陸用四分量數(shù)字地震檢波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種陸用四分量數(shù)字地震檢波器，為解決現(xiàn)有技術(shù)不能精細研究地震波傳播特性的問題，其是由3分量MEMS加速度檢波器和動圈式速度檢波器組成的四分量檢波器：該檢波器由七大單元組成：微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMS?Sensor、弱信號檢測及反饋電路ASIC、動圈式檢波器CG、數(shù)字化單元ADU、控制模塊CM、數(shù)據(jù)通信單元CI和供電模塊PM，其中：微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMS?Sensor和弱信號檢測及反饋電路ASIC用于完成加速度參數(shù)的采集和數(shù)字化功能，動圈式檢波器CG和數(shù)字化單元ADU用于完成速度參數(shù)的采集和數(shù)字化功能。具有對同一個接收點進行1個速度參數(shù)和3分量加速度參數(shù)的信號采集和接收功能，能夠更加精細研究地震波傳播特性的，顯著提高勘探精度的優(yōu)點。
【專利說明】陸用四分量數(shù)字地震檢波器
【技術(shù)領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及地震檢波器，特別是涉及一種陸用四分量數(shù)字地震檢波器。
技術(shù)背景
[0002]地震勘探法目前仍然是在陸地和海洋勘探石油和天然氣的主要手段，同時也是其他礦產(chǎn)資源的重要勘探方法，并廣泛應用于研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工程勘探和檢測、地質(zhì)災害預測等等方面。地震勘探中用來直接拾取地震振動，并將振動轉(zhuǎn)換為符合儀器記錄系統(tǒng)需要的能量形式的儀器，稱為地震檢波器。地震檢波器按使用環(huán)境可以分為陸上檢波器、沼澤檢波器、海上檢波器和井下檢波器等；按工作原理可以分為電磁感應式(動圈式)檢波器、壓電檢波器、光纖檢波器和MEMS檢波器等；按輸出信號的物理量可以分為速度檢波器、力口速度檢波器等；按輸出信號的類型可以分為模擬檢波器和數(shù)字檢波器。地震檢波器的指標決定了地震勘探儀器的主要技術(shù)指標。
[0003]目前國內(nèi)外使用最多的是動圈式地震檢波器，這種檢波器已經(jīng)有50年的發(fā)展歷史，重量從最初的幾千克級發(fā)展到目前的幾十克級，在地震勘探中得到了廣泛使用。但由于其固有的機械特征，這種檢波器靈敏度低、動態(tài)范圍小(60dB左右)、頻帶窄(10?200Hz)、抗干擾能力差、質(zhì)量和體積都較大，而目前的地震儀器已經(jīng)達到了 120dB的動態(tài)范圍，所以不能充分發(fā)揮地震儀器的作用。但由于沒有合適的替代產(chǎn)品，依然是目前使用最廣的地震檢波器。
[0004]與常規(guī)模擬動圈式檢波器相比，數(shù)字MEMS檢波器具有重量輕、頻帶寬、動態(tài)范圍大、畸變小、抗干擾能力強等優(yōu)點，有可能替代目前使用最廣的模擬動圈式檢波器。MEMS數(shù)字檢波器特別適用于單檢波器高密度采集技術(shù)。
[0005]動圈式地震檢波器是典型的速度檢波器、而MEMS檢波器是典型的加速度檢波器。但是，目前常用的MEMS檢波器和動圈式檢波器都不能勝任更加精細研究地震波傳播特性的任務。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種能夠更加精細研究地震波傳播特性的陸用四分量數(shù)字地震檢波器。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明陸用四分量數(shù)字地震檢波器1V3A(1 Velocity Geophone&3D Acceleration Sensor)是由3分量MEMS加速度檢波器和垂直分量動圈式速度檢波器組成的四分量檢波器:該檢波器由七大單元組成:微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器 MEMS Sensor (Micro ElectroMechanical Systems Sensor)、弱信號檢測及反饋電路 ASIC (Application Specific Integrated Circuits)、動圈式檢波器 CG (CoilingGeophone)、數(shù)字化單兀 ADU (Analog to Digital Unit)、控制模塊 CM (Control Module)、數(shù)據(jù)通信單兀Cl (Communication Interface)和供電模塊PM (Power Module);其中:微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMS Sensor和弱信號檢測及反饋電路ASIC用于完成加速度參數(shù)的采集和數(shù)字化功能，動圈式檢波器CG和數(shù)字化單元ADU用于完成速度參數(shù)的采集和數(shù)字化功能，數(shù)據(jù)通信單元Cl提供與地震儀器主機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能，控制模塊CM控制弱信號檢測及反饋電路ASIC、數(shù)字化單元ADU、數(shù)據(jù)通信單元Cl和供電模塊PM，供電模塊PM用于(向其它單元)提供電源支持。
[0008]本發(fā)明檢波器具有對同一個接收點進行I個速度參數(shù)和3分量加速度參數(shù)的信號采集和接收功能，可以使得后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析在I個速度參數(shù)和3分量加速度參數(shù)這4個描述同一個接收點位移的不同物理量間進行，并進行對比分析。本發(fā)明陸用四分量數(shù)字地震檢波器對于更加精細地研究地震波的傳播特性、對提高勘探精度具有重要意義。可用于石油、天然氣、煤田及礦產(chǎn)勘探、地質(zhì)工程勘察、地質(zhì)災害監(jiān)測等方面，是一種能夠精細檢測人工或天然地震信號并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的裝置。
[0009]作為優(yōu)化，所述微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMS Sensor由分別正交的3組MEMS傳感器MEMSx、MEMSy和MEMSz組成；所述動圈式檢波器CG為垂直分量檢波器(傳感器)CGz。
[0010]作為優(yōu)化，所述垂直分量檢波器CGz和加速度傳感器垂直分量MEMSz具有對同一個接收點垂直分量速度和加速度二個參數(shù)的信號采集和接收，利用速度傳感器(動圈式檢波器CGz)和加速度傳感器(加速度傳感器垂直分量MEMSz)對同一個接收點上地震信號和噪音的響應特性不同的這種特征，建立起速度傳感器和加速度傳感器之間的關(guān)系，用于提高分辨率和信噪比，檢測微弱信號。即垂直分量檢波器CGz和加速度傳感器垂直分量MEMSz具有對同一個接收點垂直分量速度和加速度二個參數(shù)的信號采集和接收，但由于速度傳感器(動圈式檢波器CGz)和加速度傳感器(加速度傳感器垂直分量MEMSz)對同一個接收點上地震信號和噪音的響應特性不同，利用這種特征，可以建立起速度傳感器和加速度傳感器之間的關(guān)系，這有利于提高分辨率和信噪比，檢測微弱信號。
[0011]作為優(yōu)化，具有對同一個接收點進行I個速度參數(shù)和3分量加速度參數(shù)的信號采集和接收的功能，可以使得后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析在I個速度參數(shù)和3分量加速度參數(shù)這4個描述同一個接收點位移的不同物理量間進行，并進行對比分析。
[0012]作為優(yōu)化，所述微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMS Sensor和弱信號檢測及反饋電路ASIC，動圈式檢波器CG和數(shù)字化單元ADU分別直接連接并集成為一體，用于避免模擬信號在電纜上的傳送，保留了弱信號的有效成分，并提高抗干擾能力。即微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMS Sensor和弱信號檢測及反饋電路ASIC，動圈式檢波器CG和數(shù)字化單元ADU分別直接連接并集成為一體。這種連接避免了模擬信號在電纜上的傳送，保留了弱信號的有效成分，并提高了抗干擾能力。
[0013]作為優(yōu)化，所述控制模塊CM為嵌入式CPU。即控制模塊CM為嵌入式CPU，控制弱信號檢測及反饋電路ASIC、數(shù)字化單元ADU、數(shù)據(jù)通信單元Cl和供電模塊PM。
[0014]作為優(yōu)化,把加速度傳感器和動圈式檢波器結(jié)合成一體，成為一個可以同時米集同一個接收點的I個速度分量和3個加速度分量的采集站。
[0015]作為優(yōu)化，所述弱信號檢測及反饋電路ASIC為低噪音電容信號放大和大動態(tài)范圍放大的弱信號檢測及反饋電路ASIC，與微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMSSensor配合后達到高(IlOdB以上)動態(tài)范圍；數(shù)字化單元ADU采用Cirrus Logic公司的A/D轉(zhuǎn)換套件CS3301A、CS5373A和CS5378或TI公司的AD1282芯片。[0016]作為優(yōu)化，整體結(jié)構(gòu)由上蓋R1、引出電纜R2、電路板R3、正交3分量地震傳感器MEMS Sensor、動圈式檢波器CG、外殼R4和尾錐R5等組成；外殼R4為2層結(jié)構(gòu)，下層底部放置動圈式檢波器CG，在動圈式檢波器CG上放置3分量傳感器MEMS Sensor，外殼R4內(nèi)部上層放置電路板R3 ;弱信號檢測及反饋電路ASIC、數(shù)字化單元ADU、控制模塊CM、數(shù)據(jù)通信單元Cl和供電模塊PM集成于電路板R3上；動圈式檢波器CG、3分量傳感器MEMS Sensor和電路板R3由上蓋Rl封裝在外殼R4內(nèi)，動圈式檢波器CG引出信號線連接到電路板R3上，3分量傳感器MEMS Sensor也引出信號線連接到電路板R3上。
[0017]作為優(yōu)化，由電路板R3引出二對電纜，其中一對負責為陸用4分量數(shù)字地震檢波器1V3A供電，另一對作為數(shù)據(jù)線，尾錐安裝在外殼的下端并作為接地部件。
[0018]采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明陸用四分量數(shù)字地震檢波器具有對同一個接收點進行I個速度參數(shù)和3分量加速度參數(shù)的信號采集和接收功能，可以使得后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析在I個速度參數(shù)和3分量加速度參數(shù)這4個描述同一個接收點位移的不同物理量間進行，并進行對比分析，能夠更加精細研究地震波傳播特性的，顯著提高勘探精度的優(yōu)點。是一種能夠精細檢測人工或天然地震信號并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的裝置，可用于石油、天然氣、煤田及礦產(chǎn)勘探、地質(zhì)工程勘察、地質(zhì)災害監(jiān)測等方面。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明陸用四分量數(shù)字地震檢波器的原理框圖；
[0020]圖2是本發(fā)明陸用四分量數(shù)字地震檢波器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖所示，本發(fā)明裝置陸用四分量數(shù)字地震檢波器1V3A具有對同一個接收點進行一個速度分量和3個加速度分量的信號采集和接收功能，可以使得后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析在I個速度參數(shù)和3分量加速度參數(shù)這4個描述同一個接收點位移的不同物理量間進行，并進行對比分析。同時由于速度傳感器(動圈式檢波器CG)和加速度傳感器(微機電系統(tǒng)地震傳感器MEMS Sensor)對同一個接收點地震信號和噪音的響應特性不同，換句話說，地震有效信號和各種噪音在速度和加速度這二種物理量上具有不同的表現(xiàn)特征，利用這種特征，更加有利于提高分辨率和信噪比，檢測微弱信號。
[0022]參見圖1，本發(fā)明裝置陸用四分量數(shù)字地震檢波器1V3A，其特征在于由七大單元組成:微機電系統(tǒng)地震傳感器MEMS Sensor (Micro ElectroMechanical Systems Sensor) >弱信號檢測及反饋電路 ASIC(Application Specific Integrated Circuits)、動圈式檢波器 CG(Coiling Geophone)、數(shù)字化單元 ADU (Analog to Digital Unit)、控制電路CM (Control Module)、數(shù)據(jù)通信單兀 Cl (Communication Interface)和供電電路 PM (PowerModule)o
[0023]微機電系統(tǒng)地震傳感器MEMS Sensor米用中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研制的MEMS地震傳感器，弱信號檢測及反饋電路ASIC按照設計進行定制，兩個器件配合后可以達到IlOdB以上的動態(tài)范圍，達到了國際先進水平。數(shù)字化單元ADU可以采用CirrusLogic公司的A/D轉(zhuǎn)換套件CS3301A、CS5373A和CS5378或TI公司的AD1282芯片。
[0024]本發(fā)明的陸用四分量數(shù)字地震檢波器1V3A中的微機電系統(tǒng)地震傳感器MEMSSensor為典型的加速度傳感器，它和弱信號檢測及反饋電路ASIC完成了加速度參數(shù)的接收和數(shù)字化功能。
[0025]本發(fā)明的陸用四分量數(shù)字地震檢波器1V3A中的動圈式檢波器CG為典型的加速度傳感器，它和數(shù)字化單元ADU完成了速度參數(shù)的接收和數(shù)字化功能。
[0026]本發(fā)明裝置把MEMS加速度傳感器和動圈式速度檢波器結(jié)合成一體,成為一個米集站(數(shù)字檢波器)，從而可以同時采集同一個接收點的I個速度分量和3個加速度分量。
[0027]本發(fā)明的陸用四分量數(shù)字地震檢波器1V3A中的弱信號檢測及反饋電路ASIC采用低噪音電容信號放大技術(shù)和大動態(tài)范圍放大技術(shù)，有利于檢測弱信號成分，提高了傳感器的動態(tài)范圍，使得動態(tài)范圍達到地震勘探的需求。
[0028]本發(fā)明的陸用四分量數(shù)字地震檢波器1V3A中的微機電系統(tǒng)地震傳感器MEMSSensor和弱信號檢測及反饋電路ASIC，直接連接并集成為一體；動圈式檢波器CG和數(shù)字化單元ADU直接連接并集成為一體。這種連接避免了模擬信號在電纜上的傳送，保留了弱信號的有效成分，并提高了抗干擾能力。
[0029]本發(fā)明的陸用四分量數(shù)字地震檢波器1V3A中的控制電路CM為嵌入式CPU，控制弱信號檢測及反饋電路ASIC、數(shù)字化單元ADU、數(shù)據(jù)通信單元Cl和供電電路PM。
[0030]本發(fā)明的陸用四分量數(shù)字地震檢波器IV3A中的數(shù)據(jù)通信單元Cl提供了與地震儀器主機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能。
[0031]本發(fā)明的陸用四分量數(shù)字地震檢波器1V3A，整體結(jié)構(gòu)(參見圖2)由上蓋R1、引出電纜R2、電路板R3、微機電系統(tǒng)3分量地震傳感器MEMS Sensor、動圈式檢波器CG、外殼R4和尾錐R5等組成。外殼R4為2層結(jié)構(gòu)，下層底部放置動圈式檢波器CG，在動圈式檢波器CG上放置3分量傳感器MEMS Sensor，外殼R4內(nèi)部上層放置電路板R3。弱信號檢測及反饋電路ASIC、數(shù)字化單元ADU、控制模塊CM、數(shù)據(jù)通信單元Cl和供電模塊PM集成于電路板R3上。動圈式檢波器CG、3分量傳感器MEMS Sensor和電路板R3由上蓋Rl封裝在外殼R4內(nèi)，動圈式檢波器CG引出信號線連接到電路板R3上，3分量傳感器MEMS Sensor也引出信號線連接到電路板R3上。由電路板R3引出二對電纜，其中一對負責為陸用4分量數(shù)字地震檢波器1V3A供電，另一對作為數(shù)據(jù)線，尾錐安裝在外殼的下端并作為接地部件。為方便起見，圖2中的電路板R3也可以采用水平安裝。
【權(quán)利要求】
1.一種陸用四分量數(shù)字地震檢波器，其特征在于是由3分量MEMS加速度檢波器和動圈式速度檢波器組成的四分量檢波器:該檢波器由七大單元組成:微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMS Sensor、弱信號檢測及反饋電路ASIC、動圈式檢波器CG、數(shù)字化單元ADU、控制模塊CM、數(shù)據(jù)通信單元Cl和供電模塊PM，其中:微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMS Sensor和弱信號檢測及反饋電路ASIC用于完成加速度參數(shù)的采集和數(shù)字化功能，動圈式檢波器CG和數(shù)字化單元ADU用于完成速度參數(shù)的采集和數(shù)字化功能，數(shù)據(jù)通信單元Cl提供與地震儀器主機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能，控制模塊CM控制弱信號檢測及反饋電路ASIC、數(shù)字化單元ADU、數(shù)據(jù)通信單元Cl和供電模塊PM。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述檢波器，其特征在于所述微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMS Sensor由分別正交的3組MEMS傳感器MEMSx、MEMSy和MEMSz組成；所述動圈式檢波器CG為垂直分量CGz檢波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述檢波器，其特征在于所述垂直分量檢波器CGz和加速度傳感器垂直分量MEMSz對同一個接收點垂直分量速度和加速度二個參數(shù)的信號采集和接收，利用速度傳感器和加速度傳感器對同一個接收點上地震信號和噪音的響應特性不同的這種特征，建立起速度傳感器和加速度傳感器之間的關(guān)系，用于提高分辨率和信噪比，檢測微弱信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述檢波器，其特征在于對同一個接收點進行I個速度參數(shù)和3分量加速度參數(shù)的信號采集和接收，使后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析在I個速度參數(shù)和3分量加速度參數(shù)這4個描述同一個接收點位移的不同物理量間進行，并進行對比分析。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述檢波器，其特征在于所述微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMS Sensor和弱信號檢測及反饋電路ASIC，動圈式檢波器CG和數(shù)字化單元ADU分別直接連接并集成為一體，避免模擬信號在電纜上的傳送，保留弱信號的有效成分，提高抗干擾能力。`
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述檢波器，其特征在于所述控制模塊CM為嵌入式CPU。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述檢波器，其特征在于把加速度傳感器和動圈式檢波器結(jié)合成一體，成為一個可以同時采集同一個接收點的I個速度分量和3個加速度分量的采集站。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述檢波器，其特征在于所述弱信號檢測及反饋電路ASIC為低噪音電容信號放大和大動態(tài)范圍放大的弱信號檢測及反饋電路ASIC，與微機電系統(tǒng)地震3分量加速度傳感器MEMS Sensor配合后達到高動態(tài)范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或者2或者3或者4或者5或者6或者7或者8所述檢波器,其特征在于整體結(jié)構(gòu)由上蓋R1、引出電纜R2、電路板R3、正交3分量地震傳感器MEMS Sensor、動圈式檢波器CG、外殼R4和尾錐R5等組成；外殼R4為2層結(jié)構(gòu)，下層底部放置動圈式檢波器CG，在動圈式檢波器CG上放置3分量傳感器MEMS Sensor,外殼R4內(nèi)部上層放置電路板R3 ;弱信號檢測及反饋電路ASIC、數(shù)字化單元ADU、控制模塊CM、數(shù)據(jù)通信單元Cl和供電模塊PM集成于電路板R3上；動圈式檢波器CG、3分量傳感器MEMS Sensor和電路板R3由上蓋Rl封裝在外殼R4內(nèi)，動圈式檢波器CG引出信號線連接到電路板R3上，3分量傳感器MEMS Sensor也引出信號線連接到電路板R3上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述檢波器，其特征在于由電路板R3引出二對電纜，其中一對負責為陸用4分量數(shù)字地震檢波器1V3A供電，另一對作為數(shù)據(jù)線，尾錐安裝在外殼的下端并作為接地部件。
【文檔編號】G01V1/18GK103513273SQ201210215447
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月28日
【發(fā)明者】郭建 申請人:中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所