CN1703630A - 海底水听器和地震检波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底工作站，例如，海底水听器(OBH)或海底地震检波器(OBS)，设计成进行现场测量，包括具有正浮力的支撑结构(2，3)，与至少一个可分开的压载(4)结合，在测量期间压载携带所说的支撑结构到海底，支撑结构包括至少一个水听器(6)、一个用于记录来自水听器的测量数据的数据采集装置(7)和一个用于释放所说的可分开压载的装置。本发明的特征在于：数据采集装置(7)用于响应由水听器(6)接收的声波的释放命令而控制释放装置。

Description

海底水听器和地震检波器

技术领域

本发明涉及到包括水听器和相结合的数据采集装置的类型的设备，设计成测量期间放置在海底，然后，在海面上回收。它尤其涉及到称做海底水听器(OBH-ocean bottom hydrophone)和海底地震检波器(OBS-oceanbottom seismometer)的设备。

背景技术

这样的设备被用于实现地壳最深层的勘探的方法，尤其是有关石油勘探方面。该设备被放置于海底，然后按照规则的间隔从水面发射声波。记录的海底对这一声波的响应被用于确定地层的分置和解析，例如，它们的性质。测量的数据也能够被用于确定过去和预见将来的发展。

海底水听器(OBH)被用于记录从水面传播到海底地层的声波。测量的波来自在该层上的反射和/或折射。

海底地震检波器(OBS)与海底水听器(OBH)一样，但是，代替水听器的功能或者作为其补充，它们具有至少一个叫做地音探听器(geophone)的地震传感器以检测剪切波的，因此，使它特别能够测定海底地层的流体内容。

按照其真正的概念，海底水听器或者地震检波器(下面，也将被叫做海底地震站)是完全独立的。因此，当投放时，为了下降到水底，它需要负浮力。一旦到达其位置，在按照其程序的频带里测量声波。在操作结束时，特定的声控命令被用于控制再次给以该装置正浮力的机构，使得它升起到被回收的水面。这一正浮力通常是通过释放压载而获得。

实际上，这种类型的设备，例如，如在文献WO93/05411中揭示的，主要包括具有正浮力的与可分开的压载结合的支撑结构，该支撑结构包括：测量传感器、水听器和地音探听器、与它们结合在一起的数据采集装置、压载释放装置、电源供应模块和几个用于水面回收的其它辅助部件，例如，VHF发射机和它的天线，以及光源。由于很深地沉浸在水中的需要，数据采集装置和用于控制压载释放的装置，它们是截然不同的装置，受到保护。

因此，压载释放装置和它的控制装置必须完全可靠。这一特殊要点在美国专利号4,446,537中被涉及。这一专利描述一种非常复杂和累赘的释放***，通过该***，能够在任何环境中执行释放功能。为此，该释放装置具有它自己的电路，并且专门包括一个换能器，接受来自水面的声波释放命令。

这些设备的主要缺陷是：它们由于拥有各种元件的复杂性而体积大和成本高。

当前在测量技术中，将来的趋势是实施包括采用大量的海底地震站的方法，从而尤其是改善测量的空间分布，并因此实现解析的精确。

这意味着必须考虑，例如，用单个的船只提供运输和释放，并且，在发送测量声波以后取回50到70个工作站的操作。假定现有的工作站所需要的费用和空间，则这是不现实的。

发明内容

因此，本发明的目的是要解决这一问题，致力于设计低成本、更紧凑，并因更容易操纵的海底地震站(OBH和OBS)，同时，在被升高到水面时和进行有效的测量方面是可靠的。

按照本发明，它计划仅使用一个共同用于从测量传感器采集数据和控制压载释放机构的电子装置，并且，使用测量水听器接收来自水面的压载释放命令。

因此，本发明涉及到设计进行现场测量的一种海底工作站，包括：具有正浮力的支撑结构，支撑结构与至少一个可分开的压载结合在一起，在测量期间压载携带所说的支撑结构到海底，支撑结构包括至少一个水听器、一个记录测量数据的数据采集装置和一个用于释放所说的可分开的压载的装置，其特征在于：该数据采集装置还能够响应由水听器接收的声波释放命令控制释放装置。

优选地，释放命令是由具有例如8到12KHz频率的载波信号调制的低频声波信号。

按照本发明的优选实施例，低频声波信号包括代表适合于所说的地震站的位序列的多个第一类型和第二类型的连续的基本信号(elementarysignal)，第一类型的和第二类型的基本信号分别代表0值的位和1值的位，或者相反。例如，第一类型的基本信号是从频率f1到频率f2的频率线性调制的信号，其中f2＞f1，并且，第二类型的基本信号是从频率f2到频率f1的频率线性调制的信号，或者相反。

为了检测通过水听器接收的信号中的释放命令，数据采集装置包括对所说的接收信号采样的装置和检测装置，以通过数字关联在取样的信号中检测低频信号的存在，并且如果所说的低频信号被检测到，那么，传递释放命令到释放机构。

此外，工作站的支撑结构由放置在保护外壳里面的球形玻璃罩构成，所说的球形玻璃罩对可能达到几千米深处的水静压力具有抵抗力。压载通过弹性绳索被连接到支撑结构，弹性绳索第一端被固定到所说的压载，并且，第二端被固定到可通过电解作用破坏的金属环。

释放机构包括由数据采集装置的检测装置控制的开关。当它接收释放命令时，开关使得电流通过金属环，把金属环破坏并释放压载。

附图说明

参考附图，本发明的其它的特征和优点将出现于下面的详细说明，其中：

图1是按照本发明的海底地震站的截面示意图；

图2是图1的海底地震站的顶视图；

图3举例说明数据采集和释放命令装置的实施方式；

图4A和4B分别表示分配到在释放信号中使用的基准关键码key0和key1的基带信号；

图5A和5B说明检测关联峰，以分别确定通过工作站的水听器接收的信号中的具有值0的位和具有值1的位。

具体实施方式

按照本发明的海底地震站的一个实施例，被表示在图1和2中。图1提供工作站的截面示意图，而图2是其顶视图。附图标记1所指的该工作站具有：放置在用塑料制成的保护外壳3中的玻璃球2、通过塑料绳索5连接到保护外壳的压载4、和安装在保护外壳的外部的水听器6。通过保护外壳3+玻璃球2形成的组件具有正浮力，并且，组成在测量期以后将在水面上被回收的工作站的部分。

玻璃球2是中空的并且能够承受在所使用的深度，即可以达到约6,000米的深度，处的水静压力。它由具有接触边缘的两个半球构成，球的里面抽真空时连接在一起。它包括用于处理来自水听器6的信号，和，如果必要，来自设计成检测沿着三个轴x、y和z的剪力波的地音探听器8的信号的装置7，闪光灯9，VHF发射机10和设计成为工作站的所有电路提供电源的充电电池或者电池11。除了地音探听器和闪光灯以外，所有这些电路被固定到连接在球内的支撑托架12上。该托架被水平定位并且被结合到球的内部。闪光灯9被安装在球的顶部，例如，在固定到托架12的柱的顶部，而且，地音探听器8被放置在球的底部。

装置7具有处理来自水听器6和地音探听器8的地震信号以及由水听器获取的压载释放声波信号的作用。这一处理将参考图3进行详细描述。

闪光灯9和在球的外边配备有天线13的VHF发射机10被用于在地震站上升到水面时，更容易地定位该地震站。为了这一目的，窗口14在保护外壳3中形成以让由闪光灯9产生的光通过。优选地，当工作站从水面浮现时，闪光灯和VHF发射机投入工作。例如，它们响应来自检测工作站周围的压力的突然变化的传感器的信号而被开启。

在图1和2的示例性的实施例中，其作用是系紧压载4到保护外壳3的弹性绳索5是sandow型的或者类似的。其数量是三根，并且通过其下端被连接到压载4的三个点，又通过其上端连接到位于保护外壳3顶部的三角形的金属环15上。当工作站接收到释放命令时，电流通过与水接触时由电解作用分解的环，并释放压载。

此外，球2被紧密地密封，并有用于不同的电缆或连接器，特别是连接装置7到水听器6或者到在工作站被带回到船上时取回地震数据的外部计算机，的紧密密封的通道16。通道之一也被用于在球的里边建立真空。

装置7和压载释放装置的功能图如在图3中所示。该装置主要包括产生来自水听器6和地音探听器8的信号的数字样本的模数转换器100，处理所说的数字样本的微处理器110以及存储地震信号的样本的存储器120，例如小型闪速存储器。优选地，装置7补充高精度时钟电路130以取代微处理器的内部时钟，获得具有精确日期的地震数据。

按照本发明，除了存储在存储器120中的地震数据以外，微处理器110输出激活释放开关140闭合的释放命令。这一开关首先被连接到充电电池11的正极端，然后，连接到三角形环15。当微处理器110输出释放命令时，开关140闭合，因此，引发电流通过三角形环15。然后，环被电解分解并释放压载。

为了增加压载释放装置的可靠性，地震站的充电电池11优选由两个独立的块形成，一个块设计成给装置7提供电源，而另一个设计成给压载释放机构提供电源。如果设计成给装置7提供电源的块的电压低于有效操作该装置的限度，则被设计成通过开关140的控制自动地激活压载的释放。为了改善压载4的释放条件，也可以计划成有力地靠着保护外壳3拉紧绳索5，以便在释放时优化工作站的释放。

现在，将给出关于释放命令和装置7的操作的详细说明。按照本发明，装置7不断地侦听地震波和释放命令。因此，它实现从来自水听器6和地音探听器8的信号正常获得地震数据，并进一步在来自水听器的信号中检测释放命令的出现。如果这样的命令被检测到，那么，它引发保持工作站在海底的压载的释放。

释放命令是由声波换能器产生的声波。它实际上是最适于在海洋环境中传播的声波。为了优化装置7对释放命令的检测，优选为低频信号，因为装置的地震数据采集电路(chain)是低频电路。然而，为了满足信号从水面发射到可能达到几千米深度的限制，有必要用较高频率的载波信号调制这一低频信号，例如，用具有8到12KHz的频率的信号。

发送的声波命令是由一连串的具有值0或1的位组成。优选地，选用能够被容易地重复的短序列(short sequence)。例如，这一命令具有12位。那么，会有212可能的组合，给出4096个不同的代码，使它能够使每一个工作站获得各自的释放命令。因此，对于总共为1000个工作站来说，能够为每一个工作站运用4个声波命令。然后，可以预想除了释放命令以外的通用命令，例如，对于同时引发起动几个工作站的数据采集的结束。

下面在说明书中，释放命令的具有值0或1的位被叫做基准关键码，并且，分别被表示为key0和key1。一个特定的基本信号与这些基准关键码的各个结合。为了能够无误地识别这些基本信号，有必要选择在自然条件下或者在与海洋相关活动(例如测量、发射、船舶噪音等)中不能够被找到的信号。例如，这些基本信号是如在图4A和4B中所示的在两个频率f1和f2之间线性调制的声波信号。在这些例子中，key0是其频率从频率f1线性变化到频率f2的频率调制信号，其中f2＞f1。相反，key1是其频率从频率f2线性变化到频率f1的频率调制信号。例如，基本信号的持续时间被固定在0.256秒。

例如，释放命令的生成包括生成表示包括0和1的12-位代码的信号，和通过在8-12KHz频带中的载波信号调制获得的信号。因此，释放命令信号由12个连续的通过高频载波信号调制的基本信号组成。释放信号的持续时间等于，例如，3.072秒。在测量期结束时，这一信号被发送到地震站。

在接收端，地震站负责检测这一释放命令信号。装置7完成这一检测，其执行下面的步骤：采样、二进制化、存储在移位寄存器中、与基准关键码关联、检测相关峰值和检测命令。

在装置7中，通过水听器6和地音探听器8接收的信号，首先是用例如500Hz的频率取样。这一采样与装置7的其它的操作一样，可以通过微处理器110的周期性开关控制器每两个ms引起的中断过程从软件的观点进行管理。这一采样频率被选择以使得它不激活微处理器的工作。对于工作在20MHz的微处理器，我们已经选择500Hz的采样频率，由此，装置7的消耗不会被急剧地增加。

然后，样本被二进制化，从而不考虑信号的振幅，并且，简化后面的数字关联的操作。通过这一操作，仅有样本的标志信息被保持：若样本的值是正的，则为1，若样本的值是负的，则为0，或者相反。

二进制化的样本(0或1)被存储在，例如具有128位的微处理器的移位寄存器中。这一寄存器的值，每隔2ms被向左移位。因此，每隔2ms，新的样本被记录在最靠右边的寄存器的单元中。因此，每隔2ms，128样本的新的代码出现在移位寄存器中。由此，每隔2ms，在这一代码的128样本和预先取样的抒情码key0和key1的128样本之间进行数字关联。通过如下的XOR型操作进行这一数字关联：

$\mathrm{Correlation}\_\mathrm{key}0={\mathrm{\Σ}}_{N=1}^{128}\mathrm{sample}\left[N\right]\mathrm{XORkey}0\left[N\right]$

$\mathrm{Correlation}\_\mathrm{key}1={\mathrm{\Σ}}_{N=1}^{128}\mathrm{sample}\left[N\right]\mathrm{XORkey}0\left[N\right]$

通过这些计算，两个等级(levels)Correlation_key0和Correlation_key1被获得，具有从0到128范围的值，与记录在移位寄存器中的代码和关键码key0或key1之间的关联成比例。

理论上，如果记录在移位寄存器中的代码与基准关键码之一一致，那么，Correlation_key0或Correlation_key1之一将等于128。实际上，如果给定噪音、多路径、多普勒效应和在发射器和地震站之间的时钟的非同步化，较小的值将被获得。

因此，每隔2ms获得两个关联等级(Correlation_key0和Correlation_key1)。这两个关联等级能够用图示的方法被表示为时间的函数，如在图5A和5B中所示。关联峰值在图5A中对应于通过水听器接收的信号中出现具有值0的位，在图5B中对应于具有值1的位。通过与基准阈值比较，检测出这些峰值等于，例如，100。

如果每0.256s微处理器检测高于基准阈值的关联峰值，并且，如果这些关联峰值对应于释放信号的12-位序列，那么，它输出一条释放命令到释放机构以释放压载。

总之，上面描述的地震站具有下列优点：

-由于数据采集和释放控制功能的合并，降低了对空间的需求；

-减少制造成本；

-可以使用充电电池、不用打开球体重置数据采集装置和传输地震数据到外部计算机，例如，通过串联链接；

-降低操作成本。

作为可能的改进，可以设想：在把数据存储在存储器120中以前执行数据压缩。

虽然仅描述一个实施方式，但是，显而易见，本领域熟练技术人员以相同精神进行的任何修改或变化，例如，与保护外壳的形状或者与压载释放机构相关的修改或变化，将不会超出本发明的范围。

Claims (10)

1、设计成进行现场测量的海底工作站，包括：具有正浮力的支撑结构(2，3)，与至少一个可分开的压载(4)结合，压载在测量期间携带所说的支撑结构到海底，该支撑结构包括至少一个水听器(6)、一个记录测量数据的数据采集装置(7)和一个用于释放所说的可分开的压载的装置，其特征在于：该数据采集装置(7)还能够响应由水听器(6)接收的声波释放命令控制释放装置。

2、按照权利要求1的工作站，其特征在于：释放命令是由具有8到12KHz频率的载波信号调制的低频声波信号。

3、按照权利要求2的工作站，其特征在于：所说的低频声波信号适合于该工作站。

4、按照上述权利要求中的任何一项的工作站，其特征在于：所说的低频声波信号包括代表适合于所说的地震站的位序列的多个第一类型和第二类型的连续的基本信号，第一类型的和第二类型的基本信号分别代表具有值0的位和具有值1的位，或者相反。

5、按照权利要求4的工作站，其特征在于：第一类型的基本信号是从频率f1到频率f2的频率线性调制的信号，其中f2＞f1，并且，第二类型的基本信号从频率f2到频率f1的频率线性调制的信号，或者相反。

6、按照上述权利要求之一的工作站，其特征在于：为了检测水听器(6)接收的信号中的释放命令，数据采集装置(7)包括对所说的接收信号进行采样的装置(100)和检测装置(110)，以通过数字关联在取样的信号中检测低频信号的出现，并且如果所说的低频信号被检测到，则传递释放命令到释放机构。

7、按照上述权利要求之一的工作站，其特征在于：工作站的支撑结构由放置在保护外壳(3)里面的球形玻璃罩(2)构成，所说的球形玻璃罩(2)可抗存在于最多达到几千米深处的静水压力。

8、按照权利要求7的工作站，其特征在于：它还包括一个放置在所说的球形玻璃罩(2)里边的闪光灯(9)，在压载释放以后支撑结构上升到水面时产生灯光，保护外壳(3)具有一个孔以使所说的闪光灯(9)产生的光通过。

9、按照上述权利要求中的任何一项的工作站，其特征在于：压载(4)通过弹性绳索(5)被连接到支撑结构，弹性绳索(5)第一端被固定到所说的压载(4)，而第二端被固定到可通过电解作用破坏的金属环(15)上。

10、按照权利要求9的工作站，其特征在于：释放机构包括由数据采集装置(7)的检测装置(100)控制的开关，当它接收到释放命令时，所说的开关使得电流通过金属环以破坏金属环。

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