一种槽波地震数据采集系统的制作方法

本实用新型涉及地震勘探技术领域，特别涉及一种槽波地震数据采集系统。

背景技术：

槽波地震勘探是利用煤层中激发和传播的导波来探查煤层岩性变化，以及煤层中异常构造的一种地球物理方法。由于槽波地震勘探的准确率较高，探测距离较大，它在煤矿开采中的应用越来越广泛。槽波地震勘探常用的方法是透射法，透射法施工时，激发点(炮点)布置在工作面的一个巷道内，数据采集站布置在工作面的另一个巷道和切口内，接收来自炮点激发的地震透射波信息。

目前有缆式的槽波地震仪基本都是采用触发线进行采集触发，通过触发脉冲单元感应炮线中的点火电流产生脉冲信号，触发脉冲单元与地震仪主机之间通过触发线进行脉冲信号传递，当地震仪主机接收到脉冲信号后即开始数据采集。当工作面较长时，炮点和地震仪主机之间离得很远，所需要的触发线也会很长，较长的触发线由于阻抗问题可能无法将脉冲信号传递给地震仪主机。在矿井下实际工作时，使用触发线不仅不方便，而且触发线容易破损影响施工效率。

如果不使用触发线，地震仪无法得知放炮时间，须持续进行数据采集并实时存储数据，其中大部分数据都是未放炮时间段的无用数据。由于有缆式地震仪的数据一般是汇总到上位机中进行存储的，采集站中不保存数据，如果将所有持续采集的数据都存储下来，所需的存储空间非常大，对上位机的数据存储及后期的数据预处理都会造成很大困难。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决上述背景技术部分存在的问题，以有效的对地震数据进行采集。

为实现以上目的，本实用新型采用一种槽波地震数据采集系统，包括：防爆计算机和爆炸机，防爆计算机连接有地震仪主机，地震仪主机两端通过电缆串联有多个数据采集站，电缆上接有检波器，爆炸机连接有触发记录仪，触发记录仪布置在炮点所在的巷道内；

所述地震仪主机包括数据采集通道、fpga芯片、cpu芯片、第一以太网芯片、通信模块、第一恒温晶振和第一gps模块；数据采集通道经spi总线与fpga芯片连接，fpga芯片的rmii接口连接所述通信模块，fpga芯片的经dma通道与cpu芯片连接，cpu芯片连接所述第一以太网芯片，第一恒温晶振和第一gps模块分别与fpga芯片连接，通信模块与数据采集站连接。

进一步地，所述触发记录仪包括主控芯片、存储模块、触发接口、第二恒温晶振、第二gps模块和第二以太网芯片；

第二恒温晶振、第二gps模块、第二以太网芯片和存储模块分别与主控芯片连接，所述爆炸机经炮线与触发接口连接，触发接口与主控芯片连接。

进一步地，所述数据采集通道包括多个adc通道，所述多个adc通道均经spi总线与所述fpga芯片连接。

进一步地，所述通信模块包括第一phy芯片和第二phy芯片，第一phy芯片和第二phy芯片分别与所述地震仪主机两端的数据采集站连接。

进一步地，所述触发接口采用电流型互感器。

与现有技术相比，本实用新型存在以下技术效果：本实用新型在井下无法布设触控线的情况下完成采集工作，同时可以保留有缆地震仪能够进行实时监控数据质量的优点。

附图说明

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种槽波地震数据采集系统的结构示意图；

图2是地震仪主机的结构示意图；

图3是触发记录仪的结构示意图。

图4是地震仪主机和触发记录仪的gps模块电路结构图。

图5是采集通道电路结构图。

具体实施方式

为了更进一步说明本实用新型的特征，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本实用新型的保护范围加以限制。

如图1所示，本实施例公开了一种槽波地震数据采集系统，包括：防爆计算机1和爆炸机，防爆计算机1连接有地震仪主机2，地震仪主机2两端通过电缆串联有多个数据采集站3，电缆4上接有检波器5，爆炸机连接有触发记录仪6，触发记录仪6布置在炮点所在的巷道内；

所述地震仪主机2包括数据采集通道23、fpga芯片21、cpu芯片22、第一以太网芯片28、通信模块、第一恒温晶振27和第一gps模块26；数据采集通道23经spi总线与fpga芯片连接，fpga芯片的rmii接口连接所述通信模块，fpga芯片的经dma通道与cpu芯片22连接，cpu芯片22通过rgmii接口连接所述第一以太网芯片28，第一恒温晶振27和第一gps模块26分别与fpga芯片21连接，通信模块与数据采集站3连接。

其中，fpga芯片中运行有逻辑程序，负责数据打包、缓存等工作，cpu芯片运行有linux操作系统及主机程序，主机程序负责与防爆计算机上运行的采集控制程序进行交互，其中linux操作系统中还嵌入了fpga驱动程序、以太网驱动程序，主机程序依靠操作系统及驱动的支持，实现与fpga的通信及与采集控制程序的通信。

相对于现有的地震仪主机，通过集成恒温晶振，提高了时钟精度，使得在长时间采集过程中数据时间误差保持在允许范围内。通过增加gps模块使主机可以获取准确时间，使用持续采集、选择存储的工作方式，将所有数据加上时间戳信息，在后期将采集数据与触发时刻对齐，实现在无触发线的情况下完成采集和存储工作。

需要说明的是，地震仪主机2与触发记录仪6通过接收gps模块的信号进行时间同步，通过恒温晶振保持一定时间段内的时间精度，各数据采集站3与地震仪主机2之间通过传输电缆4进行数据采集同步。触发记录仪6通过触发接口接收触发信号，并将触发时刻保存到数据存储卡中的日志文件中。

如图2所示，采集通道包括4路adc通过spi总线与所述fpga芯片21连接，cpu芯片22与fpga芯片21之间通过dma通道进行数据传输，第一以太网芯片28与防爆机连接进行网络通信，fpga芯片21控制4路adc同时进行采集，将采集的数据打包为数据帧，写入时间戳信息并存入内部fifo，然后通过dma通道拷贝到系统ram，由运行于linux系统中的主控程序将数据通过第一以太网芯片28发送给防爆计算机1以供防爆计算机1对数据进行存储。

具体地，通信模块包括第一phy芯片24和第二phy芯片25，第一phy芯片24和第二phy芯片25分别与所述地震仪主机2两端的数据采集站3连接通信，负责将控制命令发送给各数据采集站3，接收各个采集站逐级上传的数据帧，使用同样的方式依靠fpga芯片21、cpu芯片22和第一以太网芯片28，将采集的数据上传至防爆计算机1。

地震仪主机和采集站都具有采集功能、传输功能，第一phy芯片和第二phy芯片用于和地震仪主机两边的采集站通信，采集站采集的数据通过phy芯片发送给地震仪主机。

需要说明的是，第一恒温晶振27精度达到5ppb、工作温度-40至85度的晶振，以满足地震仪主机2续航时长内误差小于0.5ms的要求，本方案采用恒温晶振作为时钟来源，产生低漂移的时钟信号经过分频器后作为系统时钟。

需要说明的是，第一gps模块26输出的秒脉冲作为时间对齐的信号，在地震仪主机2中，fpga芯片21通过usart接口接收第一gps模块26输出的nmea信息，从中读取时间信息和定位信息，当定位精度达到3dfix之后，在下一个秒脉冲的上升沿到来时记录此时的时间信息作为计数起始时间并重置时钟计数器。在每次接收到复位命令时，根据计数起始时间和时钟计数器的值计算当前时间，保存当前计数的起始时间然后重置时钟计数器。

如图4所示，第一gps模块rxm-gps-fm通过usart接口与fpga通信，将nmea信息通过串口发送给fpga，通过pps引脚输出的秒脉冲进行采集同步。其中adc_rstn用于在adc复位的同时复位gps模块，rfin引脚接有源天线，vbackup引脚接3.3v为备用电池供电，可在断电后继续保存一段时间的gps星历信息，使得在热启动的情况下缩短启动时间。

如图5所示，地震仪主机的采集通道使用ads1282模数转换芯片，以第一个采集通道adc1为例。ads1282通过spi接口与fpga通信。adc1_sclk为spi通信时钟接口，adc1_dout为数据输出，adc1_din为数据输入，adc_sync为同步信号输入，ch1n、ch1p为经过信号调理电路后的检波器信号输入，chn1_refp、chn1_refn为模数转换的参考电压。

具体地，如图3所述，所述触发记录仪6包括主控芯片31、存储模块33、触发接口32、第二恒温晶振34、第二gps模块35和第二以太网芯片36；

第二恒温晶振34、第二gps模块35、第二以太网芯片36和存储模块33分别与主控芯片31连接，所述爆炸机经炮线与触发接口32连接，触发接口32与主控芯片31连接。

需要说明的是，在触发记录仪6中选用的第二恒温晶振34和第二gps模块35的型号及功能与地震仪主机2中选用的第一恒温晶振27和第一gps模块26相同，主控芯片31采用stm32芯片，存储模块33采用sd存储卡，sd存储卡与stm32芯片之间通过sdio接口通信，sd存储卡使用fat文件系统。

进一步地，触发接口32使用电流型互感器进行点火电流检测，方便连接的同时也更加安全。

需要说明的是，触发记录仪6的工作原理为：

当第二gps模块35的定位精度达到3dfix之后，在下一个秒脉冲的上升沿到来时记录此时的时间信息作为计数起始时间并重置时钟计数器，在触发接口32检测到触发信号之后，根据计数起始时间和时钟计数器的值，计算触发时刻的精确时间。然后通过中断通知运行于stm32主控芯片31上的主控程序，主控程序根据计算的触发时间，打开以年月日命名的日志文件，以文本格式写入触发时间。

stm32主控芯片31上运行有rt-thread实时操作系统，配合iwip实现的tcp/ip协议栈及ftpserver服务程序，实现ftp功能。在采集完成后，使用第三方ftp工具下载存储于sd卡中的触发日志文件。通过集成ftp功能，可以很方便的进行数据下载，免去了自定义文件传输协议的工作量。

具体地，本实施例中的槽波地震数据采集系统的安装使用步骤为：

(1)利用地震仪主机2和触发记录仪6在地面上接收gps信号，通过gps模块获取准确时间后重置内部计数器，然后通过指示灯绿色闪烁表示时间已校准，可以拿到井下开始工作。

(2)将触发记录仪6放在炮点所在的巷道内，将炮线与触发接口32相连，将数据采集站3、地震仪主机2用传输电缆4进行串联，传输电缆4上接上检波器5接头并固定好检波器5，防爆计算机1通过网线连接到地震仪主机2，进行仪器测试和检波器阻抗测试，确定所有检波器都已连接好。

(3)地震仪主机2对各数据采集器上传的数据进行汇总，并发送给防爆机以供防爆机进行存储。

(4)开始放炮，触发记录仪6接收触发接口32传来的触发信号，产生触发中断，使主控芯片31在中断服务程序中将当前时刻保存到数据存储卡的触发日志文件中。

(5)施工完成后，通过ftp协议下载触发记录仪6中的触发日志文件，使用日志中记录的触发时刻，对防爆计算机1中存储的数据进行截取，整理保存各有效炮点的数据。

需要说明的是，传统的有缆槽波地震仪，在一些无法布设触发线的施工环境，无法完成采集任务，而节点式的无缆槽波地震仪的工作方式为自存储，无法进行实时数据质量监控。通过本实施例中的槽波地震数据采集系统，可以在井下无法布设触发线的情况下完成采集工作，同时可以保留有缆地震仪能够进行实时监控数据质量的优点。而且通过集成ftp服务，使得触发记录仪6的数据下载更为方便。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。