专利名称：无线地震仪系统的制作方法
无线地震仪系统
技术领域：
本发明涉及地球物理勘探技术，具体涉及一种应用于石油、地质、煤田、工程勘探
等领域，能够对人工或自然地震数据进行采集、存储和传输的无线地震仪系统。背景技术：
地球物理勘探是利用地震检波器获取可控震源(或爆炸震源)产生的地震波信息，然后进行处理分析从而获得地底资源信息的技术，其中，地震仪是其不可或缺的一部分。地震仪是利用人工方式产生弹性地震波，向地下地层传输。当地震波遇到不同波阻抗的地层时将发生反射、折射等现象，此时通过地面上所安装的测量仪器接收、记录弹性波的数据并转换为高精度数字采样流，采集后用计算机予以分析处理，从而推断出地下的地质构造。地震仪必须具有高精度的数据采集、时间同步、记录存储等功能。目前，地震仪采用的数据传输方式包括有线传输方式、无线传输方式和有线、无线混合的数据传输方式。 传统的有线地震仪是在选定的测量区域内人工将地震检波器按照预先的设计通过有线传输电缆予以顺序埋置。当检波器接收到地震信号后将震动信号转变为电信号通过传输电缆传输到采集站或中央控制器予以编排处理。可想而知笨重的电缆在一些如山地、沼泽、江湖等地区给勘探工作带来了难以克服的困难，有的地区不得不租用直升飞机支持生产。同时有线电缆方式也受到电缆长度的制约，导致测量范围受到局限或操作程序复杂。如此致使操作人员劳动强度大、施工复杂、费用高等。另外，每套电缆3 4年需要更新一次，昂贵的电缆更新费用和维修电缆费用使得设备维修费用增加，促使生产成本大幅度地增加。同时，数字信号在有线传输的过程中会受到线路间的信号干扰以及传输过程中的信号衰减损耗，从而大大降低了采集精度和测量数据的真实性，影响到了最终所要处理数据的有效性。 有线、无线相混合的地震仪中采用采集站的形式来实现。检波器间仍采用有线的方式予以数据采集，在合适的地点通过采集站收集检波器的模拟信号并予以存储。 一种实现方式是采集站非固定安装，当数据采集完毕后可将采集站收集后在短距离内与中央控制器予以无线或有线的方式上传到中央控制器后予以处理或以人工方式收集采集站的数据后带回。此种方式的实时性较差，若采集数据存在误差较大，需要再次地震取样的程序较为复杂。另一种实现方式是安装固定中继器的采集站，当中继器接收到地震检波器的数字信号后，通过无线的方式将信号发射给中央控制器的接收站。由于中继器的安装位置固定，故而需要中继器具有较大的发射功率，从而造成中继器体积和功耗较大。同时，中继器也不具备灵活路由和优化组网的功能。此种有线与无线相结合的方式中采集站与检波器仍采用有线连接，虽然可适当的縮短传输电缆的长度，但这使得采集站及检波器的安装地点缺乏灵活性且整体数据传输路径缺乏优化性。 目前现有的无线地震仪只是将有线、无线相混合地震仪中采集站与检波器的连接方式改为无线连接，通过固定的路由传输方式将检波器的模拟信号传输至采集站后再通过无线传输上传到中央控制器固定的路由传输方式并不能克服采集站所存在的弊端。另外， 由于检波器与采集站间所采用的无线传输方式不具备优化路径的自动组网功能，其并未解 决安装地点缺乏灵活性及数据传输路径缺乏优化的难点，一旦某些检波器所处的地理位置 信号较弱，无法完成与采集站的正常通讯，则将丢失测量点数据影响整组测量数据的有效 性和真实性。
发明内容
K要解决的技术问题2 本发明的目的是要克服现有技术的不足，提供一种新的无线地震仪系统，它具有 远距离、同步精度高、灵活性好、传输速度快、重量轻、体积小、功耗低等特点，能够提高勘探 的质量、加快工程的进度、降低操作员的劳动强度。 K技术方案〗 为了达到上述目的，本发明提供了一种无线地震仪系统，该系统包括用于实现人 机交互和数据存储记录功能的上位机、与所述上位机相连的至少一部无线收发器、与所述 无线收发器通讯的至少一部采集通讯终端，所述无线收发器和采集通讯终端之间采用无线 自组织网的数据传输方式，所述无线收发器实现上位机与采集通讯终端之间沟通功能，所 述采集通讯终端实现对地震波的采集、数据转换、数据存储和数据上传的功能。 在本发明中，上位机主要用于人机交互和存储记录地震数据，它可采用通用PC构 成。其中，人机交互包括采集通讯终端初始化、自组织网分网设置、传输参数设置、A/D模块
采样率设置、前放增益设置、采样起始时间设置、时间同步、电池管理、采集及上传控制、组 网状态(例如将不同的网络节点以不同的颜色显示，显示采集通讯终端是否连接及连接的 路径及顺序，对于未连接的终端以红色区分显示)显示等功能，这些功能可通过多种计算 机语言实现。存储记录地震数据是指上位机记录本发明的系统所有的设置及操作数据，以 及接收到采集通讯终端传输过来的数据后，按地震勘探专用的数据记录格式对数据进行编 排及记录。对于存储记录地震数据，已有现有软件可以实现该功能。 对于上述无线地震仪系统，其中所述无线收发器主要由核心MCU模块和无线传输 模块组成，它在上位机和采集通讯终端之间起桥梁作用。无线收发器主要负责网络的启动 和配置，对安装在野外的采集通讯终端建立网络连接，形成自组织网， 一旦这些都完成之 后，其功能如同路由器即负责将上位机的工作指令予以传输，完成发送和接收功能。本发明 所涉及的无线收发器可采用市场上销售的产品实现，例如德州仪器(TI)公司生产销售的 MSP430系列产品。 上位机和无线收发器之间的通讯可采用USB传输方式，也可采用现有的其它总线 传输方式。 根据上述无线地震仪系统的一种具体实施方式
，其中采集通讯终端包括检波器、 A/D模块、测试模块、核心MCU模块、无线传输模块和电源模块。其中，所述检波器用于采集 地震波信号；所述A/D模块与检波器的输出端相连，对检波器的输出信号进行模数转换；所 述测试模块分别与检波器和A/D模块相连，对检波器和A/D模块的输出信号分别进行数据 测试；所述核心MCU模块分别与测试模块、无线传输模块和电源模块相连，用于实现时间同 步、数据存储、数据处理、程序存储及程序处理；所述无线传输模块采用动态路由的方式实
4现数据的无线传输，使所述采集通讯终端与无线收发器之间构成自组织网；所述电源模块 与核心MCU模块相连，对其供电。 根据上述无线地震仪系统的优选的实施方式，所述检波器是水陆两用检波器。更 优选地，所述检波器是动圈式、磁环式、光学式、压电陶瓷式检波器或三分量式的模拟检波 器。 检波器的主要作用是将由炸药包或可控震源激发的地震波在通过不同地层向地 层深处传播在遇到波阻抗不同的界面时产生反射波引起的地面机械震动转变为电信号，然 后传输到A/D模块。检波器在本技术领域中属于现有设备，可参考的文献例如《高分辨率 地震检波器综述》(朱卫星，中国石油大学(华东)地球资源与信息学院)等。可提及的动 圈式检波器例如中国专利申请CN01120572. 5公开的检波器；磁环式检波器例如中国专利 申请CN97231109公开的检波器；光学式检波器例如中国专利申请CN03250863公开的检波 器；压电陶瓷式检波器例如中国专利申请CN200820180227公开的检波器；三分量式检波器 例如中国专利申请CN02116297公开的检波器。 根据上述无线地震仪系统的一种优选的具体实施方式
，所述无线传输模块可采用
任意支持自组织网网络的设备，例如但不限于采用zigbee、蓝牙或wifi等通讯模块。其中，
zigbee模块例如采用上海悦动电子科技有限公司生产销售的YD01网关产品。 根据上述无线地震仪系统的一种优选的具体实施方式
，所述A/D模块包括依次相
连的前置放大器、增益调节器、滤波器及A/D(模数)转换器组成。 具体地，其中前置放大器前端与检波器连接，然后连接增益调节器和滤波器，然后 由A/D转换器完成模拟量的取样、保持、量化和编码工作，最终实现精确采集的性能。
在本发明中，测试模块主要由测试信号源和测试控制逻辑板组成，用于测试检波 器和A/D模块的整体性能，包括检波器的灵敏度、自然频率、阻尼、失真度和阻抗这五个参 数及A/D模块的信噪比、信号与噪声+失真之比、有效位数、总谐波失调、无杂散动态范围、 双音互调失真、多音互调失真和电压驻波比这八个参数，以测试该采集通讯终端的采集性 能是否达到要求。用测试控制逻辑板检测信号的灵敏度、自然频率、阻尼、失真度、阻抗和信 噪比、信号与噪声+失真之比、有效位数、总谐波失调、无杂散动态范围、双音互调失真、多 音互调失真和电压驻波属于现有技术，本领域技术人员不需要创造性劳动即可重复实施， 也可以参照《微机远程控制逻辑测试与分析》(王莉等人；工程设计CAD与智能建筑，1999 年07期)等文献记载的内容。 根据上述无线地震仪系统的一种优选的具体实施方式
，所述模数转换器优选地采 由24位A/D转换器构成。例如采用ADS1210/1211、LTC2400、CS5381、CS5321/532224等24 位A/D转换芯片构成。 根据上述无线地震仪系统的一种优选的具体实施方式
，所述核心MCU模块主包括
依次相连的实时时钟芯片(RTC)、可编程逻辑控制器(CPLD)和单片机(MCU)。 对于该模块，其中自组织网传输协议固化在模块的协议栈内以简化传输步骤；时
间同步通过上位机以广播的形式对每个采集通讯终端进行时间校准。其中CPLD对RTC的每
秒时钟作微妙级分频使得MCU得到微妙级精度时间，以实现采集同步时间差小于等于10us
的性能，同时降低了硬件成本。采用RTC、CPLD和MCU构成核心MCU模块以实现具有时间同
步、数据存储、数据处理、程序存储及程序处理功能也属于本领域现有技术，在此不作赘述。
根据上述无线地震仪系统的一种优选的具体实施方式
，所述上位机具有无线网络 监控设备的功能，该功能可以由安装在上位机中的软件实现。 根据上述无线地震仪系统的一种优选的具体实施方式
，所述上位机具有系统电源 监控设备的功能，该功能可以由安装在上位机中的软件实现。 本发明的采集通讯终端的电源模块属于现有技术，一种可行的实施方式是由大容 量锂电池、电源管理芯片、USB接口和电量显示屏、赫尔开关及工作状态指示灯组成，其主要 功能是为无线地震仪提供工作电源并进行电池电量管理。电源管理芯片是用来管理锂电池 电量的，其中工作状态指示灯可以设定为在电池电量低于20%时将予以闪烁报警或同时发 出警示音，以提醒使用者及时对设备进行充电管理，确保设备的正常使用。电源管理芯片可 采用市场上购买的产品，例如HIP6301、 IS6537、 RT9237、 ADP3168、 KA7500、 TL494等。电源 模块中的USB接口可实现设备充电和数据有线传输的功能。 本发明的无线地震仪系统由采集通讯终端、无线收发器和上位机组成，其工作过 程为上位机向无线收发器传达工作指令，无线收发器将工作指令解释后通过自组织网络 传输给采集通讯终端，采集通讯终端开始进行数据采集；数据采集结束后，上位机向无线收 发器发送数据上传指令，无线收发器将上传指令解释后通过自组织网络传输给采集通讯终 端，采集通讯终端开始向无线收发器上传数据，上位机从无线收发器读取数据后处理记录。
现有的无线移动网络包括基于网络基础设施的网络(其典型应用为无线局域网 WLAN)和无网络基础设施的网络，后者一般称为自组织网(AD HOC)。这种网络没有固定的 路由器，网络中的节点可随意移动并能以任意方式相互通信。每一个节点都能实现路由器 的功能而在网络中搜寻、维护到另一节点的路由。无线自组织网络的核心特征包括
(1)无中心化和节点之间的对等性。Adhoc网络是一个对等性网络，网络中所有结 点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点(Infrastructureless，不依赖于固定的网络 设施)。网络节点既是终端，也是路由器，当某个节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信 时，需要中间节点(普通节点)的多跳转发(Multi-hopDistributed)。
(2)自发现(Self-Discovering)、自动配置(Self-Configuring)、自组织 (Self-Organizing)、自愈(Self-Healing) 。 Adhoc网络节点能够适应网络的动态变化，快 速检测其它节点的存在和探测其他节点的能力集，网络节点通过分布式算法来协调彼此的 行为，无需人工干预和任何其它预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自 动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，任何结点的故障不会 影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性和健壮性。 本发明针对在野外进行的大面积采集数据后的集中无线传输的问题因地形及采 集点分布的不确定性，即利用无线自组织网的网络优势特点可完全解决采集通讯终端间的 组网及通讯，实现高效精确的无线网络通讯。每一个节点都能实现路由器的功能而在网络 中搜寻、维护到另一节点的路由，有效克服在山区或通讯受阻地区的数据传输受阻问题。
K有益效果2 通过上述技术手段，本发明能够实现的有益效果包括 采用低功耗的集检波器和地震波采集站于一体的采集通讯终端来实现地震数据 的无线传输，即每个采集通讯终端均具备路由功能。其中无线传输采用具有自组织网功能 的无线传输方式来实现，即网络无需固定的路由器，网络中的各个节点可随意移动并能以任意方式优化组网进行相互通讯，每一个节点都能实现路由器的功能而在网络中搜寻、维 护到另一节点的路由，能有效克服在山区或通讯受阻地区的数据传输受阻问题，同时采用 分网接力方式实现传输的快速性。采用本发明的地震仪系统能有效避免数据信号在传输过 程中会受其它线路的干扰或受制于地形条件的通讯受阻，以及避免传输过程中的信号衰减 损耗，因此能有效提高最终获取的数据的采集精度和真实性，保证数据的有效性。
图1是本发明的无线地震仪系统结构图；
图2是本发明的采集通讯终端结构图；
图3是本发明的无线网络传输结构示意图。
具体实施方式
下述实施例结合附图非限制性地说明本发明的无线地震仪系统。本技术领域的普
通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明做出各种变化和修
改，但所有等效的技术方案都属于本发明的范畴，本发明保护范围是由本申请权利要求书
所限定的。 实施例1 在勘探区域布置上位机和16部无线收发器。上位机采用通用PC构成，在上位机 中安装具有电源管理软件和网络设备监控功能的软件，实现上位机的电源管理和网络设备 监控功能。同时，上位机通过软件而具有对现场终端设备的管理、参数设置、数据采集等控 制功能。其所记录的数据符合国家的标准(记录格式、记录内容等)，该部分数据可进一步 提供给其它配套的专用数据分析软件(例如将数据用于分析地形、各种波形等)。具有上述 功能的软件可以使用标准的计算机编程语言实现，例如通过0++、^8等实现。通过编程语 言获得具有特定功能的软件是本领域技术人员能够重复实施的，在此不作赘述。上位机和 各个无线收发器之间采用USB数据传输方式。在勘探区域布置多个采集通讯终端，终端与 收发器之间采用自组织网的数据传输方式。上位机、无线收发器和采集通讯终端关系如图 l所示。 其中，采集通讯终端的结构图如图2所示。它由检波器、A/D模块、测试模块、核心 MCU模块、无线传输模块和电源模块构成。其中，所述检波器采用动圈式水路两用检波器。 A/D模块中的A/D转换器采用CS5381芯片。
对上述地震仪系统的使用操作主要包括
①设备检测 在采集通讯终端使用之前需对其采集性能进行检测，为后续所采集的地震数据准 确性提供保障。操作员可在上位机端发送检测命令，通过无线收发器对采集通讯终端进行 设备检测或通过采集通讯终端的USB数据通讯接口与上位机直接进行通讯检测。检测内容 包括灵敏度、自然频率、阻尼、失真度、阻抗、信噪比、信号与噪声+失真之比、有效位数、总 谐波失调、无杂散动态范围、双音互调失真、多音互调失真、电压驻波比以及电池容量，以检 测该采集通讯终端是否达到要求，符合要求的采集通讯终端才可用于现场实际应用。
②设备初始化
采集通讯终端使用前需完成网络的配置及采集通讯终端的设置工作，故而需对采
集通讯终端进行初始化设置，包括通讯初始化、时间同步设置、分网个数设置、采样率设置
和前放增益设置等，这些操作都是通过上位机连接无线收发器对采集通讯终端集中发出各
种命令得以实现。这些采集通讯终端初始化后，在采集参数及通讯设置不需要变动的情况
下不需要再作变动，如有变动，可按照需求再次初始化。 ③自组织网网络组建 施工人员在指定地点将所有的采集通讯终端安装就位后，操作人员需通过上位机 将所有采集通讯终端切换至工作状态，即通过无线收发器与现场的所有终端设备进行组网 通讯。在上位机的管理软件中将可以监控所有设备的组网情况，当所有设备均处于正常的 网络通讯状态中后，可进行下一步操作。
④数据采集上传 在野外按工程需要和设计要求打好炮井、放置好炸药包后，通过上位机设置采集 开始时间(含采集起始时间)以定时自动采集。采集完后由上位机端发送命令停止采集 (含采集停止时间)。如需将数据上传，可在上位机设置发送命令后自动上传所需时间段内 的数据，上传完毕后自动停止传输。
⑤通讯监测 在采集上传过程中，操作员可通过上位机端的通讯状态显示来查看各采集通讯终 端的工作状态，同时可根据需要显示各采集通讯终端的电量。
⑥数据记录 当所有数据上传完成之后，操作员可在上位机端发送命令将地震数据按地震勘探 专用的记录格式进行编排，然后予以记录。 在本实施例中，采集通讯终端的无线通讯模块采用MaxStream公司的 ZigBee/802. 15. 4XBee-PR0 OEM RF芯片实现自组织网，由该芯片构成的无线网络没有固定 的路由器，网络中的节点(即发明中的采集通讯终端和无线收发器)可随意移动并能以任 意方式相互通信。无线自组织网络的终端节点最多可达百万以上，故而通过采用优化的分 网接力路由算法可实现远距离、大范围的采集通讯终端与无线收发器的快速通讯，如图3 所示。当采集通讯终端在直接连通区域时，即在无线收发器信号覆盖范围内时，每个采集通 讯终端可以直接与无线收发器通讯。当采集通讯终端在直接连通区域以外时，就需要通过 优化算法来选择路径进行接力传输；当采集通讯终端过多的时候，就需要将其分成多个子 网络进行通讯，使得每个分网中采集通讯终端的个数合理，减少传输的时间。当子网络中的 节点受到干扰无法正常通讯时，该节点可以动态的切换到另一个工作信道上。根据Zigbee 的工作频率，其最多可扩展为16个通讯信道，即上位机最多可同时与16个无线收发器进行 通讯。 在本实施例中，室外RF可视距离可以高达1. 6km，超越标准ZigBee模块的2 3 倍。该芯片工作于2. 4GHZ频段，低功耗，支持睡眠模式，拥有16个直接序列通道，可采用16 个无线收发器实现16个子网同时传输，单一网络最多可容纳65535个采集通讯终端，总共 可连接1048560个节点。 A/D模块方面，模数转换芯片采用24位差分输入A - E芯片CS5381，完成模拟量 的取样、保持、量化和编码工作，最终实现精确采集的性能。主要技术指标为动态范围大于
8等于120dB ;输入噪声小于0. 2 ii v ;采样率大于等于50kHz且程控可调；前放增益大于64 倍，分1、2、4、8、16、32、64倍可调；共模抑制比大于等于llOdB ;采样率为50KHz时有效位数 为20位；放大器的输入阻抗为200KQ ;带宽0. 3hz 4khz ;工作温度-40°C 60°C ;以最 大速率工作时功耗电流小于80mA ;休眠功耗电流不超过100 ii A。 采集通讯终端中的电源模块主要由大容量锂电池、电源管理芯片、USB接口 、电量
显示屏、赫尔开关和工作状态指示灯组成，其主要功能是为无线地震仪提供工作电源并进
行电池电量进行管理。电源管理芯片是用来管理锂电池电量的，其中工作状态指示灯在电
量低于20%时将予以闪烁报警，以提醒使用者及时对设备进行充电管理，确保设备的正常
使用；USB接口可实现设备充电和数据有线传输的功能。 本实施例的技术性能与指标测结果为 系统道容量小等于1048560个 数据采集方式定时、触发、连续可选 时间同步方式系统广播 时间同步精度小等于IOUS A/D转换器24位 瞬时动态范围大于120dB 等效输入噪音小于0. 2 ii V 采样率大等于50kHz且可调 共模抑制比大等于llOdB 前放增益大于64倍且可调 最大输入信号2262mV 输入阻抗200KQ 带宽0. 3hz 4khz 供电方式5VDC 功耗最大速率工作时功耗电流小于300mA，休眠功耗电流不超过8mA 工作温度-40°C 60°C 采集通讯终端体积①120 X 200mm。
权利要求
一种无线地震仪系统，其特征在于该系统包括用于实现人机交互和数据存储记录功能的上位机、与所述上位机相连的至少一部无线收发器、与所述无线收发器通讯的至少一部采集通讯终端，所述无线收发器和采集通讯终端之间采用无线自组织网的数据传输方式，所述无线收发器实现上位机与采集通讯终端之间沟通功能，所述采集通讯终端实现对地震波的采集、数据转换、数据存储和数据上传的功能。
2. 根据权利要求1所述的无线地震仪系统，其特征在于所述采集通讯终端包括检波器、A/D模块、测试模块、核心MCU模块、无线传输模块和电源模块，其中，所述检波器用于采集地震波信号；所述A/D模块与检波器的输出端相连，对检波器的输出信号进行模数转换；所述测试模块分别与检波器和A/D模块相连，对检波器和A/D模块的输出信号分别进行数据测试；所述核心MCU模块分别与测试模块、无线传输模块和电源模块相连，用于实现时间同步、数据存储、数据处理、程序存储及程序处理；所述无线传输模块采用动态路由的方式实现数据的无线传输，使所述采集通讯终端与无线收发器之间构成自组织网；所述电源模块与核心MCU模块相连，对其供电。
3. 根据权利要求2所述的无线地震仪系统，其特征在于所述检波器是水陆两用检波器。
4. 根据权利要求3所述的无线地震仪系统，其特征在于所述检波器是动圈式、磁环式、光学式、压电陶瓷式检波器或三分量式的模拟检波器。
5. 根据权利要求2所述的无线地震仪系统，其特征在于所述无线传输模块是能够支持自组织网网络的设备。
6. 根据权利要求2所述的无线地震仪系统，其特征在于所述A/D模块包括依次相连的前置放大器、增益调节器、滤波器及A/D转换器组成。
7. 根据权利要求6所述的无线地震仪系统，其特征在于所述模数转换器采用24位A/D转换器。
8. 根据权利要求6所述的无线地震仪系统，其特征在于所述核心MCU模块包括依次相连的实时时钟芯片、可编程逻辑控制器和单片机。
9. 根据权利要求1所述的无线地震仪系统，其特征在于所述上位机具有无线网络监控设备和系统电源监控设备的功能。
10. 根据权利要求1所述的无线地震仪系统，其特征在于所述电源模块包括依次相连的电池、电源管理芯片、USB接口和电量显示屏、赫尔开关与工作状态指示灯，所述电源模块具有电源管理和显示当前电量的功能。
全文摘要
本发明涉及一种无线地震仪系统，该系统包括用于实现人机交互和数据存储记录功能的上位机、与所述上位机相连的至少一部无线收发器、与所述无线收发器通讯的至少一部采集通讯终端，所述上位机和无线收发器之间采用USB传输方式，所述无线收发器和采集通讯终端之间采用无线自组织网的数据传输方式，所述无线收发器实现上位机与采集通讯终端之间沟通功能，所述采集通讯终端实现对地震波的采集、数据转换、数据存储和数据上传的功能。
文档编号G01V1/18GK101776767SQ201010108930
公开日2010年7月14日 申请日期2010年2月8日 优先权日2010年2月8日
发明者尹卿青, 张春生, 谢志岗, 马焱 申请人:北京豪仪测控工程有限公司