CN101672927A - 宽频带海底地震仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带海底地震仪，包括：两个保护外壳；一块连接板，两个保护外壳分别固定在该连接板的两端；一个密封仪器仓球和一个密封电池仓球，分别装在两个保护外壳中，电池仓球中装有电池和水声通讯电路，两个密封仓球之间用电缆电连接；用于保持地震计处于水平状态的常平架，装在仪器仓球内，常平架上安装数据采集器和地震计；用于释放耦合架的电腐蚀释放机构，其固定在连接板上；为地震仪提供下沉力的耦合架，其位于连接板下方并用钢丝绳与电腐蚀释放机构连接，耦合架的下方还用铁链连接配重架。本发明能够在深海使用、观测频带范围40秒至40赫兹，不但适合进行海底天然地震观测，也适合海底人工震源观测。

Description

宽频带海底地震仪

技术领域

本发明涉及一种宽频带海底地震仪，属于海洋地震观测技术领域。

背景技术

目前，20世纪90年代以前，探测海底地球物理信息的主流方法为人工地震。地震波在海水中能长距离地传播，这使得信号采集可以在海面实施。然而从设备角度看，即使地震波可在海面观测，但对于天然地震场(非人工震源)的测量，由于测量时间长，需解决设备长期固定放置的问题。显然，在动荡的海洋环境中，这一问题在海面上难以解决。

发明内容

为了满足我国宽频带海底地震观测的需要，提高对我国海洋天然气水合物勘探、海洋地震观测以及我国大陆架勘测的水平。本发明旨在发明一种能够使用于深海(大于3000米)的、具有宽频带、大动态范围等高性能指标的宽频带海底地震仪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种宽频带海底地震仪，其特征在于包括：

两个保护外壳；

一块连接板，所述两个保护外壳分别固定在该连接板的两端；

一个密封仪器仓球和一个密封电池仓球，分别装在所述两个保护外壳中，电池仓球中装有电池和水声通讯电路，两个密封仓球之间用电缆电连接；

用于保持地震计处于水平状态的常平架，装在所述仪器仓球内，常平架上安装数据采集器和地震计；

用于释放耦合架的电腐蚀释放机构，其固定在所述连接板上；

为地震仪提供下沉力的耦合架，其位于所述连接板下方并用钢丝绳与所述电腐蚀释放机构连接，耦合架的下方还用铁链连接配重架。

进一步地：

所述常平架包括常平机构和锁紧机构，其中：所述常平机构包括左右固定支架、常平圈、前后连接架、底盘、球托，左右固定支架固定在所述密封仪器仓球内，常平圈的左右端分别与左右固定支架枢接，常平圈的前后端分别与前后连接架的上端枢接，前后连接架的下端分别与底盘的前后端固定，球托固定于底盘的底面，左右固定支架的中心之间形成的轴线与前后连接架的中心之间形成的轴线正交；所述锁紧机构包括球形支撑、电动升降机构、底座，底座固定在所述密封仪器仓球内，电动升降机构装在底座上，球形支撑由电动升降机构驱动升降，球形支撑上升后可紧抵所述球托的下弧面。

所述球形支撑与球托两者的接触面均为弧度相同的圆弧面且均布凹坑。

所述数据采集器、地震计、常平圈都安装在所述常平机构的底盘上，在密封仪器仓球内部仅需固定左右两个固定支架，以便调试与组装。

所述电腐蚀释放机构包括一根熔丝和固定在所述连接板上的熔丝盘，熔丝盘的两端各嵌设一块熔丝拉块，各熔丝拉块上设绕线桩，熔丝盘的中央设有正负电极、若干绕线桩、压片，熔丝经由负电极绕过熔丝盘和熔丝拉块上的各绕线桩，该熔丝的两端由压片压紧，将各熔丝拉块与熔丝盘固定在一起，各熔丝拉块经钢丝绳与所述耦合架连接。

所述连接板上密布透水孔。

所述地震计是宽频带力平衡反馈式地震计，频带范围是40秒至40赫兹，地震计内置可实现±3°的调整范围的电子调零装置。

所述的电池装在硬海绵制作的起到减振和保护电池作用的电池盒内，电池盒直接放入电池仓球中。

所述耦合架由上下两个椭圆形环、连接于两个椭圆形环之间的数根支撑铁管组成，部分铁管上焊接角铁，角铁上穿设螺杆，螺杆与连接所述熔丝拉块的钢丝绳固接，所述两个保护外壳放置在该耦合架的上面。

所述密封仪器仓球还装有GPS、电子罗盘、数传电台和信号灯。

本发明的宽频带海底地震仪采用双球结构，所以提供的浮力能携带大量的电池，可以使宽频带海底地震仪在海底的工作时间大大延长，而且采用一次性高容量锂电池作为供电电池，使其工作可靠，更换非常方便；本发明的宽频带海底地震仪使用电容位移换能的力平衡反馈式宽频带地震计打破了国际上对宽频带海底地震仪的垄断局面。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的总体立体结构示意图；

图2是本发明的纵剖面构造图；

图3是本发明的常平架构造图；

图4本发明的释放机构构造图；

图5本发明的释放机构钢丝缠绕示意图；

图6是是本发明的电池盒构造图。

图中：1配重架 2耦合架 3玻璃球体 4电池盒 5锂电池 6电池电路板 7水声板固定架8水声电路板 9ABS保护壳 10水声通讯探头 11真空密封孔 12不锈钢连接板 13释放机构14起吊环 15托板 16GPS天线 17支架 18led灯 19支撑杆 20数传电台 21采集器 22地震计反馈电路 23固定托盘 24连接架 25固定支架 26常平圈 27水平向地震计 28垂直向地震计 29轴承 30固定螺钉 31球托 32底盘 33传动大齿轮 34传动小齿轮 35底座 36底座连接架 37外圈螺母 38电机 39内圈螺母 40传动螺杆 41升降螺母 42球形支撑 43限位开关 44挡杆 45触碰杆 46接触开关架 47控制电路板 48支杆 49正电极 50熔丝拉块 51绕线桩 52负电极 53垫柱 54压丝螺钉 55锁紧环 56螺柱 57螺母 58压片 60熔丝

具体实施方式

本发明的宽频带海底地震仪包括：两个保护外壳；一块连接板，所述两个保护外壳分别固定在该连接板的两端；一个密封仪器仓球和一个密封电池仓球，分别装在所述两个保护外壳中，电池仓球中装有电池和水声通讯电路，两个密封仓球之间用电缆电连接；用于保持地震计处于水平状态的常平架，装在所述仪器仓球内，常平架上安装数据采集器和地震计；用于释放耦合架的电腐蚀释放机构，其固定在所述连接板上；为地震仪提供下沉力的耦合架，其位于所述连接板下方并用钢丝绳与所述电腐蚀释放机构连接，耦合架的下方还用铁链连接配重架。

其中：仪器舱、电池舱和释放结构都固定在不锈钢连接板上，构成了宽频带海底地震仪的回收部分，实现宽频带海底地震仪在海底地震观测、数据记录和熔断上浮功能，耦合架是宽频带海底地震仪不可回收部分，为宽频带海底地震仪提供下沉的重量，使宽频带海底地震仪从海面下沉至海底。下面分别说明。

1.仪器仓

参见图1、图2。仪器仓是安装了本发明宽频带海底地震仪主要观测仪器的密封仓球，该密封仓球放置在ABS工程塑料保护壳内。仪器仓内部安装有采集器21、水平向地震计27、垂直向地震计28、常平架、数传电台20、频闪信号灯28、GPS、电子罗盘。其中：

(1)采集器

本发明宽频带海底地震仪的采集器21属于公知技术，主要实现对地震信号的数字化并将数据记录在CF卡中。采集器集成了24位AD转换、低功耗CPLD大规模可编程逻辑阵列、网络芯片、GPS、CF卡以及电源管理变换电路。采集器内置软件系统是ECOSII实时操作系统，同时在操作系统核心内实现了24位数据采集、FIR数字滤波运算、数据压缩存储操作，使得采集器在具有非常低的功耗(小于0.3瓦)的同时也具有高技术指标，包括：大于120dB动态范围、大于100dB总谐波失真度、好的幅频特性。采集器通过网络接口提供数据服务和参数设置，在采集器内部集成一个无线AP，无线AP通过网线连接在海底地震仪采集器网络接口上，在使用中不需要打开仪器舱就可以通过无线网络对所述海底地震仪进行数据下载，参数设置操作。

CPU选用ATMEL公司的AT91FR4016S，该CPU集成ARM7TDMI内核，内置256K字节SRAM、2M字节FLASH、2个UART以及32个IO口，采用全静态设计，工作频率0-75MHz，核心供电1.8V(拟采用1.1V)。CPU外围扩展一片1M字节SRAM(K6F8016R6D)，总线上连接CPLD XC2C384；内部串口一个作为终端控制台，另一个通过CPLD复用连接GPS、电子罗盘、和无线电发射机。CPU通过I/O控制光发射、调平电路。

CPLD选用XC2C384，208脚封装，供384个宏单元。该器件功耗非常低而且性能可靠。XC2C384实现与CPU数据通信、对SRAM实现电平转换、接收AD转换数据、扩展CF卡接口(IDE)、桥接LAN接口、切换串口和扩展SPI总线功能，同时连接电压温度监视芯片MAX1298(5通道，带温度传感器)。

AD转换器选用TI公司的ADS1251，ADS1251是24位差分输入的AD转换器，在20K采样率时能达到19位分辨率，而且具有很低的功耗(20K/8mW)。传感器输出的模拟信号经过运算放大器驱动后直接输入AD，ADS1251采用+5V供电，参考电压外置+4.096V。

为了保证海底地震仪低功耗和高可靠性，在海底地震仪采集器及海底地震仪控制系统中采用eCos作为软件操作系统，eCos是一个优秀的嵌入式实时操作系统。eCos的体系结构是一种分层结构，硬件抽象层将操作系统与硬件隔离开，这使移植eCos到不同的硬件平台成为可能，抽象层就像软件与硬件之间的桥梁。主要的移植思想是，按照eCos的模块化设计，完成硬件抽象层。在实现ecos2.0的移植工作和设备驱动程序调试工作后，就可以实现采集、控制应用软件的设计。软件系统的主要功能包括：数据记录、数据下载、系统设备控制程序(包括系统电压温度监视，逃生设备控制，调平机构控制，声纳控制板监视，电子罗盘接收、电池充电管理和终端命令解释等)。

(2)地震计

本发明宽频带海底地震仪的地震计包括2个水平向地震计27、一个垂直向地震计28和地震计反馈电路22组成，该地震计是宽频带力平衡反馈式电容位移换能式地震计，其自振周期为2秒，工作频带为40秒至40赫兹，灵敏度1000V/m/s(单端)，还具有低噪声以及大动态范围。地震计在反馈电路中集成了调零电路对地震计零点进行调整，在地震计开始调零时，首先将地震计频带切换到1秒至40赫兹，然后通过AD转换采集地震计零点信息，通过计算得出调整信息，将调整信息发送给数字电位器，数字电位器将调零参考电压量输出至调零线圈，调零线圈由于有电流通过会产生电磁场，对地震计进行调整，调整范围达到±3°。

(3)常平架

海底地震仪工作环境非常复杂，海底地震仪由海面自由下落至海底，没有人工安装这个步骤，而地震计需要一个水平的工作台基，这就要求海底地震仪中的地震计是工作在一个可以自动调平的装置上，该装置就是常平架。

本发明宽频带海底地震仪中的常平架的工作原理是使用两个互相正交的轴承构成一个平面，将一个重心在中心的平台放置在这两个轴承上，当这两个轴承构成的平面与水平面不平行时，这个平台可以自由的围绕这两个轴承转动，当平台的重心与中心重合时，平台会停止转动，此时平台与水平面重合。

该常平架是基于重力原理调整水平的常平架，由常平机构和锁紧机构组成。其中：

参见图3。常平机构包括固定托盘23(图2)、左右固定支架25、常平圈26、前后连接架24、底盘31、球托32。左右固定支架固定在所述密封仪器仓球内，常平圈的左右端分别与左右固定支架枢接，常平圈的前后端分别与前后连接架的上端枢接，前后连接架的下端分别与底盘的前后端固定，球托固定于底盘的底面，左右固定支架的中心之间形成的轴线与前后连接架的中心之间形成的轴线正交。首先在底盘32上安装地震计，将底盘32与球托31通过螺丝连接在一起，在2个连接架24的上部安装轴承29，使用固定螺钉30将前后连接架24与常平圈26固定在一起，在常平圈26的两端安装轴承29，使用固定螺钉30将常平圈26和左右固定支架25固定在一起。

锁紧机构包括球形支撑42、电动升降机构、底座35，底座35固定在所述密封仪器仓球内，电动升降机构装在底座35上，球形支撑由电动升降机构驱动升降，球形支撑上升后可紧抵球托32的下弧面。

电动升降机构由传动大齿轮33、传动小齿轮34、底座35、底座连接架36、外圈螺母37、电机38、内圈螺母39、传动螺杆40、升降螺母41、限位开关43、挡杆44、触碰杆45、接触开关架46、控制电路板47、支杆48组成。底座连接架36与底座35固定在一起，电机38固定在底座连接架36上，传动螺杆40与传动小齿轮34固定在一起，传动小齿轮34与传动大齿轮33啮合，传动大齿轮33与传动螺杆40固定在一起。传动螺杆40的另一端与升降螺母41通过螺纹连接在一起，升降螺母41与球形支撑42固定在一起。触碰杆45固定在升降螺母41上。两个挡杆44安装在底座连接架36上，位于触碰杆45两侧。上下两个限位开关43和控制电路板47安装在接触开关架46上，接触开关架46安装在底座连接架36上。电机38带动传动小齿轮34旋转，通过齿轮间的啮合驱动传动螺杆40旋转。由于传动螺杆40与升降螺母41通过螺纹连接，以及两个挡杆44对触碰杆45的限制作用，随着传动螺杆40的旋转，升降螺母41和球型支撑42作升降运动，当触碰杆45与限位开关43接触时，电机38停止工作。

该常平架的工作过程是控制电路47控制电机38驱动传动螺杆40顺时针旋转，升降螺母41和球型支撑42向下运行，当触碰杆45与限位开关43接触后，电机38停止转动。此时球托32及安装在底座上的地震计可以在±30°内围绕轴承29转动，最后保持在水平状态。然后控制电路47控制电机38驱动传动螺杆40逆时针旋转，升降螺母41和球型支撑42向上运行，当触碰杆45与限位开关43接触后，电机38停止转动，此时球形支撑42弧面与球托32弧面紧密接触，调平结束。

所述球托32和球形支撑42其表面的弧度是一样的，均为圆弧面，两者的表面均匀分布有0.2毫米的凹坑，可以增大两个面接触的摩擦力，保证地震计与常平架之间是刚性连接，减少寄生共振。

所述数据采集器、地震计、常平圈都安装在常平机构的底盘31上，在密封仪器仓球内部仅需固定左右两个固定支架，以便调试与组装。

(4)GPS、电子罗盘、数传电台20和频闪信号灯18

密封仪器仓球还装有GPS、电子罗盘、数传电台和信号灯。当海底地震仪浮出海面后，为了方便打捞，海底地震仪集成了数传电台，地震仪在海面上打开GPS定位后，将位置信息通过数传电台发送出去。该电台工作频率为230MHz，发射功率为2W，使用1/8波长短棒天线，确保海底地震仪在海面上传输距离大于2公里。

同时，海底地震仪内部还集成了高亮度红光二极管，发射功率5W，方便在夜间进行打捞。

2.电池仓

宽频带海底地震仪在海底需要维持较长工作时间，因此就需要携带大量电池。本发明使用一次性锂聚合物电池，电池分为四大组。第一组，两节电池串联后再并联，供电电压6.6V，这部分电池给采集器和地震计供电。第二组，4节电池串联后再并联，供电电压13.2V，给逃生机构供电。第三组，4节电池串联后再并联，供电电压13.2V，给数传电台和频闪灯供电。第四组，4节电池串联后再并联，供电电压13.2V，给水声通讯电路和释放控制电路供电。

这样多组方式供电有以下优点：

1)供电电池多组并联，防止个别电池出现问题；

2)多组分别供电可以更好的根据各部件功耗合理分配电池；

3)释放部分单独供电，可以使这部分电池在记录中没有被使用，保证长时间海底记录后，释放电源仍然充足，确保释放。

4)数传电台和频闪灯单独供电，保证上浮后正常工作时间。

本发明宽频带海底地震仪携带大量的电池，这些电池分别放在玻璃密封仓内的电池盒4的孔5中(图6)，电池盒使用硬海绵一次加工而成，外形略大于玻璃密封舱球内壁，安装时将电池盒整个放入玻璃密封仓中就可以，不需要粘贴、固定，利用电池放入后整个电池盒4的体积会增大使其与玻璃密封仓内壁紧密结合。

3.连接板

本发明宽频带海底地震仪的仪器仓和电池仓之间是通过一个是不锈钢连接板12连接的，不锈钢连接板12采用8毫米厚的不锈钢板直接加工而成，上面均匀分布20毫米的孔以便于在宽频带海底地震仪在海水中下沉时透水。

不锈钢连接板12通过四边的孔分别与两个ABS保护壳9上的孔连接在一起。

4.释放机构和耦合架

本发明宽频带海底地震仪的电腐蚀释放机构包括一根熔丝和固定在连接板12上的熔丝盘，熔丝盘的两端各嵌设一块熔丝拉块，各熔丝拉块上设绕线桩，熔丝盘的中央设有正负电极、若干绕线桩、压片，熔丝经由负电极绕过熔丝盘和熔丝拉块上的各绕线桩，该熔丝的两端由压片压紧，将各熔丝拉块与熔丝盘固定在一起。

本发明宽频带海底地震仪的耦合架由上下两个铸铁制作的椭圆形环、连接于两个椭圆形环之间的数根铁管焊接而成，部分铁管上焊接角铁，角铁上穿设螺杆，螺杆固接钢丝绳，该钢丝绳与释放机构的熔丝拉块的固接。耦合架2的下方用4根1米长的铁链连接配重架1。在宽频带海底地震仪在海水中下沉时，由于配重架1的重量远大于宽频带海底地震仪的浮力，其会拽着宽频带海底地震仪竖直下沉，减少海流对仪器的影响。

参见图4、图5。释放机构13由熔丝盘、正电极49、熔丝拉块50、绕线桩51、负电极52、垫柱53、压丝螺钉54、锁紧环55、螺柱56、螺母57、压片58、和一根熔丝60组成。释放机构由8根支杆48固定在不锈钢板12上，释放机构13上缠绕熔丝60，熔丝60采用1毫米直径的多股钢丝，每股又由36根细钢丝组成，熔丝60由压片58开始缠绕，顺时针绕过压丝螺钉(右侧)54，之后再依次绕过绕线桩(1)51、绕线桩(2)51、绕线桩(3)51，经绕线桩(4)51下边缘处，依次经过负电极(右侧)52、垫柱53、负电极(左侧)52，再依次绕过绕线桩(6)51、绕线桩(7)51、绕线桩(8)51，最后绕过压丝螺钉(左侧)54回到压片58处，完成熔丝60的安装。熔丝60通过熔丝拉块50上的绕线桩51把熔丝拉块50与整个释放机构连接在一起。

装有仪器仓和电池仓的ABS保护壳通过不锈钢连接板12固定在一起，释放机构13也与不锈钢连接板12固定在一起，然后整个放置在耦合架的上面，耦合架通过钢丝绳与释放机构的熔丝拉块50连接。

当宽频带海底地震仪给释放机构中的正电极49和负电极52加直流电后，负电极52上方的熔丝60就开始发生电腐蚀反应，直至最后断开。熔丝60断开后，熔丝拉块50便和整个释放机构分离，与熔丝拉块50连接的耦合架也随之与整个宽频带海底地震仪分离。

由于释放机构是与宽频带海底地震仪紧密固定在一起的，随着海底地震仪的回收而回收，是可以重复使用的部件，因此，释放机构中所有的金属部件都采用316不锈钢加工而成，具有高抗腐蚀性。

工作原理

本发明宽频带海底地震仪的工作过程是：选择适当的海域将宽频带海底地震仪从海面投放入海水中，宽频带海底地震仪整体的重量远大于其在海水中的浮力，故会下沉至海底，下沉到海底后，自动启动内部的常平架进行调平，调平完成后地震计开始工作，数据采集器也进入工作状态，开始连续采集并记录地震计输出。当需要获取记录数据时，通过声纳发送释放命令，将宽频带海底地震仪回收。宽频带海底地震仪接收到水声释放命令后启动释放机构，使耦合架与宽频带海底地震仪回收部分分离，宽频带海底地震仪回收部分由于浮力大于自身重力，就会浮出海面，并由数传电台发出GPS定位信息，然后根据该信息确定仪器的位置并打捞仪器，再提取数据采集器记录的观测数据进行分析和科学研究。

Claims (10)

1.一种宽频带海底地震仪，其特征在于包括：

两个保护外壳；

一块连接板，所述两个保护外壳分别固定在该连接板的两端；

一个密封仪器仓球和一个密封电池仓球，分别装在所述两个保护外壳中，电池仓球中装有电池和水声通讯电路，两个密封仓球之间用电缆电连接；

用于保持地震计处于水平状态的常平架，装在所述仪器仓球内，常平架上安装数据采集器和地震计；

用于释放耦合架的电腐蚀释放机构，其固定在所述连接板上；

为地震仪提供下沉力的耦合架，其位于所述连接板下方并用钢丝绳与所述电腐蚀释放机构连接，耦合架的下方还用铁链连接配重架。

2.如权利要求1所述的宽频带海底地震仪，其特征在于：

所述常平架包括常平机构和锁紧机构，其中：

所述常平机构包括左右固定支架、常平圈、前后连接架、底盘、球托，左右固定支架固定在所述密封仪器仓球内，常平圈的左右端分别与左右固定支架枢接，常平圈的前后端分别与前后连接架的上端枢接，前后连接架的下端分别与底盘的前后端固定，球托固定于底盘的底面，左右固定支架的中心之间形成的轴线与前后连接架的中心之间形成的轴线正交；

所述锁紧机构包括球形支撑、电动升降机构、底座，底座固定在所述密封仪器仓球内，电动升降机构装在底座上，球形支撑由电动升降机构驱动升降，球形支撑上升后可紧抵所述球托的下弧面。

3.如权利要求2所述的宽频带海底地震仪，其特征在于：

所述球形支撑与球托两者的接触面均为弧度相同的圆弧面且均布凹坑。

4.如权利要求2所述的宽频带海底地震仪，其特征在于：

所述数据采集器、地震计、常平圈都安装在所述常平机构的底盘上，在密封仪器仓球内部仅需固定左右两个固定支架，以便调试与组装。

5.如权利要求1所述的宽频带海底地震仪，其特征在于：

所述电腐蚀释放机构包括一根熔丝和固定在所述连接板上的熔丝盘，熔丝盘的两端各嵌设一块熔丝拉块，各熔丝拉块上设绕线桩，熔丝盘的中央设有正负电极、若干绕线桩、压片，熔丝经由负电极绕过熔丝盘和熔丝拉块上的各绕线桩，该熔丝的两端由压片压紧，将各熔丝拉块与熔丝盘固定在一起，各熔丝拉块经钢丝绳与所述耦合架连接。

6.如权利要求1所述的宽频带海底地震仪，其特征在于：

所述连接板上密布透水孔。

7.如权利要求1所述的宽频带海底地震仪，其特征在于：

所述地震计是宽频带力平衡反馈式地震计，频带范围是40秒至40赫兹，地震计内置可实现±3°的调整范围的电子调零装置。

8.如权利要求1所述的宽频带海底地震仪，其特征在于：

所述的电池装在硬海绵制作的起到减振和保护电池作用的电池盒内，电池盒直接放入电池仓球中。

9.如权利要求5所述的宽频带海底地震仪，其特征在于：

所述耦合架由上下两个椭圆形环、连接于两个椭圆形环之间的数根支撑铁管组成，部分铁管上焊接角铁，角铁上穿设螺杆，螺杆与连接所述熔丝拉块的钢丝绳固接，所述两个保护外壳放置在该耦合架的上面。

10.如权利要求1所述的宽频带海底地震仪，其特征在于：

所述密封仪器仓球还装有GPS、电子罗盘、数传电台和信号灯。

Images