專利名稱：數(shù)字地聽儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字地聽儀，應(yīng)用于石油、地質(zhì)、煤田、工程勘探等領(lǐng)域，也可用于
微地震(地下巖石破裂)監(jiān)測和地下設(shè)施物體移動(dòng)或震動(dòng)監(jiān)測。
背景技術(shù)：
地聽又稱甕聽，最早應(yīng)用于戰(zhàn)國時(shí)期的城防戰(zhàn)中。中國古代戰(zhàn)爭中就有用于偵測 有聲源目標(biāo)方位的器材。據(jù)《墨子 備穴》記載當(dāng)守城者發(fā)現(xiàn)敵軍開掘地道時(shí)，立即在城 內(nèi)墻下挖井，井中放置一 口新缸，缸口蒙一層薄牛皮，令聽力聰敏的人伏在缸上，監(jiān)聽敵方 的動(dòng)靜。敵方開鑿地道時(shí)所發(fā)生的音響在地下傳播的速度高，而且衰減小，容易激起缸體共 振，從而可以偵測地下敵人所在的方位。 石油和天然氣是不可再生資源，是重要的戰(zhàn)略物資，石油勘探儀器是地球物理勘
探最為核心的裝備。目前石油勘探儀器方面，長期以來我國一直處于落后的狀態(tài)，國內(nèi)勘探
儀器基本全部依賴進(jìn)口，這嚴(yán)重制約了我國石油地震物探事業(yè)和石油工業(yè)的發(fā)展。 人工地震(炸藥埋入地表爆炸激發(fā)，可控震源車的震動(dòng))的震動(dòng)引發(fā)地震波，由地
表向地下傳播，造成地層的反射波。本專利將這種簡易可靠的監(jiān)聽方法用于油田二次開發(fā)
中，油田開采過程中，使用壓裂、注水、注汽、加沙技術(shù)，引起油層附近巖層破裂，巖石破裂的
震動(dòng)波被地震檢波器或MEMS傳感器接收，經(jīng)儀器放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、編排、存
儲(chǔ)，根據(jù)收集到的信息，指導(dǎo)地下石油和天然氣再次開發(fā)和利用。 可是，無論是國內(nèi)還是國外，現(xiàn)有地震數(shù)字儀95%以上是車載儀器，體積龐大、重 量大、搬運(yùn)移動(dòng)困難。對于有些山川河流地區(qū)，儀器車根本無法到達(dá)測線，需要人抬肩扛或 直升飛機(jī)吊運(yùn)，造成人力、物力上極大開銷。 本專利就是針對上述不足，設(shè)計(jì)滿足石油勘探、煤田勘探、礦產(chǎn)勘探等需要的高質(zhì) 量、低功耗、輕便、易操作、成本低廉的新型野外勘探儀器——數(shù)字地聽儀以及使用該數(shù)字 地聽儀的地聽信息高密度記錄系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容本專利提供一種數(shù)字地聽儀，包括三分量動(dòng)圈式數(shù)字檢波器或三分量MEMS傳感
器、濾波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、衛(wèi)星定位授時(shí)[GPS]
系統(tǒng)、控制器及邏輯電路、傳輸總線接口 ，其中三分量數(shù)字檢波器的三路輸出順序經(jīng)過濾波
器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器后到達(dá)同步模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入到控
制器及邏輯器，控制器及邏輯電路連接有RS485接口和GPS系統(tǒng)，接收點(diǎn)由GPS系統(tǒng)定位。 其中程控放大器采用CS3301型地聽放大器。 其中模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADS1274高精度同步A/D轉(zhuǎn)換器。 其中接口采用FPGA.其中控制器采用ARM2440單板機(jī)。 其中傳輸總線采用RS485總線。[0013] 控制器及FPGA帶有存儲(chǔ)裝置，其中存儲(chǔ)裝置為通過USB端口操作的U盤。
圖1為本專利組成二維地聽信息高密度記錄最小系統(tǒng)圖； 圖2為本專利組成三維地聽信息高密度記錄最小系統(tǒng)圖； 圖3為本專利地聽儀的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例 如圖1所示，其中示出了本專利的組成二維地聽信息高密度記錄最小系統(tǒng)圖，其 可包括6臺數(shù)字地聽儀、一個(gè)交叉站、兩條數(shù)傳電纜，數(shù)字地聽儀通過數(shù)傳電纜與交叉站進(jìn) 行通訊，是一種局部集中式管理系統(tǒng)，圖1中雖然示出了 6臺數(shù)字地聽儀，但其數(shù)量不限于 6臺，2臺以上的數(shù)字地聽儀即可實(shí)現(xiàn)本專利。 如圖2所示，其中示出了本專利組成的三維地聽信息高密度記錄最小系統(tǒng)圖，其 由圖1所示的四個(gè)二維地聽信息高密度記錄最小系統(tǒng)構(gòu)成，各交叉站之間雙向通訊。 根據(jù)需要，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以單臺組合，為二維或數(shù)萬道三維地球物理勘探，提 供滿足道數(shù)需要的靈活解決方案，其無需繁重的電纜，無需主機(jī)，無需龐大的儀器車，使得 地面部暑的設(shè)備數(shù)量減少，將環(huán)境影響降到最低水平。 下面對系統(tǒng)的各部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。 如圖3所示，其中示出了本專利的數(shù)字地聽儀，其包括三分量數(shù)字檢波器、濾波 器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器、同步模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、衛(wèi)星定位授時(shí)[GPS]系 統(tǒng)、控制器(本實(shí)施例是ARM2440工業(yè)單片機(jī))及邏輯電路、傳輸總線接口——長線傳輸 RS485接口，其中三分量數(shù)字檢波器的三路輸出順序經(jīng)過濾波器、程控放大器、50/60HZ陷 波器、匹配放大器后到達(dá)同步模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入到控制器及邏輯電路，控制器及 邏輯電路帶有存儲(chǔ)功能，例如通過USB端口存入U(xiǎn)盤，控制器及邏輯電路連接有RS485接口 和GPS系統(tǒng)，接收點(diǎn)由GPS定位。本實(shí)施例中的三分量數(shù)字檢波器可由三分量MEMS傳感器 所代替。 本專利的數(shù)字地聽儀用了三個(gè)信號采集通道，既可以三個(gè)單分量采集，又能進(jìn)行 三分量采集，達(dá)到采集靈活性，為互換使用的MEMS微機(jī)電三分量檢波器店定了基礎(chǔ)。再次 說明數(shù)字地聽儀既可單站三道獨(dú)立組網(wǎng)，又可通過RS485組網(wǎng). 由于反射波，折射波受地層影B向，一般情況會(huì)逐漸減弱，并受到電磁及地表風(fēng)吹 草動(dòng)使得地下微震波形發(fā)生畸變和干擾，這就要求將這些干擾波濾除掉，再將濾波后有效 波進(jìn)行不失真的放大，使這些有效波控制在模數(shù)轉(zhuǎn)換器最佳轉(zhuǎn)換的電壓幅度范圍之內(nèi)。這 就要求程控放大器必須具有優(yōu)越的噪聲特性和極小的總諧波失真率的特點(diǎn)，地聽放大器 CS3301恰恰具有很好的噪聲性能和極小的總諧波失真率的優(yōu)點(diǎn)，正好適用于微弱信號檢測 領(lǐng)域。 將模擬地震信號放大到2-4VPP后，恰恰是AD轉(zhuǎn)換器的最佳轉(zhuǎn)換區(qū)間，本專利采用 ADS1274是一款高精度同步A/D轉(zhuǎn)換器，具有24位精度，是一種寬動(dòng)態(tài)范圍的新型A/D轉(zhuǎn)換 器，可實(shí)現(xiàn)4通道同步數(shù)據(jù)采集。ADS1274具有62kHz的帶寬，最高采樣頻率可達(dá)128KS/s， 主要特性包括①采用差動(dòng)輸入方式，所以輸入端可直接與傳感器或微小的電壓信號相連；②采用E— A結(jié)構(gòu)，具有寬泛的動(dòng)態(tài)范圍和24位無差錯(cuò)編碼；③采用低噪聲增益可編程 放大器(PGA)，可擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，提高分辨率；④內(nèi)部采用三階數(shù)字濾波器，可濾除電源波 紋和其他干擾；⑤采用多種內(nèi)部自校正技術(shù)，用于校正失調(diào)電壓，校準(zhǔn)滿刻度誤差；⑥提供 SPI或FRAME-SYNC接口 ；⑦提供高速、高分辨率、低功耗和低速4種工作模式可以供用戶選 擇；⑧采用獨(dú)立供電，+5V模擬電源，1. 8V數(shù)字電源， 通過ADS1274轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量按道序通過SPI 口傳入FPGA，經(jīng)FPGA串轉(zhuǎn)并后進(jìn)入 ARM2440單板機(jī)，在ARM中進(jìn)行數(shù)字濾波，然后仍按道序以地球物理數(shù)據(jù)格式存入U(xiǎn)SB，成為 獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集站.另一路按標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊模式長線(100-500M)傳輸送到交叉站。 工作時(shí)，地下震動(dòng)信息被數(shù)字檢波器或MEMS傳感器接收，接收到的模擬量信息送 入濾波器，去除雜波，保存有效波，此波形傳送到程控放大器進(jìn)行放大，再接入50/60HZ陷 波器，消除外來的工業(yè)交流電干擾，再接入匹配放大器，通過匹配放大器調(diào)理后的模擬信號 恰好是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最佳輸入值。三個(gè)分量X、 Y、 Z模擬量經(jīng)過同步模數(shù)同步轉(zhuǎn)換后，經(jīng) FPGA串并轉(zhuǎn)換形成了按時(shí)序X、 Y、 Z逐道擺放的數(shù)字量。這種數(shù)字量經(jīng)ARM2440工業(yè)單片 機(jī)處理按SHAKELUN數(shù)據(jù)格式通過USB端口存入U(xiǎn)盤中，U盤中數(shù)據(jù)隨時(shí)可通過RS485接口 長線傳輸，以10MBP/S上傳到上位機(jī)交叉站。 本專利的數(shù)字地聽儀具有24位分辨率，120dB的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍，小于0. 2 y V的輸
入噪聲，具有高密度，高分辨率、大動(dòng)態(tài)范圍、高信噪比、高保真度以三道存貯能力。 本專利的數(shù)字地聽儀采樣率為1/8， 1/4， 1/2， 1. 0， 2. 0， 4. 0， 8. 0和16. 0ms，它既適
合于煤田和油氣田勘探，也適合于淺層地震勘探。 本專利的數(shù)字地聽儀具有獨(dú)立采集和存儲(chǔ)功能，能單獨(dú)放在油田中長期監(jiān)測油田 開采過程、地下構(gòu)造變化，可視為一個(gè)三分量或獨(dú)立的三道地震儀，數(shù)臺單獨(dú)擺放，可用于 油田開采過程中地下巖石破裂監(jiān)測。 本專利的數(shù)字地聽儀的電源打開后，無須人工干涉，長時(shí)間按預(yù)定程序工作，具有 組建靈活、成本低的特點(diǎn)，維護(hù)、擴(kuò)展極為方便。 數(shù)據(jù)采集為達(dá)到數(shù)萬道，達(dá)到起動(dòng)同步，在GPS授時(shí)脈沖控制下，所用的CLK每秒 被GPS的授時(shí)秒脈沖校準(zhǔn)，必須同時(shí)接收到三顆衛(wèi)星有效信號定位才能精確，衛(wèi)星定位授 時(shí)信息才能作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，衛(wèi)星再來的第一個(gè)授時(shí)脈沖前沿作為起 動(dòng)脈沖。 數(shù)字地聽儀采用12V太陽能電池供電. 由以上描述可知，本專利的數(shù)字地聽儀將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為SHKELUN格式的數(shù) 據(jù)文件，多點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)最后集中后轉(zhuǎn)換成地球物理格式(SEG-Y)，以便后期進(jìn)行處理、分 析，獲取有用信息。 本專利地聽信息高密度記錄系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中進(jìn)行數(shù)字濾波，在地球物理勘 探過程中屬于首例，更利于有效波顯示，提高原始記錄信噪比 本專利地聽信息高密度記錄系統(tǒng)在華北油田，遼河油田，中原油田，四川，廣西，陜 北等油井壓裂過程中進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測。 GPS秒脈沖是地聽信息高密度記錄系統(tǒng)記時(shí)基準(zhǔn)，在二維或三維施工中，無論采用 多少臺數(shù)字地聽儀，計(jì)時(shí)系統(tǒng)都由GPS脈沖進(jìn)行同步。 具有實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，信息記錄準(zhǔn)確可靠，后期地質(zhì)資料處理與常規(guī)勘探資料處理相同，只需將SEG-Y格式資料U盤交計(jì)算中心，或自編排后通過ENTER網(wǎng)發(fā)往計(jì)算中心。 地聽信息高密度記錄系統(tǒng)中所采用的數(shù)字地聽儀，交叉站都由本人自行設(shè)計(jì).是 本發(fā)明重要組成部份。 上述實(shí)施例僅是優(yōu)選的和示例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員例如可以根據(jù)本專利的描 述，采用不同的放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、控制器、傳輸總線、存儲(chǔ)裝置等來實(shí)現(xiàn)本專利，其都由 本專利的保護(hù)范圍所覆蓋。
權(quán)利要求一種數(shù)字地聽儀，包括三分量動(dòng)圈式數(shù)字檢波器或三分量MEMS傳感器、程控放大器，濾波器、50/60HZ陷波器、匹配放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、衛(wèi)星定位授時(shí)[GPS]系統(tǒng)、控制器及邏輯電路、傳輸總線接口，其中三分量數(shù)字檢波器的三路輸出順序經(jīng)過濾波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器后到達(dá)同步模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入到控制器及接口FPGA，控制器及邏輯電路連接有RS485接口和GPS系統(tǒng)，接收點(diǎn)由GPS系統(tǒng)定位。
2. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字地聽儀，其中程控放大器采用CS3301型地聽放大器。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的數(shù)字地聽儀，其中模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADS1274高精度同步 A/D轉(zhuǎn)換器。
4. 如權(quán)利要求l-3之一所述的數(shù)字地聽儀，其中控制器采用ARM2440單板機(jī)。或其它 類型單片機(jī).
5. 如權(quán)利要求1-4之一所述的數(shù)字地聽儀，其中傳輸總線采用RS485總線。
6. 如權(quán)利要求1-5之一所述的數(shù)字地聽儀，控制器及FPGA.帶有存儲(chǔ)裝置。
7. 如權(quán)利要求6所述的數(shù)字地聽儀，其中存儲(chǔ)裝置為通過USB端口操作的U盤。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種數(shù)字地聽儀，包括三分量數(shù)字檢波器或三分量MEMS傳感器、濾波器、程控放大器、50/60Hz陷波器、匹配放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、衛(wèi)星定位授時(shí)[GPS]系統(tǒng)、控制器及邏輯電路、傳輸總線接口，其中三分量數(shù)字檢波器的三路輸出順序經(jīng)過濾波器、程控放大器、50/60Hz陷波器、匹配放大器后到達(dá)同步模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入到控制器及邏輯器，控制器及邏輯電路連接有RS485接口和GPS系統(tǒng)，接收點(diǎn)由GPS系統(tǒng)定位。
文檔編號G01V1/18GK201548699SQ200920271820
公開日2010年8月11日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者沙克倫, 沙雪峰, 沙鯤鵬 申請人:沙克倫