СИСТЕМА СБОРА СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ
SEISMIC DATA COLLECTION SYSTEM

Изобретение относится к области сейсмологии и более конкретно к системе сбора сейсмических данных и может быть использовано в автоматизированных системах сбора геофизической информации, в частности в многоканальных цифровых телеметрических сейсморегистрирующих системах с проводной и беспроводной линиями связи для отработки сейсмических профилей различными методами сейсморазведки.
Известна система сбора сейсмических данных (см. патент РФ № 2207593 по кл. МПК G01V1/22, опубл. 27.06.2003), содержащая  группу автономных блоков регистрации, на входы каждого из которых подключен по крайней мере один сейсмоприемник, центральный управляющий бортовой комплекс и по крайней мере одну информационную телеметрическую линию связи, содержащую по крайней мере одну секцию, соединяющую автономные блоки регистрации между собой и с центральным управляющим бортовым комплексом, причем центральный управляющий бортовой комплекс содержит вычислительный комплекс и по крайней мере один бортовой регистратор, подключенный к секции информационной телеметрической линии связи и соединенный с вычислительным комплексом последовательным информационным каналом связи, причем на входы бортового регистратора подключен по крайней мере один датчик служебных данных или сейсмоприемник, каждый автономный блок регистрации содержит устройство разделения потоков данных и регистратор, причем устройство разделения потоков данных содержит первый приемник и первый передатчик, подключенные к информационной линии связи, второй приемник и второй передатчик, подключенные к информационной линии связи, коммутатор и модем, причем выход первого приемника соединен с первым входом коммутатора, коммутирующий выход которого соединен с первым входом модема, второй вход которого соединен с последовательным информационным выходом регистратора, отличающаяся тем, что в устройстве разделения потоков данных второй вход коммутатора соединен с выходом второго приемника, первый выход коммутатора соединен со входом первого передатчика, второй выход коммутатора соединен со входом второго передатчика, коммутирующий вход коммутатора соединен с первым выходом модема, второй выход которого соединен с последовательным информационным входом регистратора, управляющий выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, с управляющим входом первого приемника, с управляющим входом первого передатчика, с управляющим входом второго приемника и с управляющим входом второго передатчика устройства разделения потоков данных.
Недостатком данной системы является ее излишняя энергонасыщенность бортовым электронным оборудованием, которое требует дополнительного внимания оператора для отслеживания сбоев при не совпадении контрольных кодов, при этом место неисправности расстановки протяженностью несколько километров не определяется автоматически.
Информационная телеметрическая линия связи, содержащая по крайней мере одну секцию, соединяющую автономные блоки регистрации между собой  с центральным управляющим бортовым комплексом, по существу является только кабельной сейсмосистемой, использующей многожильный кабель что значительно приводит к увеличению общего веса оборудования.
Известна также система сбора сейсмических данных (см. патент РФ №2190241по кл. МПК G01V1/22, опубл. 27.09.2002), содержащая центральный блок управления и узлы сейсмоприемника, расположенные в определенном порядке на исследуемой территории, причем каждый из упомянутых узлов сейсмоприемника содержит средство представления цифровых данных сейсмического движения поверхности земли в месте расположения указанного узла сейсмоприемника. Исследуемая территория имеет разделение на группу секторов, в каждом из которых содержится группа узлов сейсмоприемника и узел доступа к сектору, причем каждый из упомянутых узлов сейсмоприемника содержит радиотелеметрическое средство для приема управляющих сигналов с центрального блока управления через соответствующий узел доступа к сектору и передачи упомянутых цифровых данных по команде на соответствующий узел доступа к сектору для последующей их передачи к центральному блоку управления, а упомянутые узлы сейсмоприемника, расположенные в данном секторе, связаны с упомянутым узлом доступа к сектору, посредством указанного радиотелеметрического средства, на определенной частоте, отличной от частот, используемых в секторах, прилегающих к данному сектору, и каждая частота используется в системе в нескольких не прилегающих друг к другу секторах указанной территории. Узлы доступа к сектору связаны с упомянутым центральным блоком управления посредством радиосвязи, кабеля или оптоволоконного канала связи.
Недостатком данной системы является ограничение реальной расстановки на пересеченной местности, поскольку форма и размеры секторов определяются радиусом действия радиопередатчиков, особенностями территории, наличием каких-либо препятствий и в меньшей степени погодными условиями. Узлы удаленного сбора данных (УУСД), размещенные в одном секторе, работают на одном и том же наборе радиочастот. В прилегающих друг к другу секторах используются различные радиочастоты. При выполнении работ 3D,особенно если необходимо преодолевать естественные препятствия, ограниченный набор диапазона частот может в значительной мере снизить производительность работ.
При хаотичном размещении секторов на площади потребуется длинная оптоволоконная линия, которая без специальных регенераторов потока данных приведет к значительному замедлению всего объема геофизической информации или к потере ее части на момент поступления в основной регистратор.
Наиболее близким к заявляемой является система сбора данных для характеристики подповерхностных структур (см. патент РФ №2450255 по кл. МПК G01N1/22, опубл. 10.05.2012), содержащая центральный контроллер, площадку расстановки сейсмических приемников, связанную с центральным контроллером и включающей в себя по меньшей мере одно средство сбора информации, содержащее блок сейсмических приемников, установленный на поверхности земли с возможностью регистрации сейсмических волн в земле и формирования сигнала, характеризующего регистрируемую сейсмическую волну, исходящую от подповерхностных структур, записывающий блок, содержащий блок памяти, расположенный вместе с блоком сейсмических приемников, соединенный с ним с возможностью получения сигнала и хранения в цифровом формате характеризующей полученный сигнал информации и выполненный с возможностью получения параметра местоположения и ориентации только одного блока сейсмических приемников, процессор, связанный с блоком сейсмических приемников и записывающим блоком, и средство связи, расположенное вместе с блоком сейсмических приемников и записывающим блоком с возможностью осуществления прямой связи с центральным контроллером, и источником сейсмических волн, выполненным с возможностью создания сейсмической волны заданной магнитуды и из точки с заранее определенным местонахождением.
Основным недостатком является то, что данная система не обладает реальным временем передачи данных, а производит запись в память для последующего считывания в центральный контроллер.
Техническая проблема заявляемого изобретения заключается в расширении арсенала средств многоканальных цифровых телеметрических сейсморегистрирующих систем комплексированием с кабельными и бескабельными каналами при увеличении числа каналов и при повышении потребительских возможностей проведения геофизических исследований в диапазоне широкого спектра температур от -40 до +70 градусов Цельсия, с любыми геофонами, и с любым источником возбуждения сейсмических волн и на любой поверхности с различными типами препятствий и с возможностью обхода препятствий, не разрывая линии наблюдения.
Технический результат заключается в удлинении линии расстановки до 2400 активных сейсмических каналов при 2D работах (такая канальность необходима при сгущении сетки каналов с шагом приема сейсмических сигналов через 5-10 метров) и обеспечении режима 3D при площадных полевых работах с канальностью до 100000 активных сейсмических кабельных и бескабельных каналов (расстановка определяется конкретной площадью и соответственно возможностью максимального размещения каналов с определенным шагом по линиям профиля для реализации методики регистрации с несколькими группами виброисточников одновременно), а также в увеличении скорости передачи сейсмической информации по  магистральному оптоволоконному кабелю в центральный компьютер, осуществлении обхода препятствий без разрыва линии наблюдения и тем самым сокращении сроков выполнения заданного объема работ.
Для достижения заявляемого технического результата система сбора сейсмических данных, содержащая блок сбора данных, управляющий компьютер, блок сейсмических приемников, записывающий блок, содержащий блок памяти, расположенный вместе с блоком сейсмических приемников, согласно изобретению, система дополнительно содержит блоки концентраторов, соединенные между собой оптоволоконным кабелем и с управляющим компьютером, блок сбора данных содержит кабельные модули и бескабельные блоки, выполненные с возможностью синхронной работы от сигнала спутника, при этом количество кабельных модулей и бескабельных блоков определяется количеством сейсмических каналов, каждый из концентраторов снабжен управляемым блоком питания кабельной линии и модулем преобразования оптического сигнала в цифровой сигнал и обратно и имеет вход для подключения к кабельному модулю, для подключения антенн Wi-Fi, для приема сигнала от бескабельного блока по радиоканалу, для GPS-антенны, для подключения аккумуляторной батареи, при этом каждый концентратор содержит процессор, запрограммированный с возможностью сжатия сигналов, поступающих от кабельных модулей и бескабельных блоков, а количество блоков концентраторов выбрано в зависимости от числа сейсмических каналов.
Корпус каждого блока концентратора и бескабельного блока выполнены герметичными из ударопрочного пластика  со степенью защиты по IP68.
Изобретение поясняется чертежами, где представлены:
- на фиг. 1 – заявляемая система сбора данных,
- на фиг. 2 – схема обхода препятствий,
-на фиг. 3 – блок концентратора,
на фиг. 4 – бескабельный блок.
Позициями на чертежах обозначено:
1 – управляющий компьютер,
2 – блок синхронизации и вспомогательных каналов,
3 – система синхронизации и возбуждений,
4 – промышленный управляемый коммутатор,
5 – входная панель,
6 – блок концентратора линии,
7 – бескабельный блок,
8 – кабельный модуль,
9 – основная плата,
10 – контроллер первого порта,
11 – контроллер второго порта,
12,13,14 – устройства защиты,
15 – плата синхронизации.
16 – устройство аналоговое,
17 – контроллер,
18 – устройство защиты,
19 – плата GPS,
20 – аккумуляторная батарея.
Система содержит центральный регистрирующий комплекс, в котором расположены: управляющий компьютер 1, блок синхронизации и вспомогательных каналов 2, систему синхронизации и возбуждений 3, промышленный управляемый коммутатор 4, входную панель 5.
Управляющий компьютер 1 обеспечивает:
- подготовку служебной информации для наземных блоков;
- синхронизацию процессов запуска источника возбуждения сейсмических колебаний и регистрацию сейсмических данных;
- формирование файла времен запуска источника сейсмических колебаний;
- передачу подготовленной для наземных блоков служебной информации с использованием беспроводной технологии передачи данных Wi-Fi или проводного подключения;
- прием сейсмической, служебной информации и результатов  самотестирования полевых блоков с использованием беспроводной технологии передачи данных Wi-Fi или проводного подключения через Ethernet;
- формирование сейсмограмм путем привязки файлов сейсмических данных зарегистрированных беспроводных блоков к соответствующим временам запуска источника возбуждения;
- привязку сейсмограмм, формируемых в процессе сортировки зарегистрированных сейсмических данных, к конкретным пикетам, используя при этом входной SPS-Файла с заданными координатами расстановки профиля;
- запись сейсмограмм на носитель информации в одном из сейсмических форматов данных (SEG-Y или SEG-D);
- обработку результатов тестирования и выдачу заключения о техническом состоянии блоков и встроенных аккумуляторов.
Блок синхронизации и вспомогательных каналов 2 обеспечивает синхронизацию процессов запуска источника возбуждения сейсмических колебаний по команде управляющего компьютера 1 и оцифровку аналоговых сигналов вспомогательных каналов.
Система синхронизации и возбуждений 3  предназначена для работы, как с взрывными, так и с невзрывными источниками возбуждения импульсного типа. Система служит для: синхронизации начала запуска сейсморазведочных систем сбора данных и запуска источников возбуждения колебаний; инициирования взрывных источников возбуждения колебаний; формирования сигналов отметки момента и вертикального времени на пункте возбуждения колебаний; передачи сигналов отметки момента и вертикального времени с пункта возбуждения колебаний на сейсмостанцию.
Промышленный управляемый коммутатор 4 осуществляет прием цифрового потока информации от входной панели и по Ethernet протоколу передает в управляющий компьютер, источник питания коммутатора производит преобразование первичного напряжения питания 220 В в напряжение 48 В и транслирует его в телеметрическую линию.
Входная панель 5 служит для обеспечения коммутации оптоволоконного кабеля двух портов, поступающих от блоков концентратора, с входом управляемого промышленного коммутатора и далее посредством протокола Ethernet в управляющий компьютер, обеспечивает защиту телеметрической линии от статического электричества и формирует напряжение питания для преобразователя «цифра – оптика».
Блок концентратора 6 имеет пластиковый корпус, изготовленный со степенью защиты IP68. Корпус снабжен разъемами для подключения аккумуляторной батареи, разъемами для подключения магистрального оптоволоконного кабеля, разъемами для кабельных телеметрических модулей 8 и разъемами для установки специальных антенн Wi-Fi для приема сейсмических данных в реальном времени от бескабельных блоков 7, а также для считывания данных из памяти устройства без предварительного разбора устройства с использованием протокола Ethernet, антенну  GPS/ГЛОНАС для определения координат и обеспечения синхронной работы бескабельных блоков 7 по сигналу от спутника, устройства защиты от статического электричества, основную плату с расположенными на ней двумя контроллерами, на которых размещены устройства электронной памяти, модуль с Wi-Fi антенной, модуль с GPS антенной, модуль преобразования оптического сигнала в цифровой сигнал и обратно, платы защиты. Концентратор обеспечивает не менее двух ветвей кабельных модулей сбора данных, либо бескабельных блоков сбора данных, количество подключаемых внешних батарей напряжением 12В - 2, радиус действия  встроенного радиопередающего (Wi-Fi) модуля - 300 м, длина оптоволоконного магистрального кабеля - 330м., интерфейс Ethernet  для создания гибкой структуры магистральных связей  (cм. фиг. 3).
Бескабельный блок 7 содержит корпус и крышку, которые изготовлены также из пластмассы со степенью защиты IP68. На дне корпуса с помощью двухстороннего скотча и силиконовой пластины закреплена аккумуляторная батарея, зафиксированная металлической пластиной, содержит электронную часть, закрепленную в корпусе, которая размещена на двух субблоках, электрически соединенных между собой соединителями и  образующих с помощью металлических стоек конструкцию типа «слоеный пирог». На крышке имеется выходной герметичный соединитель, по которому осуществляется соединение с сейсмическими датчиками, и соединитель, используемый для зарядки аккумуляторной батареи и считывания зарегистрированной информации.
В состав бескабельного блока 7 также входит антенна, закрепленная на крышке; Блок 7 предназначен для записи сейсмоданных без использования кабелей и радиоканала и включает в себя устройство аналоговое с одним или тремя каналами сбора данных, плату синхронизации со  встроенным высокочувствительным GPS-приемником, тактовый генератор, встроенный генератор тестовых сигналов, энергонезависимую память емкостью до 32 Гбайт, высокоскоростной порт для передачи данных и  аккумуляторную батарею (см. фиг. 4).
Кабельный модуль 8 обеспечивает прием сигналов от сейсмоприемников  на пунктах приема, их усиление, преобразование в цифровой 24-разрядный код, фильтрацию, передачу этих данных в телеметрическую линию связи и регенерацию информации, поступающей от соседних модулей.
Система работает следующим образом:
На земной поверхности производят установку системы (сейсмоприемников, блоков концентратора, беспроводных блоков, кабельных модулей, оптоволоконного кабеля). Система образует линии наблюдений, которые делятся на сегменты блоков.  Каждый концентратор обслуживает только свой сегмент блоков. Концентраторы в линии соединяются посредством четырехжильного кабеля, а между линиями оптоволоконным кабелем, при этом первый концентратор соединяется с бортовым компьютером посредством оптического кабеля. В результате снижается требование к сечению проводов кабеля, сигналы синхронизации подвергаются меньшему искажению и появляется возможность сжатия данных для увеличения  канальности линии.
Оператор включает питание управляющего компьютера 1 и запускает программу «станция», производит установку необходимой конфигурации (число каналов в линии, число линий приема, интервал квантования), включает питание системы дистанционно по оптоволоконному кабелю специальной командой, которая поступает на схему блока концентратора, устройства запускаются в работу, управляемый источник питания,  формирует заданное напряжение 48В для кабельных блоков телеметрической линии. Блоки концентратора и беспроводные блоки определяют координаты места установки и синхронизируются по сигналу спутника, при этом блок синхронизации и вспомогательных каналов 2 по команде управляющего компьютера формирует для системы синхронизации 3 сигнал «Старт» длительностью 100 мс и амплитудой  5В (действующий уровень сигнала 0 В), который синхронизирован с одним из секундных импульсов сигнала GPS. При этом передний (падающий) фронт сигнала «Старт» совпадает с передним фронтом сигнала PPS, который навигационный приемник  БСВК генерирует один раз в секунду при наличии связи с GPS-спутниками.
В блоке 2 от системы синхронизации возбуждений 3 принимается сигнал «КОМ», производится измерение времени прихода переднего фронта сигнала «КОМ» и передается в компьютер сообщение со значением измеренного времени с точностью ± 1 мкс. Момент времени, соответствующий приходу сигнала «КОМ», запоминается в специальном файле. Время прихода сигнала «КОМ» используется в дальнейшем при построении сейсмограмм в формате SEG-D или SEG-Y для поиска первого отсчета  при формировании сейсмограмм из сигналов, полученных от сейсмоприемников, подключенных к бескабельным и кабельным блокам.
На вход блока 2 могут быть подключены три аналоговых сигнала, которые в блоке 2 преобразовываются в цифровые коды и передаются в компьютер 1 в качестве трех вспомогательных каналов. Параметры вспомогательных каналов блока 2 аналогичны параметрам сейсмических каналов кабельных и бескабельных  блоков.
При создании сейсмоисточником колебаний земной поверхности и поступлении на вход сейсмоприемников отраженных волн в беспроводных блоках и в кабельных телеметричеких модулях производится аналого-цифровое преобразование входного сигнала и формирование 24 разрядного слова в собственном формате от кабельных и бескабельных блоков сейсмической расстановки.
Далее 24-разрядные слова поступают в блоки концентратора по четырех- жильному кабелю либо по радиоканалу на частоте 2.4 ГГц, блок концентратора анализирует поступающую информацию по каждому разряду, выполняет сжатие информации и передает ее по оптоволоконному кабелю в ЦРК для последующей записи в память управляющего компьютера.
Сжатие основано на том, что большая часть каналов в сегменте имеет малую амплитуду, и амплитуда сигнала одного канала может существенно отличаться  во времени.
При сборе данных своего сегмента концентратор формирует по каждому каналу короткие участки. Участок состоит из заголовка и данных. В заголовке содержится признак начала участка, число отсчетов участка, величина смещения нуля на участке и разрядность  отсчетов.
Процедура сжатия состоит из следующих шагов:
• Определение и запись в заголовок смещения нуля данных участка.
• Определение максимальной амплитуды отсчетов участка для устранения избыточных разрядов и определение минимальной разрядности отсчетов данного участка.
• Преобразование 24-разрядного формата  в формат с выбранным числом разрядов и запись числа разрядов в заголовок.
• Запись количества отсчетов участка в заголовок.
В результате сжатия объем данных существенно сокращается, что и позволяет устанавливать в линии больше блоков регистрации с геофонами, т.е. увеличивать канальность линии. После поступления «сжатых» данных в бортовой компьютер сейсмосистемы производится распаковывание данных и преобразование их в 24 разрядный код  формата SEG-D или формата SEG-Y.
Каждый концентратор, согласно фиг. 1, обслуживает один сегмент расстановки, в который входят 60 кабельных каналов. Число каналов (сейсмоприемников) определяется возможностью управляемого блока питания формировать напряжение 48 В для кабельных каналов. Если сформировать цепочку из кабельных каналов и 40 концентраторов, то получим длину линии 2400 каналов с шагом 50 метров между каналами. Дальнейшее увеличение канальности ограничивается возможностью источника возбуждения, который возбуждает сейсмические колебания с поверхности земли и соответственно отраженная волна поглощается и не доходит из глубины до сейсмоприемника.
Аналогичные ограничения по числу сейсмоприемников, расположенных по нескольким линиям, и для 3D проектов.
Таким образом, система позволяет удлинить линии расстановки до 2400 сейсмических каналов при 2D работах и обеспечить режим 3D при площадных полевых работах  до 100000 активных сейсмических кабельных и бескабельных каналов
Система позволяет производить не только наземную расстановку, но и расстановку кабельных блоков в воде, в частности, в водоемах глубиной не более 12 м, при этом вместо геофонов устанавливаются гидрофоны, при этом система определяет автоматически место установки геофона и гидрофона.
Система реализует алгоритм обхода препятствий.
Таким образом, блоки концентраторов обеспечивают управление кабельными телеметрическими модулями и бескабельными блоками сейсмической информации; синхронизацию работы концентраторов и подключенных к ним блоков сбора данных с сигналами спутниковой навигации GPS/ГЛОНАС; прием параметров или команд, поступающих из управляющего компьютера и их передачу в линию наблюдения, в которой установлен данный концентратор и далее в концентратор соседней линии наблюдения; прием сейсмоданных с ветвей линии наблюдения, в которой установлен данный концентратор; передачу поступивших данных по магистральной линии в компьютер; регенерацию сейсмической информации при передаче данных между линиями наблюдения и в компьютер; создание вспомогательной магистральной линии с целью, например, обхода препятствия, путем установки в линию дополнительного блока  концентратора, связанного с центральным регистрирующим комплексом; диагностирование технического состояния подключенных к блоку концентратора блоков сбора данных (кабельных модулей и бескабельных блоков) и геофонов; сохранение поступающей в блоки концентраторов сейсмической и служебной информации во внутренней памяти блока концентратора при отсутствии или временной потере связи с центральным комплексом; передачу информации, сохраненной во внутренней памяти блока либо в мобильное устройство сбора данных (планшет) по радиоканалу, либо в центральный комплекс по кабельному каналу, при восстановлении прерванной связи между центральным комплексом и блоком концентратора; использование блока концентратора в качестве ретранслятора, например, при размещении в линии для обхода препятствия, при этом часть геофизической информации будет проходить через кабельные блоки.