本發(fā)明涉及微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種集成有主動(dòng)震源的高精度三分量微地震檢波器及實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

微地震檢波器是用于監(jiān)測(cè)巖石內(nèi)震動(dòng)的專(zhuān)用檢波器，其原理和構(gòu)造與地震勘探和工程測(cè)量中的檢波器類(lèi)似。而三分量檢波器是多波勘探時(shí)使用的特種檢波器，與單分量的常規(guī)地震檢波器不同，三分量檢波器可以記錄質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度向量的三個(gè)分量，從而用于同時(shí)記錄縱波、橫波、轉(zhuǎn)換波。

三分量檢波器在微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)中，可用于輔助震源分析。目前，相關(guān)的微地震監(jiān)測(cè)算法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)相對(duì)成熟，但是其定位精度卻很難進(jìn)一步提高，無(wú)法實(shí)時(shí)有效地驗(yàn)證實(shí)時(shí)定位的準(zhǔn)確程度，究其原因，主要是因?yàn)檎鹪吹牟淮_定性造成的。因此，現(xiàn)有的三分量微地震檢波器難以有效地檢驗(yàn)當(dāng)前微地震監(jiān)測(cè)的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種集成有主動(dòng)震源的高精度三分量微地震檢波器及實(shí)現(xiàn)方法，主要解決當(dāng)前微地震監(jiān)測(cè)定位精度不高的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

集成有主動(dòng)震源的高精度三分量微地震檢波器，包括主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集電路、DAC、加速度傳感器、DDS芯片、執(zhí)行器、激振體和慣性傳感器；所述主控系統(tǒng)、DDS芯片、執(zhí)行器和激振體依次連接構(gòu)成一用于提供震源的主動(dòng)震源系統(tǒng)；所述激震體、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集電路依次連接，所述DAC與數(shù)據(jù)采集電路連接，并且數(shù)據(jù)采集電路還與主控系統(tǒng)連接，與主動(dòng)震源系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)提供震源、采集微地震數(shù)據(jù)的閉環(huán)回路；所述慣性傳感器與主控系統(tǒng)連接，用于獲取檢波器實(shí)時(shí)方位信息；所述主控系統(tǒng)外部還分別連接有一485通信接口和以太網(wǎng)通信接口。

所述主控系統(tǒng)包括并行采集數(shù)據(jù)的STM32F4微控制器和FPGA；所述的STM32F4微控制器、DDS芯片、執(zhí)行器和激振體構(gòu)成主動(dòng)震源系統(tǒng)。

所述加速度傳感器為MEMS加速度傳感器。

所述慣性傳感器為MEMS加速度傳感器。

基于上述三分量地震檢波器的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提供了該三分量地震檢波器的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：

(1)主動(dòng)震源系統(tǒng)產(chǎn)生震動(dòng)信號(hào)，然后由加速度傳感器獲取，并傳入至數(shù)據(jù)采集電路；

(2)DAC將數(shù)據(jù)采集電路接收的信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后由數(shù)據(jù)采集電路傳入至主控系統(tǒng)的FPGA中進(jìn)行處理，同時(shí)，慣性傳感器采集檢波器實(shí)時(shí)方位信息，并一同傳入至FPGA中；

(3)FPGA處理后，將數(shù)據(jù)經(jīng)由485通信接口和以太網(wǎng)通信接口輸出，與數(shù)據(jù)處理采集中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

進(jìn)一步地，所述步驟(1)中，主動(dòng)震源系統(tǒng)產(chǎn)生震動(dòng)信號(hào)的具體過(guò)程為：主控系統(tǒng)的STM32F4微控制器控制DDS芯片發(fā)出信號(hào)，激發(fā)執(zhí)行器工作，使激震體產(chǎn)生震動(dòng)信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)巧妙，其在微地震檢波器內(nèi)部加入主動(dòng)震源，實(shí)現(xiàn)在微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完成后，即可通過(guò)激發(fā)檢波器內(nèi)的主動(dòng)震源來(lái)確定整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的速度模型；而在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)主動(dòng)震源激發(fā)評(píng)估當(dāng)前微地震監(jiān)測(cè)定位結(jié)果是否的準(zhǔn)確可靠，有較大偏差的話，便可以根據(jù)已知震源，修改速度模型，如此一來(lái)，不僅可以提高定位的精度，而且也在一定程度上提高了當(dāng)前主動(dòng)震源微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的施工效率。

(2)本發(fā)明在檢波器中加入了慣性傳感器組，并通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法來(lái)獲取檢波器的方位朝向信息，不僅豐富了可用于對(duì)震源定位的信息，而且可用于分析震源機(jī)制，從而為后續(xù)在算法層面提高微地震數(shù)據(jù)定位精度提供更多的數(shù)據(jù)支持。

(3)本發(fā)明性?xún)r(jià)比高、實(shí)用性強(qiáng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值，非常適合在微地震監(jiān)測(cè)方面大規(guī)模推廣應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。

圖2為本發(fā)明-實(shí)施例中數(shù)據(jù)采集部分的示意圖。

圖3為本發(fā)明-實(shí)施例中主動(dòng)震源部分的示意圖。

圖4為本發(fā)明-實(shí)施例中信號(hào)發(fā)生器控制部分的系統(tǒng)框圖。

圖5為本發(fā)明-實(shí)施例中慣性傳感器組數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)解算框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說(shuō)明和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明的方式包括但不僅限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例

本發(fā)明提供了一種集成有主動(dòng)震源的高精度三分量微地震檢波器，主要用于為主動(dòng)震源微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)提供硬件支持，并提供了在檢波器層面上提高微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)定位精度的可能性。本發(fā)明系統(tǒng)部分包括主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集電路、DAC、加速度傳感器、DDS芯片、執(zhí)行器、激振體和慣性傳感器、485通信接口和以太網(wǎng)通信接口，其中，所述的主控系統(tǒng)采用并行的STM32F4微控制器和FPGA(本實(shí)施例中，該FPGA采用Cyclone IV系列)。

如圖1所示，所述STM32F4微控制器、DDS芯片、執(zhí)行器和激振體依次連接，構(gòu)成一個(gè)主動(dòng)震源系統(tǒng)，其作用是提供震源，具體做法是由主控系統(tǒng)調(diào)節(jié)DDS信號(hào)，然后激發(fā)執(zhí)行器，從而使激振體產(chǎn)生震動(dòng)。

所述的激振體、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集電路依次連接，所述DAC與數(shù)據(jù)采集電路連接，并且數(shù)據(jù)采集電路還與主控系統(tǒng)連接，與主動(dòng)震源系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)提供震源、采集微地震數(shù)據(jù)的閉環(huán)回路(即可控主動(dòng)震源)，當(dāng)激振體產(chǎn)生震動(dòng)后，由加速度傳感器獲取，并經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路和DAC數(shù)字化后送入主控系統(tǒng)的FPGA中進(jìn)行處理。所述的慣性傳感器與主控系統(tǒng)連接，用于獲取檢波器實(shí)時(shí)方位信息，并與上述微地震數(shù)據(jù)一并傳入至主控系統(tǒng)中，然后輸出，以方便后續(xù)對(duì)震源的機(jī)制進(jìn)行分析。

本實(shí)施例中，上述加速度傳感器和慣性傳感器均采用MEMS，特點(diǎn)是集成度高，可與信號(hào)處理電路集成在一起，大大降低了生產(chǎn)成本。而數(shù)據(jù)采集電路采用了現(xiàn)有常用的基于ADS1282的高精度采集電路，其與DAC和加速度傳感器的連接示意圖如圖2所示，ADS1282是一款集成了雙通道輸入多路轉(zhuǎn)換器、低噪聲可編程增益放大器、四階△-∑調(diào)制器和數(shù)字濾波器的高性能32位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以看作是Cirrus Logic套片方案中CS3301A+CS5372A+CS5376的集合，同時(shí)也擁有更加優(yōu)異的性能，充分滿(mǎn)足地震檢測(cè)的應(yīng)用需求。而所述的DAC則采用了DAC1282，DAC1282是一款用于地震儀的低失真數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可提供失真低，數(shù)字合成電壓輸出，適用于地震檢測(cè)設(shè)備的測(cè)試，其內(nèi)部集成了一個(gè)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、一個(gè)DAC、一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和一個(gè)脈沖輸出電壓的輸出放大器。其工作流程與采用Cirrus Logic套片方案的工作流程類(lèi)似，首先是對(duì)ADS1282初始化，然后通過(guò)主控電路對(duì)其進(jìn)行配置和采集，采集完成后會(huì)給主控電路一個(gè)完成信號(hào)，通知主控電路讀取數(shù)據(jù)。

關(guān)于主動(dòng)震源的設(shè)計(jì)，本發(fā)明借鑒了地震勘探中主動(dòng)震源的設(shè)計(jì)方案，檢波器內(nèi)的主動(dòng)震源設(shè)計(jì)主要包含三個(gè)部分：信號(hào)發(fā)生器、激振器和測(cè)控器。信號(hào)發(fā)生器用于信號(hào)的合成與濾波，激振器選擇可控的高頻電動(dòng)式激振器，在測(cè)控器的控制下產(chǎn)生所需的震動(dòng)信號(hào)，同時(shí)在激振器上固定加速度傳感器，用于采集系統(tǒng)反饋信號(hào)，此部分的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。在該系統(tǒng)中，核心是信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，本實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)擬采用專(zhuān)用的DDS芯片AD9852作為信號(hào)發(fā)生器芯片，其時(shí)鐘頻率為300MHz，有兩個(gè)12位的高速正交DAC、兩個(gè)48位可編程寄存器、兩個(gè)14位可編程相位移位寄存器、12位幅度調(diào)制器和可編程的波形開(kāi)關(guān)鍵功能，并有單路FSK和BPSK數(shù)據(jù)接口，易產(chǎn)生單路線性或非線性調(diào)頻信號(hào)。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源時(shí)，AD9852可產(chǎn)生高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程的正、余弦輸出，可用作捷變頻本地振蕩器和各種波形產(chǎn)生器。AD9852提供了48位的頻率分辨率，相位量化到14位，保證了極高頻率分辨率和相位分辨率，極好的動(dòng)態(tài)性能。

控制部分采用系統(tǒng)的STM32F4系列單片機(jī)作為主控芯片，主要包含信號(hào)發(fā)生模塊、控制模塊和通訊模塊，如圖4所示，電源模塊主要為控制芯片及AD9852提供穩(wěn)定干凈的電源供應(yīng)，盡量的減少由電源所引入的噪聲干擾；通訊部分主要負(fù)責(zé)與上級(jí)的控制單元間通訊，執(zhí)行主控單元發(fā)出的命令并給予應(yīng)答；控制部分主要有以下功能：1.接收上級(jí)控制單元需要的震源類(lèi)型，控制AD9852產(chǎn)生相應(yīng)響應(yīng)；2.實(shí)現(xiàn)功放的開(kāi)關(guān)控制，在開(kāi)始產(chǎn)生震源的時(shí)候才進(jìn)行功率放大，其余時(shí)間不使用。3.根據(jù)主動(dòng)震源的不同工作狀態(tài)給出不同的狀態(tài)指示。

而對(duì)于檢波器實(shí)時(shí)方位的定向，則在本申請(qǐng)發(fā)明人的論文“基于MEMS傳感器的三分量檢波器定向方法”(《儀表技術(shù)與傳感器》，2014年第10期，沈統(tǒng)、庹先國(guó)、李懷良、劉勇、陽(yáng)林鋒)中有詳細(xì)描述，這里僅作簡(jiǎn)單介紹：

首先在硬件連接上，慣性傳感器組的三種傳感器的三個(gè)軸向需要一一對(duì)應(yīng)，這樣組合而成的傳感器組可以看作只有三個(gè)軸向，而其三個(gè)軸向與三分量檢波器的三個(gè)軸向也一一對(duì)應(yīng)。

然后，通過(guò)微控制器讀取慣性傳感器組中三種不同類(lèi)型傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)互補(bǔ)濾波算法將不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合即可得到所需要的檢波器的方位信息。其數(shù)據(jù)解算如圖5所示。

按照上述設(shè)計(jì)思想，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程歸納如下：

(1)主動(dòng)震源系統(tǒng)產(chǎn)生震動(dòng)信號(hào)，然后由加速度傳感器獲取，并傳入至數(shù)據(jù)采集電路；

(2)DAC將數(shù)據(jù)采集電路接收的信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后由數(shù)據(jù)采集電路傳入至主控系統(tǒng)的FPGA中進(jìn)行處理，同時(shí)，慣性傳感器采集檢波器實(shí)時(shí)方位信息，并一同傳入至FPGA中；

(3)FPGA處理后，將數(shù)據(jù)經(jīng)由485通信接口和以太網(wǎng)通信接口輸出，與數(shù)據(jù)處理采集中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

關(guān)于本發(fā)明的可行性分析

微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)和主動(dòng)震源技術(shù)均是當(dāng)前相對(duì)較為成熟的技術(shù)，本發(fā)明的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何把主動(dòng)震源的體積縮小到檢波器內(nèi)部，同時(shí)使其激發(fā)的震源能量足以觸發(fā)周邊的檢波器，由于微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)中檢波器需要于巖壁緊密耦合在一起，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)所需要主動(dòng)震源激發(fā)的能量沒(méi)有地震勘探所需要的能量大，根據(jù)振動(dòng)器的力學(xué)分析，振動(dòng)器產(chǎn)生力的大小F和震動(dòng)體的質(zhì)量M，活塞的行程L和頻率(f)的平方成如下的關(guān)系：

F＝M×L×f²

由于受到體積的限制，因此提高振動(dòng)器的震動(dòng)頻率同樣可以增大主動(dòng)震源產(chǎn)生的力的大小，而且已經(jīng)有澳大利亞礦震研究院20kHz小體積主動(dòng)震源的成功經(jīng)驗(yàn)，因此本發(fā)明的可行性不存在問(wèn)題。

本發(fā)明通過(guò)在三分量微地震檢波器內(nèi)集成主動(dòng)震源，從硬件層面解決了當(dāng)前微地震技術(shù)由于震源的不確定性而導(dǎo)致難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)當(dāng)前微地震監(jiān)測(cè)定位的效果的問(wèn)題。同時(shí)，本發(fā)明還加入了慣性傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法的方式來(lái)獲取檢波器的方位朝向信息，從而不僅可以豐富震源定位的信息，而且還可用于分析震源機(jī)制。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)進(jìn)步明顯，其具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。

上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的主體設(shè)計(jì)思想和精神上作出的毫無(wú)實(shí)質(zhì)意義的改動(dòng)或潤(rùn)色，其所解決的技術(shù)問(wèn)題仍然與本發(fā)明一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。