专利名称：地震物理模拟多道采集方法与采集装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地震物理模拟技术，更确切地说是涉及一种用于地震物理模拟中的数据采集装置及方法。
地震物理模拟的研究最早始于国外，1927年，Terade和Tsuboi用琼脂，即一种胶冻作过一个地震物理模型，用电磁脉冲作震源，观察了诸如地震波随深度的变化及传播路线上断层与河道的影响等情况。1970年，Hilterman.F.J.利用电火花作震源，用纸折成不同形状来模拟不同的地质构造，记录了背斜、向斜、褶皱等地质构造的自激自受记录。早期的实验主要围绕大地构造的模型展开，包括一些简单的二维甚至一维的模型，验证一些简单的问题。
随着时间的推移，地震物理模拟技术得到不断的发展，如1997年，美国休斯顿大学地震声学实验室建成了水槽地震物理模型系统，并成为目前世界各实验室地震物理模拟系统的基本模型。
图1中示出一种地震物理模拟自动定位采集系统的基本结构，采用的是目前国内外地震物理模拟实验中惯用的单点激发单点接收模式，其采集设备包括地质模型101、水槽(或平台等传播介质)102、激发换能器(激发探头)103、接收换能器(接收探头)104、超声震源105、定位采集控制系统(微机)106、高速数据采集器107、放大器108、前置放大器109、定位系统110和定位控制驱动单元(单片机)111。超声震源105、定位采集控制系统(微机)106、高速数据采集器107和定位控制驱动单元(单片机)111间通过IEEE-488接口总线112连接。
根据地质构造设计地质物理模型101，将该地质物理模型101浸在水槽102中或放置在平台上，超声震源105的脉冲发生器发出尖脉冲，送至激发换能器103，由激发换能器103中的压电陶瓷制成的换能器将电脉冲转换为超声波发射。接收换能器104接收经地质物理模型101反射并经传输介质传播回的声波，转换为电信号，并进一步经前置放大器109、放大器108放大后送高速数据采集器107进行采集记录。
目前地震物理模拟的工作方法是由定位采集控制系统(微机)106向定位控制驱动单元(单片机)111发出命令，定位控制驱动单元(单片机)111控制定位系统110对激发换能器103、接收换能器104进行移动定位，然后由定位采集控制系统(微机)106发出驱动超声震源105的信号，重复激发换能器103、发射超声波至地质物理模型101，随着每一次激发换能器103，定位系统100对接收换能器104进行一次移动定位，接收换能器104接收反射波并转换成电信号，高速数据采集器107对接收的信号进行数字化处理，最终由定位采集控制系统112按标准格式记录在硬盘上。
由于定位系统110只有两个分别与激发换能器103的激发探头及接收换能器104的接收探头相连接的手臂，每接收一个数据，就需要激发一次激发探头，同时控制定位系统110将接收换能器104中的接收探头移动定位一次，供高速数据采集器107一次采集一道数据。由于整个系统工作时，激发探头多次激发、同时不断地多次移动接收探头，而定位系统110每移动一次手臂都需要较长时间，从而将大部分的工作时间都用在了定位系统110的频繁移动上，导致了在实验室地球物理模型的数据采集周期很长的情况，加之所需采集的数据量非常大，使一项采集任务往往需要几个月才能完成，采集效率相当低下。此外，定位系统110的频繁移动导致机械磨损增大，还严重影响了系统的运行寿命。因此，可以认为影响实验室地球物理模型数据采集速度的关键问题就是单探头接收。
为了适应我国石油天然气勘探开发工作不断深入、面临的勘探对象和开发环境越来越复杂、要解决的问题越来越困难的形势，需要有更高的实验技术，特别是三维地震勘探的地震物理模拟和基于地质地球物理模型的三维观测系统的优化设计，三维采集数据量更大，显然目前的单道数据采集效率是不能满足这种需要的。
本发明的目的是设计一种地震物理模拟多道采集方法与采集装置，在不改变现有采集系统结构的基础上，提高采集效率，以提高实验效率，提高地震物理模拟的数据采集速度。
本发明采用的是一炮激发、多道接收的工作方式。
本发明的目的是这样实现的一种地震物理模拟多道采集方法，其特征在于是由激发换能器一次激发、由M个接收换能器多点接收的方法，M为正整数。
所述的由激发换能器一次激发、由M个接收换能器多点接收，是由激发换能器激发一次、由M个接收换能器于多点同时接收和选择采集M个接收换能器中的一个接收换能器的输出信号的方法。
所述的一次激发与多点同时接收，是将一激发换能器设置在一定位系统的手臂上，将M个接收换能器固定在定位系统的另一手臂上，定位系统移动定位一次，完成所述的激发一次、M点同时接收和选择采集M个接收换能器输出信号的过程。
本发明的一种地震物理模拟多道采集装置，包括激发换能器、含有接收换能器的模拟单元和含有采集服务器的数字单元，其特征在于所述的模拟单元是由M个接收换能器及其信号采集单元连接构成的多通道数据采集单元；所述的激发换能器设置在定位系统的一个手臂上，所述的M个接收换能器设置在定位系统的另一个手臂上，所述的多通道数据采集单元与所述的数字单元连接，M为正整数。
所述的多通道数据采集单元包括M个接收换能器、与M个接收换能器对应连接的M个前置放大器、与M个前置放大器连接的M×1电子模拟开关和控制M×1电子模拟开关作M选一通道切换的通道控制电路及用于显示当前通道号的显示电路，所述的M个接收换能器按固定间隔设置在一起。
所述的前置放大器由场效应晶体管阻抗匹配器连接宽带均衡运算放大器构成。
所述的通道控制电路包括有串行数据解码单元、通道译码单元、通道驱动单元和通道显示译码及驱动单元；所述的串行数据解码单元与所述的通道译码单元连接，所述的通道译码单元分别与所述的通道驱动单元、所述的通道显示译码及驱动单元连接；所述的通道驱动单元连接所述M×1电子模拟开关的通道选择控制端，所述的通道显示译码及驱动单元与所述的显示电路连接，所述的串行数据解码单元与数字单元的采集服务器的RS232总线连接。
还包括有一数据回送检验单元，与所述的串行数据解码单元及所述的RS232总线连接，用于对采集接收的数据重新编码后再通过RS232总线发送回所述的采集服务器。
所述的多通道数据采集单元包括M个接收换能器、M×1路转换器、数据采集单元、数据采集服务器和选路服务器；所述的M个接收换能器排列成阵列；M×1路转换器的M个输入端分别与M个接收换能器对应连接，M×1路转换器的输出端连接数据采集单元，数据采集单元通过GPIB总线与所述的数据采集服务器连接，所述选路服务器通过RS232总线连接M×1路转换器的通路选择控制端。
本发明在地震物理模拟多道采集系统中模拟一炮激发、多道接收工作，明显提高了系统的数据采集速度和采集效率，由于大大减少了定位系统的移动次数，还延长了系统的运行寿命。
下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术。
图1是单道地震物理模拟实验系统的原理性结构框图。
图2是目前地震物理模拟多次激发、多次移动接收探头的工作方式示意图。
图3是本发明模拟一炮激发、多道接收的工作方式示意图。
图4是本发明多道地震物理模拟实验系统的原理性结构框图。
图5是图4中多道数据采集控制系统的结构框图。
图6是本发明多道数据采集控制系统的软件流程框图。
图7是本发明多道数据采集控制系统的另一实施例结构框图。
图1、图2说明前已述及，不再赘述。
参见图3，图中模拟示出本发明的一炮激发、多道接收的工作方式。超声震源激发一次，发射的超声波经模型内部多点反射，被设置在模型表面的多个接收探头多道同时接收，可提高工作效率。
参见图4，图中示出本发明多道地震物理模拟实验系统的原理性结构。包括地质模型401、水槽(或平台等传播介质)402、单激发换能器403、多个如16个(M=16)接收换能器404-1、404-2、……、404-16，超声震源405、定位采集控制系统(微机)406、高速数据采集器407、放大器408、多个如16个(M=16)前置放大器409-1、409-2、……、409-16(与接收换能器404相对应)、定位系统410、定位控制驱动单元(单片机)411、通道控制及显示电路414和电子模拟开关413。超声震源405、定位采集控制系统(微机)406、高速数据采集器407和定位控制驱动单元(单片机)411间通过IEEE-488接口总线412连接。
图中多个接收换能器(接收探头)404-1、404-2、……、404-16，多个前置放大器409-1、409-2、……、409-16，电子模拟开关413及通道控制及显示电路414组成了实现本发明目的的多道采集控制装置。
该多道采集控制装置主要包括三个单元电源单元、数字单元和模拟单元。其中，数字单元主要由通道控制及显示电路414组成，模拟单元主要由接收换能器404、前置放大器409和电子模拟开关413组成。
本发明采用多个接收探头的技术方案来解决单探头接收时的采集效率低下问题。按特定间距将16个接收探头404-1、404-2、……、404-16固定在一起，在定位系统410的控制下同步移动定位，激发一次可同时采集16个反射点信号，即每采集16个点，定位系统410才需要重新对激发换能器403及接收换能器404重新移动定位一次。16个前置放大器409-1、409-2、……、409-16分别与16个接收探头404-1、404-2、……、404-16对应连接，分别对16个接收探头的输出信号进行预放大，电子模拟开关413在通道控制及显示电路414的控制下，将各前置放大器的输出信号依次切换到系统的模/数转换部分，再经放大器408放大后送高速数据采集器407。
上述一次激发同时多道接收的过程，所需的时间极短，小于1.2ms，此外，接收换能器404及其前置放大器409的个数也可以根据需要作增减。但在实施时，应特别注意各接收换能器404的相位一致性和幅度一致性，各前置放大器409性能的一致性，及从前置放大器404至放大器408间各通道的一致性。
参见图5，是图4中多道数据采集控制系统的结构框图。模拟单元中的每一前置放大器409均由场效应晶体管(JFET)阻抗匹配器连接宽带均衡运算放大器构成。设置场效应晶体管阻抗匹配器作为模拟单元的输入级，是因为压电式接收探头404的输出阻抗极高，必须进行阻抗匹配后才能进入后面的放大级；同时因有效信号成分的幅度相差很大，某些频率成分的幅度又十分微弱，因此要求模拟单元的输入级必须低噪声，场效应晶体管则能很好满足上述两方面的要求。宽带均衡运算放大器是增益可调的预放级，要求其具有增益的精细调节功能和宽带响应功能，以分别用于补偿接收探头的灵敏度差异和应付信号频率的成分。
经过预放大的信号进入电子模拟开关413，电子模拟开关有优于继电器开关的通道切换速度，同时又可减少装置体积，能满足通道切换非常频繁的工作条件。经电子模拟开关413切换输出的各路接收信号送至地震物理模拟系统原模/数转换单元的输入端。
数字单元的通道控制及显示单元414实际上是由一片ALTERAEPLD构成的，内部设计有波特率发生器及如图中所示的各功能模块，包括串行数据解码单元4141、通道译码单元4142、通道驱动单元4143、通道显示译码及驱动单元4144和数据回送校验单元4145。主要完成串行数据解码、通道译码驱动和显示译码驱动。同时为了保证采集数据的可靠性，本发明还采用了一种比奇偶校验更为严格的数据验证方式，就是在接收到数据之后，通过串行数据解码单元4141、数据回送校验单元4145将数据重新编码并由RS232总线发送回定位采集控制系统，如图中所示的采集服务器，由采集服务器来验证回送数据与原始数据是否一致。其选路服务器软件流程如图8中所示。
通道驱动单元4143输出通道驱动信号，控制电子模拟开关413的切换动作，通道显示译码及驱动单元将电子模拟开关413正在切换的当前通道号信号输出给LED显示器显示。
参见图6，是本发明多道数据采集控制系统的软件流程框图。程序开始后，首先执行串行端口初始化操作(步骤60)；通过通道控制及显示单元414设定采集通道，并通过串口、通道译码单元、通道驱动单元向电子模拟开关发送开启相应通道号的信号(步骤61)；通过数据回送校验单元检查电子模拟开关同送的校验通道号(步骤62)；判断是否收到回送的通道号(步骤63)；判断回送信号与发送信号是否相同(步骤64)；若回送信号与发送信号相同，则激发超声震源，并通过通道控制及显示电路进行信号采集的操作(步骤66)；完成一次数据采集，准备下一次采集(步骤68)并返回步骤61执行；若在步骤63中未收到回送的通道号，或在步骤64中送信号与发送信号不相同，则记录通讯错误次数(步骤65)；判断通讯错误次数是否大于某预定值，如5(步骤67)；若记录的通讯错误次数没有超过5次，则返回步骤61若记录的通讯错误次数超过5次，则发出错误报警，由系统管理员进行出错处理。
参见图7，图中示出本发明多道数据采集控制装置的另一实施例结构。是在客户/服务器体系结构的基础上，通过开发选路服务器系统及客户端选路控件实现的，客户端系统和选路服务器系统之间仍采用以太网相连接，运行TCP/IP协议。
客户/服务器体系结构由客户端系统与服务器系统组成，客户端系统与服务器系统之间采用以太网相连接，运行TCP/IP协议。
服务器系统包括计算机(如Win9X)、分布在各处的地震物理模拟仪器和服务器软件，计算机与分布在各处的地震物理模拟仪器间通过GPIB总线相连接，服务器软件主要用于接收客户端系统的命令和完成对各地震物理模拟仪器的控制。
客户端系统包括计算机(如Win9X)和客户端软件，客户端软件提供有可视化的开发环境和各类控件，其控制流程根据采集任务并通过各类控件的组合制作。
整个地震物理模拟系统在工作时，客户端软件将控制流程中的命令并通过计算机网络发送到服务器软件，再由服务器软件实际完成对地震物理模拟仪器的控制。
客户端软件提供的主要控件包括循环控件、定位控件和数据采集控件。
其中循环控件保持最大值及当前值两个数值和第一、第二两个指针，每次运行时，当前值加1，当当前值小于最大值时，将控制流传递给第一指针所指的控件，当当前值大于最大值时，将控制流传递给第二指针所指的控件。
定位控件描述的是一条定位命令，包括是定位系统的哪只手臂移动、沿什么方向移动、移动多少距离等，运行时将命令通过网络传送到服务器，再由服务器完成对定位系统的控制，任务完成后将控制流传递给下一个相连的控件。
数据采集控件描述的是一条数据采集命令，包括所使用的采集量程、采集的时间间隔、采集一道数据所使用的采样点数等，运行时将命令通过网络传送到服务器，再由服务器完成对采集系统的控制，数据被采集后，通过网络传回客户端软件并写入本地文件中，待所有的任务完成后，再将控制流传递给下一个相连的控件。上述系统可满足各类采集任务的需求，通过客户端系统和服务器系统的合理分工及对各控件的控制，使整个系统的操作简单、合理，且便于后期的软件维护及升级。
本发明模拟的一炮激发、多道同时接收的方式也可通过采用接收探头阵列、多路转换器、选路服务器实现，采用接收探头阵列可以减少定位系统的移动次数，而且为了实现每次激发时只有特定的接收探头才能接收，而设置了多路转换器，由选路服务器软件根据客户端系统的命令对多路转换器进行控制、行使选路功能。
如，多路转换器具有16个输入端和1个输出端，选路服务器通过RS232总线与多路转换器相连接，给多路转换器发送一个X(X的数值范围为0-16，单位是字节)信号，多路转换器就将其第X个输入端与输出端相连接，完成选路功能。
定位服务器通过GPIB总线与定位系统相连接，控制定位系统上激发探头与接收探头阵列的机械移动定位。数据采集服务器通过GPIB总线与数据采集系统相连接，数据采集系统与多路转换器相连接，接收多路转换器输出的第X个接收探头采集的信号，同时由数据采集系统控制激发探头激发，即采集接收探头阵列16个接收探头的输出信号需16次激发激发探头才能完成。
权利要求
1．一种地震物理模拟多道采集方法，其特征在于是由激发换能器一次激发、由M个接收换能器多点接收的方法，M为正整数。
2．根据权利要求1所述的一种地震物理模拟多道采集方法，其特征在于所述的由激发换能器一次激发、由M个接收换能器多点接收，是由激发换能器激发一次、由M个接收换能器于多点同时接收和选择采集M个接收换能器中的一个接收换能器的输出信号的方法。
3．根据权利要求1或2所述的一种地震物理模拟多道采集方法，其特征在于所述的一次激发与多点同时接收，是将一激发换能器设置在一定位系统的手臂上，将M个接收换能器固定在定位系统的另一手臂上，定位系统移动定位一次，完成所述的激发一次、M点同时接收和选择采集M个接收换能器输出信号的过程。
4．一种地震物理模拟多道采集装置，包括激发换能器、含有接收换能器的模拟单元和含有采集服务器的数字单元，其特征在于所述的模拟单元是由M个接收换能器及其信号采集单元连接构成的多通道数据采集单元；所述的激发换能器设置在定位系统的一个手臂上，所述的M个接收换能器设置在定位系统的另一个手臂上，所述的多通道数据采集单元与所述的数字单元连接，M为正整数。
5．根据权利要求4所述的一种地震物理模拟多道采集装置，其特征在于所述的多通道数据采集单元包括M个接收换能器、与M个接收换能器对应连接的M个前置放大器、与M个前置放大器连接的M×1电子模拟开关和控制M×1电子模拟开关作M选一通道切换的通道控制电路及用于显示当前通道号的显示电路，所述的M个接收换能器按固定间隔设置在一起。
6．根据权利要求5所述的一种地震物理模拟多道采集装置，其特征在于所述的前置放大器由场效应晶体管阻抗匹配器连接宽带均衡运算放大器构成。
7．根据权利要求5所述的一种地震物理模拟多道采集装置，其特征在于所述的通道控制电路包括有串行数据解码单元、通道译码单元、通道驱动单元和通道显示译码及驱动单元；所述的串行数据解码单元与所述的通道译码单元连接，所述的通道译码单元分别与所述的通道驱动单元、所述的通道显示译码及驱动单元连接；所述的通道驱动单元连接所述M×1电子模拟开关的通道选择控制端，所述的通道显示译码及驱动单元与所述的显示电路连接，所述的串行数据解码单元与数字单元的采集服务器的RS232总线连接。
8．根据权利要求7所述的一种地震物理模拟多道采集装置，其特征在于还包括有一数据回送检验单元，与所述的串行数据解码单元及所述的RS232总线连接，用于对采集接收的数据重新编码后再通过RS232总线发送回所述的采集服务器。
9．根据权利要求4所述的一种地震物理模拟多道采集装置，其特征在于所述的多通道数据采集单元包括M个接收换能器、M×1路转换器、数据采集单元、数据采集服务器和选路服务器；所述的M个接收换能器排列成阵列；M×1路转换器的M个输入端分别与M个接收换能器对应连接，M×1路转换器的输出端连接数据采集单元，数据采集单元通过GPIB总线与所述的数据采集服务器连接，所述选路服务器通过RS232总线连接M×1路转换器的通路选择控制端。
全文摘要
本发明涉及一种地震物理模拟多道采集方法与采集装置,用于提高采集效率。是将激发换能器设置在一定位系统的手臂上,将M个接收换能器固定在定位系统的另一手臂上,定位系统移动定位一次,完成激发一次、M(正整数)点同时接收和选择采集M个接收换能器中一个接收换能器输出信号的过程,M个接收换能器按固定间隔设置或设置成阵列。采集装置包括模拟单元与数字单元,由电子模拟开关或由多路选择器选择M个接收换能器的输出信号进行采集。
文档编号G01V1/24GK1299064SQ0013225
公开日2001年6月13日 申请日期2000年11月14日 优先权日2000年11月14日
发明者王尚旭, 魏建新, 狄帮让 申请人:石油大学(北京)