地震传感器阵列装置及其数据采集方法

摘要

本发明涉及地震传感器阵列装置及其数据采集方法，该装置包括地震传感器、采集卡和计算机，通过履带滚动前行，地震传感器排列设置在履带上，构成地震传感器阵列；履带与探测面接触部分上的相应地震传感器阵列，接收接触面地震波信号，并将振动信号转换成电信号，再通过采集卡和滑动连接器将信号有线传送到所述计算机或地震记录仪记录，或通过无线通信装置，将信号无线传送到所述计算机或地震记录仪记录。地震传感器阵列滚动行进，交替接触探测面，实现快速测量。通过传感器触地鞋的设置，使传感器与探测面更加紧密地耦合。本发明的装置可适应复杂地面和恶劣条件地区探测，也可适用于月球表面、建筑物基础面或其他固体物的探测。

权利要求

1.地震传感器阵列装置，包括地震传感器、采集卡和计算机，其特征在于该阵列装置通过履带滚动前行，所述地震传感器排列设置在履带上，构成地震传感器阵列，所述履带与探测面接触部分上的相应地震传感器阵列，接收接触面弹性波信号，并将振动信号转换成电信号，再通过采集卡和滑动连接器将信号有线传送到所述计算机或地震记录仪记录，或通过无线通信装置将信号无线传送到所述计算机或地震记录仪记录。

2.根据权利要求1所述的地震传感器阵列装置，其特征在于所述地震传感器的前端凸出于履带外周，其上设触地鞋。

3.根据权利要求1所述地震传感器阵列装置，其特征在于所述地震传感器为单分量传感器或多分量传感器；所采集的弹性波为面波。

4.根据权利要求2所述的地震传感器阵列装置，其特征在于所述触地鞋形状为柱形、圆锥形、多角锥形、凸台形或凸球形。

5.根据权利要求1所述的地震传感器阵列装置，其特征在于所述履带为橡胶履带或金属履带。

6.根据权利要求5所述的地震传感器阵列装置，其特征在于所述履带为椭圆形履带或多角形履带运动系统。

7.根据权利要求1所述的地震传感器阵列装置，其特征在于当信号有线传输时，所述滑动连接器与所述地震传感器对应联接，所述滑动连接器由运动导体和固定导体组成，运动导体固定在履带内侧，随履带运动，固定导体固定在履带架上，两导体滑动接触，实现电信号连接。

8.根据权利要求1所述的地震传感器阵列装置，其特征在于当信号无线传输时，所述采集卡内设无线信号发射器，所述计算机或地震记录仪内设无线信号接收器，或在履带架上设无线信号接收器再通过信号传输线送到计算机或地震记录仪。

9.根据权利要求1-8所述的任一项地震传感器阵列装置，其特征在于该阵列装置由动力源拖曳，所述动力源为机械动力源、电动力源或人工动力源。

10.利用权利要求2所述的地震传感器阵列装置的采集数据方法，其特征在于：a、地震传感器通过其触地鞋及履带压紧作用，使之与探测面紧密耦合；

b、随着履带的滚动，地震传感器阵列滚动前行，交替接触探测面，实现整条测线的测量；

c、依次接收探测面的弹性波信号，并将弹性波信号转换成相应的电信号；

d、由GPS提供当前坐标，确定地震传感器相对于探测面的坐标位置；

e、通过滑动连接器或无线连接将相应的电信号传到计算机或地震记录仪并记录下来。

11.根据权利要求10所述的数据采集方法，其特征在于所述地震传感器阵列可通过串行连接，组成更大的传感器阵列，实现大排列纵测线测量。

12.根据权利要求10所述的数据采集方法，其特征在于所述地震传感器阵列可通过并行连接或并行加串行组合连接。

13.根据权利要求10所述的数据采集方法，其特征在于所述探测面是指地面、月球表面或建筑物基础面。

说明书

地震传感器阵列装置及其数据采集方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地震传感器阵列装置及其数据采集方法，具体涉及利用可连续运动陆用地震传感器阵列(Continuous Land Streamer)进行实时数据采集的装置以及该装置的数据采集方法。

背景技术

[0002] 地震勘探和声波无损检测是以弹性波为测试信号的地球物理方法，测试信号可以是人工激发或者自然激发的信号源(震源)所发出的弹性波(地震波)，信号透过地下介质，通过反射、折射等传播方式到达接收传感器阵列，由传感器(检波器)把携带有目标信息的弹性波转换成电信号并由地震仪器或数字信号采集器记录下来，再通过信号数据处理和分析，确定出检测目标的几何形状和物理特征。

[0003] 传统的陆用地震数据采集方法是采用人工插置检波器的方法，其效率很低。寻找一种高效快速的陆用地震检波器接收阵列，一直是地震勘探所热衷的课题。近十几年，美国国家科学基金(NSF)，能源部(DOE)基金，国防部(DOD)基金，更是在相关课题上给予大力资助。其中由美国蒙大拿科技和PFM制造公司(Montana Tech and PFMManufacturing)承担的美国国家科学基金会资助的小公司技术转化项目(SBTT2003-2005)，沿用了海洋地震勘探彩色浮标带的陆用传感器阵列(Land Streamer)，实现了四排陆用传感器阵列(Land Streamer)并联组合的面积阵列。由于该方法采用大动力拖车，直接拖动传感器托带，因此对地面条件要求很高，一般只适用于平滑的地面，而且所能拖曳的传感器面积阵列非常有限。而美国堪萨斯大学近10年研究的3D小面积检波器阵列AutoJuggie装置及美国专利US6532190B2的地震传感器阵列，主要是采用人力或液压机械装置插植检波器阵列，但由于检波器置于刚性支架上，不仅要求地面平坦，刚性支架也会产生钢管波干扰，影响测量精度，探测面积同样极为有限。除此之外，瑞士的ETH，丹麦的COWI，美国堪萨斯地质测量，瑞典的Ramboll等公司都发展了基于拖带或拖缆的陆用传感器阵列(land Streamers)。

[0004] 鉴于地表条件的复杂性，尽管各国在相关的课题上每年都在加大开发力度，但目前尚没有可以在大面积的测试范围上进行连续移动测试的接触式弹性波接收系统。

发明内容

[0005] 本发明针对以上现有技术的不足，其目的在于提供一种能够在大面积的测试范围上进行快速测量，也可实现连续移动测量，且能够与地面实现紧密耦合的地震传感器阵列装置。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0007] 地震传感器阵列装置，包括地震传感器、采集卡和计算机，其特征在于该阵列装置通过履带滚动前行，所述地震传感器排列设置在履带上，构成可滚动行进的连续地震传感器阵列。

[0008] 所述履带与探测面接触部分上的相应地震传感器阵列，接收接触面弹性波信号，并将振动信号转换成电信号，再通过采集卡和滑动连接器将信号有线传送到所述计算机或地震记录仪记录，或通过无线通信装置，将信号无线传送到所述计算机或地震记录仪记录。

[0009] 所述地震传感器的前端凸出于履带外周，其上设触地鞋。

[0010] 所述地震传感器为单分量传感器、二分量传感器、三分量传感器或多分量传感器；所采集的弹性波为纵波、横波和面波。

[0011] 所述触地鞋形状为柱形、圆锥形、三角锥形、多角锥形、凸台形或凸球形。

[0012] 所述履带为橡胶履带、金属履带或其他材料组成的连续环带。

[0013] 所述履带为椭圆形履带、三角形履带或多角形履带运动系统。

[0014] 当信号有线传输时，所述滑动连接器与所述地震传感器对应联接，所述滑动连接器由运动导体和固定导体组成，运动导体固定在履带内侧，随履带运动，固定导体固定在履带架上，两导体滑动接触，实现电信号连接。

[0015] 当信号无线传输时，所述采集卡内设无线信号发射器，所述计算机或地震记录仪内设无线信号接收器，或在履带架上设无线信号接收器再通过信号传输线送到计算机或地震记录仪。

[0016] 所述的传感器相对于探测面位置由阵列装置参考点的当前坐标确定。

[0017] 所述阵列装置由动力源拖曳，所述动力源为机械动力源、电动力源或人工动力源。

[0018] 本发明的另一目的是提供利用上述地震传感器阵列装置进行数据采集的方法，包括：

[0019] a、地震传感器通过其触地鞋及履带压紧作用，使之与探测面紧密耦合；

[0020] b、随着履带的滚动，地震传感器阵列滚动前行，交替接触探测面，实现整条测线的测量；

[0021] c、依次接收探测面的弹性波信号，并将弹性波信号转换成相应的电信号；

[0022] d、由GPS提供当前坐标，确定地震传感器相对于探测面的坐标位置；

[0023] e、通过滑动连接器或无线连接将相应的电信号传到记录仪并记录下来；

[0024] f、所探测的弹性波信号是由人工激发或自然激发的震源所产生的；人工激发震源也可以是运动的，以实现连续运动测量。

[0025] 所述地震传感器阵列可通过串行连接，组成更大的传感器阵列，实现大排列纵测线测量。

[0026] 所述地震传感器阵列可通过并行连接或并行加串行组合连接，实现面积阵列，从而实现三维地震数据采集。

[0027] 所述探测面是指地面、月球表面、建筑物基础面或其他固体物的探测表面。

[0028] 本发明的有益效果：将地震传感器设置于履带上，随着履带的滚动，实现地震传感器阵列的排布。地震传感器阵列滚动行进，交替接触探测面，实现快速测量。通过传感器触地鞋的设置，使传感器与探测面更加紧密地耦合，确保采集数据的准确性。对于锥形传感器触地鞋，在履带运动中，前驱动轮将传感器椎压入土中，加上履带的压力，从而实现传感器与地面的紧密耦合。在履带不动时，其传感器与地面耦合如同压实插值的传感器效果。在履带运动测量时，可以实现极快速地震数据采集。与可连续移动震源结合使用，组成连续运动测量的地震系统，可实现对勘测目标的高速扫描，极大地提高了探测效率；

[0029] 该装置通过串行连接，可以实现较长排列测量；通过并行连接或并行加串行组合连接，可实现面积组合阵列，以完成三维地震测量。该装置可适应复杂地面、浅水交接区域和恶劣条件地区探测，也可适用于月球表面、建筑物基础面或其他固体物的探测。

[0030] 本发明的基本应用领域是地震勘探和声波(超声波)无损检测，其范围从浅表层的工程检测、中浅层的资源勘探到深层的油气田勘探。本发明也可扩展应用到月球的震动研究，月壤、月岩构造探测，军事车辆和集团运动目标定位，工程构件无损探测，微震及自然振动源检测，人体骨骼声波扫描等领域。

附图说明

[0031] 以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

[0032] 图1为本发明整体结构示意图；

[0033] 图2为传感器阵列在履带上的布置方式示意图；

[0034] 图3为传感器在履带上装配示意图；

[0035] 图4为两轮、三轮和多轮支起履带结构示意图；

[0036] 图5为滑动联接器设置示意图；

[0037] 图6为有线信号传输结构联接框图；

[0038] 图7为无线信号传输结构联接框图；

[0039] 图8为锥形触地鞋、凸台形触地鞋、凸球形触地鞋与探测面耦合示意图；

[0040] 图9为车拖曳及组合方式示意图；

[0041] 图10为传感器位置当前坐标确定方式示意图。

[0042] 图中：1、履带；2、地震传感器；3、滑动连接器；4、采集卡；5、传感器连线；6、履带支撑轮；7、拖曳杆；8、支架；9、触地鞋；10、震源；11、探测面；12、震源拖动；13、地震射线；14、探测目标；15、仪器连接大线；16、地震记录仪或计算机；17、触地传感器排列；18、触地传感器；19、履带支撑轮导轨；20、传感器芯体；21、传感器连线密封件；22、传感器外套；23、传感器封盖；24、拖曳架；25、拖车；26、GPS接收系统；27、履带坐标参考点；28、轴芯位置；
29、地震传感器ID编号；30、导体片；31、滑刷导体；32、滑动杆；33、固定支架具体实施方式

[0043] 以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0044] 本发明为地震传感器阵列装置，包括地震传感器2、采集卡4和地震记录仪或计算机16，该阵列装置通过履带1滚动前行。地震传感器2排列并固定在履带1上，构成地震传感器阵列。地震传感器2的前端凸出于履带1外周，其上设触地鞋9，如图1所示。触地鞋9的形状可为柱形、圆锥形、三角锥形、多角锥形、凸台形或凸球形。

[0045] 地震传感器2为单分量传感器、二分量传感器、三分量传感器或多分量传感器；其所采集的地震波为纵波、横波和面波。履带1为橡胶履带、金属履带或其他材料组成的连续环带所组成的椭圆形、三角形或多角形履带运动系统。地震传感器2阵列装置通过机械动力源、电动力源或人工动力源等动力源拖曳在探测面11上移动，探测面11是指地面、月球表面、建筑物基础面或其他固体物的探测表面。

[0046] 当信号有线传输时，滑动连接器3与地震传感器2对应联接。滑动连接器3由运动导体和固定导体组成，运动导体固定在履带1内侧，其随履带1运动。固定导体固定在履带支架8上。两者滑动接触，实现电信号连接。当信号无线传输时，采集卡4内设无线信号发射器，计算机或地震记录仪16内设无线信号接收器，或将信号发至安装在支架8上的无线信号接收器，再将信号通过信号传输线送到计算机或地震记录仪16。

[0047] 本发明进行数据采集的方法：

[0048] a、地震传感器2通过其触地鞋9及履带1压紧作用，使之与探测面11紧密耦合；

[0049] b、随着履带1的滚动，地震传感器阵列17滚动前行，交替接触探测面11，实现整条测线的地震测量；

[0050] c、由GPS系统26提供当前坐标，并由此确定地震传感器18坐标位置；

[0051] d、依次接收探测面11的地震波信号，并将地震波信号转换成相应的电信号；

[0052] e、通过滑动连接器3或无线连接将相应的电信号传到记录仪并记录下来；

[0053] 地震传感器阵列可通过串行连接，组成更大的传感器阵列，实现在探测区域上的大排列纵测线测量或者通过并行连接或并行加串行组合连接，实现面积阵列，从而实现三维地震数据采集，其中地震传感器相对于探测面位置由阵列装置参考点的当前坐标确定。

[0054] 如图1所示，当移动震源10冲击探测面11产生地震波，地震波信号穿过地下，经透射、反射、折射、散射等作用，携带地下目标体14的异常信号返回地面，由履带1与探测面11接触部分上的触地地震传感器排列17中的触地传感器18，接收接触面的地震波信号，并将振动信号转换成电信号，再通过采集卡和滑动连接器将信号有线传送到计算机或地震记录仪16记录，或通过无线通信装置，将信号无线传送到所述计算机或地震记录仪16记录。

[0055] 图2为传感器在履带轮上布置的三种形式：图2-1为单排张紧轮、双排传感器排列；图2-2为双排张紧轮、单排传感器排列，此种排列在轮带运动时，双支撑轮可以更有效地将地震传感器锥压入地面；图2-3三排张紧轮、双排传感器排列，此种排列传感器两侧张紧轮可以有效地将传感器锥压入地面。

[0056] 图3-1、3-2为传感器在履带上装配示意图，传感器芯体20封装在履带1上，传感器芯体20外围设传感器外套22、传感器封盖23。传感器线5由履带1内侧引出，传感器线5上设传感器连线密封件21。图3-1装配的地震传感器5凸出在履带外侧部分上设置有触地鞋9。

[0057] 图4-1、4-2、4-3所示为两轮、三轮和多轮支起履带结构示意图，两轮履带系统触地传感器排列长度相对较长，三轮和多轮履带系统轴芯位置28较高，可以直接替换军用车辆圆轮，适于运动车辆定位用地震传感器，或安装在巡游月球车上，实现巡游月震探测的月震传感器。

[0058] 图5-1、5-2为滑动连接器设置两种技术方案示意图，其中图5-1所示为设置在履带1上的运动导体，由滑动杆32和滑刷导体31构成，导体片30固定在支架8上，滑刷导体31与导体片30滑动连接，将相应履带1上的传感器信号传出，实现传感器2与仪器16的有线连接。图5-2所示的结构正好相反，导体片30作为运动导体，固定在履带1上，随履带1运动。滑动杆32和滑刷导体31固定在支架8上，滑刷导体31与导体片30滑动连接，实现传感器2与地震记录仪或计算机16的有线连接。

[0059] 图6-1、6-2、6-3所示为有线信号传输结构框图，其中图6-1为传统地震仪连接框图：地震传感器18接收的电信号通过检波器线和连接器3连接到仪器大线15，并由仪器大线15连接到地震仪16记录；图6-2为网络化仪器连接框图：地震传感器18接收的电信号，由设置在履带上的采集卡转化成数字信号，数据信号经过连接器3和仪器数字通信网线，与数字地震记录仪或计算机16通讯并进行数字记录；图6-3为网络化仪器连接框图：地震传感器18接收的电信号，通过检波器线和连接器3连接到设置在履带支架上的采集卡4，由采集卡转化成数字信号，数据信号由仪器数字通信网线，与数字地震记录仪或计算机16通讯并进行数字记录。

[0060] 图7-1、7-2、7-3所示为无线信号传输结构框图，其中图7-1为无线传感器连接框图：地震传感器18接收的电信号通过无线信号发射和接收器连接到仪器大线15，并由仪器大线15连接到地震仪16记录；图7-2为无线网络仪器连接框图：地震传感器18接收的电信号，由设置在履带1上的采集卡4转化成数字信号，数据信号经过无线链路传到履带支架上的无线接收器，再经通信网线，与数字地震记录仪或计算机通讯并进行数字记录；图7-3为大网络仪器连接框图：由上述的履带地震传感器系统采集的信号通过通信网络与数字地震记录仪或计算机通讯，并由单车地震记录仪或计算机进行数字记录，或通过中继计算机传到上一级地震仪记录。大网络仪器连接通常由三级通信组成，第一级通信将履带上的传感器信号传到履带支架上的网络连线，通讯距离十米以内；第二级通信将履带地震传感器系统的信号传到设置在拖车上的单车地震仪或计算机，通讯距离可达数百米；第三级通信由单车计算机或中继站地震仪与网络地震仪或计算机之间的无线通信，通讯距离可达千米。第一、二级通信可为无线或有线通讯。单车计算机单独存储地震数据，可省去野外仪器车之间地震采集数据传输。在履带地震传感器系统上设置地震数据存储器，也可省去履带传感器系统第二级地震数据采集信号的传输。

[0061] 如图8所示四种形状触地鞋与探测面耦合情况，其中图8-1为锥形触地鞋，图8-2为柱形触地鞋，图8-3为凸台形触地鞋，图8-4为凸球形触地鞋；锥形触地鞋适用于松散探测面，对于不同松散程度的探测面可选择不同长度的锥；凸台形或凸球形传感器鞋可用在较硬探测面，传感器鞋的凸出长度和尖度可由探测面软硬度确定；对于坚硬探测面，例如水泥面，可选用柱形或低台柱传感器鞋。

[0062] 如图9所示的车拖曳方式；由纵测线排列可以完成二维地震测量，面积排列可以完成三维地震测量。单车单履带地震传感器阵列装置图9-1可用人力、电动或小型动力车驱动，一般用于工程结构检测、浅层工程二维地震勘探；单车多履带地震传感器阵列装置并联图9-3可用人力、电动或小型动力车驱动，用于工程结构、浅层工程三维地震勘探；单车多履带地震传感器阵列装置串联图9-2可用于中、浅层地质、工程和矿产资源二维地震勘探；单车多履带地震传感器阵列装置串联加并联图9-4可用于中、浅层地质、工程和矿产资源三维地震勘探；多车串联纵测线系统图9-5，其中每辆单车拖曳多履带串联或多履带串联加并联，用于完成中、深层地质、矿产资源和油气田二维纵测线或宽带纵测线地震勘探；多车并联面积阵列系统图9-6和多车并联加串联面积阵列图9-7，用于完成中、深层地质、矿产资源和油气田三维地震勘探；

[0063] 如图10所示传感器位置当前坐标确定方式示意图。由GPS定位系统计算履带参考点27的当前坐标值，再由触地传感器相应的ID编号29及滑动时间确定传感器的坐标位置；另一方面，两个相邻地震传感器之间的距离为道间距，由履带地震传感器相应的ID编号29及履带1转动圈数即可确定传感器相对起测点的位置。