一种用于检测海底地震的数据采集装置和数据采集方法与流程

1.本发明涉及自动化检测技术领域，尤其涉及的是一种用于检测海底地震的数据采集装置和数据采集方法。


背景技术：

2.海底地震常引起海啸，造成严重的次生灾害，危及人类生命和财产安全。全世界每年发生6级以上地震至少上百次，大部分都发生在海底。陆地上的地震监测站，虽然也可测得到外海地震，但时间较长，为了实时监测海底地震发生的信息，为地震预报，研制海底地震数据采集设备是必要的。但是现有技术中海底地震检测设备存在在海底工作时间有限的缺点，并且无法同时适用于人工激发地震的观测和天然地震的观测。
3.因此，现有技术还有待改进和发展。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于检测海底地震的数据采集装置和数据采集方法，旨在解决现有技术中海底地震检测设备存在在海底工作时间有限的缺点，并且无法同时适用于人工激发地震的观测和天然地震的观测的问题。
5.本发明解决问题所采用的技术方案如下：
6.第一方面，本发明实施例提供一种用于检测海底地震的数据采集装置，其中，所述装置包括：地震信号处理模块，用于将采集的海底地震模拟信号经过模数转换，然后通过现场可编程门阵列对模数转换后的数字信号进行信号处理，得到目标地震信号；
7.数据存储模块，用于将所述目标地震信号存储；
8.系统时钟模块，用于为所述现场可编程门阵列提供时间信息；
9.数据传输模块，用于将所述数据存储模块中存储的所述目标地震信号传输至智能终端；
10.电源管理模块，用于将电池电压转换为数据采集装置使用的电压；
11.其中，所述数据采集装置中的元器件均采用低功耗器件。
12.在一种实现方式中，所述地震信号处理模块包括传感器、差分放大器、差分转单端电路、滤波器、单端转差分电路、模数转换器和现场可编程门阵列，且所述传感器、所述差分放大器、所述差分转单端电路、所述滤波器、所述单端转差分电路、所述模数转换器和所述现场可编程门阵列电路连接。
13.在一种实现方式中，所述传感器包括三轴地震检波器和水听器，且所述三轴地震检波器和所述水听器通讯连接。
14.在一种实现方式中，所述差分放大器采用两级放大。
15.在一种实现方式中，所述滤波器为带通滤波器。
16.在一种实现方式中，所述数据存储模块包括所述现场可编程门阵列中的先进先出
存储器和sd卡，且所述先进先出存储器和所述sd卡通讯连接。
17.在一种实现方式中，所述系统时钟模块包括gps时钟、时钟输入输出接口和原子钟模块，且所述gps时钟、所述时钟输入输出接口和所述原子钟模块电路连接。
18.在一种实现方式中，所述数据传输模块包括微控制器和以太网控制器，且所述微控制器和所述以太网控制器通讯连接。
19.在一种实现方式中，所述电源管理模块包括若干电池、电压转换模块，且若干所述电池通过电路与所述电压转换模块连接。
20.第二方面，本发明实施例还提供一种用于检测海底地震的数据采集装置的数据采集方法，其中，所述方法包括：
21.通过传感器采集海底地震模拟信号；
22.根据所述海底地震模拟信号，得到目标地震信号；
23.将所述目标地震信号进行存储。
24.在一种实现方式中，所述根据所述海底地震模拟信号，得到目标地震信号包括：
25.将所述海底地震模拟信号进行模数转换，得到海底地震数字信号；
26.对所述海底地震数字信号进行信号处理，得到目标地震信号。
27.第三方面，本发明实施例还提供一种智能终端，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于执行如上述任意一项所述的用于检测海底地震的数据采集装置的数据采集方法方法。
28.第四方面，本发明实施例还提供一种非临时性计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行如上述中任意一项所述的用于检测海底地震的数据采集装置的数据采集方法方法。
29.本发明的有益效果：本发明实施例装置包括：地震信号处理模块，用于将采集的海底地震模拟信号经过模数转换，然后通过现场可编程门阵列对模数转换后的数字信号进行信号处理，得到目标地震信号；数据存储模块，用于将所述目标地震信号存储；系统时钟模块，用于为所述现场可编程门阵列提供时间信息；数据传输模块，用于将所述数据存储模块中存储的所述目标地震信号传输至智能终端；电源管理模块，用于将电池电压转换为数据采集装置使用的电压；可见，本发明实施例中的数据采集装置整机耗电量低，可以在海底长时间工作，并且可用于检测人工激发地震和天然地震。
附图说明
30.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中记载的一些实施例，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。
31.图1为本发明实施例提供的用于检测海底地震的数据采集装置流程示意图。
32.图2为本发明实施例提供的一种实现方式的海底地震数据采集装置示意图。
33.图3为本发明实施例提供的一种实现方式的数据采集控制电路流程示意图。
34.图4为本发明实施例提供的一种实现方式的放大电路示意图。
35.图5为本发明实施例提供的一种实现方式的带通滤波电路结构图。
36.图6为本发明实施例提供的数据传输与下载结构示意图。
37.图7为本发明实施例提供的一种实现方式的电源管理示意图。
38.图8为本发明实施例提供的用于检测海底地震的数据采集装置的数据采集方法的原理框图。
39.图9为本发明实施例提供的智能终端的内部结构原理框图。
具体实施方式
40.本发明公开了一种用于检测海底地震的数据采集装置和数据采集方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
41.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
42.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
43.由于现有技术中，海底地震仪obs(ocean bottom seismometer)主要用于海底天然地震的观测，对于人工激发地震的观测，仅限于仪器的研制和试验性观测，且obs大都体积和重量大、设备昂贵、工作效率低，投放过程容易受海流等因素影响，还无法在大面积、高密度的地震勘探中推广应用。
44.近年来，海底地震节点obn(ocean bottom node)逐渐成为海上油气勘探的主流地震数据采集设备，业务发展前景巨大，年增长率保持在20％左右，尤其在油藏监测领域。壳牌、雪佛龙、道达尔以及中国石油东方地球物理公司等国际上大型的油气公司纷纷开展了obn技术和装备的研发及应用试验工作。obn作为一种可对多个分量独立采样、本地存储的地震数据采集单元，各个节点之间无数据传输，无需电缆连接，其作业方法是将obn通过水下机器人直接布放在海底采集数据，数据采集完成后，回收obn，进行数据下载处理和数据分析，具有易操作、回收方便，安全风险相对较小的特点，是海洋油气勘探的重要发展趋势，但obn尚未推广应用于天然地震的观测。
45.在已有海底地震数据采集装置/设备的文献和专利中，仍存在一些不足：(1)从能耗方面来看，现有海底地震数据采集装置/设备整机耗电量高，在海底工作时间有限，导致采集的数据量有限，难以满足地震采集成像质量要求。(2)从应用方面来看，现有的海底地震数据采集装置/设备，仅适用于人工激发地震的观测或者是天然地震的观测。
46.为了解决现有技术的问题，本实施例提供了一种用于检测海底地震的数据采集装置和数据采集方法，由于本发明中的数据采集装置的元器件均采用低功耗，故整机耗电量低，可以在海底长时间工作，并且通过修改硬件参数可用于检测人工激发地震以及天然地震。
47.示例性设备
48.如图1中所示，本发明实施例提供一种用于检测海底地震的数据采集装置，该装置包括：地震信号处理模块，用于将采集的海底地震模拟信号经过模数转换，然后通过现场可编程门阵列对模数转换后的数字信号进行信号处理，得到目标地震信号；数据存储模块，用于将所述目标地震信号存储；系统时钟模块，用于为所述现场可编程门阵列提供时间信息；数据传输模块，用于将所述数据存储模块中存储的所述目标地震信号传输至智能终端；电源管理模块，用于将电池电压转换为数据采集装置使用的电压；其中，所述数据采集装置中的元器件均采用低功耗器件。
49.在本实施例中，用于检测海底地震的数据采集装置，不受地震调查船的设备配置和电缆连接等的限制，通过海底机器人投放和回收，自主式的进行数据采集和记录，外部结构包括耐压舱体，舱体采用钛合金外壳，上下法兰，封装方式采用端面方型圈密封方式，水听器采用保护罩安装于舱体上，通过防水航空接头从舱体引出数据传输等对外接口；内部结构包括电池单元、三轴地震检波器(由紧固件固定于舱体内部，保证与海底表面有效耦合)、数据采集控制电路板，具体如图2所示，其中，数据采集控制电路板中的数据采集控制电路基于stm32和fpga的硬件主控架构，由地震信号处理模块、数据存储模块、电源管理模块、系统时钟模块、数据传输模块几个部分构成，如图3所示。由于所述数据采集装置中的元器件均采用低功耗器件，并且数据采集装置的硬件结构简单，板载元器件较少。这样，装置耗电量低，可以保证数据采集装置在海底较长时间连续工作，在满足使用要求的情况下，可以降低电池组数量，减少装置体积和重量，便于海底机器人投放和回收。由于数据采集装置进行了密封处理，并且，图3中sd卡数据线接口和poe网口的通讯线缆由图2中对外接口处通过防水航空接头引出，这样，数据采集装置回收后，数据传输与下载无需打开外壳。
50.在一种实施方式中，所述地震信号处理模块包括传感器、差分放大器、差分转单端电路、滤波器、单端转差分电路、模数转换器和现场可编程门阵列，且所述传感器、所述差分放大器、所述差分转单端电路、所述滤波器、所述单端转差分电路、所述模数转换器和所述现场可编程门阵列电路连接。地震信号处理模块，用于将采集的海底地震模拟信号经过模数转换，然后通过现场可编程门阵列对模数转换后的数字信号进行信号处理，得到目标地震信号。在本实施例中，传感器检测到海底地震模拟信息后，由于传感器检测到的信号是差分的，在进滤波器之前要将该信号转换为单端的，故由传感器检测的海底地震模拟信息，经差分放大器、差分转单端电路、滤波器、单端转差分电路处理后，通过a/d(analog to digital)转换器，将模拟信号转换成数字信号供fpga(field programmable gate array，现场可编程门阵列)进行信号处理。传感器为三轴地震检波器和水听器，其中，三轴地震检波器(动态范围：108db,带宽：0～550hz，噪声：0.7μgrms/√hz)，水听器(工作频率：1hz～100khz，接收的灵敏度：-200db
±
3db)。差分放大器为亚德诺半导体公司(adi公司)的低功耗(工作时约为3ma)、低噪声(4.5nv/√hz)芯片ad8338，采用两级放大的形式，第一级放大增益设置为1000，第二级放大增益设置为100，如图4所示。差分转单端电路，采用adi公司的
低功耗芯片ad8226(工作时约为350μa)，将放大后的差分信号转换为单端信号，便于设计合适的滤波器。滤波器为带通滤波器，采用adi公司的低功耗放大器芯片ad8608(工作时约2ma)。在一种实现方式中，以观测人工激发的地震为例，通带范围5hz～200hz，截止频率为200hz，分为六个阶段，如图5所示。阶段a为一阶低通滤波，阶段b为二阶低通滤波，阶段c为二阶低通滤波，阶段d为一阶高通滤波，阶段e为二阶高通滤波，阶段f为二阶高通滤波。在另一种实现方式中，以观测天然地震为例，频带范围为0～100hz的天然地震，硬件结构不变，通过适当调整差分放大器增益，改变带通滤波器部分电阻、电容的参数，使之与其相对应的频带相匹配，同时将天然地震和人工激发地震的交叉频段通过软件算法处理进行处理，这样就可以通过本数据采集装置观测天然地震。单端转差分电路，采用adi公司的低功耗芯片ada4940-2(工作时约为1.25ma)。a/d转换器，采用德州仪器(ti公司)高精度(thd：-122db)、高分辨率(snr：130db)、低功耗(18mw)、低噪声(5nv/√hz)的芯片ads1283，设置连续采样速率为1ksps。地震信号经a/d转换后，送至fpga处理，选取莱迪思半导体有限公司(lattice公司)的低功耗fpga芯片ice40hx8k(静态功耗仅为1.14ma)为控制芯片。这样，通过修改参数的方式用于观测天然地震以及观测人工激发的地震，降低了设备开发和维护成本。
51.在一种实施方式中，所述数据存储模块包括所述现场可编程门阵列中的先进先出存储器和sd卡，且所述先进先出存储器和所述sd卡通讯连接。在本实施例中，数据存储模块，用于将所述目标地震信号存储；现场可编程门阵列也即fpga，先进先出存储器为fifo存储器。具体地，为了保证1ksps的连续采样速率，由fpga内部的高速fifo(first in first out)存储器缓存经a/d转换后经fpga进行信号处理后的目标地震信号，然后fpga将fifo存储器中的数据存储到64g的sd(secure digital)卡。
52.在一种实现方式中，所述系统时钟模块包括gps时钟、时钟输入输出接口和原子钟模块，且所述gps时钟、所述时钟输入输出接口和所述原子钟模块电路连接。在本实施例中，所述系统时钟模块，用于为所述现场可编程门阵列提供时间信息；在将数据采集装置布放海底之前，事先由外部gps时钟将时钟信号通过时钟输入/输出接口驯服与校准，由于要求精度高，一般是1ms/60天，需要通过外部较复杂的装置和算法校准。原子钟模块，投放到海底后，原子钟模块用于给fpga授时，提供时间信息。原子钟模块选用微芯公司(microchip公司)高精度的sa.45s(4.0x10-10/s)，功耗小于120mw，可通过时钟输入/输出接口输出秒脉冲1pps信号，用于其他数据采集装置的原子钟模块的驯服与校准。
53.在一种实现方式中，所述数据传输模块包括微控制器和以太网控制器，且所述微控制器和所述以太网控制器通讯连接。本实施例中，所述数据传输模块用于将所述数据存储模块中存储的所述目标地震信号传输至智能终端；微控制器为stm32，stm32通过内部fsmc(flexible static memory controller，可变静态存储控制器)与fpga建立通讯连接，fpga读取sd卡中的数据传递给stm32，stm32控制以太网控制器，经poe(power over ethernet)网口将数据传输与下载到上位机(如电脑)。以太网控制器选择ti公司的低功耗芯片dp83822，设置数据传输速率10mbps，poe网口除了提供以太网接口外，还可提供12v的直流电压接口。在数据采集装置从海底回收后，对于单个数据采集装置，在进行数据读取时，读卡器内部可引出3.3v信号，将读卡器接入sd卡数据线接口，连接fpga，控制fpag关断装置地震信号采集和数据存储，使得数据读取过程耗电量很小，基本为静态功耗，此时，上位机(如电脑)经读卡器读取sd卡中的数据；对于多个数据采集装置，读卡器带载能量有限，
并且由于布线长而复杂，影响通讯速率且容易误码和丢包，将每个数据采集装置的poe网口通过网线接入poe交换机，由上位机(如电脑)通过poe交换机批量读取采集装置sd卡中的目标地震信号，如图6所示。在一种实现方式中，poe交换机通过poe网口给装置提供12v的直流电压，经dc/dc电路得到3.3v电压，供整个装置使用；12v直流电压经电阻分压网络得到3.3v，唤醒数据传输部分，同时经电池充电电路给电池充电，使得整个数据读取过程不消耗电池电量，还可以给电池充电。电池充电电路，采用adi公司充电管理芯片lt3652。
54.在一种实现方式中，所述电源管理模块包括若干电池、电压转换模块，且若干所述电池通过电路与所述电压转换模块连接。实际中，电源管理模块用于将电池电压转换为数据采集装置使用的电压。电池使用可充电的锂电池(单节电压为3.7v～4.1v)，采用多节并联的形式，如果空间允许，可根据实际选取电池数量。dc/dc(direct current to direct current)电路，利用ti公司的低功耗芯片tps62142(静态功耗30ua)将电池的电压降到3.3v，供系统使用。在另一种实现方式中，通过ti公司的低功耗芯片tlv62585(静态功耗35ua)将3.3v电压降压到1.2v，以提供fpga使用，如图7所示。
55.示例性方法
56.本实施例提供用于检测海底地震的数据采集装置的数据采集方法，该方法可以应用于自动化检测的智能终端。具体如图8所示，所述方法包括：
57.步骤s100、通过传感器采集海底地震模拟信号；
58.步骤s200、根据所述海底地震模拟信号，得到目标地震信号；
59.步骤s300、将所述目标地震信号进行存储。
60.具体地，先将数据采集装置上电后密封，然后投放到海底，通过软件对系统进行初始化后，通过可变静态存储控制器(fsmc)控制微控制器stm32，使fpga的数据传输部分处于休眠状态，然后通过传感器采集海底地震模拟信号，将所述海底地震模拟信号进行模数转换，得到海底地震数字信号；对所述海底地震数字信号进行信号处理，得到目标地震信号，然后将目标地震信号进行存储。与此同时，定时查询sd卡数据线接口与fpga相连引脚及电阻分压网络与stm32相连引脚的状态，以此来判断是否停止采样和数据存储、是否唤醒stm32。也即，采用有效的软件控制策略，在不影响功能的情况下，让部分模块休眠，需要使用时再唤醒。在本实施例中，当数据采集装置在采集和存储时，只有数据传输部分需要休眠，其他暂时没工作的电路，如电池充电电路，都是处于静态模式(也即休眠状态)，只是芯片和器件本身耗电，由于数据采集装置采用低功耗芯片，这部分就耗电很小，可忽略不计。因此，数据传输部分在数据采集装置上电后就处于休眠状态，在需要数据传输时再唤醒，这样就有效的降低了整个数据采集装置的功耗。
61.本发明包括以下两个关键技术点：
62.一、低功耗
63.数据采集装置投放到海底后，需要在指定点完成一定时间的地震数据连续采集，对于使用电池供电，且在海底无法充电的情况，本发明的方案可以保证数据采集装置的低功耗。
64.二、适用于天然地震和人工激发地震的观测
65.天然地震频带范围一般在0～100hz,人工激发的地震频带范围一般在几赫兹到几百赫兹，两者存在交叉频段。本发明提出的数据采集装置，通过适当调整差分放大器增益，
改变带通滤波器部分电阻、电容的参数，使之与其相对应的频带相匹配，同时更改软件配置，即可用于天然地震观测或人工激发地震的观测，实现同一个装置两种用途，大大降低了开发和维护成本。
66.基于上述实施例，本发明还提供了一种智能终端，其原理框图可以如图9所示。该智能终端包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏、温度传感器。其中，该智能终端的处理器用于提供计算和控制能力。该智能终端的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该智能终端的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种用于检测海底地震的数据采集装置的数据采集方法。该智能终端的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该智能终端的温度传感器是预先在智能终端内部设置，用于检测内部设备的运行温度。
67.本领域技术人员可以理解，图9中的原理图，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的智能终端的限定，具体的智能终端可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
68.在一个实施例中，提供了一种智能终端，包括有存储器，以及一个或者一个以上的程序，其中一个或者一个以上程序存储于存储器中，且经配置以由一个或者一个以上处理器执行所述一个或者一个以上程序包含用于进行以下操作的指令：通过传感器采集海底地震模拟信号；
69.根据所述海底地震模拟信号，得到目标地震信号；
70.将所述目标地震信号进行存储。
71.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
72.综上所述，本发明公开了一种用于检测海底地震的数据采集装置和数据采集方法，装置包括：地震信号处理模块，用于将采集的海底地震模拟信号经过模数转换，然后通过现场可编程门阵列对模数转换后的数字信号进行信号处理，得到目标地震信号；数据存储模块，用于将目标地震信号存储；系统时钟模块，用于为现场可编程门阵列提供时间信息；数据传输模块，用于将数据存储模块中存储的目标地震信号传输至智能终端；电源管理模块，用于对数据采集装置中各模块的电源进行管理，其中，数据采集装置中的元器件均采用低功耗器件。本发明中的数据采集装置的元器件均采用低功耗，故整机耗电量低，可以在海底长时间工作，并且通过修改硬件参数可用于检测人工激发地震以及天然地震。
73.基于上述实施例，本发明公开了一种用于检测海底地震的数据采集装置的数据采
集方法，应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。