一种基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统的制作方法

本发明涉及一种无缆网络地震仪系统，具体地说是涉及一种应用于工程勘探，以及石油、地质、煤田等勘探领域，能够对人工或天然地震数据进行同步采集、存储和实时传输的基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统。

背景技术：

地震勘探是利用仪器在地表观测地震波信号，并对其进行处理分析，从而获得地下构造和岩石物性以及资源信息的技术。观测地震波的仪器，包括检波器和地震仪是勘探过程不可或缺的组成部分。由震源产生的地震波在地下传播的过程中，当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检波器接收、记录地震波的数据，随后用计算机进行分析处理，从而推断出地下构造和岩石物性，以及油、气、煤和其他矿产资源的赋存状况，也可用于工程勘查及地质灾害预测等。地震仪必须具有高精度的数据采集、时间同步、存储和传输等功能。

目前，地震仪采用的数据传输方式包括有线传输方式(有缆系统)、有线、无线混合的数据传输方式(少缆系统)和无线传输方式(无缆系统)。无缆地震仪可以分为三类：盲采系统、半盲采系统和实时系统。

传统有缆系统的有线地震仪首先是由于系统笨重不易搬运，其次道数受到限制，无法达到10万道级别的排列阵，另外成本居高不下影响到了其在实际地震勘探中应用。有线、无线相混合的地震仪，检波器与采集站之间仍采用有线的方式进行数据采集，存在实时性较差，采集数据误差较大等问题，在地震勘探中依然存在很多不便。也有无缆采集系统按照有线组合方式进行布设，单个采集站独立记录，采用卫星授时和本地时钟守时相结合的同步方式，采集站之间不需要线缆连接，后期处理数据时可以根据不同采集点的数据质量来确定组合方式，可以采取大组合或小组合，也可以不组合，使数据处理更加方便灵活，这也丰富了地震数据处理方法，但由于其采用本地存储无法进行质量监控，在实际地震勘探中应用时依然不便。

以往由于所有无缆存储式地震仪的采集站不能发送数据到显控终端实现数据的实时质量控制，这是很不好解决的难题。没有数据的实时质量控制，就不能在现场知道地震数据采集的质量，包括激发能量的强弱、采集站工作是否正常、检波器工作是否正常等。而在野外施工中，每天可以激发几百炮记录，如果到室内回放后发现有大量的不正常工作数据，再进行补炮将花费大量人力和物力。所以，无缆存储式地震仪的施工方法还没有被我国的地震勘探界所接受。

目前的无缆地震仪，存在下列问题：

⑴.无线通信频段大多采用2.4GHz，该频段由于WIFI的普遍应用，易受同频干扰；

⑵.通讯协议复杂，需要运行在具有操作系统的主控设备上，需要主控处理器功能强大，由此带来的缺点是成本高、功耗大；

⑶.缺少定位功能，需要现场测量；虽然可以采用GPS但是精度差，差分GPS虽然能满足精度要求，但是成本高，增加了采集节点的设备量；

⑷.无论是采用TCP/IP协议，还是ZigBee协议的无线传感器网络，虽然具有组网功能，但是实现起来比较复杂，需要操作系统支持，对主控硬件的要求较高；

⑸.不具备同步功能，需要采用授时和本地时钟守时相结合的方法同步，增加了采集节点的设备复杂度，需在震源不激发的时段内大量存储无用的数据(95％为无用数据)，对存储的要求较高；

⑹.大部分无缆存储式地震仪的采集节点不能实时把采集数据和工作状态返回到主控机，也不能接收主控机的控制指令，无法判断现场数据采集质量和仪器的状态。

为解决上述存在的问题，近年来，国内外对无缆存储式地震仪开展了研究与开发，国内林君团队也研制了无缆遥测地震仪，但其作业最大平均功耗4.4W，需要大容量电池供电才能实现野外的长期工作。

国内在2011年11月公开的“无缆数字存储式地震仪工作状态的无线监测方法”，申请号：2011100781106，该技术是在无缆地震仪采集站的基础上引入Wi-Fi无线通讯模块，利用无线组网技术将地震仪采集站以及状态监测用的地震仪主机、笔记本电脑或PDA组成无线局域网，通过制定专门通讯协议进行无缆地震仪工作状态无线监测。它采用中心站+无线路由站+采集站三级网络结构，每个采集站连接多个模拟检波器的地震仪器系统，但该技术存在网络结构复杂、设备多、网络传输效率低等问题。

还有提出采用GPS或北斗定位的技术，如在2015.03.04中国公开的“无缆存储式地震仪低功耗电源管理系统及管理方法”，申请号：2014107783271，该技术是在采集站内预置的低功耗电源管理模块，由电源经开关电路分别连接单片机、北斗模块、采集单元、GPS定位单元，电源管理方法以手持终端、网络服务器或北斗上位机对无缆地震仪控制，进而解决了在大面积区域内对较多地震仪低功耗控制的难题，但该技术存在成本高，增加了与地震采集无关的设备量(如手持终端、网络服务器、北斗上位机)等问题。

综上所述，成本、体积、功耗、通讯方式，以及准实时采集的要求，成为制约无缆地震仪发展的重要因素。因此很有必要开发一种能实现无缆采集系统的同步、节点定位、准实时现场传输、低功耗和通过自定义无线网络通讯协议的低成本无缆网络地震仪系统，以克服现有仪器和技术的缺陷，有利于大规模地震采集的开展。

技术实现要素：

本发明的目的是要克服现有无缆地震仪技术的不足，而提供一种新的基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，且提供的系统具有同步和定位精度高、灵活性好、能高速传输数据、准实时显示数据等特点，还具有成本低、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，适合于大范围推广应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，设有一个显控中心站和多组采集节点，显控中心站作为主节点，采集节点作为从节点；

所述的显控中心站由上位机、超宽带天线A、超宽带无线模块A、震源触发器、智能电池与稳压模块A组成，上位机与超宽带无线模块A之间采用USB方式连接，超宽带无线模块A与震源触发器之间采用串口连接；显控中心站的上位机中安装电源管理软件和网络设备监控功能的软件，上位机用于人机交互并控制整个无缆网络地震仪系统和存储地震数据，管理智能电池与稳压模块A、采集节点位置显示和采集节点状态显示；所述的震源触发器用于连接震源，并产生同步采集信号，使所有采集节点同步运行；所述的显控中心站的超宽带无线模块A与每个采集节点中的超宽带无线模块B在开机后能自组织无线物联网，无线物联网在显控中心站与每个采集节点之间起桥梁作用，负责同步各个采集节点，获取用于各采集节点定位的“主从”或“从从”节点之间的双程旅行时的信息，完成采集节点之间的通信和数据传输功能；

所述的多组采集节点是按无线通信频率编成14组，并在每组内指定一个采集节点作为汇聚节点，每组中的采集节点两两之间按照ID顺序进行双程旅行时测距，组内其他所有汇聚节点再把数据发送到显控中心站，汇聚节点和显控中心站由指定的固定信道通信；

所述的多组采集节点中每个采集节点设有单片机模块、超宽带天线B、超宽带无线模块B，信号调理与数据采集模块，检波器模块、FLASH模块、智能电池与稳压模块B；单片机模块通过IIC总线连接智能电池与稳压模块B，所有采集节点的超宽带无线模块B都是具有通信、同步和定位一体化的模块；采集节点用于地震数据的同步采集，传输命令、数据和采集节点位置自动解算；

所述采集节点上的超宽带无线模块B收到同步采集信号后发送采集命令和采集时长命令给单片机模块，单片机模块启动信号调理与数据采集模块采集信号，各采集节点完成采集并把数据存储到本地FLASH模块后，汇聚节点的单片机模块反馈采集的信号给显控中心站的计算机，同时将信号调理与数据采集模块转为待机状态。

所有的采集节点按照矩形栅格或三角形栅格结构排列。

所述的显控中心站的上位机在人机交互工作时发送的命令包括：同步采集、传送数据、信号调理与数据采集模块采样率设置、前放增益设置、采样起始时间设置、各个采集节点与显控中心站之间的通讯路径查询、各个采集节点之间电磁波传播的旅行时间查询命令，以及采集节点是否连接、连接的路径、顺序，并对于未连接的采集节点终端以红色区分显示。

所述的显控中心站收到各采集节点完成采集信号反馈后，后台自动发送传输数据命令给各采集节点，各采集节点通过各自汇聚节点把数据传输到显控中心站的上位机，各汇聚节点完成数据传输后超宽带无线模块B处于待机侦听状态以节省功耗。

所述的采集节点中的单片机模块通过IIC总线读取智能电池与稳压模块B的电量、电压、电流信息，并通过汇聚节点把智能电池与稳压模块B的信息发送到显控中心站，在显控中心站显示每个采集节点的电量信息，实现实时掌握电池的电量以便及时充电。

所述的超宽带无线模块A和超宽带无线模块B中的无线通信、同步和定位采用超宽带脉冲位置调制体制，脉冲宽度0.8ns，工作频率为3.1～10.6GHz，瞬时带宽为500MHz，分为15个信道，通信速率1～64Mbps可调；模块之间采用双程旅行时体制测距，测距精度优于±1cm，同步精度优于1μs。

所述的超宽带无线模块A和超宽带无线模块B是根据地震勘探数据类型单一、数据量大、数据传输要求高速率的特点构建通信协议，内容包括：

⑴.通信目的：传输命令和数据；

⑵.命令分为：定位，同步采集，传输数据，数据发送完成，数据接收完成，采集节点中的数据采集模块处采集待机状态，待机，显控中心站激活，信道分配；

⑶.把显控中心站放到震源激发点附近，显控中心站发送准备采集命令，各采集节点接收到该命令后，每组汇聚节点把各采集节点的距离信息发送到显控中心站；显控中心站收到所有采集节点的位置信息后，对邻近的采集节点一一发送定位请求，并得到距离信息，然后把所有距离信息发送到定位解算引擎，解算出各采集节点之间的相对位置关系，并显示在显控中心站上位机界面上，方便操作者判断解算结果是否正确，采集节点的相对位置关系是后续的地震数据处理所必需的重要支撑参数；

⑷.无线通信方式为主从方式，显控中心站的超宽带无线模块A作为通信主机，每个采集节点的超宽带无线模块B都作为通信从机，通信主机与每个通信从机分配一个ID号，通信主机控制14组通信从机，所有采集节点的通信从机按顺序依次把数据发送到汇聚节点的通信从机，14组汇聚节点的通信从机再把所有数据依次发送到显控中心站；

⑸.广播方式，一个TX同时控制N个RX，命令按广播的方式或一对多、或一对一的方式发送。

本发明的无缆网络地震仪系统数据存储时，按地震勘探专用的SEG-2或SEG-D数据格式对数据进行编排及存储。显控中心站把存储下来的地震数据，通过地震勘探显示软件显示在上位机屏幕上，方便使用者判断数据质量，通过简单数据分析和处理得出初步结论。

本发明的无缆网络地震仪系统，针对地震勘探采集节点采用阵列布置，地震数据量大，需要准实时传输数据，以及需要同步和定位功能等特点，自组织形成地震仪专用无线物联网。无线物联网不采用复杂成熟的通信协议，以保证能准实时地完成地震数据传输的要求。准实时的含义是，在每一炮采集数据结束后，显控中心站通过无线物联网收集所有的采集节点地震数据，能在20s内将所有数据显示到上位机屏幕上。

本发明的无缆网络地震仪系统由于系统采集节点可以按照设定的矩形栅格或三角形栅格结构排列或其他拓扑结构排列，各采集节点的两两距离可以通过双程旅行时原理自动测出，由于节点间的拓扑关系事先已知，各节点之间的相对位置关系可以采用较小的运算量推算出来(普通商用笔记本处理器即可胜任)，显控中心站配置一个GPS或北斗定位系统就可以解算出各节点的绝对位置(见式(1))

其中(xⁱ_ref，yⁱ_ref，zⁱ_ref)为以显控中心站点为原点的采集节点i在直角坐标系下的坐标，(x_g，y_g，z_g)为显控中心站点的全局坐标,(xⁱ_abs，yⁱ_abs，zⁱ_abs)为采集节点i的全局坐标。

由于无线测距系统带宽达到500MHz，定位精度达到1cm，最后结算的位置精度可达±1.0cm，满足地震勘探应用需求。这样省去了费时的手动测量，采用差分GPS虽然也可以自动测量，但是增加了成本、功耗和采集结点的复杂度，电磁兼容设计压力大。

本发明中的上位机、检波器模块、信号调理与数据采集模块等均采用成熟的产品，信号调理与数据采集模块中的数据采集模块即A/D转换模块，在此不一一赘述。

本发明的无缆地震仪系统的使用操作主要包括：

①设备检测

在采集节点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，通过超宽带无线模块A对采集节点进行设备检测，以检测采集节点是否正常工作，是否符合地震数据采集应用需求。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，以及电池电量等。

②采集节点布设

根据勘探任务确定勘探区域、采集节点数量、节点排列方式和间距，根据现场地表覆盖情况布设采集节点，确定震源激发位置。

③采集节点位置信息自动获取

施工人员在指定地点将所有的采集节点安装到位后，操作人员需通过上位机将所有采集节点切换至工作状态，即通过超宽带无线模块A与现场的所有采集节点通讯。在上位机的管理软件中监控所有采集节点工作状态均处于正常的网络通讯状态后，点击采集节点位置获取按钮后，系统中超宽带无线模块B启动两两双程旅行时测距功能，并把距离信息传送给显控中心站端，显控中心站端定位引擎软件自动解算采集节点间的相对位置关系并在上位机显示界面上显示采集节点的位置和震源激发点的位置，操作员确认无误后可转入下一步工作。

④震源激发和采集节点同步采集数据

在野外按工程需要和设计要求打好炮井、放置好炸药后(或锤击)，爆炸机(或锤击振动开关)用电缆连接到显控中心站的震源触发器。震源触发后，震源触发器启动同步采集广播命令，各采集节点采集数据。采集完成后每组中的各采集节点都将采集信息按分配的信道分时传输到汇聚节点，各汇聚节点再采用指定的信道把数据传输到显控中心站。

⑥显控中心站显示节点数据、判断与保存

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并存储，然后显示到上位机的操作界面。操作员可以判断数据质量和对数据进行初步处理和解释。

本无缆网络地震仪系统的技术性能与指标如下：

时间同步方式：系统广播

时间同步精度：小于等于1μs

采集节点数：2～32678任意可选

采样频率：100Hz～100KHz可选

最大采样长度：360K点/道

A/D转换：24位

串音抑制：>80dB

频率响应：1Hz～20000Hz

动态范围：>130dB

噪音：全频状态下为10μV

延时：0～9999ms

信号增强功能，可通过多次震源激发将信号增强，以提高信噪比

触发：外触发可用爆炸机、锤击开关触发，内触发可检测震源附近埋置的声传感器进行触发

供电方式：内置7.4VDC锂电池

采集节点功耗：最大速率工作时功耗小于500mW，休眠功耗电流不超过30mW

仪器使用环境温度：-20～+60℃

仪器储藏温度：-40～+80℃

采集节点重量：小于600g

采集节点体积：不大于80mm×80mm×40mm(不含插入土壤的销钉)

本发明一种基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统的有益效果如下：

1、本无缆网络地震仪系统的无线通信频段采用3.1～10.6GHz，避开了GSM、WIFI等热点频段，无线通信、定位受干扰的概率小，另外，超宽带扩频通信体制本身具有较强的抗干扰能力；由于信号带宽大，处理增益高，在满足1km通信距离条件下，对发射信号平均功率要求低，不大于10dBmw即可，因此无线通信模块功耗低，小于20dBmw。

2、本发明的无缆网络地震仪系统能有效避免数据信号在传输过程中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数据的采集精度和质量。

3、本发明无缆网络地震仪系统由于针对地震勘探应用定制的通信协议比较简单实用，对单片机模块的要求较低，普通16位的单片机即可胜任，考虑到A/D采集的功耗也不高，无论是TI还是ADI的24位A/D，小于10KBPS采样率，功耗小于10mw，考虑电源效率，整个采集节点满载功耗可以控制在500mw以内，通过对电源管理，待机功耗小于30mw，实际应用中，采集节点可以连续工作10～30天。

4、本发明由于通信、定位和同步功能共用同一个硬件，采集节点结构简单；且由于是采用超宽带无线同步技术，同步精度达到1μs，完全满足地震勘探应用需求。

5、采用本发明的无缆网络地震仪系统能在20s内把采集到的大量地震数据传到显控中心站主节点并现场显示出来，方便现场查看数据采集质量和简单处理后对探测结果进行初步分析。

6、本发明的采集节点采用智能电源技术，可以把电池电量和节点功耗等信息发送到显控中心站显示，方便操作者判断仪器的状态。

7、本发明最大的优点是操作完全和有缆地震仪相同，但是省去了笨重的线缆。本发明中采集节点又称数字检波器，比传统的有缆检波器稍大，体积、重量都不多过30％，采集节点布设时只需肉眼估计大致按一定规则排列即可，不需手动测量，操作比较方便。

附图说明

图1为本发明的无缆网络地震仪系统结构示意图。

图2为本发明的无缆网络地震仪系统的显控中心站结构框图。

图3为本发明的采集节点结构框图。

图4为本发明的采集节点组装结构示意图。

上述图中，1-电路板，2-支架，3-智能电池与稳压模块B，4-开关，5-超宽带天线B，6-顶盖，7-检波器模块，8-筒体，9-底盖，10-销钉。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的无缆网络地震仪系统作非限制性地说明。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。

实施例1：本发明提供一种基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，其结构如图1所示，设有一个显控中心站和多组采集节点，显控中心站作为主节点，采集节点作为从节点。在勘探区域布置一显控中心站和多组采集节点。本实施例以224个采集节点为例。采集节点按照通信信道分为14组，每组16个采集节点，每组中的第一个采集节点配置为汇聚节点，每组中的采集节点按照矩形栅格结构排列。

参见图2，显控中心站由上位机、超宽带天线A、超宽带无线模块A、震源触发器、智能电池与稳压模块A组成。上位机由通用笔记本构成，上位机中安装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具有对现场终端设备(主节点和从节点的附属设备)的管理、参数设置、数据采集等控制功能。上位机与超宽带无线模块A之间采用USB方式连接，进行信息交互；上位机同时可以显示采集节点电量，接收、存储和显示采集节点数据功能，其所收集和存储的数据符合地震勘探的标准格式SEG-2或SEG-D，可进一步提供给其它配套的专用数据分析软件使用。超宽带无线模块A与震源触发器之间采用串口连接；把震源激发产生的声音信号转换为电信号传送到超宽带无线模块A，触发采集节点同步采集信号。

参见图3，所述的每个采集节点均设有单片机模块、超宽带天线B5、超宽带无线模块B，信号调理与数据采集模块，检波器模块7、FLASH模块、智能电池与稳压模块B3。采集节点的实物结构如图4所示。图4中采集节点中的单片机模块、超宽带无线模块B，信号调理与数据采集模块，FLASH模块一起安装在电路板1中，信号调理与数据采集模块中的A/D转换器采用24位不小于100KBPS模数转换采样芯片。电路板1、智能电池与稳压模块B3安装在支架2下方，并整体安装在筒体8中，检波器模块7安装在筒体上方，检波器模块采用动圈式技术，底盖9和销钉10通过螺栓固定在筒体8下方；在筒体上方还设有顶盖6，顶盖6上安装有超宽带天线B5和开关4。

本实施例的无缆网络地震仪系统技术性能与指标如下：

时间同步方式：系统广播

时间同步精度：小于等于1μs

采样频率：100Hz～100KHz可选

采集节点频率响应：10Hz～20KHz

最大采样长度：360K点/道

A/D转换：24位

串音抑制：>80dB

动态范围：>130dB

噪音：全频状态下为10μV

触发：外触发可用爆炸机或锤击开关触发

供电方式：内置7.4VDC锂电池

仪器使用环境温度：-20～+60℃

仪器储藏温度：-40～+80℃

采集节点重量：小于600g

采集节点功耗：最大速率工作时功耗小于500mW，休眠功耗电流不超过30mW

采集节点体积：不大于80mm×80mm×40mm(不含销钉插入土壤部分)

实施例2：本发明提供一种基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，其结构和工作过程基本与实施例1相同，设有一个显控中心站和多组采集节点，采集节点按照通信信道分为14组，不同的只是本实施例每组有1000个采集节点，共14000个采集节点；每组中的第一个采集节点配置为汇聚节点。此外采样频率为10KHz，采集节点频率响应为1Hz～1000Hz，触发方式采用爆破机方式。

本发明的无缆网络地震仪系统能自组织无线物联网，系统体积小、重量轻，成本低，电池功耗低、防干扰力强，定位精度和同步精度高，在操作体验上和有缆地震仪系统相同，能够提高地质勘探的质量、加快工程的进度、降低野外工作的劳动强度，适合于在地质勘探中大范围推广应用。