天然气水合物勘探用海底地震仪

具体实施方式

请参阅图1～图5所示，为本发明的天然气水合物勘探用海底地震仪结构示意图。其中，配重铜板1、调节重心用螺纹孔2、检波器座3、铝制卡环4、导线管5、垂直向检波器6、水平向检波器7、正极8、锁紧螺母9、压丝垫片10、不锈钢镙柱11、镙杆支撑板12、脱钩滑块13、绕丝钉14、不锈钢吊钩15、绕丝固定板16、负极17、负极保护套18、熔断钢丝19、熔断钢丝熔断点(两处)20、脱钩机构21、塑料仪器舱22、拉紧钢丝23、沉耦架24、钢丝缠绕轮25、锁紧镙栓26、水声压力传感器27、真空气嘴28、GPS天线29、电子电路板30、电池组31、直径2mm的钢丝32、检波器组合体33、O型圈34、玻璃仪器舱球35。

本发明的天然气水合物勘探用海底地震仪由塑料仪器舱22、脱钩机构21、沉耦架24三部分组成。

一、塑料仪器舱：

塑料仪器舱22是海底地震仪可回收部分，它是内部玻璃仪器舱球的保护罩，玻璃仪器舱球内部采用单球一体化结构，主要包括：

(1)水声通讯模块(请参阅“七通道多功能海底地震仪”申请号为200810117385.4)

水声通讯模块是电子电路板上面负责水声通讯的部分，采用8位元FSK数字编码。FSK编码的解调电路包括了振幅检测、相位检测、压控振荡器、比较输出器等几个部分。其基本原理是：根据输入信号和本振信号的相位差，控制压控振荡器在一个相对较窄带宽内(～400Hz)调节本振频率，如果输入信号频率和本振频率一致，相位差为零，本振频率锁定，则编码解调电路输出为低电平，反之为高电平。两个编码解调电路本振频率分别为10KHz和12.5KHz，用以检测信号中是否含有对应的频率信号。

水声传输的交混回响问题，采用首波提取的方式加以解决。原理是甲板机每100毫秒发送一个编码频率，持续时间约10毫秒。在接收端水声通讯模块在接收到的第一个编码频率信号后10毫秒内关闭信号通道。以后每隔100毫秒打开信号通道进行信号解调，持续时间为10毫秒，然后再关闭信号通道，直至该码字节结束。

为了防止放大器饱和，设计了带通频率10-12.5KHz的单T网络选频放大器，使信号频带之外的信号能被有效的压制。

水声发射与换能器的匹配设计，主要是从阻抗匹配和调谐匹配两个环节考虑，并采取措施对推挽功放管进行保护。

(2)常平装置

包括直流电机、配重铜板1、调节重心用螺纹孔2、检波器座3、铝制卡环4等。配重铜板1、检波器座3皆为中心有通孔的圆板，尺寸相同。一金属导线管5，其外径与中心通孔的内径相适配，并顺序穿过配重铜板1、检波器座3的中心通孔与配重铜板1、检波器座3正交固接，配重铜板1、检波器座3相互之间有一间隙。检波器座3上表面设有垂直向检波器6，检波器座3下表面有一凸台，凸台侧面径向设有两个正交的水平向检波器7，凸台侧面与铝制卡环4固接，铝制卡环4与检波器座3水平设置，相互有一间隙。铝制卡环4下表面呈弧面，与玻璃仪器舱球35内壁相适配。

电池组31分左右相对固设于O型圈34的上表面，在两电池组31顶端电池盒盖上水平设有电子电路板30，电子电路板30上方水平设有天线支架，支架上表面固装有GPS天线29，电子电路板30下方水平设有一电机架，电机架上有直流电机、钢丝缠绕轮25，钢丝缠绕轮25位于电机架中心，直流电机的输出轴与直径2mm钢丝32的一端固接，钢丝32的另一端绕过钢丝缠绕轮25垂向下方，并穿过导线管5中心通道，与配重铜板1内壁固接，将三分量高频检波器33。

设计了利用直流电机缠绕钢丝将三分量高频检波器33(检波器组合体)提起，并通过检波器组合体33的自重调整平衡的原理进行姿态调整的改进方案，通过改进常平装置的结构原理，使得内部检波器组合体33的常平动作的保持不需要灌注硅油，不需要呈密封结构，且体积重量均能大大地降低，更为重要的改善是，姿控调整的范围能有较大的提高，扩展为30度左右。将使海底地震仪在更为复杂的海底地形下正常的工作。最大工作倾斜角度达到了国外同类宽带海底地震仪的水平。

三分量高频检波器还包括姿态传感器，姿态传感器采用固态mems器件，粘接在配重铜板1上，分别与直流电机控制电路、三分量高频检波器电连接，能读出三分量高频检波器任意时刻的姿态，当检波器的倾斜角度超过工作允许范围时，控制电路指令直流电机在整点时刻对检波器进行调整。

其工作方式如下：检波器组合体33通过单股直径为2mm的钢丝悬挂，厚度为8mm的配重铜板1与检波器座3通过四组螺钉连接，依靠铜板均匀分布的螺纹孔拧上螺钉调节检波器的重心，通过电池盒盖上的电机架固接的直流电机缠绕钢丝32提起检波器组合体33离开玻璃仪器舱球35底部，根据检波器组合体33的自重调整平衡，调整完再利用直流电机释放钢丝32把检波器组合体33放回玻璃仪器舱球35底部。玻璃仪器舱球35至检波器组合体33为刚性连接，由此保证地动信号的低失真传递。当海底地震仪在海底着地后，姿态传感器感知到海底姿态调平时，可以读出地震计任意时刻的姿态，当地震计的倾斜角度超过工作允许范围时，直流电机会在整点时刻对地震计进行调整。

玻璃舱球35内电池盒将电池组31、电子电路30和高频检波器33联结成了一个整体，形成了内部结构的一体化。仪器组装、调试工作都可以在耐压玻璃舱球35外完成。玻璃舱球35可看成仅是个机壳，将测试好的海底地震仪放入玻璃舱球35中，由O型圈34压缩固定，完成组装。这种结构也降低了仪器的附加振颤。

(3)电子电路板上面的采集系统

a)前放电路采用厂家推荐的放大电路形式，在信号输入端加配一阶无源LC低通抗混叠滤波器，采用极低噪音精密双运算放大器构成仪器放大电路，增益为30dB，放大电路噪音折合到输入端为0.4μV(峰—峰值)。具有很高的抗干扰能力。

b)仪器采用温补晶振构成的振荡电路作为内部时钟，在0℃至4℃温度范围内其精度优于5×10^-8。影响石英晶体振荡频率精度的主要是温度因素，而海底的温度相对恒定，在2000米深的海底，温度的年变化仅在0.5度，所以时钟精度能有效地保证。为减小线路板的噪音，系统所需的所有不同频率的时钟(主要是模数转换时钟和单片机时钟)采用对同一时钟分频获得。

c)数据存储采用数码相机和播放机上广泛采用的SD(SecureDigital)卡，具有统一接口，容量可从16G扩展到32G或更高。

d)在电路设计中坚持微功耗设计原则；为了系统功耗微功耗的目的，数据采集器的硬件电路设计遵从了以下的原则：(1)采用CMOS型器件，(2)采用1.8V、3V和5V单电源低电压供电；(3)数字电路尽量采用较低频率的工作时钟；(4)尽量降低系统的无功功耗，整体功耗<0.3W。

e)采集器的A/D转换采用4阶∑-Δ型ADS1251增量调制器，AD时钟由单片机LPC2103分频输出，数字滤波的功能采用软件编程完成。AD每完成一次转换，触发单片机产生一次中断，单片机的中断程序将AD数据读入内存。这种方式不仅可以在降低功耗和缩小体积的基础上得到足够的动态范围(>120dB)，还能根据实际的不同需要，动态调整其频率-相位特性。控制模块采用ARM7内核高性能单片机(NXP公司LPC2103)。工作电压3.3/1.8V，60M主频，在完成A/D转换数字滤波的同时控制存储、通讯等其它模块工作。单片机工作在空闲模式(idle mode)，中断驱动模式。

f)控制器连接了7通道完全相同的AD模块(第1-3通道连接宽带地震计，第4-6通道连接高频检波器、第7通道连接水听计通道)，通过多路开关(MAX4052)进行切换，利用单片机的GPIO脚作为地址线选通读入1-7通道的AD数据。

(5)地震仪电源

海底地震仪电池采用10AH锂电池，每套仪器安装10枚。每个锂电池单独带保护器，的电池按环状固定在玻璃舱球的下部，地震仪通过单片机对每个电池的充放电状态和电压进行检测，并能通过交互界面显示。充电通过舱球上的插座进行，用户可以了解每个电池的充电电量、充电时间等信息。通过专用的充电器用户可以在数十小时内完成对海底地震仪的充电工作。每次充电操作用户都能掌握充电前后电池电压状态，充电电量等信息，能及时发现电池失效或性能降低的情况。从而对失效电池及时进行更换，或根据电池性能降低的情况缩短仪器在海底工作的时间。

内置的电源管理模块能实时地监督电池的电能储量，当能量低于某一预定值，地震仪会关闭除了水声通信之外的所有耗电设备，使地震仪在海底滞留一年以上的时间仍能正常回收。

(6)数据提取方式

为了保证海上的多次作业顺利进行，数据提取模块必须操作方便并且需要较快的传输速度。OBS中内嵌了USB接口模块与PC机进行高速数据交换，能在不打开舱球的前提下，以较高的速度(2M字节/秒)实现OBS的数据提取。

(7)无线数传模块

无线数传模块采用OEM产品。其发射功率为1～5W，有效距离约5-10Km左右。定位精度可达数十米以内。考虑到无线数传模块内置于玻璃舱球内空间的限制采用50欧450MHz鞭装胶套天线与发射机配套，接收系统几乎不受空间的限制所以采用50欧12dB高增益天线与接收机配套。无线数传模块调制方式采用FSK(频移键控)方式，抗干扰能力强。为进一步提高抗设备干扰能力，通讯速度采用较低的1200bps。通讯协议为RS232格式：1位起始位，8位数据位，偶校验，1位停止位。

传输距离对发射机的天线高度非常敏感。由于发射机天线内置于球内，安装高度受到极大限制。为此采取以下措施：(a)减轻回收重量(b)天线贴近球壁安装(c)通过配重使回收时天线位于球的顶部。

采用交织编码技术能够有效减少突发性干扰引起的误码，其原理为将待发数码按列排成矩阵，再按行的顺序发送，如信道中因突发性干扰发生连续误码，解交织的误码被分散到不同码字能被BCH有效纠错。

采用同步机制减少前导同步码，有效的减少发射的时间，提高发射效率；避免电池连续大电流放电引起“极化现象”。具体地说，每次发送和接收的起始时间都由GPS输出PPS的沿确定。

(8)电子电路板上面的频闪灯

频闪灯安装在电子电路板上，当仪器上浮时，频闪灯在黑夜里能有效的指示仪器所在方位方便回收。

频闪灯被置于高压舱球的上部利用水压开关进行控制，当仪器上浮，水压减小，频闪灯工作，光源采用发光效率高，穿透性较好的高亮度发光二极管。可以连续工作12小时以上。

二、脱钩机构(请参阅“七通道多功能海底地震仪”申请号为200810117385.4)：

脱钩机构21为双层结构，包括不锈钢镙柱11、镙杆支撑板12、绕丝固定板16，其中，片状环绕丝固定板16和片状环镙杆支撑板12平行设置，以多数个不锈钢镙柱11将两者固接，其中两个位于直径上的镙柱11上端伸出固定板16的上表面相互连接，构成吊钩15；镙杆支撑板12内孔直径与塑料仪器舱22顶部外圆直径相适配。

片状环绕丝固定板16上表面设有正极13、脱钩滑块13、绕丝钉14、负极17，正极8、负极17位于固定板16内孔直径方向的相对两侧，正极8上套接压丝垫片10后螺接锁紧螺母9，负极17上套接负极保护套18；在与正极8、负极17构成的直径方向相垂直的直径方向上两端，于固定板16周缘上设有向圆心的凹槽，两凹槽内各设有一脱钩滑块13，L状脱钩滑块13与凹槽相适配，其向上突起的固定壁中间有一固接口，固接口供拉紧钢丝23缠绕连接，其底座上设有多个绕丝钉14和一禁锢镙栓；在固定板16上表面还设有多个绕丝钉14，绕丝钉14均匀分布，分布的位置与正极8、负极17的位置构成圆环形。

一熔断钢丝19经正极8和顺序经所有的绕丝钉14绕成环，并以锁紧螺母9和绕丝钉14固紧定位，将脱钩滑块13固于固定板16上，熔断钢丝19与两负极17触接；两负极17即是两熔断点20。

将塑料仪器舱22置于沉耦架24中，脱钩机构21置于塑料仪器舱22顶端，镙杆支撑板12内孔与塑料仪器舱22顶端相接，以多根拉紧钢丝23缠绕于脱钩滑块13的固接口132后，用多个锁紧螺栓26拉紧多根拉紧钢丝23，以固定塑料仪器舱22。

在固定塑料仪器舱22后，卸掉脱钩滑块13上的禁锢镙栓212，再利用锁紧螺栓26来拉紧钢丝23调整仪器舱22的紧固程度；在仪器回收时利用海水特性，在两熔断点20处进行电腐蚀熔断钢丝19，脱钩滑块13被拉紧钢丝23拉脱开，仪器舱22即利用海水浮力上浮，以便回收。

(1)绕丝固定板16采用具有高机械强度、高刚性、韧性强的工程塑料尼龙加工而成，在水中不易变形，不易被腐蚀。

(2)绕丝钉14是脱钩机构中较为关键的部分，所以我们采用316L特殊不锈钢制成，这种材料对于海水及各种腐蚀介质的抗腐蚀性能均优于普通不锈钢。

(3)熔断钢丝19是整个脱钩机构的核心部件，我们选用的316耐腐蚀钢丝，由7束49股细钢丝经过特殊工艺加工而成，易曲而柔软。在弯曲时不象单股钢丝那样显得太硬，拉紧时会紧贴绕丝钉。

脱钩机构21作为仪器回收过程的重要组成部件，机构的组装、调试工作都可在室内进行试验通过，才可安装使用。测试好的脱钩机构通过8组不锈钢镙钉固定在仪器舱22的上部，能够很方便地完成组装。机构中的零件加工工艺和选材均可以保证长时间工作在海水里，同时能够实现在接到指令后，钢丝在5分钟内即被熔断。直到仪器回收整个过程不超过10分钟。

三、沉耦架(请参阅“七通道多功能海底地震仪”申请号为200810117385.4)：

沉耦架24，采用表面附着防锈漆的钢铁材料制成，在井字形上表面中部固设一固定圆盘，固定圆盘中心部有一圆环状突起，该圆环状突起的直径与塑料仪器舱22底部外圆相适配，固定圆盘周缘处均匀分布着固接的多数个向上正交的支撑杆，支撑杆上端固接有顶环，顶环上均匀分布有锁紧螺栓26，顶环的内孔直径大于塑料仪器舱22的球直径；

锁紧螺栓26与拉紧钢丝23下端可拆卸的固接，通过耐腐蚀拉紧钢丝23与脱钩机构21紧密相连，其重量和体积适合于在下沉过程中控制下沉速度和下沉姿态，以及当仪器沉入海底时能够保持正确姿态并进入工作状态，并为地震仪在海底工作提供稳定可靠的基座，提高仪器记录数据的真实性。仪器上浮后，沉耦架丢弃在海水中。

通过耐腐蚀拉紧钢丝23把仪器紧固在沉耦架24上，用锁紧螺栓26将带塑料保护皮的耐腐蚀拉紧钢丝23拉紧，由8股紧固，分两组，每组4股拉紧一脱钩机构21的脱钩滑块13，降低了单股钢丝的受力程度，可以使仪器很稳定的固定在基座上。

沉耦架24属于不回收部分，考虑到它的工作性质，我们选择标准角铁作为主要的加工原料，不但满足了其作为工作基座的刚性和硬度，且大大降低了加工成本。

使用动态过程：

选择好投放地点和方位，把海底地震仪投放到海底，仪器着地后，立即用声纳系统进行准确定位。内部由姿态传感器7感知到海底姿态不平时，由位于电池盒盖上面的直流电机上拉检波器，使之脱离开玻璃舱球35，根据自重作用调至水平并重新放回玻璃舱球35底部，此后内部地震计和数字采集器同时进入工作状态，连续记录海底干扰和地震信号，并存储在内部存储器中。

当需要回收仪器时，在该仪器所在的位置附近海域通过声纳系统发出回收信号，仪器接到信号后，开始熔断钢丝，约5分钟仪器舱与沉耦架24脱离，自动上浮至水面，浮出海面后通过GPS天线29发送其所在的位置信息，根据该信息或目测方式确定仪器方位，进行打捞上船。然后提取所记录的数据供分析和研究。

(1)内部一体化

仪器内部采用电池组31、电子电路30、三分量高频检波器33一体化的结构设计，将电池组通过O型圈34放置在玻璃舱球上，电路板安装在电池盒盖的上面，使之成为一个整体，可以在玻璃仪器舱球外进行组装、调试，然后将测试完成的海底地震仪放进玻璃舱球内，通过玻璃舱球挤压O型圈来固定内部装置。比起以往的海底地震仪需要在球内组装和调试，内部结构一体化的设计在时间和工作量上有了大幅度的缩减，操作简单、方便且减少了附加振颤。

以往的海底地震仪(比如我们前期研制的三分量高频海底地震仪)通常将电池、地震计、记录器、水声模块等部件都是零散的通过环氧树脂粘接的方式固定在上下两半舱球，极易造成耐压玻璃舱球的损坏，同时电路布线复杂，难以组装和调试，容易产生附加振颤噪声影响仪器对地动信号的记录。

该项一体化结构是我们创新性发明，这使海底地震仪实现批量生产的复杂程度大大降低，同时该项工艺也可运用到采用此类舱球的其它设备中。

(2)脱钩装置(请参阅“七通道多功能海底地震仪”申请号为200810117385.4)：

脱钩机构21采用顶部脱钩滑块13钢缆系固连接，利用锁紧螺栓26拉紧钢丝调整仪器舱的紧固程度，整个过程便于安装操作；仪器回收时，水声压力传感器接收到水面发出的释放指令，海底地震仪的脱钩机构上的正极开始加电利用海水特性进行电腐蚀熔断钢丝19，脱钩滑块13被拉紧钢丝23拉脱开，仪器舱22利用海水浮力上浮。海底地震仪的回收过程时间短且可靠性强。