专利名称：数字地听仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字地听仪，应用于石油、地质、煤田、工程勘探等领域，也可用于
微地震(地下岩石破裂)监测和地下设施物体移动或震动监测。
背景技术：
地听又称瓮听，最早应用于战国时期的城防战中。中国古代战争中就有用于侦测 有声源目标方位的器材。据《墨子 备穴》记载当守城者发现敌军开掘地道时，立即在城 内墙下挖井，井中放置一 口新缸，缸口蒙一层薄牛皮，令听力聪敏的人伏在缸上，监听敌方 的动静。敌方开凿地道时所发生的音响在地下传播的速度高，而且衰减小，容易激起缸体共 振，从而可以侦测地下敌人所在的方位。 石油和天然气是不可再生资源，是重要的战略物资，石油勘探仪器是地球物理勘
探最为核心的装备。目前石油勘探仪器方面，长期以来我国一直处于落后的状态，国内勘探
仪器基本全部依赖进口，这严重制约了我国石油地震物探事业和石油工业的发展。 人工地震(炸药埋入地表爆炸激发，可控震源车的震动)的震动引发地震波，由地
表向地下传播，造成地层的反射波。本专利将这种简易可靠的监听方法用于油田二次开发
中，油田开采过程中，使用压裂、注水、注汽、加沙技术，引起油层附近岩层破裂，岩石破裂的
震动波被地震检波器或MEMS传感器接收，经仪器放大、模数转换、数据处理、计算、编排、存
储，根据收集到的信息，指导地下石油和天然气再次开发和利用。 可是，无论是国内还是国外，现有地震数字仪95%以上是车载仪器，体积庞大、重 量大、搬运移动困难。对于有些山川河流地区，仪器车根本无法到达测线，需要人抬肩扛或 直升飞机吊运，造成人力、物力上极大开销。 本专利就是针对上述不足，设计满足石油勘探、煤田勘探、矿产勘探等需要的高质 量、低功耗、轻便、易操作、成本低廉的新型野外勘探仪器——数字地听仪以及使用该数字 地听仪的地听信息高密度记录系统。
发明内容本专利提供一种数字地听仪，包括三分量动圈式数字检波器或三分量MEMS传感
器、滤波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器、模/数转换器、卫星定位授时[GPS]
系统、控制器及逻辑电路、传输总线接口 ，其中三分量数字检波器的三路输出顺序经过滤波
器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器后到达同步模/数转换器，经转换后输入到控
制器及逻辑器，控制器及逻辑电路连接有RS485接口和GPS系统，接收点由GPS系统定位。 其中程控放大器采用CS3301型地听放大器。 其中模/数转换器采用ADS1274高精度同步A/D转换器。 其中接口采用FPGA.其中控制器采用ARM2440单板机。 其中传输总线采用RS485总线。[0013] 控制器及FPGA带有存储装置，其中存储装置为通过USB端口操作的U盘。
图1为本专利组成二维地听信息高密度记录最小系统图； 图2为本专利组成三维地听信息高密度记录最小系统图； 图3为本专利地听仪的结构框图。
具体实施例 如图1所示，其中示出了本专利的组成二维地听信息高密度记录最小系统图，其 可包括6台数字地听仪、一个交叉站、两条数传电缆，数字地听仪通过数传电缆与交叉站进 行通讯，是一种局部集中式管理系统，图1中虽然示出了 6台数字地听仪，但其数量不限于 6台，2台以上的数字地听仪即可实现本专利。 如图2所示，其中示出了本专利组成的三维地听信息高密度记录最小系统图，其 由图1所示的四个二维地听信息高密度记录最小系统构成，各交叉站之间双向通讯。 根据需要，本领域技术人员可以单台组合，为二维或数万道三维地球物理勘探，提 供满足道数需要的灵活解决方案，其无需繁重的电缆，无需主机，无需庞大的仪器车，使得 地面部暑的设备数量减少，将环境影响降到最低水平。 下面对系统的各部分进行详细介绍。 如图3所示，其中示出了本专利的数字地听仪，其包括三分量数字检波器、滤波 器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器、同步模/数转换器、卫星定位授时[GPS]系 统、控制器(本实施例是ARM2440工业单片机)及逻辑电路、传输总线接口——长线传输 RS485接口，其中三分量数字检波器的三路输出顺序经过滤波器、程控放大器、50/60HZ陷 波器、匹配放大器后到达同步模/数转换器，经转换后输入到控制器及逻辑电路，控制器及 逻辑电路带有存储功能，例如通过USB端口存入U盘，控制器及逻辑电路连接有RS485接口 和GPS系统，接收点由GPS定位。本实施例中的三分量数字检波器可由三分量MEMS传感器 所代替。 本专利的数字地听仪用了三个信号采集通道，既可以三个单分量采集，又能进行 三分量采集，达到采集灵活性，为互换使用的MEMS微机电三分量检波器店定了基础。再次 说明数字地听仪既可单站三道独立组网，又可通过RS485组网. 由于反射波，折射波受地层影B向，一般情况会逐渐减弱，并受到电磁及地表风吹 草动使得地下微震波形发生畸变和干扰，这就要求将这些干扰波滤除掉，再将滤波后有效 波进行不失真的放大，使这些有效波控制在模数转换器最佳转换的电压幅度范围之内。这 就要求程控放大器必须具有优越的噪声特性和极小的总谐波失真率的特点，地听放大器 CS3301恰恰具有很好的噪声性能和极小的总谐波失真率的优点，正好适用于微弱信号检测 领域。 将模拟地震信号放大到2-4VPP后，恰恰是AD转换器的最佳转换区间，本专利采用 ADS1274是一款高精度同步A/D转换器，具有24位精度，是一种宽动态范围的新型A/D转换 器，可实现4通道同步数据采集。ADS1274具有62kHz的带宽，最高采样频率可达128KS/s， 主要特性包括①采用差动输入方式，所以输入端可直接与传感器或微小的电压信号相连；②采用E— A结构，具有宽泛的动态范围和24位无差错编码；③采用低噪声增益可编程 放大器(PGA)，可扩展动态范围，提高分辨率；④内部采用三阶数字滤波器，可滤除电源波 纹和其他干扰；⑤采用多种内部自校正技术，用于校正失调电压，校准满刻度误差；⑥提供 SPI或FRAME-SYNC接口 ；⑦提供高速、高分辨率、低功耗和低速4种工作模式可以供用户选 择；⑧采用独立供电，+5V模拟电源，1. 8V数字电源， 通过ADS1274转换后的数字量按道序通过SPI 口传入FPGA，经FPGA串转并后进入 ARM2440单板机，在ARM中进行数字滤波，然后仍按道序以地球物理数据格式存入USB，成为 独立的数据采集站.另一路按标准RS485通讯模式长线(100-500M)传输送到交叉站。 工作时，地下震动信息被数字检波器或MEMS传感器接收，接收到的模拟量信息送 入滤波器，去除杂波，保存有效波，此波形传送到程控放大器进行放大，再接入50/60HZ陷 波器，消除外来的工业交流电干扰，再接入匹配放大器，通过匹配放大器调理后的模拟信号 恰好是模数转换器的最佳输入值。三个分量X、 Y、 Z模拟量经过同步模数同步转换后，经 FPGA串并转换形成了按时序X、 Y、 Z逐道摆放的数字量。这种数字量经ARM2440工业单片 机处理按SHAKELUN数据格式通过USB端口存入U盘中，U盘中数据随时可通过RS485接口 长线传输，以10MBP/S上传到上位机交叉站。 本专利的数字地听仪具有24位分辨率，120dB的瞬时动态范围，小于0. 2 y V的输
入噪声，具有高密度，高分辨率、大动态范围、高信噪比、高保真度以三道存贮能力。 本专利的数字地听仪采样率为1/8， 1/4， 1/2， 1. 0， 2. 0， 4. 0， 8. 0和16. 0ms，它既适
合于煤田和油气田勘探，也适合于浅层地震勘探。 本专利的数字地听仪具有独立采集和存储功能，能单独放在油田中长期监测油田 开采过程、地下构造变化，可视为一个三分量或独立的三道地震仪，数台单独摆放，可用于 油田开采过程中地下岩石破裂监测。 本专利的数字地听仪的电源打开后，无须人工干涉，长时间按预定程序工作，具有 组建灵活、成本低的特点，维护、扩展极为方便。 数据采集为达到数万道，达到起动同步，在GPS授时脉冲控制下，所用的CLK每秒 被GPS的授时秒脉冲校准，必须同时接收到三颗卫星有效信号定位才能精确，卫星定位授 时信息才能作为有效数据进行存储，数据存储后，卫星再来的第一个授时脉冲前沿作为起 动脉冲。 数字地听仪采用12V太阳能电池供电. 由以上描述可知，本专利的数字地听仪将采集到的数据存储为SHKELUN格式的数 据文件，多点采集的数据最后集中后转换成地球物理格式(SEG-Y)，以便后期进行处理、分 析，获取有用信息。 本专利地听信息高密度记录系统在数据采集过程中进行数字滤波，在地球物理勘 探过程中属于首例，更利于有效波显示，提高原始记录信噪比 本专利地听信息高密度记录系统在华北油田，辽河油田，中原油田，四川，广西，陕 北等油井压裂过程中进行实地监测。 GPS秒脉冲是地听信息高密度记录系统记时基准，在二维或三维施工中，无论采用 多少台数字地听仪，计时系统都由GPS脉冲进行同步。 具有实时监控功能，信息记录准确可靠，后期地质资料处理与常规勘探资料处理相同，只需将SEG-Y格式资料U盘交计算中心，或自编排后通过ENTER网发往计算中心。 地听信息高密度记录系统中所采用的数字地听仪，交叉站都由本人自行设计.是 本发明重要组成部份。 上述实施例仅是优选的和示例性的，本领域技术人员例如可以根据本专利的描 述，采用不同的放大器、模数转换器、控制器、传输总线、存储装置等来实现本专利，其都由 本专利的保护范围所覆盖。
权利要求一种数字地听仪，包括三分量动圈式数字检波器或三分量MEMS传感器、程控放大器，滤波器、50/60HZ陷波器、匹配放大器、模/数转换器、卫星定位授时[GPS]系统、控制器及逻辑电路、传输总线接口，其中三分量数字检波器的三路输出顺序经过滤波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器后到达同步模/数转换器，经转换后输入到控制器及接口FPGA，控制器及逻辑电路连接有RS485接口和GPS系统，接收点由GPS系统定位。
2. 如权利要求1所述的数字地听仪，其中程控放大器采用CS3301型地听放大器。
3. 如权利要求1或2所述的数字地听仪，其中模/数转换器采用ADS1274高精度同步 A/D转换器。
4. 如权利要求l-3之一所述的数字地听仪，其中控制器采用ARM2440单板机。或其它 类型单片机.
5. 如权利要求1-4之一所述的数字地听仪，其中传输总线采用RS485总线。
6. 如权利要求1-5之一所述的数字地听仪，控制器及FPGA.带有存储装置。
7. 如权利要求6所述的数字地听仪，其中存储装置为通过USB端口操作的U盘。
专利摘要本实用新型公开了一种数字地听仪，包括三分量数字检波器或三分量MEMS传感器、滤波器、程控放大器、50/60Hz陷波器、匹配放大器、模/数转换器、卫星定位授时[GPS]系统、控制器及逻辑电路、传输总线接口，其中三分量数字检波器的三路输出顺序经过滤波器、程控放大器、50/60Hz陷波器、匹配放大器后到达同步模/数转换器，经转换后输入到控制器及逻辑器，控制器及逻辑电路连接有RS485接口和GPS系统，接收点由GPS系统定位。
文档编号G01V1/18GK201548699SQ200920271820
公开日2010年8月11日 申请日期2009年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者沙克伦, 沙雪峰, 沙鲲鹏 申请人:沙克伦