步精度误差保持在1ns内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种实现高速实时的无线节点仪，它克服了传统无线地震仪系统由于传输速率不足、无法实时显示问题，同时自组网不需要任何额外的网络设备，不需要借助现有的3G/4G/5G基站，在城市建筑物遮挡及野外无信号覆盖地区仍可工作，大大提高了无线地震采集系统的使用范围和施工效率，实现了地震数据的无线实时采集与传输；

2、高速实时数据采集的无线节点仪由于具有实时性，现场可以实时获得采集的数据，及时检查采集数据的质量，节约了数据收集和编排的时间。

3、由于多个无线节点仪采用自组网设计，即使多个无线节点中某一个节点连接信号中断，其他节点仍然可以独立继续记录数据，中断连接的无线节点仪存储在本地的数据在恢复线路通讯时，控制终端可自动收集，大幅提升了系统的稳定性；

4、无线节点仪采用全无缆设计，由于没有大线和任何控制连线，因此可以在道路两旁、河流两侧、山地、农田等复杂地形灵活布置。尤其适合运输车辆难进入的山区、水域、沼泽、环境保护区，以及一些不允许进入布线的区域，且工作留下的痕迹少；

5、由于现有技术中地震采集检波器数量少的有24个、48个，多的有96个、120个、240个甚至几千上万个，因而需要处理大量笨重、麻烦的电缆，需投入大量的人力用于布线，本发明采用无线采集，可以省去放线，收线的人员、运输车辆设备，尤其是三维地震勘探，几千上万道的采集，可以省去不少人员和运输大线的车辆，同时给施工组织也减轻很多压力，减少安全风险。大大降低人工成本，提升勘探效率；

6、传统的地震数据采集由于使用大量的电缆，引入的线路噪声会影响地震数据的质量，无线节点仪可大幅提升地震采集数据的质量和精度；

7、无线节点仪采用低功耗设计，内置大容量锂电池，可持续工作至少20天，省掉了常规地震仪器配套电瓶数量和每日充电的麻烦，也便于运输。

附图说明

图1是本发明中无线节点仪的原理框图；

图2为本发明中一级网无线控制主机的原理框图；

图3为本发明中二级网无线控制主机的原理框图；

图4为一级采集网络示意图；

图5为本发明的示意图。

具体实施方式

下面将结合图1-图5详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明中的控制终端一般采用通用的笔记本电脑或者平板电脑，采集道数较多(几千上万道)时，由于数据量大一般采用吞吐量和性能更强的服务器。

一种无线实时传输节点式地震仪系统及同步校准的方法，包括至少一个相互串联的一级采集网络、二级网无线控制主机和控制终端，每一所述一级采集网络包括一级网无线控制主机和与所述一级网无线控制主机相连的数个无线节点仪，二级网无线控制主机收集到多个一级网无线控制主机采集的数据后，通过二级网无线控制主机的高速网络接口将数据实时转发至控制终端，所述控制终端对地震数据实时显示、存储。

所述无线节点仪内置锂电池及DC/DC稳压模块，包括地震传感器、信号放大/滤波调理电路、A/D转换电路、GPS定位和授时模块、无线传输模块、控制及存储模块，所述地震传感器接收地震信号后，将振动信号转换为电信号，然后通过信号放大/滤波调理电路进行处理，再通过A/D转换电路转换为数字信号由无线传输模块发送至无线控制主机。

所述一级网无线控制主机包括锂电池及DC/DC稳压模块、一级网触发控制模块、一级网GPS定位和授时模块、一级网控制及存储模块，一级网无线控制主机还提供一个网络接口与控制终端(笔记本电脑)的连接，将一级无线地震数据采集网络内的各个无线节点仪采集的数据实时转发至控制终端(笔记本电脑)，控制终端(笔记本电脑)对数据实时显示。控制终端与无线控制主机间也可采用网络线缆17连接。所述控制终端包括服务器15/笔记本电脑18。

二级网无线控制主机包括二级网GPS定位和授时模块、二级网控制及存储模块、二级网触发控制模块，二级网无线控制主机还提供一个网络接口与控制终端(数据量大，一般采用服务器)连接，二级网无线控制主机收集到多个一级网无线控制主机采集的数据后，通过二级网无线控制主机的高速网络接口将数据实时转发至控制终端，控制终端对地震数据实时显示、存储。

所述地震传感器为单轴/三轴地震传感器。

二级网无线控制主机设计有2.4GHz无线高速网络，二级网无线控制主机通过2.4GHz无线网与多个一级无线网无线控制主机进行通讯和数据传输。

所述一级网无线控制主机设计有两套无线网络，为900MHz和2.4GHz的无线网络，其中900MHz无线网络主要用于和无线节点仪之间的通讯及数据传输，2.4GHz无线网络主要用于多个一级无线网之间的互联。

64道以内的地震数据采集方案一般采用一级采集网络，该网络由多个无线节点仪(不超过64个)、一级网无线控制主机(1个)、控制终端(一般采用笔记本)组成。

一种采用所述无线实时传输节点式地震仪系统进行同步校准的方法，包括如下步骤：

(1)开机后，每一无线节点仪内置的GPS定位和授时模块自动搜索GPS卫星；

(2)无线节点仪启动后，采集10917个数据，同时在每组数据尾部加上GPS时间，并将数据+GPS时间实时发送至一级网无线控制主机，连续采集10次，并将PPS时间记录下来，系统将GPS卫星上获取的时间脉冲信号作为系统晶体振荡器的标准时间；

(3)获取GPS时间后，关闭每个无线节点仪的GPS定位和授时模块，同时启动无线节点仪内部的晶体振荡器；

(4)无线节点仪内部时钟电路采用16384MHz高精度压控石英晶体振荡器，晶体连续产生一定频率的时钟脉冲，计数器则对这些脉冲进行累计得到时间值，每次启动晶振后，无线节点仪采集电路连续采集20次数据；

(5)由于晶体时钟振荡器的脉冲受环境温度、匀载电容、激励电平以及晶体老化等多种不稳定性因素的影响，故时钟本身不可避免地存在着误差，因此在采集20次后，启动GPS时钟再采集10次，并比较GPS时钟和晶体振荡器的时钟误差，并通过微调压控晶体振荡器两端的电压，从而调节晶振频率，使之与GPS时钟完全一致；

(6)重复上述(3)、(4)、(5)步骤，进行时钟误差修正，使系统同步精度误差保持在1ns内。

在工程勘探中，最常规的地震折射勘探方式一般采用二十四道/四十八道工程地震仪进行数据采集。如项目中采用二十四道检波器，按直线排列，每个检波器间距十米。现场工作时将二十四个无线节点仪布置在待测线上，间距十米，开启无线节点仪上的电源开关按钮，检查电量指示灯是否全绿，如果电量不足，指示灯为红色需要及时充电，无线节点仪的三个脚必须全部插入地面，耦合良好。

布置一级网无线控制主机13，开启一级网无线控制主机电源，检查电量是否充足等，一级网无线控制主机通过WIFI或者有线网络连接至控制终端/笔记本电脑。笔记本电脑上安装有相关的地震数据数据采软件，通过一级网无线控制主机实时查看二十四个无线节点仪的工作状态、电量、GPS坐标等信息，无线节点仪工作正常后，设置相关的工程参数，控制终端笔记本电脑实时监测二十四个无线节点仪的背景噪声，根据震源或者外部的触发信号，启动二十四个无线节点仪同步采集，采集完成后，每个无线节点仪数据通过一级网无线控制主机实时传送到笔记本电脑显示和存储，后续再进行相关的地震数据处理和分析。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。