基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统，包括若干被布置于被观测地位置处的排成一直线的等间距的地震检波器以及布置于地面上的地震波激发器，所述地震检波器与所述上位机通讯连接，每一个地震检波器包括光电传感器以及加速度传感器，所述光电传感器以及加速度传感器同时采集所述地震波激发器被激发后所产生的地震波的震动信号，并将所述地震波的震动信号转换为对应的电信号后发送至上位机，所述上位机接收到两组电信号后，从两组电信号中分别获取对应的反射波信息，根据所述反射波信息得到对应的速度信息，并采用小波变化和卡尔曼滤波算法对组个速度信息进行融合处理，从而得到一组速度信息。
【专利说明】
基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统。
【背景技术】
[0002] 为了得到能够系统地追踪目的层的地震记录，在野外观测时必须适当地选择观测 系统、激发点组合方式以及记录仪器参数等。而观测系统的选择是其中重要的组成部分，目 前的观测系统主要有:端点放炮和中间放炮两种形式，端点放炮方式主要是在多个排成一 条直线的地震检波器的端点设置一个放炮点，而中间放炮的方式主要是在多个排成一条直 线的中间设置一个放炮点。这两种获得共反射点道集的方法都是在测线上通过有规律地同 时移动激发点与接收排列来达到对地下界面反射点重复采集的目的，这种观测系统也称为 多次覆盖观测系统。地震检波器是用于地质勘探和工程测量的专用传感器，是一种将地面 振动转变为电信号的传感器，能把地震波引起的地面震动转换成电信号，经过模/数转换器 转换成二进制数据、进行数据组织、存储、运算处理。其具有信号调理、温度补偿、自测，以及 可配置到检测〇g或脉冲检测快速运动等功能。现有技术中，地震波观测系统中的每一个地 震检波器主要是基于加速度传感器或者光电传感器为基础的，基于加速度传感器的地震检 波器可检测交流信号以及物体的震动，具有功耗低、便于携带、精度高、速度快的特点。其缺 点是测量精度越高，但检测范围较小，且测量精度越高越容易损坏。一般来说，越灵敏越好。 越灵敏的传感器对一定范围内的加速度变化更敏感，输出电压的变化也越大，这样就比较 容易测量，从而获得更精确的测量值。灵敏度自然是越高越好，但是实际上灵敏度越高测量 范围就窄:相反，灵敏度低点就能获得比较宽的测量范围。
[0003] 基于光电传感器的地震检波器是将被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助 光电元件进一步将光信号转换成电信号来实现控制的。基于光电传感器的地震检波器具有 精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，检测 范围广，缺点是相较于加速度传感器的地震检波器，它的精度稍低，不在密封环境下用就很 容易被污染失效。因此，用户主要根据用途来选择地震检波器的类型，但是这种单类型的地 震检波器的通用性较低，不能同时满足精度要求高、检测范围广的要求。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于光电传 感器和加速度传感器的反射波速度观测系统，能够更精确的获取到反射波的传播速度。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提供一种基于光电传感器和加 速度传感器的反射波速度观测系统，包括若干被布置于被观测地位置处的排成一直线的等 间距的地震检波器以及布置于地面上的地震波激发器，所述地震检波器与所述上位机通讯 连接，每一个地震检波器包括光电传感器以及加速度传感器，所述光电传感器以及加速度 传感器同时采集所述地震波激发器被激发后所产生的地震波的震动信号，并将所述地震波 的震动信号转换为对应的电信号后发送至上位机，所述上位机接收到两组电信号后，从两 组电信号中分别获取对应的反射波信息，根据所述反射波信息得到对应的速度信息，并采 用小波变化和卡尔曼滤波算法对组个速度信息进行融合处理，从而得到一组速度信息。
[0006] 进一步的，在每一个检测器内均设有一个多传感器接口适配器，所述加速度传感 器和光电传感器的输出端与所述多传感器接口适配器的输入端连接，所述多传感器接口适 配器的输出端通过数据总线与所述上位机连接。
[0007] 进一步的，所述地震检波器被等间距地布置于被观测地位置处的排成一直线以形 成所述地震检波器组件，所述地震波激发器为两个，两个地震波激发器分别靠近地震检波 器组件的两个端头位置；
[0008] 当进行观测时，使两个地震波激发器同时发出地震波，每一个地震检波器均接收 两个地震波激发器发出的地震波，其中，每一个地震检波器中的光电传感器检测两个地震 波激发器被激发后分别产生的第一震动信号，并分别将两个第一震动信号转换为对应的第 一电信号后上传至上位机，每一个地震检波器中的加速度传感器检测两个地震波激发器被 激发后分别产生的第二震动信号，并分别将两个第二震动信号转换为对应的第二电信号后 上传至上位机；
[0009] 所述上位机接收到每一地震检波器发送的两个第一电信号及两个第二电信号，分 别从两个第一电信号中获取第一反射波信息，计算两个第一反射波先后到达对应地震检波 器的时间以得到时间差，然后确定该对应地震检波器与每一个地震波激发器的距离，从而 得到距离差，根据距离差与时间差计算得到反射波的第一传播速度;所述上位机还分别从 两个第二电信号中获取第二反射波信息，计算两个第二反射波先后到达对应地震检波器的 时间以得到时间差，然后确定该对应地震检波器与每一个地震波激发器的距离，从而得到 距离差，根据距离差与时间差计算得到地震波的第二传播速度；
[0010] 所述上位机还通过小波变化和卡尔曼滤波算法对第一传播速度和第二传播速度 进行融合处理，从而得到一组速度信息。
[0011] 进一步的，所述第一传播速度和第二传播速度均通过以下公式得到：
[0012] 其中，V为对应反射波的传播速度，S1为位于其中一端的地震波激发 器被激发后产生的反射波在层间传播路程的一半，S2为位于另一端的地震波激发器被激发 后产生的反射波在层间传播路程的一半，t为两个反射波到达同一个地震检波器的时间差。
[0013] 本发明基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统，与现有技术的观 测系统相比，检波器采用两个传感器分别采集两组震动信号，再转换得到两个对应的速度 信息后进行整合以得到一个传播速度，从而使得检波器检测的精确度高、检测范围更广，地 震检波器的适用范围更广。
【附图说明】
[0014] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0015] 图1是本发明地震波观测系统第一实施例的结构示意图。
[0016] 图2是本发明地震波观测系统第二实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0018] 请参见图1，图1是本发明基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统 第一实施例的结构不意图。本实施例的基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测 系统，包括若干被布置于被观测地位置处（即被观测地位置的地下的表层）的排成一直线的 等间距的地震检波器以及布置于地面上的地震波激发器，所述地震检波器与所述上位机通 讯连接，每一个地震检波器包括光电传感器以及加速度传感器，所述光电传感器以及加速 度传感器同时采集所述地震波激发器被激发后所产生的地震波的震动信号，并将所述地震 波的震动信号转换为对应的电信号后发送至上位机，所述上位机接收到两组电信号后，从 两组电信号中分别获取对应的反射波信息，根据所述反射波信息得到对应的速度信息，并 采用小波变化和卡尔曼滤波算法对两组速度信息进行融合处理，从而得到一组速度信息。
[0019] 具体地，所述基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统可以是多次 覆盖观测系统，上述的多个地震检波器排成一直线以形成地震检波器组件，多次覆盖观测 系统则是在检波器组件的一个端头设置一个地震波激发器(炮点），也即，在排成一排的多 个地震检波器中，炮点可以位于最左侧的一个地震检波器靠左的位置，或者位于最右侧的 一个地震检波器靠右的位置。在不同的实施例中，所述地震波激发器还可以排布在多个地 震检波器的中间。
[0020] 本实施例中，所述地震波激发器采用棰击式进行激发，当被激发后，每一个地震检 波器均检测到地震波激发器被激发后所产生的地震波。每一个地震检波器内均有一个光电 传感器和加速度传感器，本例中，所述光电传感器和加速度传感器通过一多传感器接口适 配器与上位机数连接。所述加速度传感器和光电传感器的输出端与所述多传感器接口适配 器的输入端连接，所述多传感器接口适配器的输出端通过数据总线与所述上位机连接。如 此，可以同时将两组电信号初始融合后上传至上位机，上位机接收到两个电信号后再进行 后续的反射波信息的获取处理以得到两个反射波信息，根据获取到的两个反射波信息得到 对应的两个反射波传播速度信息，将两个反射波传播速度信息进行融合处理，以得到一个 反射波的传播速度。
[0021] 多传感器接口适配器设计要求建立一个适应性强、开发者容易实施的构件结构模 型，在这个模型中，一个多传感器接口适配器构件可简化为由应用构件和构件适配器两个 独立的构件组成，即构件={应用构件，构件适配器}。其中，应用构件是完成构件自身的逻 辑功能所需的软件成分，构件适配器实现构件与软件总线的数据接口和控制接口。所有与 系统总线接口有关的部分都集中体现在构件适配器中，这种设计将构件逻辑处理功能与构 件集成设施相分离，从而隔离了多传感器信息采集接口不同对应用构件设计的影响。按照 这一模型设计的多传感器适配器构件，可以方便的插接。到多传感器接口代理服务总线上， 成为一个多传感器接口适配器的标准构件。
[0022] 由于地震检波器采用了加速度传感器和光电传感器相结合的方法，所以对于两个 传感器采集到的数据实行并行处理，后再采用了信息融合的方法进行处理。
[0023] 两个传感器的测量参数，范围，精度等都不同，所以传感器采集到的原始数据是分 别进行处理的。上位机将两个传感器将采集到的地震波进行反射波提取后，经过计算得出 速度数据后，在将二者数据融合处理。
[0024] 信息融合技术包含四个主要元素：一是信息源元素(含传感器元素），它向系统提 供原始的信息；二是信息转换、传递、交换元素，它完成信息的预处理;三是信息互补、综合 处理元素，它完成信息的再生、升华；四是信息融合处理报告元素，即输出融合处理结果。
[0025] 数据融合技术采用经典与现代方法相结合的小波变换和卡尔曼滤波。在实际中， 不同的传感器数据采集系统采集的数据具有不同的分辨率，因而，需要解决多分辨率数据 的融合技术和方法，以便更好地利用不同分辨率数据的互补信息。达到更佳的融合效果。 Kalman滤波对非平稳信号具有较强的估计能力，能对信号所有的频率成分同时进行处理。 同时，小波变换具有高分辨力，对高频分量采用逐渐精细的时域和频域步长，可以聚焦到分 析对象的任意细节。因此，小波变换与Kalman滤波结合可以取得良好的融合效果。
[0026] 加速度传感器灵敏度高，但是在测量范围具有一定的局限性。由于地下介质复杂， 传感器需要接收范围较宽的数据。所以只使用加速度传感器可能会造成有用信息的流失。 而光电传感器没有这种局限性，可弥补加速度传感器测量范围的不足。但是光电传感器易 受光源的影响，而光又是无处不在的，包括红外光，紫外线光，可见光等。即使对光电传感器 进行密闭封装，也难以保证不可见光的干扰。加速度传感器可以提高整体的抗干扰性能。两 种传感器测量精度高，结合使用能够获得更加精确的结果。
[0027] 综上，本发明实施方式，检波器采用两个传感器分别采集两组震动信号，再转换得 到两个对应的速度信息后进行整合以得到一个传播速度，从而使得检波器检测的精确度 高、检测范围更广，地震检波器的适用范围更广。
[0028] 请参见图2,图2是本发明基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统 第二实施例的结构示意图。本实施例的基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测 系统包括若干被布置于被观测地位置处的排成一直线的等间距的地震检波器21以及布置 于地面上的地震波激发器22,所述若干地震检波器21被布置成一直线后形成地震检波器组 件，所述地震波激发器22为两个，两个地震波激发器22分别靠近地震检波器组件的两个端 头位置。即其中一个地震波激发器22位于最左侧的一个地震检波器21的左侧，另一个地震 波激发器22位于最右侧的一个地震检波器21的右侧。
[0029] 当进行观测时，使两个地震波激发器22被同时激发后同时发出地震波，每一个地 震检波器21均接收两个地震波激发器22发出的地震波，其中，每一个地震检波器21中的光 电传感器检测两个地震波激发器22被激发后分别产生的第一震动信号，并分别将两个第一 震动信号转换为对应的第一电信号后上传至上位机，每一个地震检波器21中的加速度传感 器检测两个地震波激发器22被激发后分别产生的第二震动信号，并分别将两个第二震动信 号转换为对应的第二电信号后上传至上位机。
[0030] 所述上位机接收到每一地震检波器21发送的两个第一电信号及两个第二电信号， 分别从两个第一电信号中获取第一反射波信息，计算两个第一反射波先后到达对应地震检 波器的时间以得到时间差，然后确定该对应地震检波器与每一个地震波激发器22的距离， 从而得到距离差，根据距离差与时间差计算得到反射波的第一传播速度;所述上位机还分 别从两个第二电信号中获取第二反射波信息，计算两个第二反射波先后到达对应地震检波 器的时间以得到时间差，然后确定该对应地震检波器与每一个地震波激发器22的距离，从 而得到距离差，根据距离差与时间差计算得到地震波的第二传播速度。
[0031] 本实施例中，所述第一传播速度和第二传播速度均通过以下公式得到： 其中，v为对应反射波的传播速度，S1为位于其中一端的地震波激发器被激发后产生的反射 波在层间传播路程的一半，S2为位于另一端的地震波激发器被激发后产生的反射波在层间 传播路程的一半，t为两个反射波到达同一个地震检波器的时间差= Η表示反射波的反射点位于地面下的深度(层间深度），X1表示其中一端(例如左端)地震激 发器至当前计算的地震检波器的距离的一半，X2表示另一端(例如右端)地震激发器至当前 计算的地震检波器的距离的一半。
[0032]
，可得到公式：vt = 2Sl_ 2S2,推导得出：
，而关于深度与速度的关系可以通过 下述方式得到，在第一个地震检波器处(其他实施例中，可在任何一个地震检波器处)增设 一个地震波激发器(炮点），在第一个检波器出放炮，使得是层间速度，to是该第一 .ci· 个地震检波器接收到的反射波的时间，则将深度公式代入
[0036] 所述上位机还通过小波变化和卡尔曼滤波算法对第一传播速度和第二传播速度 进行融合处理，从而得到一组速度信息。
[0037] 具体结合实例，假设地震检波器为12个且均匀布置呈一条直线，每一个检波器的 下端被置于地面下，上端外露于地面，通过数据总线与上位机相连。两个地震波激发器同时 被激发后，12个地震检波器均检波震动信号，12个地震检波器中，每一个地震检波器中的每 一个传感器均检测两个震动信号并将两个震动信号均转换为对应的电信号(形成一组电信 号）后发送至上位机，因为，一个地震检波器需要发送四个电信号（加速度传感器发送的两 个电信号为一组，光电传感器发送的两个电信号为一组），上位机将每一个地震检波器中光 电传感器对应的一组电信号进行处理，得到对应的两组速度信号求时间差，再求该地震检 波器与两个地震波激发器的距离得到距离差，据此求得第一传播速度，上位机将同一个地 震检波器中的加速度传感器对应的一组电信号进行处理，得到对应的两组速度信号求时间 差，再求该地震检波器与两个地震波激发器的距离得到距离差，据此求得第二传播速度，然 后融合成一个传播速度。
[0038] 本发明实施方式，与现有技术的观测系统相比，无需花费过多时间去寻找共反射 点，每一个检波器中的每一个传感器仅需要通过检测到的先后震动信号，计算两个反射波 的先后到达时间，然后根据时间差和该距离差得到对应的传播速度，然后将每一个地震检 波器对应的两个传播速度进行融合以得到一个反射波传播速度。采用这种方式，与多次覆 盖观测系统相比，无需浪费大量的时间和人力去挪动地震检波器，也无需计算共反射点，因 此，降低了工作量，减轻计算难度。
[0039]以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明 说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术 领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统，包括若干被布置于被 观测地位置处的排成一直线的等间距的地震检波器W及布置于地面上的地震波激发器，所 述地震检波器与所述上位机通讯连接，其特征在于:每一个地震检波器包括光电传感器W 及加速度传感器，所述光电传感器W及加速度传感器同时采集所述地震波激发器被激发后 所产生的地震波的震动信号，并将所述地震波的震动信号转换为对应的电信号后发送至上 位机，所述上位机接收到两组电信号后，从两组电信号中分别获取对应的反射波信息，根据 所述反射波信息得到对应的速度信息，并采用小波变化和卡尔曼滤波算法对组个速度信息 进行融合处理，从而得到一组速度信息。2. 如权利要求1所述的基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统，其特 征在于:在每一个检测器内均设有一个多传感器接口适配器，所述加速度传感器和光电传 感器的输出端与所述多传感器接口适配器的输入端连接，所述多传感器接口适配器的输出 端通过数据总线与所述上位机连接。3. 如权利要求2所述的基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统，其特 征在于:所述地震检波器被等间距地布置于被观测地位置处的排成一直线W形成所述地震 检波器组件，所述地震波激发器为两个，两个地震波激发器分别靠近地震检波器组件的两 个端头位置； 当进行观测时，使两个地震波激发器同时发出地震波，每一个地震检波器均接收两个 地震波激发器发出的地震波，其中，每一个地震检波器中的光电传感器检测两个地震波激 发器被激发后分别产生的第一震动信号，并分别将两个第一震动信号转换为对应的第一电 信号后上传至上位机，每一个地震检波器中的加速度传感器检测两个地震波激发器被激发 后分别产生的第二震动信号，并分别将两个第二震动信号转换为对应的第二电信号后上传 至上位机； 所述上位机接收到每一地震检波器发送的两个第一电信号及两个第二电信号，分别从 两个第一电信号中获取第一反射波信息，计算两个第一反射波先后到达对应地震检波器的 时间W得到时间差，然后确定该对应地震检波器与每一个地震波激发器的距离，从而得到 距离差，根据距离差与时间差计算得到反射波的第一传播速度;所述上位机还分别从两个 第二电信号中获取第二反射波信息，计算两个第二反射波先后到达对应地震检波器的时间 W得到时间差，然后确定该对应地震检波器与每一个地震波激发器的距离，从而得到距离 差，根据距离差与时间差计算得到地震波的第二传播速度； 所述上位机还通过小波变化和卡尔曼滤波算法对第一传播速度和第二传播速度进行 融合处理，从而得到一组速度信息。4. 如权利要求3所述的基于光电传感器和加速度传感器的反射波速度观测系统，其特 征在于，所述第一传播速度和第二传播速度均通过W下公式得到： 其中，V为对应反射波的传播速度，S1为位于其中一端的地震波激发器被激 发后产生的反射波在层间传播路程的一半，S2为位于另一端的地震波激发器被激发后产生 的反射波在层间传播路程的一半，t为两个反射波到达同一个地震检波器的时间差。
【文档编号】G01V1/00GK106094009SQ201610368272
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】柴贺军, 黄河, 唐胜传, 阎宗岭, 贾学明, 张小松, 李聪, 吴青晨, 甘平
【申请人】招商局重庆交通科研设计院有限公司