阅读说明：本技术 一种浅水条件下***子波测量装置和方法 (Air gun wavelet measuring device and method under shallow water condition ) 是由 米立军 张金淼 王建花 朱振宇 刘志鹏 王艳冬 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种浅水条件下气枪子波测量装置和方法,包括依次连接的海底电缆,数据处理单元,垂直缆和浮体单元；海底电缆包括相互垂直的若干条海底电缆,各条海底电缆上均间隔相同距离设置若干第一种检波器组合,第一种检波器组合为包括磁电式检波器和压电检波器的双检检波器,用于检测平面内的气枪子波信号；垂直缆与海底电缆所在的平面垂直,且垂直缆上均匀设置若干水听器组合,用于检测垂直方向上的气枪子波信号；数据处理单元采集海底电缆和垂直缆采集的气枪子波信号,并对气枪子波信号进行分析处理；浮体单元用于使测量装置漂浮在水面上,从而确定测量装置位置。其更适用于浅水条件下远场子波采集,能够实现立体观测,测量精度显著提高。(The invention relates to a device and a method for measuring airgun wavelets under shallow water conditions, which comprises a submarine cable, a data processing unit, a vertical cable and a floating body unit which are connected in sequence; the submarine cable comprises a plurality of submarine cables which are vertical to each other, a plurality of first detector combinations are arranged on each submarine cable at the same interval, and each first detector combination comprises a magnetoelectric detector and a piezoelectric detector and is used for detecting air gun wavelet signals in a plane; the vertical cable is vertical to the plane of the submarine cable, and a plurality of hydrophone combinations are uniformly arranged on the vertical cable and used for detecting air gun wavelet signals in the vertical direction; the data processing unit acquires air gun wavelet signals acquired by the submarine cable and the vertical cable and analyzes and processes the air gun wavelet signals; the float unit is used for floating the measuring device on the water surface, thereby determining the position of the measuring device. The method is more suitable for far-field wavelet acquisition under the shallow water condition, can realize three-dimensional observation, and obviously improves the measurement precision.)

一种浅水条件下***子波测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种浅水条件下***子波测量装置和方法，属于地震勘探技术领域。

背景技术

***震源的远场子波不仅是衡量震源性能的重要指标，还是地震资料处理中的重要输入数据。***震源的远场子波可以相对简单地获得地震***震源信号特性，易于可视化和理解，是衡量震源性能的重要标准。在浅水条件下，复杂的多次波、导波、潮汐、涌浪等特殊干扰波和水体结构严重影响了测量到的***子波的精度，而目前在浅水条件下比较常用的测量装置为高分辨率的多道水平电缆，由于其距离海平面较近，获得的数据精度较低，且其分辨率只能满足中深层或浅层工程地震勘探的需要，达不到高精度地震勘探的要求。而另外一类方法为从浅层地震或浅地层剖面中提取的方法，该方法存在能量弱、抗干扰能力差等缺点，也无法获得准确的***震源的远场子波。综上所述，在浅水条件下很难通过实际测量获得***子波。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种浅水条件下***子波测量装置和方法，其更适用于浅水条件下远场子波采集，能够实现立体观测，测量精度显著提高。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种浅水条件下***子波测量装置，包括依次连接的海底电缆、垂直缆、数据处理单元和浮体单元；海底电缆包括相互垂直的若干条海底电缆，各条海底电缆中均间隔相同距离设置若干第一种检波器组合，第一种检波器组合为磁电式检波器和压电检波器两种检波器的组合，用于检测平面内的***子波信号；垂直缆与海底电缆所在的平面垂直，且垂直缆上均匀设置若干水听器组合，用于检测垂直方向上的***子波信号；数据处理单元采集海底电缆和垂直缆采集的***子波信号，并对***子波信号进行分析处理；浮体单元用于使测量装置漂浮在水面上，从而确定测量装置位置。

进一步，垂直缆包括工作段和连接段，工作段包括垂直电缆以及设置于垂直电缆上的若干等距离分布的水听器组合，连接段套设在各水听器组合的外部。

进一步，第二种检波器组合为水听器组合，包括至少两个间隔一定距离的压电检波器。

进一步，连接段为高强度钛合金保护套。

进一步，浮体单元内设姿态传感器，姿态传感器与数据处理单元连接，用于控制测量装置相对于竖直方向的倾角

进一步，数据处理单元包括地震数据采集模块、温度传感器、压力传感器、GPS定位系统和电源模块，地震数据采集模块采集温度传感器、压力传感器和GPS定位系统采集的数据，电源模块为数据处理单元供电。

进一步，地震数据采集模块包括总控制板、第一地震数据采集板、第二地震数据采集板、第三地震数据采集板、温度压力采集板、倾角数据采集板和GPS与电源控制板；其中，第一地震数据采集板、第二地震数据采集板、第三地震数据采集板分别用于采集垂直缆、第一海底电缆和第二海底电缆的子波信号，温度压力采集板与温度传感器、压力传感器相连以实现温度、压力的采集和控制，倾角数据采集板与姿态传感器连接，以实现装置倾角的采集和控制，GPS与电源控制板连接，GPS定位系统和电源模块用于对装置进行定位和供电，总控制板与各个采集板、GPS与电源控制板连接以实现对装置工况的整体控制。

进一步，数据处理单元的底部设置有金属基座；数据处理单元的侧壁上分别设置有用于与垂直缆和海底电缆的水密接头连接的数据处理单元的水密接头。

进一步，海底电缆与第一种检波器组合之间填充聚氨酯固体材料，垂直缆和第二种检波器组合之间填充聚氨酯固体材料；海底电缆和垂直缆外部均采用聚酰胺材料包裹，聚酰胺材料中间混有凯夫拉纤维。

本发明还公开了一种浅水条件下***子波测量方法，采用上述任一种的浅水条件下***子波测量装置，包括以下步骤：S1测试海底电缆和垂直缆，组装测量装置；S2到达待测地点后首先将垂直缆和浮体单元放到水中，然后将数据处理单元沉入海底，再用小船将其中一条海底电缆拖到指定位置，拉住绳子将海底电缆缓缓放置到海底，再将另一条海底电缆以同样的方式放到指定位置；S3根据待测区域内潮流方向和水深的变化，确定并记录测量装置的位置偏移量；S4装置放置完毕后进行***震源的激发，通过数据处理单元对采集接收的模拟信号进行数模转换，对转换的数字信号反馈至上位机进行存储记录。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、采用了立体观测方式，提高了浅水条件下***子波测量精度；2、采用海底电缆和垂直缆的组合测量方式，在横向上和纵向上都能监测到***子波的变化规律，获得更丰富完善的***子波资料；3、噪音干扰相对较少，垂直缆和海底电缆都远离海面，降低了波浪和涌浪噪音的影响；4、设有姿态传感器，能够校正测量装置的姿态对子波的影响，减小了测量误差；5、设有温度、压力传感器，能够获取子波测量时的温度压力信息；6、模拟信号转换为数字信号时，时间采样率高，可达1/32ms，且可选择采样率多：1/32ms，1/16ms，1/8m，1/4ms和1/2ms；前置放大增益可以选择控制，可选12dB、24dB、36dB、48dB。

附图说明

图1是本发明的浅水条件下***子波测量装置的结构示意图；

图2是本发明的垂直缆中水听器组合的结构示意图；

图3是本发明的数据处理单元的结构示意图；

图4是本发明的数据处理单元的俯视图；

图5是本发明的浮体单元的结构示意图。

附图标记：

1-海底电缆；11-第一种检波器组合；12-第一海底电缆；13-第二海底电缆；2-垂直缆；21-水听器组合；22-连接段；23-水听器；3-数据处理单元；31-地震数据采集模块；311-总控制板；312-第一地震数据采集板；313-第二地震数据采集板；314-第三地震数据采集板；315-温度压力采集板；316-GPS与电源控制板；32-温度传感器；33-压力传感器；34-GPS定位系统；35-电源模块；36-金属基座；4-浮体单元；41-姿态传感器；5-水密接头。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

本实施例涉及一种浅水条件下***子波测量装置，如图1所示，包括依次连接的海底电缆1，垂直缆2，数据处理单元3和浮体单元4；海底电缆1包括相互垂直的若干条海底电缆1，各条海底电缆1上均间隔相同距离设置若干第一种检波器组合11，第一种检波器组合11为包括磁电式检波器和压电检波器的双检检波器，用于检测平面内的***子波信号，其中，本实施例中优选第一种检波器组合11的数量为12个，两个第一种检波器组合11之间的间距是一米，由于检波器之间的间距较短可以有效提高检测精度；垂直缆2与海底电缆1所在的平面垂直，且垂直缆2上均匀设置若干水听器组合21，用于检测垂直方向上的***子波信号；数据处理单元3采集海底电缆1和垂直缆2采集的***子波信号，并对***子波信号进行分析处理；浮体单元4用于使测量装置漂浮在水面上，从而确定测量装置位置。海底电缆1与第一种检波器组合11之间填充聚氨酯固体材料，垂直缆2和水听器组合21之间填充聚氨酯固体材料；海底电缆1和垂直缆2外部均采用聚酰胺材料包裹，聚酰胺材料中间混有凯夫拉纤维。本实施例通过将海底电缆1设置在较深的水域避免了海浪、潮汐等对检测结果的影响，因此更适用于浅水条件下远场子波采集；通过设置垂直缆2和至少两条相互垂直的海底电缆1能够实现三维空间内的立体观测，显著提高了测量精度。

垂直缆2，如图2所示，包括工作段和连接段22，工作段包括垂直电缆以及设置于垂直电缆上的若干等距离分布的第二种检波器组合，即水听器组合21，其中，水听器组合21的数量为12个，每个水听器组合21之间的间距是一米，水听器组合21内部包括至少两个水听器23，两个水听器23之间的间距优选为0.2米，和第一种检波器组合11不同，水听器23只包括压电式检波器，连接段22套设在每个水听器组合21的外部。连接段22为高强度钛合金保护套。连接段22末端通过19针垂直缆2的水密接头5与数据处理单元3连接。

数据处理单元3，如图3、4所示，包括地震数据采集模块31，温度传感器32、压力传感器33、GPS定位系统34和电源模块35。地震数据采集模块31包括总控制板311、第一地震数据采集板312、第二地震数据采集板313、第三地震数据采集板314、温度压力采集板315、倾角数据采集板和GPS与电源控制板316；其中，第一地震数据采集板312、第二地震数据采集板313、第三地震数据采集板314分别用于采集垂直缆2、第一海底电缆12和第二海底电缆13的子波信号，温度压力采集板315与温度传感器32、压力传感器33相连以实现温度、压力的采集和控制，GPS与电源控制板316连接GPS定位系统34和电源模块35用于对装置进行定位和供电。数据处理单元3的底部设置有金属基座36以保持数据处理单元3在海底保持平稳姿态；数据处理单元3的侧壁上分别设置有用于与垂直缆2和海底电缆1的水密接替连接的数据处理单元3的水密接头5。

数据处理单元3采用连续采集方式，最大采样频率下采样时可连续工作15天，地震数据采集模块31的设计中采用嵌入式控制器—ARM-AT91RM9200作为主控制器，包含内存、网络、FLASH等功能，其通过各个接口监控整个测量装置的测量过程，具有采集、处理并存储地震数据、监视外部其他测量装置排列状态和内部各组件的工作状态等功能，其与常用的微计算机相比具有体积小、功耗低、工作可靠性高、功能强大等特点。

第一地震数据采集板312和垂直缆2相连，用于采集垂直缆2内12个水听器组合21中水听器23输出的模拟信号；第二地震采集板和第三地震采集板分别和两条相互垂直的海底电缆1即第一海底电缆12和第二海底电缆13相连，分别用于采集第一海底电缆12和第二海底电缆中13的12个第一种检波器组合11输出的模拟信号。采用CS5372/5376组件组成24位模数转换器，将第一种检波器组合11和水听器23获得的模拟信号转换为数字信号，其动态范围大(最高可达120dB)，且其检测能力强适合地震数据的采集。其中，每块地震数据采集板内都包含前置放大器和数字与时钟器，前置放大器与模数转换器有四道信号通道，包括四道可编程增益前放和Δ-ΣA/D数字调制器。前放增益为12dB、24dB、36dB和48dB中的一种，相应的采样率可以为1/32、1/16、1/8、1/4和1/2ms中的一种。数字与时钟器由FIFO缓存器和逻辑电路组成，其作用是对A/D转换后的数据提供先进先出缓存，而后记录到电子闪存U盘内。记录输出格式为SEG-Y格式，数据传输采用UDP，TC/PIP，传输速率为100Mb/s。数字与时钟器还包括一个高精度的GPS7授时时钟发生器，为整机控制和Δ-ΣA/D转换器提供标准时钟。其高精度内部信号源产生畸变指标达百万分之五级的各种频率幅度的正弦波和方波。其电源采用高效率LM1755芯片产生+3.3V和±2.5V模拟电源。从而将连续的模拟信号转化为离散的数字信号，实现了垂直缆2和海底电缆1采集的信号的数字化转换。

第一、第二和第三地震数据采集板由外部输入4V直流电源供电。由于精密采样的需要，在采集板上还要对电源作二次处理，由外部输入的4V直流电源变换出八种模拟电源和两种数字电源，八种模拟电源包括：+2.5AV,-2.5AV,+3.3AV,+V_RefA,-V_RefA,+V_RefB,-V_RefB和+TSGV，两种数字电源包括：+3.3DV₁，+3.3DV₂。第一、第二和第三地震采集板对电源电压的纹波系数要求很高，故电源的入口电压4V的纹波系数需要控制在10-15mV，经过数模转换后的模拟电源的纹波系数需要控制在0.05mV。

温度和压力数据采集板分别用于采集温度传感器32和压力传感器33内的温度、压力数据，并将该温度、压力数据传送至总控制板311，总控制板311存储并处理该温度、压力数据。

倾角数据采集板和姿态传感器41连接，用于采集浮体单元4中的姿态传感器41的倾角的数据，并将采集到的该倾角数据传输到总控制板311，总控制板311存储并处理该倾角数据。

电源模块35位于数据处理单元3的底部，用于给整个测量装置供电，电源模块35包含电源变换电路单元，该电源变换电路单元将电池电压转换成采集系统需要的各种电源，包括数字系统电源、模拟系统电源和A/D转换器高精度参考电压等。电源模块35通过位于数据处理单元3顶部的水密接头5进行充电，整个球体内部采用聚氯乙烯浇铸密封。

数据处理单元3还包括有通讯器，用于将数据处理单元3采集的数据上传到上位机，并将上位机的控制信号反馈至测量装置的各个部件，以便对测量装置的测量状况和过程进行随时调控，避免突发事件的发生。

如图5所示，浮体单元4内设姿态传感器41，姿态传感器41与数据处理单元3连接，用于控制测量装置相对于竖直方向的倾角，姿态传感器41与数据处理单元3中的倾角数据采集板连接。其中，浮体单元4可以是浮球等任何可以浮在水面上的组件。

实施例二

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种浅水条件下***子波测量方法，其采用实施例一种的浅水条件下***子波测量装置，包括以下步骤：

S1测试海底电缆1和垂直缆2，组装测量装置；

施工前对海底电缆1和垂直缆2进行测试，将数据处理单元3和海底电缆1、垂直缆2的水密接头5连接密封好，并仔细检查各部位接口，确保无松动现象，进行电池的电压和电量测试，将数据处理单元3和海底电缆1、垂直缆2安装完毕后，在垂直缆2的未与数据处理单元3连接的一端系上浮球。

S2将连接好垂直缆2和海底电缆1的数字包放在小船上，船上用GPS进行定位，船到达待测地点后首先将垂直缆2和浮体单元4放到水中，然后将数据处理单元3放入水中，拉住两根海底电缆1将数据处理单元3慢慢下放，直至数据处理单元3沉入海底；海底电缆1为两条，每一条海底电缆1上均连接有凯夫拉绳，再用小船将其中一条海底电缆1拖到指定位置，拉住绳子将海底电缆1缓缓放置到海底，再将另一条海底电缆1以同样的方式放到指定位置。在放缆过程中避免电缆和检波器与船体发生碰撞。

S3根据待测区域内潮流方向和水深的变化，确定并记录测量装置的位置偏移量，当海面状况十分复杂的时候，施工时应根据现场实验结果确定偏移量；

S4装置放置完毕后进行***震源的激发，通过数据处理单元3对采集接收的模拟信号进行数模转换，对转换的数字信号反馈至上位机进行存储记录。测量结束后对电缆进行回收，对收起的电缆、数据处理单元3和第一种检波器组合11、水听器23进行检查，当发现有问题时，应进行及时维修或更换。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。