用于地震接收仪的无线同步触发器的制作方法

1.本发明涉及地质勘探技术领域，特别是涉及一种用于地震接收仪的无线同步触发器。


背景技术：

2.本系统是基于人工震源的地震法勘探的核心链路，基于人工震源的地震法勘探的硬件系统主要包括人工震源、地震接收仪以及同步触发器。同步触发器是连接人工震源和地震接收仪的重要通讯仪器。最简单的同步触发方式是炸药震源的断线触发，其利用了炸药爆炸瞬间的能量将导线炸断，输出一个开路信号给地震接收仪，从而启动其对地震波进行同步采集，但是该方法需要在非导体介质下完成且需要快速干净的断裂，且每次激发人工地震波都需要重新绑线，只适用于炸药震源施工场景。其次就是适配于人工大锤震源的压电陶瓷振动触发开关，将其固定在大锤锤头上随之一起对激发点进行冲击，其内部的压电陶瓷会产生脉冲电压信号传递给地震接收仪，从而启动其对地震波进行同步采集，但是该方法所用的压电陶瓷振动触发开关对振动的灵敏度低但对加速度的灵敏度高，只能随平滑加速的锤头一起冲击才能输出可用的电平脉冲信号。以上两种同步触发器方案均不能用在现有的电磁冲击震源、气动冲击震源、扫频式震源等新型振动性震源上，因为此类人工震源的锤头一般都是从加速器中射出，无法将振动触发开关安装在锤头侧面上，若将振动触发开关安装在震源其他位置，又会出现由于整机振动或者电磁干扰等原因使其提前输出触发信号，这都是不被允许的。若用锤击断线方式，由于锤头和地面的对撞能量没有炸药震源强烈，可能存在不能一次性将导线瞬间砸断的情况，且锤头一般都是金属材料制成，被砸断的导线还是会通过锤头依旧保持导通，不能输出第一激发时刻的断路信号。且以上两种最常用且最简单的同步触发器方案是需要通过几十米长的延长线连接到地震接收仪，在恶劣的野外勘探环境中容易出现线路故障，且对施工造成了诸多不便捷。
3.因此，现有技术的缺陷是，需要为振动性震源与地震接收仪之间设计一种独立的、灵敏度可调的、可无线传输同步触发信号的同步触发器。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明的目的是提供一种用于地震接收仪的无线同步触发器，该无线同步触发器的灵敏度可调，可无线传输同步触发信号给地震接收仪。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于地震接收仪的无线同步触发器，包括地震同步信号传感器，无线触发发射装置以及无线触发接收装置；无线触发发射装置包括触发及灵敏度调节电路、第一微机控制电路以及无线发射电路；地震同步信号传感器将震源的震动信号转换为电压信号，触发及灵敏度调节电路接收到该电压信号时通过与阈值电压进行比较，当电压信号大于阈值电压时，输出相应的中断信号到第一微机控制电路，第一微机控制电路控制无线发射电路发射无线触发信号；无线触发接收装置包括触发信号输出电路、第二微机控制电路以及无线接收电路；无线接收电路收到无线触发信
号后发送给第二微机控制电路，第二微机控制电路控制触发信号输出电路输出控制信号给地震接收仪。
6.从而启动地震接收仪同步采集地震波信号。
7.所述地震同步信号传感器设置有速度型地震检波器。
8.所述地震同步信号传感器设置有底板，底板的前端设置有拉钩，底板的上端面设置有传感器容置筒，传感器容置筒内设置有速度型地震检波器；底板的底面平整，底板与地面接触，地震同步信号传感器靠重力与地面耦合。
9.所述触发及灵敏度调节电路设置有电阻r20，电阻r20的一端连接地震同步信号传感器的信号输出端，地震同步信号传感器的地端接地，电阻r20的另一端连接二极管d4的阳极，二极管d4的阴极连接第一集成运放u3a的同相输入端，电阻r20的另一端还连接电阻r17的首端，电阻r17的尾端连接直流电源，电阻r17的尾端还连接二极管d3的阴极，二极管d3的阳极连接电阻r17的首端，二极管d3的阳极还连接二极管d6的阴极，二极管d6的阳极接地；二极管d6的阴极连接电容cd3的一端，电容cd3的另一端连接二极管d4的阴极，电容cd3的另一端还经电阻r21连接第一集成运放u3a的反相输入端，第一集成运放u3a的反相输入端还经电阻r18连接直流电源；
10.第一集成运放u3a的反相输入端还连接灵敏度调节电路的第一连接端dpi 1；灵敏度调节电路的第二连接端dpi 4经电阻r25连接第二集成运放u3b的同相输入端；第二集成运放u3b的同相输入端经电阻r30接地；第二集成运放u3b的同相输入端还经电阻r28连接第一集成运放u3a的同相输入端；第一集成运放u3a的同相输入端还连接第二集成运放u3b的反相输入端；
11.第一集成运放u3a的电源端连接直流电源，第一集成运放u3a的地端接地；第一集成运放u3a的输出端连接电容cd2的一端，电容cd2的另一端经电阻r22接地，电容cd2的另一端还连接二极管d5的阳极；
12.第二集成运放u3b的输出端连接电容cd4的一端，电容cd4的另一端经电阻r31接地，电容cd4的另一端还连接二极管d7的阳极，二极管d7的阴极并接二极管d5的阴极，二极管d5的阴极经电阻r29连接npn三极管q3的基极，npn三极管q3的集电极经电阻r19连接直流电源，npn三极管q3的发射极接地，npn三极管q3的集电极作为触发及灵敏度调节电路的输出端连接第一微机控制电路的信号输入端triggerin pa8。
13.显著效果:本发明提供了一种用于地震接收仪的无线同步触发器，该无线同步触发器的灵敏度可调，可无线传输同步触发信号给地震接收仪。
附图说明
14.图1为本发明的模块结构图；
15.图2为地震同步信号传感器的结构图；
16.图3为图2的俯视图；
17.图4为地震同步信号传感器的第一种使用状态图；
18.图5为地震同步信号传感器的第二种使用状态图；
19.图6为第一微机控制电路的流程图；
20.图7为第二微机控制电路的流程图；
21.图8为第一微机控制电路的电路图；
22.图9为无线发射电路的接口电路图；
23.图10为触发及灵敏度调节电路的电路图；
24.图11为第二微机控制电路的电路图；
25.图12为无线接收电路的接口电路图；
26.图13为触发信号输出电路的电路图；
27.图14为地震同步信号传感器的第三种使用状态图。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
29.如图1-图14所示，一种用于地震接收仪的无线同步触发器，包括地震同步信号传感器1，无线触发发射装置2以及无线触发接收装置3；无线触发发射装置2包括触发及灵敏度调节电路21、第一微机控制电路22以及无线发射电路23；地震同步信号传感器1将震源的震动信号转换为电压信号，触发及灵敏度调节电路21接收到该电压信号时通过与阈值电压进行比较，当电压信号大于阈值电压时，输出相应的中断信号到第一微机控制电路22，第一微机控制电路22控制无线发射电路23发射无线触发信号；无线触发接收装置3包括触发信号输出电路31、第二微机控制电路32以及无线接收电路33；无线接收电路33收到无线触发信号后发送给第二微机控制电路32，第二微机控制电路32控制触发信号输出电路31输出模拟的开路信号和/或短路信号给地震接收仪。或者第二微机控制电路32控制触发信号输出电路31输出电平/边沿触发信号给地震接收仪。
30.从而启动地震接收仪同步采集地震波信号。
31.触发及灵敏度调节电路21接收到地震同步信号传感器1的电压信号时通过与内部的阈值电压由灵敏度调节电路控制进行比较，当电压信号大于阈值电压时，输出相应的中断信号到第一微机控制电路22。
32.所述地震同步信号传感器1设置有速度型地震检波器14或加速度地震检波器。
33.所述地震同步信号传感器1设置有底板11，底板11的前端设置有向前上方倾斜的斜面，底板11的前端还设置有拉钩12，底板11的上端面设置有传感器容置筒13，传感器容置筒13内设置有速度型地震检波器14；底板11的底面平整，底板11与地面接触，地震同步信号传感器1靠重力与地面耦合。
34.速度型地震检波器14比传统的压电陶瓷振动开关的灵敏度高。速度型地震检波器14属于无源检波器，不需要额外激励源，无需人工震源和地震仪或单独电源对其供电。速度型地震检波器14的特定频率是指能够快速响应震源激发处的直达波的最低响应频率，对于上述提到的新型人工震源，可以选择38hz-100hz的速度型地震检波器14，优点是价格低、体积小、最低响应频率合适。速度型地震检波器14的安装位置尽量靠近震源激发点，便于快速响应震源激发点到速度型地震检波器14的直达波，避免其中高速高频信号的损耗造成的延时或者灵敏度降低。真实激发时刻到速度型地震检波器14检测到地震信号之间的延时为ns级，可忽略。
35.本系统包括无线触发发射装置2以及无线触发接收装置3以及地震同步信号传感器1。无线触发发射装置2与地震同步信号传感器1布置在人工震源处，无线触发发射装置2
通过高灵敏度的地震同步信号传感器1采集震源的第一时刻起跳信息，发射无线触发信号给无线触发接收装置3；无线触发接收装置3布置在地震接收仪处，无线触发接收装置3收到无线触发信号后，根据地震接收仪的需求，可输出相应的开路/短路信号，或者电平/边沿触发信号给地震接收仪，以启动地震接收仪的地震波同步采集。该方案不仅能够解决新型人工震源-地震仪的同步触发问题，还提供了无线传输方案，并且该方案还可以应用到传统的炸药震源、人工大锤震源等多种传统震源中去，是一种独立且普适度高的同步触发方案。
36.如图6和图7所示，第一微机控制电路22设置有发射流程，所述发射流程包括如下步骤：
37.步骤a1：第一微机控制电路22初始化；
38.步骤a2：第一微机控制电路22检测并初始化无线发射电路23；
39.步骤a3：第一微机控制电路22检测是否有触发及灵敏度调节电路21的中断触发信号；
40.步骤a4：如果有，第一微机控制电路22通过无线发射电路23发送无线触发信号；转步骤a3，等待下一次中断触发信号；如果没有，转步骤a3继续等待。
41.第二微机控制电路32设置有接收流程，所述接收流程包括如下步骤：
42.步骤b1：第二微机控制电路32初始化；
43.步骤b2：第二微机控制电路32检测并初始化无线接收电路33；
44.步骤b3：第二微机控制电路32检测是否有无线接收电路33的中断触发信号；
45.步骤b4：如果有，第二微机控制电路32通过触发信号输出电路31输出开路信号和/或短路信号给地震接收仪；转步骤b3，等待下一次中断触发信号；如果没有，转步骤b3继续等待。
46.所述速度型地震检波器14从接收到近震源激发点的直达波信号后由无线触发发射装置2的无线发射电路23发射信号，到无线触发接收装置3接收到信号并传递给地震接收仪之间的延时为t；t为200
±
50us。
47.无线通信为保证通信的可靠与稳定性，通常有握手、重传等一系列复杂的机制，导致通信具有不固定的延时，而不固定的延时会导致地震接收仪采集的地震数据不可处理，同时无线触发的延时必须尽可能的低以保证采集尽可能多的信号。为保证无线触发信号具有比较低的延时，本系统使用2.4g无线通讯模块，从而具有低触发延时，便于后期的数据处理。在程序上抛弃重传功能，简化了程序。
48.上述同步触发的设定延时t，是指速度型地震检波器14从接收到近震源激发点的直达波信号后由无线触发发射装置2的无线发射电路23发射信号，到无线触发接收装置3接收到信号并传递给地震接收仪之间的延时，该设定延时t在有效传输距离1000m内为固定值200
±
50us，按照地震接收仪通常使用的41.7us的采样周期来判断，只丢失5-6个采样点数据，且丢样点数固定，对后期数据处理几乎无影响，也可通过成熟的处理手段进行处理，消除误差。
49.如图4所示，拉钩12通过拉绳15连接在移动推车4的后部，由移动推车4拖曳地震同步信号传感器1前进；移动推车4上设置有可移动的电磁震源或气动震源。
50.如图5所示，地震同步信号传感器1直接放置在电磁震源附近的地面上，与电磁震源相配全，用于检测电磁震源的同步触发信号。
51.如图10所示，所述触发及灵敏度调节电路21设置有电阻r20，电阻r20的一端连接地震同步信号传感器1的信号输出端，地震同步信号传感器1的地端接地，电阻r20的另一端连接二极管d4的阳极，二极管d4的阴极连接第一集成运放u3a的同相输入端，电阻r20的另一端还连接电阻r17的首端，电阻r17的尾端连接5v直流电源，电阻r17的尾端还连接二极管d3的阴极，二极管d3的阳极连接电阻r17的首端，二极管d3的阳极还连接二极管d6的阴极，二极管d6的阳极接地；二极管d6的阴极连接电容cd3的一端，电容cd3的另一端连接二极管d4的阴极，电容cd3的另一端还经电阻r21连接第一集成运放u3a的反相输入端，第一集成运放u3a的反相输入端还经电阻r18连接5v直流电源；
52.第一集成运放u3a的反相输入端还连接灵敏度调节电路的第一连接端dpi 1；灵敏度调节电路的第二连接端dpi 4经电阻r25连接第二集成运放u3b的同相输入端；第二集成运放u3b的同相输入端经电阻r30接地；第二集成运放u3b的同相输入端还经电阻r28连接第一集成运放u3a的同相输入端；第一集成运放u3a的同相输入端还连接第二集成运放u3b的反相输入端；
53.第一集成运放u3a的电源端连接5v直流电源，第一集成运放u3a的地端接地；第一集成运放u3a的输出端连接电容cd2的一端，电容cd2的另一端经电阻r22接地，电容cd2的另一端还连接二极管d5的阳极；
54.第二集成运放u3b的输出端连接电容cd4的一端，电容cd4的另一端经电阻r31接地，电容cd4的另一端还连接二极管d7的阳极，二极管d7的阴极并接二极管d5的阴极，二极管d5的阴极经电阻r29连接npn三极管q3的基极，npn三极管q3的集电极经电阻r19连接5v直流电源，npn三极管q3的发射极接地，npn三极管q3的集电极作为触发及灵敏度调节电路21的输出端连接第一微机控制电路22的信号输入端triggerin pa8。
55.灵敏度调节电路为一组阻值不同的电阻，通过灵敏度调节电路给第一集成运放u3a的反相输入端和第二集成运放u3b的同相输入端之间串入不同的电阻，使控制第一集成运放u3a和第二集成运放u3b的输出端发生翻转的阈值电压发生变化，从而调节触发及灵敏度调节电路21的灵敏度。触发及灵敏度调节电路21通过地震同步信号传感器1的信号输出端获取相应的电压信号，经第一集成运放u3a和第二集成运放u3b比较后，控制第一集成运放u3a和第二集成运放u3b的输出端电压发生相应的翻转，从而控制npn三极管q3导通或截止，给第一微机控制电路22的信号输入端triggerin pa8输入开路或短路信号。
56.如图10所示，p11接到灵敏度调档旋钮上，通过调节档位可使dp1_1和dpi_4间的6个并联电路中的一路导通，从而调节dpi_1与dpi_4间的电阻值；传感器一端接pc1_trigger_in，另一端接地。无外部振动时，输出电压为0v，假设电路已达到稳定工作状态。pc1_trigger_in电压为0v，二极管d4不导通，电阻r17(电阻值较大)、电阻r20(电阻值较小)串联，二极管d4正极电压接近0v，电阻r18、电阻r30、电阻r25与灵敏度调节电阻(dpi_1、dpi_4中间的电阻)串联到5v，可调节dpi_1和dpi_4的电压，假设此时经过调节已使dpi_1电压为3.37v，dpi_4电压为1.74v；电阻r21与电阻r28阻值相同，二极管d4负极电压为2.5v，电容cd3两端电压接近2.5v；第一集成运放u3a反向偏置，输出-5v，二极管d5不导通，正极电压为0；第二集成运放u3b反向偏置，输出电压-5v，二极管d7不导通，正极电压为0；npn三极管q3截止，triggerin_pa8输出高电平。1)假设外部产生了一个振动，传感器输出电压2v，二极管d4正极电压接近2v，二极管d4不导通，由于电容cd3两端电压不能突变，仍为2.5v，二极管
d4负极电压变为4.5v，u3b状态不变，u3a变为正向偏置，输出电压5v，由于电容cd2两端电压不能突变，仍为5v，使得二极管d5正极电压变为10v，二极管d5导通，npn三极管q3导通，triggerin_pa8输出低电平，同时随着电阻r22对电容cd2进行放电，二极管d5正极电压逐渐降，随后不导通，使得npn三极管q3截止，triggerin_pa8输出高电平；2)假设外部产生了一个振动，压电传感器输出电压-2v，二极管d4正极电压接近-2v，二极管d4不导通，由于电容cd3两端电压不能突变，仍为2.5v，二极管d4负极电压变为0.5v，u3a状态不变，u3b变为正向偏置，输出电压5v，由于电容cd4两端电压不能突变，仍为5v，使得二极管d7正极电压变为10v，二极管d7导通，npn三极管q3导通，triggerin_pa8输出低电平，同时随着电阻r31对电容cd4进行放电，二极管d7正极电压逐渐降，随后不导通，使得npn三极管q3截止，triggerin_pa8输出高电平。因此，当输入触发信号达到一定幅值时，triggerin_pa8会输出一个低电平的脉冲，而通过改变dpi_1与dpi_4间串联电阻的阻值可调节dpi_1、dpi_4的电压，从而改变产生输出脉冲的门槛值，即调节灵敏度。
57.如图10所示，所述灵敏度调节电路包括n选一选择开关p11，n≥2；n选一选择开关p11的公共端作为灵敏度调节电路的第一连接端dpi 1；n选一选择开关p11的n个输出端分别连接n个电阻的首端，n个电阻的尾端并接在一起作为灵敏度调节电路的第二连接端dpi 4；其中，n个电阻的阻值互不相同，并且与灵敏度调节电路的档位相对应。
58.如图10所示，n选一选择开关p11为6选一选择开关，6选一选择开关的公共端作为灵敏度调节电路的第一连接端dpi 1；6选一选择开关p11的6个输出端分别连接电阻r32、电阻r33、电阻r34、电阻r35、电阻r36、电阻r37的首端，电阻r32、电阻r33、电阻r34、电阻r35、电阻r36、电阻r37的尾端并接在一起作为灵敏度调节电路的第二连接端dpi 4。
59.为保证本系统在不同地质环境下的适用性，本系统采用高灵敏度传感器并配合灵敏度调节电路，灵敏度调节电路具有6个档位，依次提高灵敏度，从而防止出现由于激发点地质情况不同或者震源激发能量不同所导致的不触发或频繁随机误触发的现象，保证了系统的可靠与稳定性。
60.优选地，第一连接端dpi 1还经一可调节电阻连接第二连接端dpi 4；可调节电阻的阻值大于电阻r32、电阻r33、电阻r34、电阻r35、电阻r36、电阻r37的阻值，在灵敏度调节的过程中作为微调使用；图略。
61.电阻r20的一端还连接第一微机控制电路22的pc1 tr1gger in端，第一微机控制电路22的第一处理器会根据这个信号电平高低，通过射频发送模块给第二微机控制电路32的第二处理器发消息，将地震同步信号传感器1是否接入信号传过去，起提示作用，判断传感器是否接好了。不接传感器的时候pc1 tr1gger in端是高电平，接了传感器就是低电平，通过这个来判断。
62.如图9所示，第一微机控制电路22通过无线发射电路的接口电路连接有2.4g无线通讯发射模块；第一微机控制电路22通过对sendrecv_pc9信号进行电平检测，进而通过spi接口对2.4g无线通讯发射模块进行控制，使其工作在发射状态，电容c20、电容c21对射频模块的电源滤波，发光二极管d2为同步状态指示灯，由第一微机控制电路22控制。
63.如图13所示，第二微机控制电路32通过无线接收电路的接口电路连接有2.4g无线通讯接收模块。2.4g无线通讯发射模块和2.4g无线通讯接收模块的电路图略。
64.如图13所示，触发信号输出电路31包括第一输出电路，第一输出电路设置有npn三
极管q1，npn三极管q1的基极经电阻r23连接第二微机控制电路32的triggerout pd6端，npn三极管q1的基极还经电阻r26接地，npn三极管q1的集电极连接地震接收仪输出开路或短路信号；
65.第二微机控制电路32通过triggerout pd6端输出高电平或低电平信号，从而控制npn三极管q1截止或导通，从而向地震接收仪输出开路或短路信号。
66.触发信号输出电路31包括第二输出电路，第二输出电路设置有npn三极管q2，npn三极管q2的基极经电阻r24连接第二微机控制电路32的triggerout pd5端，npn三极管q2的基极还经电阻r27接地，npn三极管q2的集电极连接地震接收仪输出开路或短路信号；
67.第二微机控制电路32通过triggerout pd5端输出高电平或低电平信号，从而控制npn三极管q2截止或导通，从而向地震接收仪输出开路或短路信号。
68.该同步触发器的无线传输方案也可用在远距离人工震源-地震仪的勘探方案中，可在无线收发器中间按照实际情况添加中继，以增加信号传输距离。
69.如图14所示，所述地震同步信号传感器1设置有锤头6，锤头6设置有圆柱状的锤身61，锤身61的前端设置有呈锥状的锤尖62，锤身61的后部设置有传感器容置腔，传感器容置腔内设置有速度型地震检波器14，锤身61的后部外壁固连有手柄63，锤头6的前端可插入岩壁内与岩壁耦合。
70.先用电磁冲击震源5将锤头6锤击耦合到岩壁，这一次锤击的地震波数据不记录，然后再对着l型的锤头6尾部锤击采集地震波数据。
71.和之前的炸药断线相比，以及用黄泥或者其他粘合剂将检波器粘在隧道壁上的方法比，这种地震同步信号传感器1可以借助震源锤击进去隧道壁喷浆层形成良好耦合，施工快。抓着下面的手柄63摇两下就可将其从岩壁上拆卸下来。
72.最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。