一种微动勘探系统及其施工方法与流程

1.本发明涉及地震微动勘探技术领域，具体是一种微动勘探系统及其施工方法。


背景技术：

2.微动勘探是将自然界中的潮汐、风等自然现象以及来自于人类活动所产生的各种震动作为震源，利用台阵观测系统记录这些微弱振动，再利用数据处理方法从微动数据中提取瑞雷波相速度频散曲线，进而反演获得地层横波速度结构信息。
3.目前市面上有一部分微动勘探设备已经具备移动通信功能，可以通过互联网中继服务器将实时数据流转发到现场外业计算终端或内业计算终端。计算终端对实时数据流进行质量控制，同时可以将实时数据流存储到本机上，在施工结束后使用微动数据处理软件对这些施工数据进行处理。
4.由于微动的能量较弱，需要通过较长的采集时间来不断叠加以得到较清晰的处理结果，根据目标深度的不同，单个台阵的采集时长从几分钟到数小时不等。为了提高施工效率，可以通过增加设备数以同时对多个台阵进行观测，而当台阵观测系统的设备数较多或有多个台阵观测同时进行时，对实时数据流进行频散谱计算等质量控制所需要的算力可能会超过现场客户终端的性能限制，而且使用现场客户终端进行实时质量控制及数据存储需要现场客户终端持续联网运行，若电量不足则无法工作。现场客户终端由于需要从中继服务器接收所有设备的实时数据流，其所需要的带宽是所有微动设备上传数据带宽的总和，在网络性能不好时会出现数据缺失，无法及时得到足够数据进行质量分析，严重影响现场数据质量控制的效率。如果使用计算力较强的内业客户终端对实时数据流进行质量控制，需要内业人员和现场人员频繁沟通现场情况及数据质量情况，也会影响现场人员的施工效率。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种微动勘探系统及其施工方法，增设服务器端，通过服务器端对微动设备端的采集数据实时进行处理，减低客户终端的计算量和性能要求。
6.本发明的技术方案为：
7.一种微动勘探系统，包括有多个微动设备端、服务器端和多个客户终端，所述的多个微动设备端划分为多个台阵，多个客户终端、每个台阵内的多个微动设备端均与服务器端连接；
8.每个微动设备端均包括有数据采集微控制器，分别与数据采集微控制器连接的数据采集模块、数据缓存模块、设备端通信模块和定位导航模块，以及与数据采集模块连接的传感器模块；所述的传感器模块用于感应地面震动信号，数据采集模块用于将传感器模块感应的地面震动信号进行集中采集并传输给数据采集微控制器，数据缓存模块用于缓存采集的地面震动信号，设备端通信模块将数据采集微控制器打包的采样数据包发送给服务器
端并接收服务器端的控制命令；
9.所述的服务器端包括有主控模块，分别与主控模块连接的服务器端通信模块、数据存储模块和多个数据处理模块；所述的服务器端通信模块和微动设备端的设备端通信模块建立通讯连接获取采样数据包，主控模块从服务器端通信模块获取采样数据包并同时发送给数据存储模块进行存储，每个数据处理模块分别处理对应一个台阵内的采样数据包；
10.所述的客户终端包括有施工控制模块，分别与施工控制模块连接的客户终端通信模块和结果展示模块；所述的施工控制模块用于设置施工参数，所述的客户终端通信模块与服务器端的服务器端通信模块建立通讯连接，用于获取微动设备状态列表并发送给施工控制模块，同时施工控制模块将设置的施工参数通过客户终端通信模块发送到服务器端通信模块，所述的结果展示模块用于展示服务器端发送过来的数据处理进度或处理结果。
11.所述的微动设备端均的定位导航模块选用gnss模块，用于在启动采集的时候确认当前时间，在采集过程中根据秒脉冲信号不断修正本地时钟的频偏。
12.所述的设备端通信模块和客户终端通信模块均为4g通讯模块，所述的服务器端通信模块为以太网无线通讯模块。
13.一种微动勘探系统的施工方法，具体包括有以下步骤：
14.(1)、微动设备端的设备端通信模块与服务器端的服务器端通信模块建立tcp连接，微动设备端的数据采集微控制器控制数据采集模块开始工作，传感器模块用于感应地面震动并产生模拟电压信号，数据采集模块用于将传感器模块输出的模拟电压信号量化为数字信号，数据采集微控制器将数据采集模块产生的数字信号打包为数据包，数据包中填入微动设备端的当前状态信息后通过tcp连接发送给服务器端；
15.(2)、服务器端的服务器端通信模块接收微动设备端上传的数据包，主控模块提取数据包中的当前状态信息以更新设备状态列表，然后将数据包发送给数据存储模块进行存储；
16.(3)、客户终端的客户终端通信模块与服务器端的服务器端通信模块建立tcp连接，获取设备状态列表并在施工控制模块中进行显示，施工人员在施工控制模块中设置施工参数，然后施工参数通过tcp连接发送到服务器端；
17.(4)、服务器端的主控模块获取施工参数，根据施工参数开始执行施工流程，主控模块根据施工流程从数据存储模块获取所需的数据包，并等待数据处理模块发送数据处理请求；
18.(5)、多个数据处理模块均定时向主控模块发送当前处理进度或数据处理请求，主控模块将待处理的数据及对应施工参数发送给某一数据处理模块进行处理；
19.(6)、服务器端进行施工及实时数据处理，数据处理模块定时将数据处理进度或处理结果发送给主控模块，主控模块通过tcp连接发送到客户终端，最后数据处理进度或处理结果于结果展示模块中显示；
20.(7)、施工完成后，客户终端对多个台阵的数据最终处理结果进行插值，得到测线的深度速度剖面。
21.所述的数据包由头段和数据段组成，头段中包括设备编号、采样率、前放增益、数据包起始时间和设备电量信息，数据段为连续的采样点数值。
22.所述的施工控制模块中设置的施工参数包括施工起始时间，施工结束时间，台阵
编号，各台阵内的微动设备编号、坐标、频散计算参数和频散拾取参数。
23.所述的步骤(5)中，主控模块根据负载均衡策略将待处理的数据及对应参数发送给某一数据处理模块进行处理，即当有多个数据处理模块处于空闲状态，主控模块则随机选取其中一个数据处理模块进行数据包的处理，若所有数据处理模块均处于正在处理状态，则按距上一次分配处理任务给数据处理模块的时间排序，将处理任务发送到距离上次处理任务时间最久的数据处理模块。
24.所述的步骤(6)中，服务器端进行施工及实时数据处理的流程为：
25.(a)、主控模块根据施工参数中的施工起始时间、施工结束时间确定数据处理时间段，根据施工参数中的各台阵所包括的台阵编号、微动设备编号及施工起始时间确定本次施工的施工编号；其中，施工起始时间和施工结束时间之间根据确定的数据处理时间段被划分为多段；
26.(b)、数据存储模块将数据包保存到数据库中，主控模块定时查询台阵内所有微动设备端是否满足当前数据处理时间段的数据要求，否则需等到此数据处理时间段数据接收超时；
27.(c)、主控模块根据各台阵内的微动设备编号从数据库中读取在当前数据处理时间段范围内的各微动设备端的采样数据，对齐到数据处理时间段，数据空缺的部分填充0值；
28.(d)、每个数据处理模块根据各台阵内的微动设备坐标、频散分析参数，对各台阵内微动设备端的采样数据进行预处理计算，将本数据处理时间段的预处理结果叠加到本台阵的预处理结果中，使用本台阵的预处理结果进行频散谱计算，得到频散谱数据；
29.(e)、数据处理模块在频散谱伪彩色图上按施工参数中的频散拾取参数，使用频散拾取算法在频散谱伪彩色图上查找各个频率上误差最小值所对应的速度，得到一系列频率-速度点，即频散曲线，最后主控模块通过tcp连接将各台阵的频散谱伪彩色图、频散曲线发送到客户终端的结果展示模块进行显示；
30.(f)、主控模块根据数据处理时间段的时长，将当前数据处理时间段的起始时间和结束时间加上数据处理时间段的时长，如果当前数据处理时间段的起始时间超过施工参数中的施工结束时间，则结束本次施工，否则继续步骤(b)。
31.所述的频散谱数据为二维数组，二维数组的行和列对应频率和速度序列，二维数组的值代表在此频率和速度下的误差值。
32.所述的频散拾取算法为：根据频散分析参数中的起始频率f1、结束频率f2，得到中间频率范围f3至f4，其中f4-f3＝＝(f2-f1)/10且f2-f4＝＝f3-f1；在频散谱中对应f3至f4的频率范围内查找误差最小值对应的速度，剔除其中的奇异值后取中间值，得到初始速度v0及对应的频率f0；在f0至f1、f0至f2范围内分别查找误差最小值对应的速度，查找顺序查找范围为v1-w至v1 w，其中，v1为上一频率点查找到的速度，w为设定的速度范围。
33.本发明的优点：
34.每个台阵内微动设备端的采集时长通常为几十分钟，为了在施工的过程中对采集数据进行实时处理以便分析数据质量，需要将实时数据缓存下来，然后每隔一段时间(约几十秒)对这一时间段的缓存数据进行处理，同时将这一时间段的处理结果与本次施工开始后所有已处理的时间段结果进行叠加，得到实时的面波频散谱图。随着叠加次数的增加，频
散谱的清晰度会不断提高，提取的频散曲线也会更精准。本发明在施工的过程中，采用服务器端进行实时处理，可以在现场客户终端即可得到已经完成的测线的速度剖面结果，减少施工结束后数据整理和处理的工作量。
35.综上所述，本发明通过在服务器上对微动设备端的采集数据实时进行处理，现场客户终端不需要进行耗时的实时数据质量分析运算，可以降低对现场客户终端的性能要求。同时现场客户终端不需要接收原始的采集数据，只需要接收处理结果，可以降低现场客户终端的下行数据流量，提高现场客户终端的网络稳定性，由于计算量及通信流量的下降，现场客户终端的续航能力也大大提升。施工处理数据保存在服务器端上，可以更方便的共享原始施工数据，多个现场客户终端可以同时接收处理结果，更方便的共享施工结果。
附图说明
36.图1是本发明微动勘探系统的结构框图。
37.图2是本发明微动设备端的结构框图。
38.图3是本发明服务器端的结构框图。
39.图4是本发明客户终端的结构框图。
40.附图标记，1-微动设备端，2-服务器端，3-客户终端，4-台阵，11-数据采集微控制器，12-数据采集模块，13-数据缓存模块，14-设备端通信模块，15-gnss模块，16-传感器模块，21-主控模块，22-服务器端通信模块，23-数据存储模块，24-数据处理模块，31-施工控制模块，32-客户终端通信模块，33-结果展示模块。
具体实施方式
41.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。
42.见图1，一种微动勘探系统，包括有多个微动设备端1、服务器端2和多个客户终端3，多个微动设备端1划分为多个台阵4，多个客户终端3、每个台阵4内的多个微动设备端1均与服务器端2连接；
43.见图2，每个微动设备端1均包括有数据采集微控制器11，分别与数据采集微控制器11连接的数据采集模块12、数据缓存模块13、设备端通信模块14和gnss模块15，以及与数据采集模块12连接的传感器模块16；传感器模块16用于感应地面震动并产生模拟电压信号，数据采集模块12用于将传感器模块16输出的模拟电压信号量化为数字信号并集中传输给数据采集微控制器11，数据缓存模块13用于缓存采集的地面震动信号，设备端通信模块14将数据采集微控制器11打包的采样数据包发送给服务器端2并接收服务器端2的控制命令，gnss模块15用于在启动采集的时候确认当前时间，在采集过程中根据秒脉冲信号不断修正本地时钟的频偏；
44.见图3，服务器端2包括有主控模块21，分别与主控模块21连接的服务器端通信模块22、数据存储模块23和多个数据处理模块24；服务器端通信模块22和微动设备端的设备端通信模块14建立通讯连接获取采样数据包，主控模块21从服务器端通信模块22获取采样
数据包并同时发送给数据存储模块23进行存储，每个数据处理模块24分别处理对应一个台阵4内的采样数据包；
45.见图4，客户终端3包括有施工控制模块31，分别与施工控制模块31连接的客户终端通信模块32和结果展示模块33；施工控制模块31用于设置施工参数，客户终端通信模块32与服务器端的服务器端通信模块22建立通讯连接，用于获取微动设备状态列表并发送给施工控制模块31，同时施工控制模块31将设置的施工参数通过客户终端通信模块32发送到服务器端通信模块22，结果展示模块33用于展示服务器端发送过来的数据处理进度或处理结果。
46.其中，设备端通信模块14和客户终端通信模块32均为4g通讯模块，服务器端通信模块22为以太网无线通讯模块。
47.一种微动勘探系统的施工方法，具体包括有以下步骤：
48.(1)、微动设备端的设备端通信模块14与服务器端的服务器端通信模块22建立tcp连接，微动设备端的数据采集微控制器11控制数据采集模块12开始工作，传感器模块16用于感应地面震动并产生模拟电压信号，数据采集模块12用于将传感器模块输出的模拟电压信号量化为数字信号，数据采集微控制器11将数据采集模块产生的数字信号打包为数据包，数据包由头段和数据段组成，头段中包括设备编号、采样率、前放增益、数据包起始时间和设备电量信息，数据段为连续的采样点数值，数据包中填入微动设备端的当前状态信息后通过tcp连接发送给服务器端2；
49.(2)、服务器端的服务器端通信模块22接收微动设备端1上传的数据包，主控模块21提取数据包中的当前状态信息以更新设备状态列表，然后将数据包发送给数据存储模块23进行存储；
50.(3)、客户终端的客户终端通信模块32与服务器端的服务器端通信模块22建立tcp连接，获取设备状态列表并在施工控制模块31中进行显示，施工人员在施工控制模块31中设置施工参数(施工起始时间，施工结束时间，台阵编号，各台阵内的微动设备编号、坐标、频散计算参数和频散拾取参数)，然后施工参数通过tcp连接发送到服务器端2；
51.(4)、服务器端的主控模块21获取施工参数，根据施工参数开始执行施工流程，主控模块21根据施工流程从数据存储模块23获取所需的数据包，并等待数据处理模块24发送数据处理请求；
52.(5)、多个数据处理模块24均定时向主控模块21发送当前处理进度或数据处理请求，主控模块21根据负载均衡策略将待处理的数据及对应参数发送给某一数据处理模块24进行处理，即当有多个数据处理模块24处于空闲状态，主控模块21则随机选取其中一个数据处理模块24进行数据包的处理，若所有数据处理模块24均处于正在处理状态，则按距上一次分配处理任务给数据处理模块24的时间排序，将处理任务发送到距离上次处理任务时间最久的数据处理模块24；
53.(6)、服务器端2进行施工及实时数据处理，数据处理模块24定时将数据处理进度或处理结果发送给主控模块21，主控模块21通过tcp连接发送到客户终端3，最后数据处理进度或处理结果于结果展示模块33中显示；
54.(7)、施工完成后，客户终端3对多个台阵4的数据最终处理结果进行插值，得到测线的深度速度剖面。
55.步骤(6)中，服务器端2进行施工及实时数据处理的流程为：
56.(a)、主控模块21根据施工参数中的施工起始时间、施工结束时间确定数据处理时间段，根据施工参数中的各台阵4所包括的台阵编号、微动设备编号及施工起始时间确定本次施工的施工编号，施工编号用于区分不同台阵的施工数据和结果，在向客户终端发送处理结果时需要附带此结果对应的施工编号；
57.由于数据包是顺序上传的，服务端接收到的某个微动设备端最后一个数据包的时间(数据包头段中的数据包起始时间)，即此微动设备端的最新数据时间，若所有微动设备端的最新数据时间均大于数据处理时间段的结束时间，或者当所有微动设备端最新数据时间的最大值减去数据处理时间段的结束时间超过15秒，则认为此数据处理时间段的数据满足要求然后进行下一个时间段是否满足数据要求的判断；
58.(b)、数据存储模块23将数据包保存到数据库中，主控模块21定时查询台阵4内所有微动设备端1是否满足当前数据处理时间段的数据要求，否则需等到此数据处理时间段数据接收超时；
59.(c)、主控模块21根据各台阵4内的微动设备编号从数据库中读取在当前数据处理时间段范围内的各微动设备端的采样数据，对齐到数据处理时间段，数据空缺的部分填充0值；
60.(d)、每个数据处理模块24根据各台阵4内的微动设备坐标、频散分析参数，对各台阵4内微动设备端1的采样数据进行预处理计算，将本数据处理时间段的预处理结果叠加到本台阵的预处理结果中，使用本台阵4的预处理结果进行频散谱计算，得到频散谱数据，频散谱数据为二维数组，二维数组的行和列对应频率和速度序列，二维数组的值代表在此频率和速度下的误差值；
61.(e)、数据处理模块24在频散谱伪彩色图上按施工参数中的频散拾取参数，使用频散拾取算法在频散谱伪彩色图上查找各个频率上误差最小值所对应的速度，得到一系列频率-速度点，即频散曲线，最后主控模块21通过tcp连接将各台阵4的频散谱伪彩色图、频散曲线发送到客户终端3的结果展示模块33进行显示；其中，频散拾取算法为：根据频散分析参数中的起始频率f1、结束频率f2，得到中间频率范围f3至f4，其中f4-f3＝＝(f2-f1)/10且f2-f4＝＝f3-f1；在频散谱中对应f3至f4的频率范围内查找误差最小值对应的速度，剔除其中的奇异值后取中间值，得到初始速度v0及对应的频率f0；在f0至f1、f0至f2范围内分别查找误差最小值对应的速度，查找顺序查找范围为v1-w至v1 w，其中，v1为上一频率点查找到的速度，w为设定的速度范围；
62.(f)、主控模块21根据数据处理时间段的时长，将当前数据处理时间段的起始时间和结束时间加上数据处理时间段的时长，如果当前数据处理时间段的起始时间超过施工参数中的施工结束时间，则结束本次施工，否则继续步骤(b)。
63.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。