一种无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪及记录方法与流程

本申请涉及浅层地震勘探技术领域，具体涉及一种无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪及记录方法

背景技术：

在山地、丘陵和城市等地区开展浅层地震勘探时，采用传统有缆式地震采集仪施工效率较低，人员投入较多。目前市面上出现了一种新型的无缆式地震采集系统，即节点式地震采集仪，这种地震仪具有体积小、重量轻、易搬迁、野外施工便捷、人员投入少、成本低等诸多优点。

针对城市规划区开展的浅层地震勘探工作，由于探测深度较浅，对震源能量要求较低，实际生产中选用鞭炮震源替代炸药震源，鞭炮震源在技术上不仅具有炸药震源的优点，同时在施工中具有安全性更好、对当地生态和人文环境影响小、噪音污染小、施工效率更高、成本更低。

节点式地震采集仪，开机后便不间断地记录地面形变所产生的随时间变化波形数据，要获取单炮记录，就得输出炸药起爆的时间，才能从无间断波形记录上截出单炮对应的波形记录，传统爆炸机采用雷管引爆后便会输出一个放炮的时间，但鞭炮震源不能用雷管引爆，鞭炮震源爆炸时无法获得准确的起爆时间，因此目前没有能与节点式地震仪和鞭炮震源相匹配的时间记录仪，导致现场施工人员不能从采集软件中截取单炮数据，进而不能直接判定数据质量的好坏，对后期处理也带来了很多麻烦。

技术实现要素：

本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪，包括：处理器、波形处理单元、波形数据存储单元和时间同步单元，所述波形处理单元、波形数据存储单元和时间同步单元均与所述处理器电连接，所述波形处理单元用于获取爆炸瞬间产生的波形并发送给所述处理器，所述波形数据存储单元用于对所述处理器接收的波形数据进行存储，所述时间同步单元用于接收卫星发射的低功率无线电信号获得gps时间并发送给所述处理器，所述处理器将接收到的波形数据与gps时间进行组合，并根据所述波形数据判断在当前gps时间下的波形是否为鞭炮爆炸产生的冲击波。

采用上述实现方式，波形处理单元能够实时对爆炸瞬间产生的波形进行获取，当处理器判断收到的波形数据为鞭炮爆炸产生的冲击波时，时间同步单元能够准确获取输出激发震源的gps时间，保证震源激发时间与节点式地震记录仪时间同步，解决了采用鞭炮震源激发时，无法从节点式地震仪数据中准确切除单跑记录的问题。

结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述时间同步单元包括gpsoem接收单元，所述gpsoem接收单元采用atk-s1216f8-bdgps/北斗模块，接受gps卫星发射的低功率无线电信号，通过内部计算得出gps时间。

结合第一方面，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述波形处理单元包括波形传感器，所述波形传感器对爆炸瞬间产生的冲击波能量进行识别处理生成波形。

结合第一方面，在第一方面第三种可能的实现方式中，还包括蓝牙数据收发单元，所述蓝牙数据收发单元与所述处理器电连接，所述蓝牙数据收发单元用于实现与终端的数据通信，所述蓝牙数据收发单元接收所述处理器发送的采集数据并发送给所述终端。

结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，还包括充放电管理单元和电池，所述充放电管理单元分别与所述电池和所述处理器电连接，所述充放电管理单元用于对用电单元进行供电。

结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述处理器还连接一控制按钮，所述控制按钮用于当开关机和爆炸为非正常爆炸时，重新启动记录仪的功能。

第二方便，本申请实施例提供了一种无缆式地震采集仪震源激发时间记录方法，采用第一方面或第一方面任一实现方式所述的无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪，所述方法包括：启动所述无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪后时间同步单元获取gps时间与无缆式地震采集仪实现时间同步；波形处理单元实时对波形数据进行获取；如果在第一时刻处理器判断所述波形处理单元发送的波形数据为鞭炮爆炸瞬间产生的波形，则将所述第一时刻发送给所述无缆式地震采集仪，所述第一时刻为无缆式地震采集仪进行波形采集的任一时刻。

结合第二面，在第二方面第一种可能的实现方式中，所述启动所述无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪后时间同步单元获取gps时间与无缆式地震采集仪实现时间同步，包括：无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪开机后gpsoem接收单元自动寻找gps信号；当gpsoem接收单元搜星正确后，所述无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪获取gps时间与所述无缆式地震采集仪时间同步，进入工作等待状态。

结合第二方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述波形处理单元实时对波形数据进行获取包括：当用户按下起爆按钮后，记录下当前的起爆时间并开始启动高精度计时，同时启动高速ad进行波形进行实时采样。

结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，如果在第一时刻处理器判断所述波形处理单元发送的波形数据为鞭炮爆炸瞬间产生的波形，则将所述第一时刻发送给所述无缆式地震采集仪，包括：所述处理器对波形进行滤波计算处理，如果是具有爆炸冲击波特征的波形，自动记录当前的时间，并将记录的时间发送给所述无缆式地震采集仪。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的atk-s1216f8-bdgps/北斗模块原理示意图；

图3为本申请实施例提供的一种无缆式地震采集仪震源激发时间记录方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。

图1为本申请实施例提供的一种无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪的结构示意图，参见图1，本实施例中的无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪包括：处理器、波形处理单元、波形数据存储单元和时间同步单元，所述波形处理单元、波形数据存储单元和时间同步单元均与所述处理器电连接。

所述波形处理单元用于获取爆炸瞬间产生的波形并发送给所述处理器，所述波形处理单元包括波形传感器，所述波形传感器对爆炸瞬间产生的冲击波能量进行识别处理生成波形。波形传感器的主芯片采用ad7827芯片，ad7827是一种高速、单通道、低功耗、模拟到数字的转换器，最大吞吐量为1msp，由单个3v或5v电源工作。ad7827包含一个磁道/保持放大器、一个片上2.5v基准(2％toler-ance)、一个420ns8位半闪存adc和一个串行接口。

所述波形数据存储单元用于对所述处理器接收的波形数据进行存储，所述时间同步单元用于接收卫星发射的低功率无线电信号获得gps时间并发送给所述处理器，所述处理器将接收到的波形数据与gps时间进行组合，并根据所述波形数据判断在当前gps时间下的波形是否为鞭炮爆炸产生的冲击波。

所述时间同步单元包括gpsoem接收单元，所述gpsoem接收单元采用atk-s1216f8-bdgps/北斗模块，接受gps卫星发射的低功率无线电信号，通过内部计算得出gps时间。

atk-s1216f8-bdgps/北斗体积小巧，性能优异。模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在内部flash，使用方便。模块自带ipx接口，可以连接各种有源天线，建议连接gps/北斗双模有源天线。模块兼容3.3v/5v电平，方便连接各种单片机系统。模块自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据。

atk-s1216f8-bdgps/北斗通过串口与外部系统连接，串口波特率支持4800、9600、19200、38400(默认)、57600、115200、230400等不同速率，兼容5v/3.3v单片机系统。模块与单片机连接最少只需要4根线即可：vcc、gnd、txd、rxd。其中vcc和gnd用于给模块供电，模块txd和rxd则连接单片机的rxd和txd即可。本模块兼容5v和3.3v单片机系统，所以可以很方便的连接到系统里面去，本申请实施例中的处理器可以为单片机处理器。atk-s1216f8-bdgps/北斗模块与单片机系统的典型连接方式如图2所示。

图2中，atk-s1216f8-bdgps/北斗模块的pps端口与单片机gpio(通用io口)的连接不是必须的，用户可以根据自己的需要选择连接还是不连接，这个引脚不影响模块的正常使用。这里特别注意，模块的txd和rxd脚是ttl电平，不能直接连接到电脑的rs232串口上，必须经过电平转换芯片(max232之类的)，做电平转换后，才能与之连接。

gpsoem接收单元是一种接受gps卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出gps时间的接受装置。为获得准确的gps时间，gps时钟必须先接受到至少4颗gps卫星的信号，计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后，gps时钟只要接受到1颗gps卫星信号就能保证时钟的走时准确性。文中设计了基于gps的功角测量装置，可通过gps接收板提供的秒脉冲和其时间标记来进行异地同步数据采集。

该gps接收模块采用garmin公司的gpsoem板，型号为gpsl5l。它采用+5v电源供电.有12通道，最多可同时跟踪12颗卫星，如开通秒脉冲，可同时跟踪11颗卫星。接收板自动捕获卫星信息时间小于2s，热启动时间约为15s(所有数据已知)，冷启动时间约为45s(初始位置和时间未知)。自动定位需要5min(历书已知，初始位置和时间未知)。nmea0183信息更新输出间隔从1s到900s可调，rs-232输出，输入可为rs-232或者具有rs-232极性的ttl电平。波特率从300bps～38400bps可选。gpsoem接收板在任意时刻能同时接收其视野范围里4～11颗卫星的信号，其内部硬件电路和软件通过对接收到的信息进行解码和处理，能从中提取并输出二种时间信号：一是间隔为1s的同步脉冲信号1pps(电平为3v)，其脉冲前沿与utc的同步误差不超过1μs：二是包括在串口输出信息中的utc(coordinateuniversaltime协调世界时)绝对时间(年、月、日、时分、秒)，它是与1pps脉冲相对应的。

秒脉冲是一电平信号，且其上升沿对应着一精确的utc时刻。因此，可用此电平信号的上升沿对其他设备(如单片机、计算机等)进行控制或触发，这样，即可记录下秒脉冲上升沿到来的准确时刻，再从串口传输的gprmc语句获取utc时刻，经计算处理即可求得设备的精确时钟差，从而得到精确的utc时刻，实现gps的精确授时。用计时型单片机与gps0em接收板组合，对oem板的lpps输出进行整形，用其来控制单片机的中断和软件计数脉冲，再把0em板输出的数据送到微处理器的串口输入端，为微处理器提供1pips对应的utc时刻值，其授时精度最高可以达10-6s以上。而且微处理器具有精度高、可靠性高、体积小等优点。用秒号脉冲结合串口输出的时间数据进行授时，这种方法需接收二种信号，即秒脉冲的电平信(+3v)和utc信号。

本申请实施例中，无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪还包括蓝牙数据收发单元、充放电管理单元和电池。所述蓝牙数据收发单元与所述处理器电连接，所述蓝牙数据收发单元用于实现与终端的数据通信，所述蓝牙数据收发单元接收所述处理器发送的采集数据并发送给所述终端。增加蓝牙数据收发单元，通过专用的app经蓝牙传输可以查看仪器的采样时间数据，也可设置启动倒计时时间，并对数据进行保存等功能，这是传统爆炸机所不具备的，为导出震源爆炸的时间数据提供了方便。

所述充放电管理单元分别与所述电池和所述处理器电连接，所述充放电管理单元用于对用电单元进行供电。

充放电管理单元采用mp2637电源管理芯片，mp2637电源管理芯片是一种高度集成、灵活的、具有系统电源路径管理的开关模式电池充电器，具有充电升压一体功能，在外围电路上加入的电池自恢复过压过流保护电路，电池低电压保护等功能，可有效保证电池的使用寿命,专为应用范围广泛的单电池锂离子或锂聚合物电池而设计。

mp2637电源管理芯片既可以在充电模式下运行，也可以在boost模式下工作，从而允许完整的系统和电池电源管理。当输入功率存在时，该装置以充电方式工作。它自动检测电池电压，并对电池进行三相充电：滴流、恒流和恒压。其他功能包括充电终止和自动充电.该装置还集成了输入电流限制和输入电压调节，以管理输入功率，满足系统电源需求的优先级。在没有输入源的情况下，mp2637电源管理芯片通过模式引脚切换到升压模式以从电池中驱动sys引脚。olim引脚在升压模式下编程实现输出电流限制。mp2637电源管理芯片还允许输出短路保护，以便在发生短路故障时完全断开电池与负载的连接。一旦排除短路故障，正常运行将恢复。mp2637电源管理芯片提供完整的运行状态指示，以区分充电模式和升压模式。为保证安全运行mp2637电源管理芯片将模具温度限制在120℃的预置值。其他安全功能包括输入过电压保护，电池过电压保护，热关机，电池温度监测等功能。

所述处理器还连接一控制按钮，所述控制按钮用于当开关机和爆炸为非正常爆炸时，重新启动记录仪的功能。当鞭炮未起爆时，仪器系统进入待机状态，提示现场采集人员检查是否为哑炮，然后通过控制按钮重新启动记录仪保证施工质量。

在用户按下起爆信号后，单片机记下当前的gps时间，触动μs级的精确计时，波形处理单元开始检测冲击波波形信号，当冲击波到达时，停止计时，并记录下计时时间。这个时间就是炸点经到测量点的时间，此时间加上起爆时间就是测量点的接收gps信号时间。

本实施例提供的时间记录仪，能够将频率丰富、安全性更强、对当地环境影响小、噪音污染小、施工效率高的鞭炮震源和体积小、重量轻、野外施工效率更高的节点式地震采集仪应用于城市地质勘探和城市活断层探测的浅层地震中，能够在不影响采集数据质量的前提下，大大降低施工成本，提高施工效率，具备很高的实用价值及创新性。

由上述实施例可知，本实施例提供的时间记录仪中的波形处理单元能够实时对爆炸瞬间产生的波形进行获取，当处理器判断收到的波形数据为鞭炮爆炸产生的冲击波时，时间同步单元能够准确获取输出激发震源的gps时间，保证震源激发时间与节点式地震记录仪时间同步，解决了采用鞭炮震源激发时，无法从节点式地震仪数据中准确切除单跑记录的问题。

与上述实施例提供的一种无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪相对应，本申请还提供了一种无缆式地震采集仪震源激发时间记录方法的实施例，参见图3，所述方法包括：

s101，启动所述无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪后时间同步单元获取gps时间与无缆式地震采集仪实现时间同步。

无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪开机后gpsoem接收单元自动寻找gps信号；当gpsoem接收单元搜星正确后，所述无缆式地震采集仪震源激发时间记录仪获取gps时间与所述无缆式地震采集仪时间同步，进入工作等待状态。

采用gpsoem接收单元接收卫星信号，当设备搜星正确后，设备就会获取gps时间，这样获取gps时间的方式与节点式地震记录仪原理是一致，保证了两者时间上的同步。传统爆炸机，如boom-box，则需要加装内插式gps模块，才能实现这一功能。

s102，波形处理单元实时对波形数据进行获取。

鞭炮发生爆炸时，爆轰产物将猛烈冲击其周围的介质，并在介质的界面上产生压力瞬变，即爆炸冲击波。爆炸冲击波在介质中传播时，其振动强度和波形、时间、速度通过介质弹性特征发生变化。

当用户按下起爆按钮后，记录下当前的起爆时间并开始启动高精度计时，同时启动高速ad进行波形进行实时采样。

s103，如果在第一时刻处理器判断所述波形处理单元发送的波形数据为鞭炮爆炸瞬间产生的波形，则将所述第一时刻发送给所述无缆式地震采集仪，所述第一时刻为无缆式地震采集仪进行波形采集的任一时刻。

所述处理器对波形进行滤波计算处理，如果是具有爆炸冲击波特征的波形，自动记录当前的时间，并将记录的时间发送给所述无缆式地震采集仪。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。