海底四分量节点地震数据采集系统及其数据采集方法
阅读说明：本技术 海底四分量节点地震数据采集系统及其数据采集方法 (Seabed four-component node seismic data acquisition system and data acquisition method thereof ) 是由 苟量 余刚 刘海波 徐朝红 王熙明 夏淑君 安树杰 肖梦雄 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种海底四分量节点地震数据采集系统及其数据采集方法,包括沉放到海底的水声发射源潜标,海面带有GPS或北斗信号接收天线的浮标通过内置连续光栅光纤的光电复合缆与海底水声发射源潜标相连,海底四分量节点地震仪器顶部安装有水声应答器。海面浮标将定位和授时信号通过光电复合缆传送到海底的潜标内,布放到海底的四分量节点地震仪器通过工区四周布放的海底水声发射源潜标发出的水声信号进行精确定位与授时。海面浮标内置的复合调制解调仪器和连续光栅光纤缆实时测量从海面到海底的海水温度、压力、密度、含盐饱和度等参数,用于对海底潜标发射的水声信号速度进行修正,确保海底节点地震仪器的定位和授时精度满足误差要求。(The invention relates to a seabed four-component node seismic data acquisition system and a data acquisition method thereof, which comprise an underwater sound emission source subsurface buoy sunk to the seabed, wherein a buoy with a GPS or Beidou signal receiving antenna on the sea surface is connected with the seabed underwater sound emission source subsurface buoy through a photoelectric composite cable with a built-in continuous grating optical fiber, and the top of a seabed four-component node seismic instrument is provided with an underwater sound transponder. The sea surface buoy transmits positioning and time service signals to the submarine submerged buoy through the photoelectric composite cable, and the four-component node seismic instrument arranged on the seabed carries out accurate positioning and time service through underwater acoustic signals sent by the submarine underwater acoustic emission source submerged buoy arranged around the work area. A composite modulation and demodulation instrument and a continuous grating optical fiber cable which are arranged in the sea surface buoy measure parameters such as sea water temperature, pressure, density, salt saturation and the like from the sea surface to the sea bottom in real time, and are used for correcting the speed of underwater acoustic signals transmitted by the submarine submerged buoy to ensure that the positioning and time service precision of the submarine node seismic instrument meets the error requirement.)
技术领域
本发明属于海洋地球物理勘探技术领域，涉及一种海底四分量节点地震数据采集系统及其数据采集方法。
背景技术
海洋地震勘探是利用勘探船在海洋上进行地震勘探的方法。海洋地震勘探的原理、使用的仪器，以及处理资料的方法都和陆地地震勘探基本相同。海底地震勘探技术是海上地震勘探技术的一种，同样由震源和采集仪器组成。海底地震勘探技术大都采用非炸药震源(以空气枪为主)，震源漂浮在接近海面，由海上地震勘探船拖曳；采集仪器放到海底来接收震源发出、经过海底底层反射的纵横波信号。由于海水不能传播横波，只有把检波器放到海底才可接收到横波及转换波。其特点是在水中激发，水中接收，激发，接收条件均一；可进行不停船的连续观测。检波器最初使用压电检波器，现在发展到压电与振速检波器组合使用。海底地震勘探技术又可分为海底电缆勘探技术(Ocean Bottom Cable，简称OBC)和海底节点地震仪勘探技术(Ocean Bottom Node，简称OBN)。OBC技术是将成百上千个检波器连接在海底电缆上，由专用的放线艇在定位仪的引导下将采集电缆沉放到海底(海底电缆可以是一条或多条)，海底电缆的一端连接到固定的仪器船上(仪器船要在海上抛前后锚以保证船身不转向和船位不偏移)，而由海洋地震勘探船在海面四周按设计测线放炮的方式采集海底地震数据。
目前的海底地震数据采集方式主要有两种，一种是单分量、二分量、三分量或四分量海底地震数据采集缆(OBC)沉入海底采集地震数据，另一是独立的三分量或四分量海底地震数据采集站(OBS和OBN)沉底采集地震数据，两者都使用独立的海洋地震气枪激发源在水中拖移时激发。独立的海底地震数据采集缆和海底地震数据采集站如ION、Sercel、Fairfield和OYOGeospace等公司生产销售的各种OBC、OBS和OBN。
海底节点地震仪勘探技术(OBN)是把节点地震仪器放置水下无缆供电并且不进行通讯，每个节点地震仪器自主运行，完全独立于所有其它节点，可以连续采集数据数个月。OBN的数据采集工作是两船作业－震源船和节点地震仪器布放和回收船。节点地震仪器的布设方式和间距没有约束限制，适合全方位角勘探。布设节点地震仪器时，每个节点仪器上可能会附加沿绳线或钢丝缆，可轻松回收节点地震仪器，类似渔民回收长串列蟹笼。往数千米水深的海底布设节点地震仪器时，不适用附加沿绳线或钢丝缆，一般由ROV携带节点地震仪器在海底按照设计的测点坐标布设仪器，回收时，也是由ROV下潜到海底去逐一回收深水节点地震仪器。
由于没有供电与通讯电缆与海底节点地震仪器相连接，无法对海底节点地震仪器进行实时供电或电池充电，致使仪器需要携带大量的可充电电池以保证能长时间在海底工作，增加了节点地震仪器的生产成本、体积和重量，无法对投放在海底的节点地震仪器进行定位、无法实时监测海底节点地震仪器的工作状态、无法实时传输海底节点地震仪器采集的数据(仪器只能进行盲采)、无法给在海底工作的节点地震仪器进行授时，它们只能依靠价格昂贵的原子钟芯片给仪器授时，长期在海底工作时会由于原子钟芯片的时间漂移而带来授时误差。
光纤地震检波器具有灵敏度高、频带宽、高频响应好、具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化、技术参数一致性好、性能稳定可靠、无电无源、耐腐蚀、耐高温的优势，是地震检波器技术的发展方向。光纤检波器比常规的检波器具有更高的灵敏度、更好的高频响应特性，可实现多通道、大数据量、高速传输。而且由于前端没有电子元件，使其具有更高的可靠性，耐高温高压，无需供电，防水耐腐蚀，可长期布放，抗电磁干扰，通道串扰小。
发明内容
鉴于现有的海底节点地震仪器存在的无法精准定位和原子钟价格昂贵且有授时漂移的技术问题，本发明提供了海底四分量节点地震数据采集系统及其数据采集方法，克服了现有技术无法对海底节点地震仪器在作业时的实时精准定位和精确授时，替代了价格昂贵且无法避免授时漂移的原子钟芯片。
底四分量节点地震数据采集系统，包括多个海底潜标，多个海面浮标，铠装光电复合缆，多个海底四分量节点地震数据采集仪器，海面震源船；
多个所述海底四分量节点地震数据采集仪器布设在海底地震数据采集工区内；
所述的海底潜标布设在海底地震数据采集工区四周，海底潜标与海面浮标一一对应，并且通过铠装光电复合缆连接；
所述海面震源船通过船尾拖曳的气枪震源(14)在海底地震数据采集工区的水面以下进行震源激发。
其中，海底潜标内置长基线或短基线或超短基线定位系统的水声信号发射源和可充电电池；
所述的海面浮标内置有GPS和北斗卫星信号接收天线、太阳能电池板、光电转换模块和复合调制解调仪器。
其中，所述的铠装光电复合缆内部设有线缆，外层再包裹用凯夫拉纤维编织的高强度护套或者用一层或多层不锈钢丝绞合的铠装；所述的线缆包括连续光栅光纤、单模和多模光纤、同轴电缆和双绞供电线。
其中，所述的海底四分量节点地震数据采集仪器顶部安装有水声应答器，四分量节点地震数据采集仪器为内置三分量常规检波器和压电水听器的常规四分量节点地震数据采集仪器，或光纤四分量节点地震数据采集仪器。
其中，所述的海底光纤四分量地震数据采集仪器，包括承压舱，承压舱内设有三分量光纤检波器、光纤声压水听器、三分量姿态传感器、半导体光源、内部光电转换模块、调制解调模块、前置放大与A/D转换模块、数据存储模块，可充电电池模块。
所述的海底四分量节点地震数据采集系统的数据采集方法，包括以下步骤：
(a)首先在海底地震数据采集工区四周投放四个海底潜标，铠装光电复合缆的尾端连接海底潜标，首端连接海面浮标；
(b)将海底四分量节点地震数据采集仪器按照预先设计好的测网坐标用绳索或钢缆或ROV投放到海底地震数据采集工区的海底；
(c)启动海底潜标和海面浮标内的仪器，将海面浮标内GPS或北斗卫星信号接收天线接收到的定位和授时信号通过光电复合缆发送给海底潜标；
(d)海底潜标通过水声信号发射源将定位和授时信号向海底四分量节点地震数据采集仪器周围的水域中发射；
(e)每个海底四分量节点地震数据采集仪器顶部安装的水声应答器分别接收来自海底潜标发射的定位和授时信号，对其自身进行精准定位和不间断的实时授时；
(f)铠装光电复合缆内的各种光纤与海面浮标内的复合调制解调仪器相连接，实时不间断的测量沿铠装光电复合缆从海面到海底潜标位置的水温、压力、密度、海水的含盐饱和度；
(g)利用所有铠装光电复合缆测量的从海面到海底潜标位置的水温、压力、密度、海水的含盐饱和度数据，插值计算出全测量工区水体内实时的三维水温、压力、密度、海水的含盐饱和度数值；
(h)根据每个海底四分量节点地震数据采集仪器自身的精准定位的位置与每个海底潜标之间的水声传播的轨迹连线，利用步骤(g)计算出海底地震数据采集工区水体内实时的三维水温、压力、密度、海水的含盐饱和度数值，对每条从海底潜标到每个海底四分量节点地震数据采集仪器之间的水声传播轨迹进行水声速度的实时校正；
(i)用每条从海底潜标到每个海底四分量节点地震数据采集仪器之间的水声传播轨迹进行的水声速度的实时校正量对每个海底四分量节点地震数据采集仪器的定位和授时数据进行实时校正，确保每个海底四分量节点地震数据采集仪器的定位和授时精度满足该测量工区内的测量误差要求。
光纤地震检波器具有灵敏度高、频带宽、高频响应好、具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化、技术参数一致性好、性能稳定可靠、无电无源、耐腐蚀、耐高温的优势，是地震检波器技术的发展方向。光纤检波器比常规的检波器具有更高的灵敏度、更好的高频响应特性，可实现多通道、大数据量、高速传输。而且由于前端没有电子元件，使其具有更高的可靠性，耐高温高压，无需供电，防水耐腐蚀，可长期布放，抗电磁干扰，通道串扰小。
本发明的海底四分量节点地震数据采集系统及其数据采集方法，其光纤传感器具有灵敏度高、频带宽、高频响应好、具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化、技术参数一致性好、性能稳定可靠、无电无源、耐腐蚀、耐高温的优势，是地震检波器技术的发展方向。光纤检波器比常规的检波器具有更高的灵敏度、更好的高频响应特性，可实现多通道、大数据量、高速传输。而且由于前端没有电子元件，使其具有更高的可靠性，耐高温高压，无需供电，防水耐腐蚀，可长期布放，抗电磁干扰，通道串扰小。可以克服常规电子检波器和压电水听器灵敏度低、动态范围小、信号频带有限以及功耗较大的缺陷。
附图说明
图1是本发明采集系统布设示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明的基于水声信号定位授时的海底四分量节点地震数据采集系统进行更详细的说明和描述。附图给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
图1是本发明的海底四分量节点地震数据采集系统布设示意图，包括海底潜标1，海面浮标4，铠装光电复合缆10，海底四分量节点地震数据采集仪器11，海面震源船13；
多个所述海底四分量节点地震数据采集仪器11按照预先设计的测量网格布设在海底地震数据采集工区内；
所述的海底潜标1布设在海底地震数据采集工区四周，内置长基线或短基线或超短基线定位系统的水声信号发射源2和可充电电池3；
所述的海面浮标4内置有GPS和北斗卫星信号接收天线5、太阳能电池板6、光电转换模块7和复合调制解调仪器8；
所述的铠装光电复合缆10内部设有线缆9，外层再包裹用凯夫拉纤维编织的高强度护套或者用一层或多层不锈钢丝绞合的铠装；所述的线缆9包括连续光栅光纤、单模和多模光纤、同轴电缆和双绞供电线；
海底潜标(1)与海面浮标(4)一一对应，并且通过铠装光电复合缆(10)连接；
所述的海底四分量节点地震数据采集仪器11顶部安装有水声应答器12，可为内置三分量常规检波器和压电水听器的常规四分量节点地震数据采集仪器或光纤四分量节点地震数据采集仪器；
所述的海底光纤四分量地震数据采集仪器11，包括承压舱，承压舱内设有三分量光纤检波器、光纤声压水听器、三分量姿态传感器、半导体光源、内部光电转换模块、调制解调模块、前置放大与A/D转换模块、数据存储模块，可充电电池模块；
所述海面震源船13通过船尾拖曳的气枪震源14在水面以下进行震源激发。
所述的海底四分量节点地震数据采集系统的数据采集方法，包括以下步骤：
(a)首先在海底地震数据采集工区四周投放四个海底潜标1，铠装光电复合缆10的尾端连接海底潜标1，首端连接海面浮标4；
(b)将海底四分量节点地震数据采集仪器11按照预先设计好的测网坐标用绳索或钢缆或ROV投放到海底地震数据采集工区的海底；
(c)启动海底潜标1和海面浮标4内的仪器，将海面浮标4内GPS或北斗卫星信号接收天线5接收到的定位和授时信号通过光电复合缆发送给海底潜标1；
(d)海底潜标1将定位和授时信号通过水声信号发射源2向海底四分量节点地震数据采集仪器11周围的水域中发射；
(e)测量工区内的每个海底四分量节点地震数据采集仪器11顶部安装的水声应答器12分别接收来自测量工区四周海底潜标发射的定位和授时信号，对其自身进行精准定位和不间断的实时授时；
(f)铠装光电复合缆10内的各种光纤与海面浮标内的复合调制解调仪器8相连接，实时不间断的测量沿铠装光电复合缆10从海面到海底潜标位置的水温、压力、密度、海水的含盐饱和度；
(g)利用测量工区四周连接海面浮标4和海底潜标1之间的所有铠装光电复合缆10测量的从海面到海底潜标位置的水温、压力、密度、海水的含盐饱和度数据，插值计算出全测量工区水体内实时的三维水温、压力、密度、海水的含盐饱和度数值；
(h)根据每个海底四分量节点地震数据采集仪器11自身的精准定位的位置与每个海底潜标之间的水声传播的轨迹连线，利用步骤(g)计算出全测量工区水体内实时的三维水温、压力、密度、海水的含盐饱和度数值，对每条从海底潜标1到每个海底四分量节点地震数据采集仪器11之间的水声传播轨迹进行水声速度的实时校正；
(i)用每条从海底潜标1到每个海底四分量节点地震数据采集仪器11之间的水声传播轨迹进行的水声速度的实时校正量对每个海底四分量节点地震数据采集仪器11的定位和授时数据进行实时校正，确保每个海底四分量节点地震数据采集仪器11的定位和授时精度满足该测量工区内的测量误差要求。
本发明的海底四分量节点地震数据采集系统，其光纤传感器具有灵敏度高、频带宽、高频响应好、具有平坦的频率特性响应、相位呈线性变化、技术参数一致性好、性能稳定可靠、无电无源、耐腐蚀、耐高温的优势，是地震检波器技术的发展方向。光纤检波器比常规的检波器具有更高的灵敏度、更好的高频响应特性，可实现多通道、大数据量、高速传输。而且由于前端没有电子元件，使其具有更高的可靠性，耐高温高压，无需供电，防水耐腐蚀，可长期布放，抗电磁干扰，通道串扰小。可以克服常规电子检波器和压电水听器灵敏度低、动态范围小、信号频带有限以及功耗较大的缺陷。
本发明提供了基于海底四分量节点地震数据采集系统及其数据采集方法，克服了现有技术无法对海底节点地震仪器在作业时的实时精准定位和精确授时，替代了价格昂贵且无法避免授时漂移的原子钟芯片，大幅度降低了海底四分量节点地震数据采集系统的制造成本，为大规模推广应用海底四分量地震数据的采集奠定了良好的基础，提供了有力的技术支撑。