专利名称：无线探测地震的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及探测地震仪(seismograph),具体地涉及地震勘探(seismic survey)系统，其中通过无线方式发送来自多个传感器的数据信号。本发明考虑无线地读出地震阵列，甚至在快速地重复振动能量源勘探的情况，而不积压(backlog)数据或者延迟勘探进程。
背景技术：
自然资源探测公司和其他机构通常利用地震探测来形成地下地质(subsurfacegeologic)结构的图像。这些图像被用来确定对石油和天然气开钻的最佳位置，并且计划和监视其他应用中改进的资源回收率(recovery)规划。地震勘探也可用于石油探测以外的各种环境中，例如，查找地下水的位置和规划道路建设。地震勘探通常通过在地面上(通常在一条线上或者以矩形或者其他几何形的栅格)放置振动传感器(加速器或者称作“地震检波器”的速度传感器)的阵列来进行。振动或者通过爆炸物或者通过诸如振动能量源之类的机械设备或者落重法(weight drop)来产生。来自能量源的振动通过土地、采取不同的路径、从地下中的不连续面间断面(discontinuity)的折射和反射来传播,并且通过振动传感器的阵列来检测。来自传感器的信号或者被单独的电子装置放大和数字化，或者在“数字”传感器的情况下被内部地放大和数字化。通过记录土地的自然振动也可以被动地进行勘探。来自众多传感器的数字数据连同关于勘探和能量源的相关信息一起最终被记录在存储媒质上，例如磁带、或者磁盘或者光盘、或者其他存储器设备。能量源和/或有效的传感器被重新安置，并且所述处理继续，直到获取繁多的地震记录以完成地震勘探为止。来自勘探的数据在计算机上被处理，以便生成有关地下地质结构的期望信息。通常，随着更多传感器被使用，被更紧密地放置，并且覆盖更宽广的范围，得到的图像的质量将增加。在几平方公里内测量的范围上延伸的地震勘探中使用数千个传感器已经变得普通。数百公里的电缆可以平放在地面上并且被用来连接这些传感器。大量的工人、电动车辆以及直升机通常被用来部署和找回这些电缆。探测公司通常乐于使用更多更紧密放置在一起的传感器来进行勘探。然而，另外的传感器需要甚至更多的电缆，从而增加了勘探的成本。勘探成本与传感器数量之间的经济折衷通常需要勘探质量的妥协。除了后勤成本，电缆会引起可靠性问题。除了搬运引起的正常磨损，电缆通过被动物、车辆、雷击和其他问题损坏。相当多的野外(field)时间被花费在发现并修理故障电缆问题。额外的后勤努力也增加到对勘探的环境影响，在其他事情当中，也增加到勘探的成本或者对一些环境敏感的区域取消勘探。因此，在本领域中需要提供改进的用于无线地震数据获取的系统和方法。如从下列公开将会理解，根据本发明的系统和方法解决了与地震数据获取有关的这些、和多个其他问题。
发明内容
本发明提供了使用无线网络和多个单独的数据获取模块来获取地震数据的系统和方法，所述数据获取模块被配置成收集地震数据并且将该数据转送到中央记录和控制系统。因此本发明能够实现数据获取模块的无电缆布局以及地震数据的无线读出。使用数据获取模块的无电缆布局由于几个原因而优越于使用电缆通信的传统系统。例如，无电缆系统不易受到由于磨损、动物、雷击等引起的损坏。另外地，无电缆系统能够容易地跨河流、公路或者其他障碍物而放置，然而，使用电缆的地震勘探系统在这些区域中却难以实现。而且，基于电缆的地震勘探需要相对大量的车辆和人力来运输和安放跨距几平方公里的电缆。无线地捕捉数据的能力也是潜在的优势。例如，当单根电缆损坏时，可能丢失来自位于被损坏电缆的远处末端的远程数据获取模块的所有数据。该类问题不存在于无线发送地震数据的系统中。具体地，使用为更可靠的系统潜在提供的无线网络来改道发送(reroute)数据更可行。某些建议的无电缆和/或无线地震数据获取系统需要人工读出或者否则涉及导致地震勘探处理的延迟的读出过程。已经意识到，以避免积压数据或者延迟勘探处理的方式从无线阵列中提供数据的捕捉是相当重要的。也就是，如果能够不延迟勘探处理(例如，不延迟随后的地震事件)而完成数据捕捉，则系统可以更有效并低廉地操作。传统地，勘探处理包括在地面上放置振动传感器的阵列(称作加速计或者地震检波器的速度传感器)，通常覆盖几平方公里。然后，振动/地震事件可以通过陆地传播并且被这些传感器检测。处理单元捕捉并分析来自传感器的信号。最常用的，通过两种方法之一会引起地震事件。第一种，可以使用爆炸物来产生陆地的振动。可替换地，可以使用振动能量源车辆。振动能量源车辆是一种被设计来在地面产生振动的车辆。通常，振动能量源车辆将在短时间段内(例如，十五或者二十秒)在一个位置上产生振动。然后，车辆可以移动到附近的另一位置并且立即开始产生另一振动。在每一振动事件之间可能仅有几秒。该处理可能持续几个小时，直到获取了期望数量的地震数据为止。就设备和人力的所需量来说，该勘探过程非常昂贵，因此测量处理的任何延迟成本非常高。因此，将会理解，对于整个勘探，地震数据最好或者被本地地存储，或者相反，例如以足以适应振动源的操作的速率毫无延迟地被传送到中央存储系统。除了上述项，存在许多被认为有助于提供商业上期望的无线地震勘探系统的属性。这些属性包括下列I.该系统成本应当近似于或者小于有线系统的成本。2.该系统应当在不平坦地形中和障碍物周围或者之上进行，跨越以平方公里测量的范围。3.该系统应当全世界范围可用，而没有复杂的无线许可问题。4.功耗应当足够低，从而搬运和替换电池不会引起不适当的后勤问题。5.地震数据应当可用于接近实时的检查，以便确保质量，并且避免重复一些或者全部地震数据获取的需要。6.该系统应当能够按比例增加到数千个传感器。7.该系统应当满足当代有线系统的技术性能规范。本发明的各个方面涉及无线传输协议，以便能够不延迟地震勘探来捕捉来自地震阵列的地震数据。在这点上，将要注意，振动传感器的阵列产生的数据量可能非常大。例如，如果每个振动传感器以每个取样24比特的分辨率每秒获取500个取样，则每个传感器的取样大小是每秒12000比特。对于20秒振动(即，地震事件)，得到的取样大小是每个传感器240K比特。对于排列成包含成百或者更多个传感器的线或者串的多个传感器来说，这是非常难得的。而且，多条线或者串可以平行地布置，以便定义覆盖期望地理范围的传感器的阵列。对于利用1000个传感器的地震勘探，对于每一地震事件可以生成240，000，000比特数据。因此，由于有限的带宽，以足以跟上地震事件的速率将所有数据从传感器无线传送到
中央记录系统可能有问题。在本发明的一种实现中，单独的数据获取模块将地震数据发送到相邻或者附近的相邻模块，该相邻模块接着将接收到的地震数据与其自己的数据中继到其他模块。数据转送的该处理继续，直到数据到达线抽头或者中央记录和控制系统。这种布置在几个原因上是令人期望的。首先，由于数据获取模块仅将数据发送到附近的模块，而不是直接到中央位置，因此可以利用相对低的功率传输。功率节省使得模块不需天池替换而操作更长时间，并且/或者使用更小容量的电池进行操作。另外，低功率传输允许利用更少的信道(或者容纳更大数量的获取模块的可用信道)，因为它们可以在不同范围的阵列中没有干扰地被重新使用。另外，低功率信号的使用可以使用基于信号强度的技术来增加模块位置信息。然而，将会理解，使如上所述的这种串行数据传送与期望读出率和谐是个问题。通过此处陈述的本发明解决了这些潜在的冲突目标。根据本发明的一方面，提供这样一种地震阵列，该地震阵列能够以一足以避免延迟振动能量源的操作的速率使用串行数据传送来无线地读出阵列。如上所述，振动能量源通常振动几秒来定义地震事件，然后移动到另一位置并且立即再次开始振动。可以仅大约几秒，例如20-30秒来重复该循环。人们期望以串行方式将得到的地震数据读出到基站等，从而每个模块仅需要与相邻或者附近的相邻模块进行通信，并且可以使用低发送功率。然而，串行数据传送通常涉及数据传输率需求，对于特定的整个阵列读出时间，作为串行数据传输路径的长度的函数。本发明的目前方面提供了一种方法和设备(“实体”)，涉及提供用于获取与重复的振动能量源的操作对应的地址数据的阵列。结合定义至少一条串行数据传输路径用以读出地震数据的阵列，提供一种读出机制。该读出机制被操作来以一足以避免延迟振动能量源的操作的速率读出阵列。例如，该读出机制可被操作来在只是大约20秒内读出包括多个模块(例如，大于大约10个模块)的串行数据传输路径。根据本发明的另一方面，特定的串行数据传输路径中的不止一个地震数据获取模块可以同时发送数据。如上所述，串行数据传输路径是令人期望的，但是可能导致增加的数据传输率的需求。为了解决该潜在的问题，串行数据传输路径中的不止一个模块可以同时发送，例如，通过利用适当的复用机制来避免干扰。因此，根据本发明的本方面的实体包括提供包括至少一条串行数据传输路径的阵列，其中数据在多个模块之间被连续地传送路由到基站或其他收集点；和操作所述阵列，使得串行数据传输路径上的多个模块的至少两个同时发送。以这种方式，对单独的发送机可以实现更高的占空比，从而得到提高的读出效率。根据本发明的再一方面，地震阵列的特定串行数据传输路径上的不同模块使用不同的发送频率。再者，串行数据传输路径是令人期望的，但是可能会引起与阵列读出率相关的某些问题。这些问题可以通过在单条串行数据传输路径中使用多个频率来解决，例如考虑频分复用。根据本发明目前方面的相应实体包括提供包括至少一条串行数据传输路径的阵列，具有多个模块；和操作所述阵列，使得串行数据传输路径上的第一模块以第一频率发送，串行数据传输路径上的第二模块以不同于第一频率的第二频率发送。例如，不同的频率可以被分配到彼此同时发送的模块的接收范围内的所有模块。根据本发明的又一方面，与地震阵列的串行数据传输路径相关地实施多个复用机制。例如，每个复用机制可以考虑串行数据传输路径的发送机的并列操作，从而能够没有不适当的干扰来提高读出率。在一种实施中，与串行数据传输路径相关地使用时分复用和
频分复用两者。例如，可以实现时分复用，使得串行数据传输路径中的仅一半(或者三分之一、四分之一等)的发送机以任何定义的时间间隔进行发送。同时进行发送的这些发送机(或者同时进行发送并且在路径中的接收器的接收范围内的至少那些发送机)可被分配不同的频道和/或可以利用诸如码分复用的其他复用机制。在阵列中存在多条串行路径的情况下，也可以实现所述复用以便避免路径间的干扰。为了便于从地震数据获取模块的阵列捕捉地震数据同时避免地震勘探处理中的延迟，可以期望提供从利用公共无线串行数据传输路径的大量获取模块同步地传输地震数据，用以报告地震数据。也就是，沿着由大量获取模块定义的串行数据传输路径，第一子组的获取模块可被操作来将地震数据同时地发送到第二子组的获取模块。这样的结构可以考虑将地震数据从大量上游获取模块同时传送到更接近数据收集点(例如，线抽头或基站)放置的大量下游获取模块。例如，串行数据传输路径中的每个其他获取模块可操作来在第一时间间隔期间将地震数据发送到相邻的下游获取模块。类似地，当下游获取模块从相邻的上游模块接收数据时，下游模块可以在第二间隔期间发送接收到的数据和/或附加的地震数据。因此，通过重复所述处理，多组地震数据可以从多个获取模块被逐步地同时传送到一个或多个基站和/或中央记录和控制系统。为了实现这种从多个获取模块同时传送地震数据，本发明的一方面提供一种发送地震数据的实体。所述实体包括将多个地震数据获取模块放置在一阵列中，其中每个获取模块可操作来与该阵列中的至少一个其他获取模块进行无线通信。因此，获取模块之间的这种通信考虑通过阵列来定义数据传输。基站被提供来操作性地接收来自阵列中的至少一个获取模块的地震数据。在这点上，基站与数据传输路径无线通信。为了发送来自多个获取模块的地震数据，所述实体还包括首先在第一传输周期期间将第一地震数据从第一子组的获取模块的至少第一模块发送到第二子组的获取模块的至少第一模块。在第一传输周期之后，第一地震数据可被在第二传输周期期间从第二子组的获取模块的第一模块发送到第一子组的获取模块的第二模块。在这点上，第一组的地震数据可以通过朝向基站的数据传输路径来中继。为了向基站发送数据，在每个发送步骤期间，各个获取模块可以将地震数据发送到位于更接近基站的另一数据获取模块。在这点上，数据可被从远程放置的获取模块中继到更接近基站放置的获取模块。而且，位于基站的传输范围内的一个或多个获取模块可以将地震数据发送到基站。为了重新发送从第一子组的第一模块接收的第一地震数据，第二子组的第一模块可操作来将附加的地震数据(即，由第二子组的第一模块生成)附加到第一子组的第二模块。在这点上，在每个发送步骤期间，附加的数据可被附加到从远程放置的数据获取模块接收的地震数据。因此，对于每一子组的附加模块可以重复第一子组的获取模块和第二子组的获取模块之间的第一和第二发送步骤，直到基站接收到来自多个获取模块的所有地震数据为止。在任何结构中，每个地震数据获取模块可操作来响应地震事件而生成地震数据。在振动能量源的情况下，事件可以持续几秒(例如，20秒)。因此，可以期望在地震事件结束之前开始数据传输。也就是，在地震事件结束之前开始数据传输可能极大地减少完成对地震事件收集的整个数据组的传输所需的时间。这样的传输可以基本实时地完成或者可以
在开始第二地震事件之前完成。为了在地震事件期间实现这样的传输，每个获取模块可操作来按地震数据被生成那样地分组。得到的分组(例如，预定的数据大小或者时间段)可以包括识别已生成数据的获取模块的信息以及所述分组的获取时间。然后所述分组被中继到基站(例如，经由一个或多个中继器)，到中央控制和记录系统或者所述分组可被存储和/或重新组合的另一位置。也就是，对于单个地震事件的来自各个地震获取模块的多个分组可在从获取模块移除的位置处被重新组合成单个数据文件。在一种实施中，为了便于从第一子组的获取模块到第二子组的获取模块的同时传送，多个地震数据获取模块中的每一个被分配在发送地震数据中供使用的发送频率。而且，由于形成单条串行数据传输路径的潜在的大量获取模块，可以期望和/或必须给串行传输路径内的第一和第二地震数据获取模块分配公共发送频率。也就是，由于有限的可用发送频率，重新使用一个或多个频率是非常有用的。发送功率和/或模块的物理间距可被选择来防止具有公共的发送频率的模块之间的干扰。而且，当对于公共传输周期在单条串行数据传输路径中重新使用公共频率时，可以期望利用公共频率的模块被隔开一段大于模块的传输范围的距离。将会理解，可以进一步布置利用公共发送频率的模块，从而它们在暂时不同的传输周期期间发送地震数据，或者它们利用其他复用机制，例如码分复用来减少或者避免干扰。获取模块的间距和/或发送功率也可以取决于一个或多个相邻传输路径中用来发送来自附加阵列的地震数据的发送频率。根据本发明的另一方面，提供一种用于提高定义阵列的多个地震数据获取模块与基站之间的数据传输率的实体，所述基站可操作来通过调整与基站直接通信的多个模块的操作来收集来自阵列的地震数据。所述实体涉及在物理路径上放置多个地震数据获取模块，例如，一条模块线。在这点上，物理路径中的每个地址数据获取模块可操作来与该路径中的至少一个其他地址数据获取模块无线地通信，从而数据被连续地从远程模块传送到更接近基站放置的模块。通过物理路径来定义第一和第二串行数据传输路径。这些第一和第二(或者附加的)数据传输路径可以通过沿着物理路径的长度的替换或者其他图案的获取模块来形成。因此，第一和第二数据传输路径中的每一条可操作来对形成每条路径的模块中继数据，并且基站优选地可操作来交替地接收来自第一和第二传输路径的地震数据的传输。在这点上，基站可操作来基本持续地接收来自第一和第二传输路径的地址数据的传输。例如，基站可操作来交替地接收来自第一和第二路径的传输，从而基站接收器具有基本100%的占空比。根据本发明的另一方面，提供一种用于通过一串获取模块来中继地震数据的实体，其中特定的模块使用不同的频率来接收和发送数据。为了中继它们之间的地震数据，所述实体利用串联放置多个地震数据获取模块，并且多个地震数据获取模块可操作来与至少一个上游获取模块和至少一个下游获取模块无线地通信。在这点上，地震数据获取模块通常可操作来接收来自至少一个上游地震数据获取模块的上游地震数据并且将上游地震数据发送到下游地震数据获取模块。而且，为了实现将多组上游数据传输到多组下游获取模块，分配不同的发送和接收频率给每个数据获取模块可能有用。通常，这将要求任何单独的数据获取模块可操作来以第一发送频率接收上游数据和以第二发送频率将上游数据以及接收获取模块所产生的任何数据提供给下游获取模块。因此，每个单独的获取模块可被调谐到与上游获取模块相关的接收频率和被调谐到与下游获取模块的接收频率对应的发送频率。在这点上可以使用单个天线或者多个天
线。获取模块可操作来接收来自直接相邻的上游获取模块的传输并且将数据提供给直接相邻的下游获取模块。在另一结构中，获取模块可操作来接收来自不相邻的上游获取模块的传输并且发送到不相邻的下游获取模块。在这点上，接收和发送可以跳过相邻的获取模块，从而第一和第二串行数据传输路径在地址获取模块的物理路径内交织。根据本发明的另一方面，至少一些模块被配置为自我定位。为了处理传感器捕捉的数据，必须确定每个传感器的地理位置。取代如以前所进行的人工地测量数千个传感器的位置，本发明可以使用各种方法来自动地确定至少一些模块的位置。例如，在一个实施例中，每个模块可以包括全球定位系统(GPS)接收器。该模块可以使用该接收器来自定位，并且可以进一步将位置数据传送到中央记录系统。在另一实施例中，仅一些模块或者没有一个模块或者基站可配备有GPS接收器。该系统可以有利地使用RF技术来确定至少一些模块的位置。例如，模块或基站可以将信号从它的发送机传播到几个其他远程模块。其他的模块或者基站可以单独地记录从第一模块或者基站接收信号的时间和/或信号的强度。使用在每个远程模块接收信号的时间，可以确定接收信号的方向、信号强度或者球体参数、模块的位置。因此，如果一个或多个模块或者基站的位置已知，则可以确定传播信号的远程模块的位置。将会理解，该方面不限于使用一个特定的基于RF的方法来确定远程模块的位置。本领域的技术人员将会意识到具有许多利用RF技术的方法，所述RF技术可以如下面将更详细讨论的那样被利用。而且，基于从其他模块或者基站在模块处接收的信号可以确定模块的位置，或者基于从该模块发送到其他模块或者基站(例如，该技术可以是基于模块的或者外部的)的信号来确定模块的位置。在又一实施例中，可以结合GPS方法来使用位置的RF方法。例如，一部分模块和/或基站可以包括GPS接收器。由于GPS方法给出精确的位置，因此这些模块或者基站可被用作参考位置。然后，可以使用该参考位置通过使用基于RF的方法计算的相对位置来计算其他模块的实际位置，所述其他模块未配备GPS接收器。例如，仅基站(或者其子集)可以包括GPS接收器。在另一示例中,所有模块可以包括GPS接收器。然后,可以一前一后地使用基于RF的位置方法和GPS方法来确保精确的位置测量。本发明的优势特征是在中央记录和处理系统处接近实时地记录远程模块的位置的性能。也就是，不必行进到每个模块来提取位置数据。相反，远程模块或者其他定位平台可被配置来将位置数据无线地发送回中央控制和记录系统。位置数据可穿过用于传送地震数据的相同网络来传送，或者可以利用独立的网络。而且，对于位置信号(与地震数据传送信号相关)可以使用不同的频率、功率或者其他信号参数。将会理解，在开始地震数据获取之前，不必求解模块的位置。相反，在地震数据获取的同时或之后，可以求解所述位置。根据本发明的再一目的，可以采用模块自我定位技术，这利用无线地震阵列环境来确定位置。如上所述，已经意识到，假设远程数据获取模块的位置的自动确定(例如，使用RF定位技术、嵌入GPS、这两种方法的组合或者其他适当的方法)是相当重要的。通常，确定潜在的数千个数据获取模块的精确位置是耗费巨大并且费时的任务。首先，工作者通常行进到每个数据获取模块并且使用GPS接收器或者类似设备来确定位置。这需要首先工作者知道每个模块的一般位置，从而能够发现每个模块。一旦发现该模块，对GPS接收器来说通常花费相当数量的时间来提供精确的位置测量。每个设备的位置必须被输入到计算机系统，当处理数据时，将使用该计算机系统。定位所述装置、等待GPS数据以及存储位置数据所花费的时间可以是真实的。而且，对于数千个传感器可以重复该处理。因此，同时基本
没有人为相互作用、为自动定位数据获取模块而提供的系统是有利的。本发明提供了自动低位至少一些模块，因此减少了建立成本。在这点上可以使用任何适用的自我定位技术，包括内置于模块的GPS定位系统，并且能够无线地报告位置。然而，已经意识到，获取模块的无线本质提供了附加的自我定位的可能性。具体地，结合无线电话和网状网络，许多基于RF的定位技术已经被研发。通常，这些技术包括使用距离修正和/或从多个信号得来的方向性信息的多点定位(multilateration)(诸如三角测量)算法，例如到达时间差(TDOA)、到达角(AOA)、信号强度等。具体地，已经意识到，这些技术可适用于目前的无线数据获取环境。现有的技术基于涉及许多移动手机和诸如无线网络基站的更少量固定的网络结构的范例。这些系统的目的通常是定位移动手机，并且已知固定的网络结构的位置。然而，时常，由于距离、建筑物或者其他障碍物和本地布局，手机与固定的结构具有有限的接触，从而导致不能精确及时地定位手机。另外，由于手机是移动的，因此通常必须基本同时地获取位置信号。结果，在许多情况下，使用这样的技术不能定位手机，或者位置会具有大的不确定性。这看起来使得那些技术对在目前环境中定位获取模块不太弓丨人注意，尤其是给出所需的精度。然而，如果正常地适应，则许多因素在这种条件下使得这些技术可用。首先，许多RF发送机在将被定位的获取模块的附近中变得可用，从而允许高空间分辨率多点定位算法。另外，如果期望，则可以使用GPS或者其他技术来精确地定位大量的这些RF发送机，并且因此大量的这些RF发送机用作锚定多点定位计算的基准参考。而且，获取模块是固定的，允许随着时间执行统计处理，以便减少多点定位技术的不确定性。基准的参考也可被定位来确保RF位置信号的未受干扰的通信。将会理解，位置计算可以在获取模块处或者其他位置处(例如，基于专用的位置信号或者从模块发送和在多个接收器接收到的其他信号)执行(例如，基于专用的位置信号或者从多个发送器接收到的其他信号)。本发明的另一方面涉及一种用于使用对无线地震勘探系统唯一的参数来设计无线地震勘探的实体。例如，远程数据获取模块的布局不受每个模块之间的物理连接的约束，如在传统的基于电缆的系统中的情况那样。这可以使得系统设计者在选择模块的布局时能够具有更多的自由。例如，可能需要以一种构造来放置模块以便避免障碍物。另外，与无线传送的特性相关的参数可被用来设计无线地震勘探(例如，发送功率、信道的数目、带宽等)。例如，发送功率和/或模块之间的距离可以增加或减少来满足特殊的勘探目标。而且，传送地震数据所需的无线信道的数目可以依靠于远程数据获取模块的间距。而且，由于与影响勘探成本和传感器数目之间的经济折衷的无线实施相关的经济性，获取模块的数目和间距(密度)可能相对于传统的有线阵列而不同。另外，根据本发明的目前方面的实体包括获取有关潜在的阵列构造的参数信息，其中所述阵列构造是无线数据传送系统的特性的函数；获取有关所考虑的地震勘探的勘探目标信息；和基于参数信息和勘探目标信息来确定阵列构造。本发明的再一方面涉及从快速读出(例如，地震事件之间的读出)无线地震勘探系统接收地震数据并且将所述数据处理为有助于分析一个或多个地下地质结构的特性的形式。接收步骤可以包括例如将地震数据传送到能够处理数据的计算系统。处理步骤可以包括许多种处理地震数据的方法(例如，过滤、求和、同步、显示、正常移动、执行公共中间点或者其他聚集等)。将会理解，这可以进一步涉及对无线环境唯一的特定处理，例如解插
入来自不同模块的数据以及解决唯一的无线阵列几何学。另外地或者替换地，处理步骤可以包括解释地震数据，以便识别一个或多个地下地质结构的特性。
为了更完整地理解本发明及其另外的优点，现在对结合附图的下列详细描述进行参考，下面简要地描述附图。图I示出了有线地震系统中的传感器和电缆的典型布局。图2是根据本发明实施例的远程数据获取和中继模块的方框图。图3是根据本发明实施例的无线系统中的模块和传感器的典型布局。图4是用于讨论根据本发明实施例的频率分配和操作的无线系统的一部分的详细图。图5图解说明了自动确定数据获取模块的位置的系统。图6A-6C图解说明了可被用来自动定位数据获取模块的各种技术的操作。图7图解说明了根据本发明实施例的无线地震勘探系统中的模块的布局。图8图解说明了根据本发明的地震阵列和相关读出的协议的替换布局。图9A-9C图解说明了根据本发明的某一自定位结构和功能。图10是图解说明设计根据本发明的无线地震阵列的处理的流程图。图11是图解说明根据本发明的处理无线地震数据的处理的流程图。图12A-12C图解说明了根据本发明的沿无线地震阵列的串行数据传送路径发送数据的处理。
具体实施例方式尽管本发明能够接受各种修改和替换形式，但是本发明的特定实施例已经通过附图中的示例示出并且此处被详细描述。然而，应当理解，本发明往往不限于所公开的特定形式，相反，本发明覆盖了落入如权利要求定义的本发明的范畴之内的所有修改、等效物和替换物。在如下所述的某些实施中，本发明将数据获取功能和无线中继功能组合到单个模块，从而解决了多个问题。每个模块典型地在途中将数据中继到其他模块，以便中继到中央控制和记录系统。本发明的一个实施例的某些优点包括(a)因为模块之间的间距较小，通常不大于约50米，因此可以使用相对低功率的无线电将信息中继到下一模块。功率的节省允许模块以手电筒电池工作几天或者甚至以太阳能天池工作更长时间。另外，在预定的重新安置模块期间可以替换或者重新充电电池。(b)可以利用低成本的集成电路无线芯片，从而允许以比具有在有线系统中的模块之间穿行的电缆的系统更低的成本进行设计以便制造。(c)因为获取模块的阵列被平放在地域(terrain)上作为网状结构(mesh)，因此自动适用于不平坦的地域。如果存在障碍物，则可以使用备用模块来穿过或者围绕该障碍
物而传递信号。(d)如果选择2. 4GHz频带，则在世界的大多数区域中以这些低功率电平操作将会合法。因为在远程的区域中正常地进行了地震勘探，因此来自外部源的干扰应当不会成为问题。(e)通过以该波段内的不同频率操作模块，该模块能够沿着地震阵列连续地传递数据，就象“(救火时)排成长龙以传水救火的一队列”，提供实时数据获取和到中央控制和记录系统的中继。(f)通过增加模块和扩展所述阵列到容纳数千模块，所述网络可以按比例扩展。图I描绘了传统地震勘探的普通物理布局。大量的远程数据获取模块101通过电缆连接在一条线上并排列在地面上。每个模连接到一个或多个传感器，所述传感器被配置为单独的传感器、多组件传感器、或者有线连接成组的传感器串。每个模块可以包含用于放大、数字化和存储来自传感器的信号的电子装置，或者在数字传感器的情况，收集和存储数据。远程数据获取模块可以包含用于测试传感器和/或获取电路的附加电路以便确保正常的功能和性能。远程模块通过电缆或者光纤线缆连接在一条线上，并且该线连接到称作“线抽头(line tap)”或者“交叉线单元”的第二装置102。该线抽头随后一起连接成串，并且最终连接到中央控制和记录系统103。通常获取地震数据并且将该地震数据从远程数据获取模块朝电缆下游传递到线抽头，并且由该处到中央控制和记录系统。将指令和定时信号从中央控制和记录系统朝电缆上游传递到线抽头，并且由该处到远程数据获取模块。可以使用其他几何形状，正好包括线性阵列。如果失败或者障碍发生，则可以使用多余的线或者环形布局来提供预备的数据和控制路径。所配置的传感器的数目可以根据勘探的需求而极大地变化。如果一条线由于一些障碍、例如河流而必须中断，则可以插入射频通信系统来跨过缺口传送数据和指令。中央控制和记录系统通常由具有显示器、键盘、到线抽头串的接口的计算机、和数字存储系统组成。在一种实施中，中央控制和记录系统可以由标准笔记本计算机组成，该标准笔记本计算机具有以太网、USB或者连接到线抽头串的无线接口或者连接到线抽头串的接口设备。数据可以被存储在计算机的内部硬盘上。对于更大的系统，中央控制和记录系统可以由更大的计算机组成，该更大的计算机具有分离的显示器、键盘和诸如磁带驱动器的分离的存储设备、一个或多个硬盘、或者存储相对大数量的数据的一些其他存储设备。在本发明中，无线数据获取和中继模块替换了传统的有线单元。远程模块的位置可以与有线系统的相同，或者所述阵列可以适于开发无线系统的灵活性。在下面的讨论中，首先提供概括的示例来图解说明本系统的灵活性。也就是，获取模块能够以基本任何图案排列，并且地震数据的串行通信可以沿着基本任何路线发生，以便向中央控制和记录系统报告信息。之后，提供特定示例来图解说明有利的阵列构造和读出协议。图7示出了根据本发明一个实施例的无线地震勘探系统700的布局。系统700包括在整个地震勘探地点分布的数据获取模块701。数据获取模块701被配置成通过无线链接707与周围的模块通信。通常，将地震数据从距中央控制和记录系统703更远的数据获取模块701无线地转送到距中央控制和记录系统703不太远的数据获取模块701，直到数据到达中央控制和记录系统703为止。如所示，可以通过数据获取模块701来转送数据，直到数据到达基站705为止。该基站能够通过任何适当的方法(例如，以太网、USB、光纤链接、诸如IEEE 802. 11之类的某些计算机兼容无线接口等)在中央控制和记录系统703之间发
送和接收数据。另外，基站705可以简单地是被配置成与中央控制和记录系统703直接通信的数据获取模块。图7图解说明了不必是线性阵列或者任何常规几何构造的数据获取模块的布局。这相当有利，因为它允许勘探系统在障碍物周围操作，并且允许勘探设计者自由选择将优化系统的性能的布局。将会理解，可以手动或者自动地配置数据获取模块之间的地震数据的数据路径。在手动配置情况下，每个模块例如可被编程来与将被立即放置或紧密彼此相邻的预定模块通信。或者，所述模块可被配置成自动检测和选择对于将要传送的地震数据最佳的路径。在自动配置情况下，可以不需要将特定模块放置在特定位置来安置所述模块。然后，所述模块可以基于诸如障碍物、信号强度、传输率等之类的各种因素来选择最佳数据路径。本发明的重要方面是提供快速捕捉来自无线阵列的数据的能力。也就是，如果如上所述可以不延迟勘探处理来完成数据捕捉，则该系统能够更有效更便宜地操作。为了实现该目标，将会理解，地震数据必须或者对于整个勘探完整地或者部分地被本地存储(例如，在模块基站或者其他收集站)，或者相反以不干扰或者不延迟振动源设备的操作的方式被传送到中央控制和记录系统。本发明提供了实现该目标的无线传送地震数据的系统。在本发明的一个实施例中，在从振动事件结束开始的不大于约20秒内，将地震事件的所有地震数据从数据获取模块传送到中央控制和记录系统、或者其他存储系统。通过选择数据传输率、阵列和每条串行数据传输线中的数据获取模块的数目、以及其他因素来实现所述目标。下面详细描述了优选实施例的示例。图2示出了根据本发明实施例的无线远程获取和中继模块200的方框图。振动传感器201将振动转换为电信号，该电信号通过开关210被馈入到前置放大器202并由此到模数(A/D)转换器203。来自A/D转换器203的数字数据被馈入到中央处理器204或者直接到数字的存储器205。或者，在具有直接数字输出的传感器201的情况下，信号可以直接流入处理器204或者存储器205。除了控制系统和将数据存储在存储器中，处理器204可以对数据进行一些计算，包括除以十、过滤、堆集重复的记录、相关、计时等。远程模块200也可以通过收发机206接收信息，例如计时信息、交叉相关参考信息、获取参数、测试和编程指令、位置信息、来自上游模块的地震数据、和在其他命令中到软件的更新。发送和接收的信号通过天线207耦接。处理器204可以控制收发机206，包括发送/接收状态、频率、功率输出、数据流、以及操作所需的其他功能。远程模块200也可以接收来自其他远程模块或基站的数据和命令，将它们存储在存储器中，然后再次发送它们用以其他远程模块沿着线向上或者向下接收。数模(D/A)转换器208可被包含在可以接收来自处理器204的数字数据的系统中，以便通过开关210将信号施加到输入电路。这些信号，例如可以包括DC电压、电流或者正弦波，可被数字化和分析，以便确定系统是否工作正常和是否满足其性能规格。典型的分析可以包括输入噪声、谐波失真、动态范围、DC偏置和其他测试或者测量。信号也可被馈入到传感器201，以便确定诸如电阻、漏损率、灵敏度、衰减和自然频率之类的参数。电源电压也可以通过开关210连接到A/D转换器203，以便监视电池充电和/或系统功率。前置放大器202可以具有由处理器204或者其他部件设定的可调增益，以便对输入信号电平进行调
节。振动传感器201可以是远程模块200外部并通过电缆连接分离的普通单元，或者传感器201可被集成到远程模块封装。如果远程模块200被用作基站，等效于“线抽头”或者到中央记录系统的接口，则它将也具有数字输入/输出功能211，例如可以是以太网、USB、光纤链接或者一些计算机兼容无线接口(例如，IEEE 802. 11标准之一)或者通过有线或无线链接的其他方式的通信。可接受的是，对线抽头无线数据获取和中继模块使用更大的电池组，因为它们在数量上将正常地相对少，并且可以使用高速数据通信协议在更长的距离上通信。远程模块200由许多供应商可用的普通集成电路构成。发送/接收集成电路206可能是具有可编程功能的数字数据收发机，包括功率输出、定时、操作频率、带宽和其他必需功能。操作频带可能最好是允许世界性的未经许可的操作的频率范围，例如，2. 4GHz范围。中央处理器204、存储器205和开关210可以包括大量广泛可用的任意普通部件。A/D转换器203最好可以是24位σ δ转换器，例如许多供应商可用的那些转换器。前置放大器202应当最好是许多源可用的低噪声差分输入放大器，或者替换地与A/D转换器203集成。D/A转换器208应当最好是非常小失真的单元，其能够产生可由进行谐波失真测试的系统使用的低失真正弦波。模块200可以包括未在图2中示出的许多其他组件，例如用于AOA信号测量的方向性天线、分离的发送和接收天线、位置信号和地震数据传送信号的分离的天线、GPS接收器、电池等。下面的示例描绘该系统可以如何持续地获取地震数据。假设每个模块以每取样24位的分辨率、每秒500个取样来取样振动信号。来自振动传感器的地震数据被数字化并且存储在存储器中。当发生该情况时，收发机206从距中央记录系统更遥远的下一模块接收数据。在从传感器201和其他模块收集一些数量数据之后，模块切换到发送模式，并且朝着更接近中央记录系统的模块发送从传感器201和其他模块收集的一些数据分组。对于获取的原始源传感器和时间，每个数据分组也被用一些识别注释。该模块在发送阶段期间继续获取和存储数据，因此在记录中没有间隙。时戳注释可能来源于微处理器中的时钟或者无线电。所有模块中的时钟可被周期性地调整并且与来自中央记录系统或其他源的信号同步。
图3示出了根据本发明实施例的无线地震系统的一种可能构造。除了在远程模块之间没有物理连接之外，许多远程模块301可以如图I中所示的有线系统一样被排列在线上。基站模块302代替线抽头模块，该基站模块302可以通过以太网、光纤、或者其他数字数据链接或无线替代物而连接到中央控制和记录系统303。频率Fl到F12上操作的示例无线电链接通过箭头表示。注意，为了提高数据速率，说明性实施例中的每条无线电链接跨越最接近的远程模块到更靠近基站的下一模块。其他无线电传输路径是可能的，包括直接到最接近的远程模块、跨越多个模块、或者在障碍物或设备故障的情况下，越过有缺陷的远程模块或者甚至是横过到另一条线或者建立通信流的任何其他逻辑路径。中央控制和记录系统可以是笔记本电脑或者更大的等效系统。图4是代表根据本发明实施例的无线远程模块Rn和基站BSn的阵列的线路的一部分的分解图，所述无线远程模块Rn和基站BSn通过以太网或光纤或射频无线或其他链接连接在一起。在数据获取阶段期间，来自传感器的信号将被数字化并且被存储在存储器中。然后，一些远程模块将通过RF链接发送来自存储器的数字数据。其他远程模块将从附近的模块接收数字数据，将数据暂时存储在存储器中。以最大数据传输率，一半远程模块可以进
行发送，一半远程模块将随时进行接收。因此模块不会彼此干扰，不同的频率可以被分配给任何其他远程模块的范围内的每个远程模块。例如，远程模块Rll将以频率Fl发送到远程模块R13。远程模块R12能够以频率F2同时发送到远程模块R14。远程模块R15、R16、R19和R20也分别以它们所分配的频率F3、F4、F5和F6进行发送。远程模块R20将它的数据分组发送到它的基站BS I。在远程模块之间传递数据分组之后，远程模块的发送/接收状态被反转，如附图中下一串的远程模块所示。远程模块R23以频率F7发送它的数据分组，并且处理继续，远程模块R31将它的分组发送到基站BS2。向下沿着中枢数据链接将数据进一步发送到中央记录和控制系统。因此将会理解，模块所使用的信号是时分复用和频分复用的。也就是，如所述的，在相同时间间隔期间发送的彼此模块的接收范围之内的模块可能被分配不同的发送频带以避免干扰。因此，彼此模块的接收范围和甚至单条串行数据传输路径(例如，附图4中R11、R13、R15、R17、R19、R21、BS1定义的路径)之内的不同模块可以同时进行发送，从而提
高了读出率。另外，如上所述，任何特定模块可以仅一半的时间或者更少时间来进行发送。例如，模块可以仅基本一半的时间发送数据并且基本一半的时间接收来自一个上游模块或者多个模块的数据。因此，在给定的串行数据传输路径内，相邻的模块通常将以相对的(即，交替)时间间隔进行发送。因此，来自相邻模块的信号通常被时分复用。如此，给定频带可被彼此模块的接收范围内或者甚至给定串行数据传输路径内的模块重新使用，从而能够更好地使用可用的数据信道，这可能允许如期望的更密集的阵列(模块相距更近)。而且，将要注意，图4中的模块的每条物理线路有效地定义为两条(图4的示例中)或者更多条交织的串行数据传输路径。也就是，与基站BS1(R12...R20)相关的偶数模块定义一条串行数据传输路径，奇数模块(R11...R21)定义另一条串行数据传输路径。这两条串行数据传输路径可以是同等的，以便改进数据读出。例如，这些串行数据传输路径可以同步，从而模块R20和R21交替地发送到基站BSl。以这种方式，在基站BSl，资源被更有效地用作单个天线，以基本100%占空比操作，可以接收来自R20和R21的信号。或者，基站BSl可以接收来自空间分离的线路的信号，以便充分有效地利用资源。尽管图4中未示出，但是基站BS1、BS2等可以接收来自分离的线路、即基站相对侧的数据。将会理解，多个复用技术的优点能够以各种方式来实现。例如，不是将给定模块的操作分为两个基本相同的定义周期段的间隔(即，接收间隔，之后是发送间隔)，该周期段可被分为多于两个间隔。例如，模块可以在第一间隔期间接收来自第一上游模块的数据，在第二间隔内接收来自第二上游模块的数据，并且在第三间隔内发送(在模块获得的和/或从第一和/或第二上游模块接收的)数据。例如，关于非线性的串行数据传输布局可以使用所述三个间隔周期。或者，关于在如期望的单条物理线路的模块中的交织三条串行数据传输路径，可以使用三何个间隔周期。而且，在一些情况下，对于无线数据接收和发送，模块可以以小于100%占空比进行操作，即，在模块既不发送也不接收的一个周期段内具有沉默间隔。例如，该周期可被分为四个间隔，并且奇数模块可以在第一间隔进行接收，在第三间隔进行发送，在第二间隔和第四间隔既不发送也不接收。偶数模块可以在第二间隔进行接收，在第四间隔进行发送，在
第一间隔和第三间隔既不发送也不接收。这提供了时分复用的另一方面，如在交织的串行数据传输线之间可以期望的，例如，带宽的高效使用比任何单个天线的满占空比使用率更重要。也可以使用时分复用和频分复用以外的复用技术，例如，码分复用。在码分复用中，发送机-接收器对被分配一数字码，该数字码使得甚至在其他信号与感兴趣的信号在时间和频率上重叠的情况下感兴趣的信号也与其他信号区分开。潜在干扰信号的代码可被选择为数学地正交，从而降低干扰。在涉及许多潜在干扰信号的应用的情况下，可以利用长代码，从而潜在地复杂了处理并且增加了开销。在该环境下，利用低功率发送和明确的阵列几何形状，更短的代码可能就足够了。而且，码分复用可以与如上讨论的时分复用和/或频分复用相结合，以便进一步缩短代码和优化处理。另外，根据有关其他事物的经济学考虑，对于给定模块可以利用多个天线，例如，分离的发送和接收天线。在图4的示例中，涉及每秒500个取样的取样率和24比特的取样分辨率，远程模块Rll发送一半时间，必须以每秒24000比特向远程模块R13发送数据，该远程模块R13同时以每秒12000比特的速率从它自己的传感器获取数据。在逝去一段时间后，远程模块在发送和接收状态之间都切换，并且向下朝着基站进一步传递数据。现在，远程模块R13将从Rll先前接收的数据加上它自己累积的数据传递到远程模块R15。由于现在必须传递来自两个传感器的数据，因此数据速率将必须为每秒48000个取样，以便防止数据在传感器处的积压。将会理解，来源于不同模块的数据，即使它以单个传输间隔被随后传送，也可以具有稍微不同的基准时间或时戳，如下面将更详细讨论的。适当的报头或者元数据可以与所述数据相关联，以便不仅识别源模块/位置，并且识别获取时间。随着远程模块的线路变得更长，所需的数据速率将以线性方式增加。当线路上的站的数目与取样率相乘所得的结果超过无线数据获取和中继模块的最大数据速率两倍，该线路将再也不能跟上数据流。在这点上，需要增加另一线路的基站，或者在数据传输处理中允许延迟，或者允许“等待周期”。在振动能量源的情况下，这意味着对于必需的延迟扩展系统组件或者停止能量源。也就是，在一些情况下，数据可被存储在一个或多个模块或者基站，用以在能量源的存放期间进行读出或者在其他时间不延迟勘探处理。另一选择是在使用中央处理器的远程模块中相关和/或堆叠来自振动能量源的导频信号，这极大地减小了所需的数据量。又一选择是使用数据压缩来减少运送信息所需的数据位数量，这使得系统每基站具有更多的远程模块。当使用爆炸源来产生振动时，在一时间段中收集的地震数据的数量少得多，因此阵列可能会比使用振动能量源车辆的勘探大得多。来自每个远程模块的每个数据分组可以包括有关收集数据的时间的信息、获取参数、远程模块的索引号和序列号、站坐标等等。周期地，可以沿着所述线路向上或向下将命令和信息发送到远程模块(即，时间同步、获取参数、自测试指令等)。基站模块可以包含来自多个模块的电路，用于允许相同或不同方向上的到两个或更多个阵列的数据传输。图12A-12C以图表说明地震数据分组从一连串的模块Rl-Rn到基站BS的串行传送。如所示，每个模块Rl-Rn响应于地震事件的至少一部分而生成数据分组PlR(1_n)。对于第一时间段Tl收集每个分组PlR(1_n)中的数据。然后，将每个单元的第一分组发送到沿着更靠近基站BS的串行数据传输路径布置的其他模块。对于第二时间段T2重复所述处理。
然而，将会注意，第二模块R2除了对于第二时间段T2生成第二数据分组P2R2，还对于第一时间段接收从第一模块接收的第一分组P1R1。请查看图12B。第一数据分组PlRl可被附加到第二数据分组P2R2，用以在下一传输周期期间传送到第三模块R3。在这点上，第二模块R2到R3传送的数据文件将包括来自不同模块(即，模块Rl和R2)的分组PlRl和P2R2。而且，这些分组PlRl和P2R2将包含在两个单独的时间段Tl和T2期间收集的地震数据。将会理解，随着时间段数目的增加，由最后远程单元Rn传送到基站单元BS的数据分组的数目可以等于串行传输路径中远程单元的数目。例如，最后模块Rn可以包括来自每个模块单元R(l-n)的数据分组。而且，这些数据分组中的每个可以包括不同时间段T(l-n)的数据。因此，在利用来自模块R(l-n)的分组之前，那些分组将被核对和重组。例如，可以从被发送到基站BS的多个数据文件中核对与第一模块Rl相关的分组(例如，PlRln-PnRlJ。所核对的分组可以按时间顺序重组，以便定义第一模块Rl对地震事件的响应。众所周知，所述核对和/或重组可以通过基站、中央控制来执行，或者在远离地震勘探的位置执行。在后一点上，所述核对和/或重组可以在完成地震勘探之后执行。以避免与其他模块干扰的方式来将频率分配给模块。这种分配可以依据模块的已知位置和分离，或者可以基于中央计算机手动或者自动进行的实际实验的自动实地试验。或者，单独的模块可被指示来进行它们自己的测试以确定最佳的频率分配。在弱信号强度的情况下，模块可以将它们的功率输出调节到与最低使用电池功率一致所需的级别。在诸如山脊线、建筑物之类的障碍物或者具有无线电通信的其他问题的情况下，可以放置一个或多个额外的模块来通过无线电中继而维持数据流。该额外的模块可以或者可以不包含振动传感器。数据获取、来自传感器的数据的数字化、先前获取的数据的无线传输将同时发生，因此在获取和传输之间将存在小的延迟。因此，每个数据分组可以包括有关源和获取时间的信息。数据分组将被重组为具有来自包括阵列的有效部分的所有传感器的记录的文件。将会理解，图3和图4的系统的许多变型是可能的。图8示出了这样一种系统800。所示的系统800包括普通的直线阵列的获取模块801，一般类似于图3和图4的系统。然而，所不的系统800包括多行的基站模块,包括一行第一基站模块802和一行第二基站模块803。如上讨论的，一列获取模块801以串行方式将数据传送到基站802或803。在这种情况下，交替列的获取模块801将数据传送到相对的基站802或803，如箭头805所示。也就是，如果给定列将数据传送到第一基站802，则在其任一侧的相邻列将数据传送到第二基站803。所述阵列以这种方式实施存在各种阵列设计原因。例如，如果给定的数据获取单元80IA有缺陷或者脱机，则使用相邻列的模块80IB可以在模块80IA周围传送数据，如由虚线806所示。例如，这可以通过适当调节相关模块801的发送和/或接收频率来实施。在这点上，以相反方向读出相邻列有利于避免传送不适当的数据量的需要。也就是，如上所述，由于串行数据传输协议，所传送的数据量按照人接近任意列中的基站的方式增加。在所示的情况下，罪近基站的1旲块801最接近远尚它们各自的基站的相邻列中的|旲块801。因此，通常可以使用如所示的相邻列的模块801B，以便旁路有缺陷的模块801A，而不使旁路模块80IB超载。在这种情况下，接收来自旁路模块80IB的数据的每个模块可以仅重新发送与其串行数据传输线相关的数据。所示的基站802和803通常按上述的方式将数据传送到中央控制和记录系统804。而且，如图8所示，基站802和803可以在其任一侧接收来自模块801的信息。例如，每个
基站802或803可以具有一对接收器来在其相对侧上接收来自模块801的数据。现在转向图5，无线勘探系统500可以提供用以自动确定数据获取模的位置。如所示，系统可以利用一个或多个位置发现技术(LFT)系统507、509、511来确定数据获取模块501的位置。这些1^1'系统可以利用诸如八(^30(^、6 3、信号强度之类的多个位置发现技术或其他方法。那些系统的示例包括诸如AOA、TDOA和信号强度之类的基于基础构造的系统、诸如GPS之类的外部系统和诸如基础构造辅助GPS之类的混合系统。通常，基于基础构造的系统可以基于数据获取模块和其他无线定位单元(WLU)(例如，专用LFT单元，其他数据获取模块等)之间的通信来确定数据获取模块的位置。例如，将如下面更详细所述的，所述系统可以接收有关数据获取模块的方向性方位的信息或者模块相对于一个或多个其他WLU的距离的信息。基于所述信息，数据获取模块的位置可以通过三角测量或类似的几何学/数学技术来确定。诸如GPS系统之类的外部系统通常确定数据获取模块相对于外部系统(例如，GPS卫星星座)的位置。这是通过向数据获取模块配备GPS接收器来实现的。正常地，来自LFT系统的输出将被传送到中央控制和处理系统505。下面更详细地描述了输出的种类和数据传送的方法。通常，所述输出将包括一个或多个数据获取模块的位置，并且将被数据处理器用来将地震数据处理为可被分析的格式。为了图解目的，在图6A-6C中绘示了多个不同的位置发现技术。图6A绘示了基于到达时间(TOA)的LFT 600。在这种情况下，基于信号从数据获取模块到另一 WLU的信号到达时间或者信号发送时间来确定第一数据获取模块601与另一WLU603之间的范围。一旦已知数据获取模块与至少三个其他WLU603、605、607之间的范围，就可以通过求解(resolve)范围的交叉点来确定第一数据获取模块601的相对位置。图6B—般图解说明了基于AOA的LFT系统610。基于AOA的LFT系统可以基于来自第一数据获取模块的信号618、619的到达角(一般用虚线617表示)来确定第一数据获取模块611的位置，所述角度由两个或更多个WLU613和615测量，所述WLU613和615配备有能够求解信号的到达角的天线，例如多个方向性天线(未示出)。将会理解，模块因此可以配备有专门用于该目的的天线。可以使用各种到达角基于来自两个或更多个WLU的角度的交叉来计算第一数据获取模块611的位置。
图6C图解说明了基于TDOA的LFT系统620。在TDOA系统中，多个WLU623、625、627测量来自第一数据获取模块621的信号的到达时间。基于所述测量，两个WLU之间的到达时间差可以用双曲线629来提供有关第一数据获取模块的位置的信息。可以使用三条或者更多条双曲线629的交叉点来确定第一数据获取模块621的位置。将会理解，上述的某些方法提供了数据获取模块的相对位置，也就是，相对于一个或多个WLU的位置。为了将数据获取模块的相对位置转换为绝对位置，可以确定至少一个WLU的绝对位置。这可以使用几种方法来实现。例如，一个或更多个WLU可被配备有GPS接收器。作为另一个示例，可以通过任何适当的方法来确定一个或更多个WLU的位置，并且可以使用一个或更多个WLU的位置将相对位置转换为绝对位置。另外，注意，WLU可被提供为任何数量的合适设备。例如，在优选实施例中，WLU可以包括其他数据获取模块和/或基站。在该实施例中，数据获取模块将被配置成接收来自周围数据获取模块(或者基站)的信号或者将信号发送到周围数据获取模块(或者基站)，
用以自动定位目的。或者，WLU可以包括专用于定位数据获取模块的功能的接收器。将会理解，可以在中央控制和处理系统或者远程地执行自动定位系统的控制和处理。在一个实施例中，中央控制和记录系统可以将命令发送到第一数据获取模块，指导第一数据获取模块开始自动定位过程。能够以与传送地震数据相同的方式传送该命令，或者可以使用单独的数据传送方法来传送该命令。换句话说，自动定位系统的数据传输结构可以或者可以不与用于传送地震数据的结构相同。接着，第一数据获取模块或者单独的控制平台可以将命令无线地发送到周围的数据获取模块，指示它们将准备接收信号。然后，第一数据获取模块可以发送信号，并且周围的模块将接收该信号。然后，周围的模块可以使用合适的数据传送方法将原始数据(其可以包括识别、定时信息、到达角、地理坐标等)或者处理的信息传送回中央控制和记录系统。在原始数据的情况下，中央控制和记录系统可以随后使用来自周围模块的信息，以便使用此处所述的一种或多种方法来计算第一数据获取模块的位置。或者，在WLU或者其他合适系统中可以包括用于执行位置计算的逻辑电路。在后一种情况下，WLU可以将包括一个或更多个数据获取模块的位置的处理的数据发送回中央控制和记录系统。如上所述，本发明的系统可以利用关于无线电话和网状网络开发的各种多点定位技术。然而，本发明的系统利用地震阵列环境来优化这些定位技术。在这点上，图9A中图解说明了示例性的地震阵列900。阵列900包括多个获取模块901。至少一个获取模块901A是自定位的，在这种情况下，使用诸如TDOA或信号强度的RF技术。所述多点定位技术涉及将被定位的模块901A与多个参考结构之间的通信。例如，多个参考结构可以将信号发送到将被定位的模块901A和/或模块901A可以将信号通信到参考结构。在这种情况下，参考结构可以是其他获取模块901B或者专用参考结构901C。例如，使一些或全部基站902充当参考结构901C是有利的。类似地，用于定位目的信号可以是专用定位信号或者可以是包括可被用来定位目的的编码信息的数据传输信号。在图示的示例中，模块901A从多个其他获取模块901B接收定位信号。在这点上，模块901A可以从三维定位所需的不止最少数目的模块901B接收定位信号，以便提高定位精度。因为模块901A是固定的，因此不必同时接收各种定位信号。因此，例如，模块901A可以包括可在不同时刻被调谐到不同频率的天线，以便从不同的模块901B接收定位信号。或者，模块901B可以用对模块901A专用的频率发送定位信号。发送结构901C可以是其他模块或者基站，它对定位信号可以使用比地震数据传送信号更高的发送功率，以便提供更长的传输范围。因为通常使用比地震数据传输信号更少的定位信号，因此不会过度耗尽电池来完成所述处理。因此将会理解，由于阵列构造和阵列的固定属性，所示的定位系统关于无线电话定位系统具有许多优点。图9B和图9C图解说明了有关这一点的进一步优点。如上所述，诸如TDOA和信号强度之类的某些多点定位技术涉及计算将被定位的获取模块与多个外部参考之间的距离。为了上述图示目的，所述技术被图解为涉及同时求解表示某些曲线的等式。现实中，这些距离修正等式的每一个具有不确定性，例如，关于时间测量或信号强度测量的不确定性。这在图9B中用图表说明了。具体地，这些测量中的不确定性对应于每条曲线周围的无限厚包络线。结果，获取模块的位置通过阴影不确定区域900来定义，表示厚包络线的重叠。因此，在所示的示例中，基于求解三个范围曲线存在相当数量的不确定性。尽管不确定区域900以两维来图示，但是将会理解，不确定区域在三维中延伸，所有维数涉及处理地震数据。由于地震阵列的固定属性，可以使用某些统计处理技术来减少该不确定性。这在图9C中得以图示。具体地，图9C图解说明了将被定位的获取模块与给定的参考结构之间的一系列范围确定的绘图。在一段时间上可以采用取样902。理论上或者经验上可以确定这些取样902定义了高斯分布或者其他定义的分布。因此，可以基于取样902使用统计处理来确定所设计的实际范围903。该范围在图9B中得以进一步绘示。通过对多个参考结构执行所述统计处理，可以将感兴趣的获取模块的位置确定到所需的精度。本发明的另一特征涉及一种用于基于对无线地震勘探系统唯一的参考来设计地震勘探的方法。设计诸如本发明的无线地震勘探系统包括考虑当设计传统有线系统时呈现的那些差别。例如，可以选择对无线传送协议的各种参数来实现期望的性能(例如，发送功率、天线灵敏度、所使用的信道的数目、数据传输率等)。例如，假设对具体的地理区域计划地震勘探。设计者可以选择数据获取模块的间距来实现所得到的地震数据的期望分辨率。然后可以选择所需的发送功率和无线频率数。而且，可以基于振动源设备的操作特性、以及模块的传输占空比和串行数据传输线的长度等等来选择数据传输率。将会理解，所提供的示例仅包括当设计无线地震勘探系统时考虑的许多各种参数的一些参数。另外，选择数据获取模块的布局可以包括当设计无线系统时的独特的考虑。首先，模块的布局不局限于每个模块之间的电缆的物理连接。这使得设计者能够在选择特殊布局时具有更多的灵活性。例如，由于各种原因(例如，为了防止信号的混淆)可以改变或者随机化模块之间的距离。或者，布局可能必须是不规则的图案，以便避免诸如道路、桥梁、河流、建筑物等的障碍物。本发明的其他特征涉及接收来自无线地震勘探系统的地震数据以及将数据处理和/或分析为有助于求解一个或多个地下地质结构的特性的形式。该接收步骤可以包括例如将地震数据传送到能够处理数据的计算系统。在一个实施例中，计算系统是中央控制和记录系统。在另一实施例中，计算系统是除了中央控制和记录系统以外的系统。在后一种情况下,通过任何合适的方法(例如，以太网、802. 11无线协议、USB、防火墙、⑶-ROM、硬盘驱动器等等)可以将地震数据从中央控制和记录系统传送到计算系统。另外，将会理解，计算系统可以地理地远离地震勘探场所。例如，在一个实施例中，在进行地震勘探的不同国家内可以通过计算系统来处理地震数据。所述处理步骤可以包括许多处理地震数据(例如，过滤、求和、同步、显示等)的方法。通常，所述处理步骤包括通过计算系统将原始地震数据处理为有助于分析的形式。例如，处理步骤的输出可以在合适的显示设备上显示地下地质结构的3D图像。作为另一个示例，处理步骤可以输出频率数据，例如对光谱分析格式化的数据。本领域的普通技术人员将会意识到存在许多可被用来将地震数据处理为有用的形式的算法。另外，处理步骤可以包括解释从诸如本发明的系统获得的地震数据以便识别一个或多个地下地质结构的特性。该部分的处理步骤可以通过计算系统来实施，或者通过具有解释所述数据的资格的人员来实施。实际上，可以参考无线系统的特性来设计地震勘探。图10中图解了相关的处理1000。在这点上，注意，在可用带宽、采用的信道的数量、所使用的一个或多个复用技术和相关的天线占空比、和发送机功率之间相互影响。因此，例如，根据勘探目标，可以确定勘探的地理范围(1002)。将会理解，在勘探的精确地理范围方面可以存在一些灵活性，同样，在数
据获取模块的数量和间隔方面也存在一些灵活性。在这点上，设计者可以确定(1004)获取模块可用的总带宽，并且对获取模块所使用的通信信道确定(1006)期望的信道宽度。可以期望在相邻的信道之间提供一些缓冲以便避免干扰。基于可用的总带宽和期望的信道宽度，可以确定系统可利用的信道的总数量(1008)。另外，设计者可以确定(1009)要使用的一个或多个复用技术，例如，上述的时分复用和频分复用。设计者也可以确定(1010)对阵列期望的读出时间。例如，在振动能量源的情况下，可以期望在近似20秒内完全读出该阵列，以便避免所述源的延迟操作并且完成勘探。基于所有这些信息，以及模块和其他阵列设备的技术规范，设计者可以进行大量的计算来确定可能的阵列构造。例如，设计者可以计算(1012)在串行数据传输路径中可以有多少模块。因此，在上述的示例中，以每取样24位的分辨率，以每秒500个取样的速率对模块进行取样。而且，每个模块被假设发送一半时间。结果，第一模块以速率η(在这种情况下，每秒24000位)发送数据，第二模块以速率2η(在这种情况下，每秒48000位)发送数据，第三模块以速率3η (在这种情况下，每秒72000位)发送数据，等等，以便防止数据在模块处的积压。因此，将有某最大串行数据传输路径长度，所需的数据传输率将等于模块的最大数据传输率规范。例如，如果模块规范是IMbit/sec，则串行数据传输路径的最大长度可以是大约40个模块。设计者可以使用该参数来计算在串行数据传输路径中模块的最大数量，从而，计算将需要多少基站或其他存储器/传输单元的“骨干”。在示例中，在两条串行数据传输路径在与给定基站相关的模块的单个物理线中交织的情况下，物理线的长度，模块的数量将是一条串行数据传输路径的长度的两倍。然而，为了易于图解说明，使用数据传输率独立于模块间距的假设，阵列的构造可以仍旧变化巨大。具体地，设计者仍旧必须确定物理线中模块之间的间距、线之间的间距、以及阵列中要使用的模块的总数。传统上，对于宽阔范围的地震勘探，一条线上的模块之间的间距可以是25-100m的量级，线之间的间距可以是100-400m的量级。所选择的间距通常基于期望改善成像分辨率相对于与使用更长数量的模块相关的增加勘探费用的加权。在此处描述的无线系统的情况下，期望勘探费用能够减少，并且由此设计者可以使用更密集阵列的模块。然而，这需要模块之间没有无法接受的信号干扰地容纳如此增加的密度。因此，设计者可以计算(1014)可以实现没有无法接受的干扰的阵列密度。例如，这可以被计算为可以使用多少通信信道的函数，作为几何空间的函数它们有多频繁被重新使用，作为频分复用以外采用的任何复用技术的函数它们可以有多频繁被重新使用。将会理解，这些参数将受各种因素影响，例如干扰外部源、包括任何障碍物的勘探地形的布局等。而且，本发明的一个优点在于不需要劳动者精确地定位模块，因此实际的位置可以变动。另外，在阵列布置之前或者之后，可以改变发送功率，并且根据期望的或者实际的信号强度，可以自配置所述阵列。因此，在阵列设计中可以考虑一些不确定性。然而，在简单的示例中，设计者可以假设信道可以被彼此不接近400米的模块重新使用(在开发来匹配该规范之后可以调节发送功率)。而且，基于阵列设备需要的可用带宽频谱和信道宽度，可以如上所讨论地确定可用的信道的总数。基于该信息，设计者可以计算(1016)模块的两线间间距以及内部线间距。实际上，这可能受到天线的任何方向性和其他因素的影响。为了图解说明目的，可以假设100个信道可用，并且天线不具有方向选择性。而且，因为在任意给定时间仅一半的模块正在进行发送，因此在彼此400米内模块可以重新使用100个信道，假设同时不能使用所述信道。因此，在半径400米(假设阵列的相邻区域没有干扰)的圆圈内可获得200信道/时隙。因此，如果两行间的间距被期望是线内的间距的四倍，则可以确定可以容纳大约25米的线内的间距和100米的两行间的间距。假设勘探目标可以至少被无线阵列来满足，然后设计者可以选择(1018)至少对勘探目标足够并且在无线阵列的干扰限制内的布局，和/或可以选择(1020)获取单元的发送机功率以便没有不适当的干扰来实现勘探目标。一旦由此建立阵列的一般参数，则设计者可以确定(1022)阵列配置(寻址，例如，地形和障碍物)，并且可以将信道分配给各个获取单元。将会理解，来自无线阵列的数据的处理也将考虑无线系统的本质。这样的处理可以在勘探位置处局部地和/或远程地执行。为了易于参考，下面的讨论参考处理器，尽管多个位置处的多个机器可以涉及于这样的处理。参考图11的流程图来概括相关的处理1100。在图解的示例中，处理器接收(1102)从阵列读出的数据。将会理解，由于上述的读出处理，该数据将不会以正常的时间顺序接收。也就是，串行数据传输路径中的第一或者最远的模块将时间段η的数据发送到相邻的第二模块。该模块然后重新发送对于时间段η的来自第一模块的数据以及对于时间段η +I的由第二模块获取的数据。该处理沿着串行数据传输路径继续，从而形成单个数据流的不同模块的分组具有不同的时戳。因此，处理器通过获取时间来分类(1104)所述数据。然后处理器从模块收集(1106)与公共时间相关的数据。接收、分类和收集的这些步骤可以重复，直到获得与检测到的地震事件的时间段对应的来自阵列的数据。因此对于该时间段来自任何一个模块的数据定义一条痕迹。这些痕迹的处理通常需要知道数据的时间和位置参数。如上所述，数据分组将具有考虑同时在不同模块处获得的数据的相关性的时戳。在这点上，参考时间信号可以从普通系统时钟(或者其他时间源)和同步中提供，由于在模块之间，因此经由如上讨论的穿过阵列连续发送的控制信号得以维持。因此，在本发明的环境中，处理器通过时戳的方式或者在逐个分组的基础上存储(1108)数据的时间参数信息。
所述处理也接收(1110)数据的位置参考信息。该信息及其处理也是阵列的位置发现系统环境的函数。也就是，如上所述，为了提高的精度，该信息可以基于多点定位处理并且可以统计地处理。因此，随着时间可以发展该信息，并且该信息可以取决于其他模块或位置参考的位置的知识，所述知识也可以随着时间发展。因此，至少对于起初获取的数据，位置信息不能同时可获得。相反，报头信息或其他元数据可以简单识别模块，使得对应于该模块的位置信息可能后来与数据相关。因此，处理器接收具有以对阵列的无线环境唯一的方式与其相关的时间和位置参数信息的数据。将会进一步理解，数据的本质可以是该无线环境的函数，例如，阵列可能比通常对有线阵列所利用的更密集。而且，相关的处理可以包括作为无线环境的函数的多路分解和降噪滤波。然后，处理器以传统方式处理(1112)得到的数据，以便获取关于地下结构的信息。例如，这样的处理可能包括正常的移动(normal moveout)、痕迹堆叠(tracestacking)等。尽管在附图和前面的描述中已经详细图解说明和描述了本发明，但是这些图解说
明和描述被认为是示例性的，而不是限制性的。例如，上面描述的某些实施例可以与其他描述的实施例相结合和/或以其他方式布置(例如，能够以其他顺序执行处理元件)。因此，应当理解，仅示出和描述了本发明的优选实施例及其变型，并且期望保护在本发明的精神范围内的所有变化和修改。
权利要求
1.一种在地震数据获取中供使用的方法，包括 串联放置多个地震数据获取模块，其中每个地震数据获取模块可操作来与至少一个其他地震数据获取模块无线地通信，用以连续中继地震数据； 在所述地震数据获取模块之一处从至少一个上游地震数据获取模块中接收上游地震数据，其中所述上游数据以第一发送频率接收； 将所述上游地震数据从所述一个地震数据获取模块发送到下游地震数据获取模块，其中所述上游地震数据以第二发送频率发送，其中所述第一发送频率和所述第二发送频率不同。
2.如权利要求I所述的方法，还包括 在发送所述上游地震数据之前，将所述一个地震数据获取模块产生的地震数据附加到所述上游数据。
3.如权利要求I所述的方法，其中接收步骤包括从所述地震数据获取模块系列中的不相邻的上游地震数据获取模块中接收所述上游数据。
4.如权利要求I所述的方法，其中发送步骤包括将所述上游数据发送到所述地震数据获取模块系列中的不相邻的下游地震数据获取模块。
全文摘要
提供了使用无线网络和多个单独的数据获取模块来获取地震数据的系统和方法，所述多个单独的数据获取模块被配置成收集地震数据并且将数据转送到中央记录和控制系统。在一种实施中，多个远程模块(301)被布置在线上。基站模块(302)接收来自所述线的信息并且将所述信息中继到中央控制和记录系统(303)。模块(301)使用在多个频率(F1-F12)上操作的无线链接。为了提高数据传输率，来自远程模块(301)的无线链接跳跃最近的远程模块到更接近基站的下一个模块。
文档编号G01V1/22GK102879812SQ20121027626
公开日2013年1月16日 申请日期2006年10月5日 优先权日2005年10月7日
发明者道格拉斯.克赖斯, 米海.比法 申请人:无线测震仪公司