專(zhuān)利名稱(chēng)：天然氣水合物勘探用海底地震儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明天然氣水合物勘探用海底地震儀涉及海洋地震觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2000年開(kāi)始，在863高技術(shù)計(jì)劃支持下，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理 研究所自主研制了高頻海底數(shù)字地震儀并在南海成功試驗(yàn)，記錄到大容量 氣槍震源信號(hào)，反演出深達(dá)莫霍面的研究區(qū)地殼結(jié)構(gòu)，成為863 "深水油 氣勘探技術(shù)"項(xiàng)目中的一個(gè)亮點(diǎn)。隨著油氣勘探向深水和海洋殘留盆地 發(fā)展的進(jìn)程以及對(duì)天然氣水合物的勘探研究需求，對(duì)海底數(shù)字地震儀性能 指標(biāo)的要求也越來(lái)越高，比如要適應(yīng)大于3000m的水深、提高分辨率和連 續(xù)工作時(shí)間等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種天然氣水合物勘探用海底地震儀，是在已有 高頻海底地震儀的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)的消化吸收改進(jìn)而成，其 提高了性能指標(biāo)，可以滿足海洋科學(xué)研究與海洋油氣探測(cè)的需要。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種天然氣水合物勘探用海底地震儀，包括塑料儀器艙、玻璃儀器 艙球、脫鉤機(jī)構(gòu)、沉耦架；玻璃儀器艙球固裝于塑料儀器艙內(nèi)，脫鉤機(jī)構(gòu) 位于塑料儀器艙頂端，沉耦架位于塑料儀器艙底端；在脫鉤機(jī)構(gòu)與沉耦架 之間以拉緊鋼絲固接，將塑料儀器艙固定于沉耦架中；其玻璃儀器艙球內(nèi) 設(shè)有常平裝置，常平裝置包括直流電機(jī)、配重銅板、調(diào)節(jié)重心用螺紋孔、 檢波器座、鋁制卡環(huán)；配重銅板、檢波器座皆為中心有通孔的圓板，尺寸 相同； 一金屬導(dǎo)線管，其外徑與中心通孔的內(nèi)徑相適配，并順序穿過(guò)配重 銅板、檢波器座的中心通孔與配重銅板、檢波器座正交固接，配重銅板、 檢波器座相互之間有一間隙；三分量高頻檢波器包括一垂直向檢波器、兩水平向檢波器，檢波器座上表面設(shè)有垂直向檢波器，檢波器座側(cè)面有兩個(gè) 凹槽分別裝有兩個(gè)正交的水平向檢波器，鋁制卡環(huán)套在檢波器座外面通過(guò) 螺釘固接，鋁制卡環(huán)與檢波器座水平設(shè)置，相互有一間隙；
鋁制卡環(huán)下表面呈弧面，與玻璃儀器艙球內(nèi)壁相適配；
電池組分左右相對(duì)固設(shè)于o型圈的上表面，在電池組頂端電池盒蓋上
水平設(shè)有電子電路板，電子電路板上方水平設(shè)有天線支架，支架上表面固
裝有GPS天線，電子電路板下方水平設(shè)有一電機(jī)架，電機(jī)架上有直流電機(jī)、
鋼絲纏繞輪，鋼絲纏繞輪位于電機(jī)架中心，直流電機(jī)的輸出軸與鋼絲的一 端固接，鋼絲的另一端繞過(guò)鋼絲纏繞輪垂向下方，并穿過(guò)導(dǎo)線管中心通道， 與配重銅板內(nèi)壁固接，將配重銅板、檢波器座和三分量高頻檢波器懸掛。
所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其所述配重銅板厚度》8mm， 其.i.:均勻分布有螺紋孔，以用螺釘調(diào)節(jié)三分量高頻檢波器的重心。
所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其所述常平裝置，其工作過(guò)
程為開(kāi)啟直流電機(jī)，經(jīng)纏繞鋼絲提起配重銅板、檢波器座和三分量高頻
檢波器，使檢波器座離開(kāi)玻璃艙球底部，此時(shí)三分量高頻檢波器與配重銅
板、檢波器座可自由旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度《30度，根據(jù)配重銅板、檢波器座和 三分量高頻檢波器組合體的自重調(diào)整平衡，調(diào)整完，再利用直流電機(jī)釋放 鋼絲把檢波器座放回玻璃艙球底部。
所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其所述三分量高頻檢波器還 包括姿態(tài)傳感器，姿態(tài)傳感器采用固態(tài)merns器件，固接在配重銅板上， 分別與直流電機(jī)控制電路、三分量高頻檢波器電連接，能讀出三分量高頻 檢波器任意時(shí)刻的姿態(tài)，當(dāng)檢波器的傾斜角度超過(guò)工作允許范圍時(shí)，控制 電路指令直流電機(jī)在整點(diǎn)時(shí)刻對(duì)檢波器進(jìn)行調(diào)整。
所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其電子電路、采集器系統(tǒng)、 水聲通訊模塊固定在電池盒蓋的上方，使玻璃艙球內(nèi)部的電池組，檢波器 組合體成為一個(gè)整體，在玻璃儀器艙球外進(jìn)行組裝、調(diào)試，然后將測(cè)試完 成的儀器放進(jìn)玻璃艙球內(nèi)，通過(guò)玻璃艙球擠壓0型圈來(lái)固定內(nèi)部裝置；
三分量高頻檢波器、水聲壓力傳感器，這兩種不同工作頻帶的儀器由 數(shù)字采集器，對(duì)儀器記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使儀器能夠記錄人工震源信號(hào)。
5所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其所述三分量高頻檢波器頻
率為10-250Hz。
所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其海底流動(dòng)地震觀測(cè)方式 海底地震儀接收人工震源信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)觀測(cè)，做二維觀測(cè)，用高頻率 的檢波器，獲得的數(shù)據(jù)能夠反演海底較為精細(xì)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，觀測(cè)的地質(zhì)結(jié) 構(gòu)深度淺。
本發(fā)明的天然氣水合物勘探用海底地震儀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)一體化，在制造 時(shí)間和工作量上有了大幅度的縮減，操作簡(jiǎn)單、方便，且減少了附加振顫。 并且采用無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，能夠在海上連續(xù)多次進(jìn)行地震觀測(cè) 作業(yè)，打破了國(guó)外對(duì)高頻海底地震儀的壟斷。


圖1為本發(fā)明的天然氣水合物勘探用海底地震儀檢波器組合體的結(jié) 構(gòu)圖和拆分圖2為本發(fā)明的天然氣水合物勘探用海底地震儀脫鉤機(jī)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的天然氣水合物勘探用海底地震儀脫鉤機(jī)構(gòu)的熔斷鋼 絲繞線示意圖4為本發(fā)明的天然氣水合物勘探用海底地震儀外觀立體結(jié)構(gòu)圖； 圖5為本發(fā)明的天然氣水合物勘探用海底地震儀總結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1 圖5所示，為本發(fā)明的天然氣水合物勘探用海底地震儀 結(jié)構(gòu)示意圖。其中，配重銅板l、調(diào)節(jié)重心用螺紋孔2、檢波器座3、鋁制 卡環(huán)4、導(dǎo)線管5、垂直向檢波器6、水平向檢波器7、正極8、鎖緊螺母 9、壓絲墊片10、不銹鋼鏍柱11、鏍桿支撐板12、脫鉤滑塊13、繞絲釘 14、不銹鋼吊鉤15、繞絲固定板16、負(fù)極17、負(fù)極保護(hù)套18、熔斷鋼絲 19、熔斷鋼絲熔斷點(diǎn)(兩處)20、脫鉤機(jī)構(gòu)21、塑料儀器艙22、拉緊鋼 絲23、沉耦架24、鋼絲纏繞輪25、鎖緊鏍栓26、水聲壓力傳感器27、真 空氣嘴28、 GPS天線29、電子電路板30、電池組31、直徑2mm的鋼絲32、檢波器組合體33、 0型圈34、玻璃儀器艙球35。
本發(fā)明的天然氣水合物勘探用海底地震儀由塑料儀器艙22、脫鉤機(jī)構(gòu) 21、沉耦架24三部分組成。
一、塑料儀器艙
塑料儀器艙22是海底地震儀可回收部分，它是內(nèi)部玻璃儀器艙球的
保護(hù)罩，玻璃儀器艙球內(nèi)部采用單球一體化結(jié)構(gòu)，主要包括
(1) 水聲通訊模塊(請(qǐng)參閱"七通道多功能海底地震儀"申請(qǐng)?zhí)枮?br> 200810117385.4)
水聲通訊模塊是電子電路板上面負(fù)責(zé)水聲通訊的部分，采用8位元FSK 數(shù)字編碼。FSK編碼的解調(diào)電路包括了振幅檢測(cè)、相位檢測(cè)、壓控振蕩器、 比較輸出器等幾個(gè)部分。其基本原理是根據(jù)輸入信號(hào)和本振信號(hào)的相位 差，控制壓控振蕩器在一個(gè)相對(duì)較窄帶寬內(nèi)( 400Hz)調(diào)節(jié)本振頻率， 如果輸入信號(hào)頻率和本振頻率一致，相位差為零，本振頻率鎖定，則編碼 解調(diào)電路輸出為低電平，反之為高電平。兩個(gè)編碼解調(diào)電路本振頻率分別 為10KHz和12, 5KHz，用以檢測(cè)信號(hào)中是否含有對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)。
水聲傳輸?shù)慕换旎仨憜?wèn)題，采用首波提取的方式加以解決。原理是甲 板機(jī)每100毫秒發(fā)送一個(gè)編碼頻率，持續(xù)時(shí)間約10毫秒。在接收端水聲 通訊模塊在接收到的第一個(gè)編碼頻率信號(hào)后10毫秒內(nèi)關(guān)閉信號(hào)通道。以 后每隔100毫秒打開(kāi)信號(hào)通道進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，持續(xù)時(shí)間為IO毫秒，然后 再關(guān)閉信號(hào)通道，直至該碼字節(jié)結(jié)束。
為了防止放大器飽和，設(shè)計(jì)了帶通頻率10-12. 5KHz的單T網(wǎng)絡(luò)選頻 放大器，使信號(hào)頻帶之外的信號(hào)能被有效的壓制。
水聲發(fā)射與換能器的匹配設(shè)計(jì)，主要是從阻抗匹配和調(diào)諧匹配兩個(gè)環(huán) 節(jié)考慮，并采取措施對(duì)推挽功放管進(jìn)行保護(hù)。
(2) 常平裝置
包括直流電機(jī)、配重銅板1、調(diào)節(jié)重心用螺紋孔2、檢波器座3、鋁 制卡環(huán)4等。配重銅板l、檢波器座3皆為中心有通孔的圓板，尺寸相同。一金屬導(dǎo)線管5，其外徑與中心通孔的內(nèi)徑相適配，并順序穿過(guò)配重銅板 1、檢波器座3的中心通孔與配重銅板1、檢波器座3正交固接，配重銅板
1、檢波器座3相互之間有一間隙。檢波器座3上表面設(shè)有垂直向檢波器6， 檢波器座3下表面有一凸臺(tái)，凸臺(tái)側(cè)面徑向設(shè)有兩個(gè)正交的水平向檢波器 7，凸臺(tái)側(cè)面與鋁制卡環(huán)4固接，鋁制卡環(huán)4與檢波器座3水平設(shè)置，相 互有一間隙。鋁制卡環(huán)4下表面呈弧面，與玻璃儀器艙球35內(nèi)壁相適配。 電池組31分左右相對(duì)固設(shè)于0型圈34的上表面，在兩電池組31頂 端電池盒蓋上水平設(shè)有電子電路板30，電子電路板30上方水平設(shè)有天線 支架，支架上表面固裝有GPS天線29,電子電路板30下方水平設(shè)有一電機(jī) 架，電機(jī)架上有直流電機(jī)、鋼絲纏繞輪25，鋼絲纏繞輪25位于電機(jī)架中 心，直流電機(jī)的輸出軸與直徑2mm鋼絲32的一端固接，鋼絲32的另-端 繞過(guò)鋼絲纏繞輪25垂向下方，并穿過(guò)導(dǎo)線管5中心通道，與配重銅板1 內(nèi)壁固接，將三分量高頻檢波器33。
設(shè)計(jì)了利用直流電機(jī)纏繞鋼絲將三分量高頻檢波器33 (檢波器組合 體)提起，并通過(guò)檢波器組合體33的自重調(diào)整平衡的原理進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整 的改進(jìn)方案，通過(guò)改進(jìn)常平裝置的結(jié)構(gòu)原理，使得內(nèi)部檢波器組合體33 的常平動(dòng)作的保持不需要灌注硅油，不需要呈密封結(jié)構(gòu)，且體積重量均能 大大地降低，更為重要的改善是，姿控調(diào)整的范圍能有較大的提高，擴(kuò)展 為30度左右。將使海底地震儀在更為復(fù)雜的海底地形下正常的工作。最 大工作傾斜角度達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)寬帶海底地震儀的水平。
三分量高頻檢波器還包括姿態(tài)傳感器，姿態(tài)傳感器采用固態(tài)mems器 件，粘接在配重銅板l上，分別與直流電機(jī)控制電路、三分量高頻檢波器 電連接，能讀出三分量高頻檢波器任意時(shí)刻的姿態(tài)，當(dāng)檢波器的傾斜角度 超過(guò)工作允許范圍時(shí)，控制電路指令直流電機(jī)在整點(diǎn)時(shí)刻對(duì)檢波器進(jìn)行調(diào) 整。
其工作方式如下檢波器組合體33通過(guò)單股直徑為2mm的鋼絲懸掛， 厚度為8mm的配重銅板1與檢波器座3通過(guò)四組螺釘連接，依靠銅板均勻 分布的螺紋孔擰上螺釘調(diào)節(jié)檢波器的重心，通過(guò)電池盒蓋上的電機(jī)架固接 的直流電機(jī)纏繞鋼絲32提起檢波器組合體33離開(kāi)玻璃儀器艙球35底部，
8根據(jù)檢波器組合體33的自重調(diào)整平衡，調(diào)整完再利用直流電機(jī)釋放鋼絲
32把檢波器組合體33放回玻璃儀器艙球35底部。玻璃儀器艙球35至檢 波器組合體33為剛性連接，由此保證地動(dòng)信號(hào)的低失真?zhèn)鬟f。當(dāng)海底地 震儀在海底著地后，姿態(tài)傳感器感知到海底姿態(tài)調(diào)平時(shí)，可以讀出地震計(jì) 任意時(shí)刻的姿態(tài)，當(dāng)?shù)卣鹩?jì)的傾斜角度超過(guò)工作允許范圍時(shí)，直流電機(jī)會(huì) 在整點(diǎn)時(shí)刻對(duì)地震計(jì)進(jìn)行調(diào)整。
玻璃艙球35內(nèi)電池盒將電池組31、電子電路30和高頻檢波器33 聯(lián)結(jié)成了一個(gè)整體，形成了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一體化。儀器組裝、調(diào)試工作都可 以在耐壓玻璃艙球35外完成。玻璃艙球35可看成僅是個(gè)機(jī)殼，將測(cè)試好 的海底地震儀放入玻璃艙球35中，由0型圈34壓縮固定，完成組裝。這 種結(jié)構(gòu)也降低了儀器的附加振顫。
(3)電子電路板上面的采集系統(tǒng)
a) 前放電路采用廠家推薦的放大電路形式，在信號(hào)輸入端加配一階無(wú) 源ZC低通抗混疊濾波器，采用極低噪音精密雙運(yùn)算放大器構(gòu)成儀器放大 電路，增益為30dB，放大電路噪音折合到輸入端為0.4uV (峰一峰值)。 具有很高的抗干擾能力。
b) 儀器采用溫補(bǔ)晶振構(gòu)成的振蕩電路作為內(nèi)部時(shí)鐘，在0°C至4°C溫度 范圍內(nèi)其精度優(yōu)于5x10-8 。影響石英晶體振蕩頻率精度的主要是溫度因 素，而海底的溫度相對(duì)恒定，在2000米深的海底，溫度的年變化僅在O. 5 度，所以時(shí)鐘精度能有效地保證。為減小線路板的噪音，系統(tǒng)所需的所有 不同頻率的時(shí)鐘(主要是模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和單片機(jī)時(shí)鐘)采用對(duì)同一時(shí)鐘分 頻獲得。
c) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用數(shù)碼相機(jī)和播放機(jī)上廣泛采用的SD (Secure Digital)卡，具有統(tǒng)一接口，容量可從16G擴(kuò)展到32G或更高。
d) 在電路設(shè)計(jì)中堅(jiān)持微功耗設(shè)計(jì)原則；為了系統(tǒng)功耗微功耗的目的，數(shù) 據(jù)采集器的硬件電路設(shè)計(jì)遵從了以下的原則(l)采用CMOS型器件，(2) 采用1.8V、 3V和5V單電源低電壓供電；(3)數(shù)字電路盡量采用較低頻率 的工作時(shí)鐘；(4)盡量降低系統(tǒng)的無(wú)功功耗,整體功耗〈0.3W。
e) 采集器的A/D轉(zhuǎn)換采用4階S - A型ADS1251增量調(diào)制器，AD時(shí)鐘由單片機(jī)LPC2103分頻輸出，數(shù)字濾波的功能采用軟件編程完成。AD每完 成一次轉(zhuǎn)換，觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生一次中斷，單片機(jī)的中斷程序?qū)D數(shù)據(jù)讀 入內(nèi)存。這種方式不僅可以在降低功耗和縮小體積的基礎(chǔ)上得到足夠的動(dòng) 態(tài)范圍(〉120dB)，還能根據(jù)實(shí)際的不同需要，動(dòng)態(tài)調(diào)整其頻率-相位特性。 控制模塊采用ARM7內(nèi)核高性能單片機(jī)(NXP公司LPC2103)。工作電壓 3. 3/1.8V， 60M主頻，在完成A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波的同時(shí)控制存儲(chǔ)、通訊等 其它模塊工作。單片機(jī)工作在空閑模式(idle mode)，中斷驅(qū)動(dòng)模式。
f)控制器連接了 7通道完全相同的AD模塊(第1-3通道連接寬帶地 震計(jì)，第4-6通道連接高頻檢波器、第7通道連接水聽(tīng)計(jì)通道)，通過(guò)多 路開(kāi)關(guān)(MAX4052)進(jìn)行切換，利用單片機(jī)的GPIO腳作為地址線選通讀入 1-7通道的AD數(shù)據(jù)。
(5) 地震儀電源
海底地震儀電池采用IOAH鋰電池，每套儀器安裝10枚。每個(gè)鋰電池 單獨(dú)帶保護(hù)器，的電池按環(huán)狀固定在玻璃艙球的下部，地震儀通過(guò)單片機(jī) 對(duì)每個(gè)電池的充放電狀態(tài)和電壓進(jìn)行檢測(cè)，并能通過(guò)交互界面顯示。充電 通過(guò)艙球上的插座進(jìn)行，用戶可以了解每個(gè)電池的充電電量、充電時(shí)間等 信息。通過(guò)專(zhuān)用的充電器用戶可以在數(shù)十小時(shí)內(nèi)完成對(duì)海底地震儀的充電 工作。每次充電操作用戶都能掌握充電前后電池電壓狀態(tài)，充電電量等信 息，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池失效或性能降低的情況。從而對(duì)失效電池及時(shí)進(jìn)行更 換，或根據(jù)電池性能降低的情況縮短儀器在海底工作的時(shí)間。 內(nèi)置的電源管理模塊能實(shí)時(shí)地監(jiān)督電池的電能儲(chǔ)量，當(dāng)能量低于某一預(yù)定 值，地震儀會(huì)關(guān)閉除了水聲通信之外的所有耗電設(shè)備，使地震儀在海底滯 留一年以上的時(shí)間仍能正?；厥铡?br> (6) 數(shù)據(jù)提取方式
為了保證海上的多次作業(yè)順利進(jìn)行，數(shù)據(jù)提取模塊必須操作方便并且 需要較快的傳輸速度。0BS中內(nèi)嵌了 DSB接口模塊與PC機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交 換，能在不打開(kāi)艙球的前提下，以較高的速度(2M字節(jié)/秒)實(shí)現(xiàn)0BS的數(shù)據(jù) 提取。(7) 無(wú)線數(shù)傳模塊
無(wú)線數(shù)傳模塊采用0EM產(chǎn)品。其發(fā)射功率為1 5W，有效距離約5-10Km 左右。定位精度可達(dá)數(shù)十米以內(nèi)?？紤]到無(wú)線數(shù)傳模塊內(nèi)置于玻璃艙球內(nèi) 空間的限制采用50歐450MHz鞭裝膠套天線與發(fā)射機(jī)配套，接收系統(tǒng)幾乎 不受空間的限制所以采用50歐12dB高增益天線與接收機(jī)配套。無(wú)線數(shù)傳 模塊調(diào)制方式采用FSK (頻移鍵控)方式，抗干擾能力強(qiáng)。為進(jìn)一步提高 抗設(shè)備干擾能力，通訊速度采用較低的1200bps。通訊協(xié)議為RS232格式 1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，偶校驗(yàn)，l位停止位。
傳輸距離對(duì)發(fā)射機(jī)的天線高度非常敏感。由于發(fā)射機(jī)天線內(nèi)置于球 內(nèi)，安裝高度受到極大限制。為此采取以下措施(a)減輕回收重量(b) 天線貼近球壁安裝(c)通過(guò)配重使回收時(shí)天線位于球的頂部。
采用交織編碼技術(shù)能夠有效減少突發(fā)性干擾引起的誤碼，其原理為將 待發(fā)數(shù)碼按列排成矩陣，再按行的順序發(fā)送，如信道中因突發(fā)性干擾發(fā)生 連續(xù)誤碼，解交織的誤碼被分散到不同碼字能被BCH有效糾錯(cuò)。
采用同步機(jī)制減少前導(dǎo)同步碼，有效的減少發(fā)射的時(shí)間，提高發(fā)射效 率；避免電池連續(xù)大電流放電引起"極化現(xiàn)象"。具體地說(shuō)，每次發(fā)送和 接收的起始時(shí)間都由GPS輸出PPS的沿確定。
(8) 電子電路板上面的頻閃燈
頻閃燈安裝在電子電路板上，當(dāng)儀器上浮時(shí)，頻閃燈在黑夜里能有效 的指示儀器所在方位方便回收。
頻閃燈被置于高壓艙球的上部利用水壓開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，當(dāng)儀器上浮， 水壓減小，頻閃燈工作，光源采用發(fā)光效率高，穿透性較好的高亮度發(fā)光 二極管?？梢赃B續(xù)工作12小時(shí)以上。
二、脫鉤機(jī)構(gòu)(請(qǐng)參閱"七通道多功能海底地震儀"申請(qǐng)?zhí)枮?200810117385.4):
脫鉤機(jī)構(gòu)21為雙層結(jié)構(gòu)，包括不銹鋼鏍柱11、鏍桿支撐板12、繞絲 固定板16，其中，片狀環(huán)繞絲固定板16和片狀環(huán)鏍桿支撐板12平行設(shè)置，以多數(shù)個(gè)不銹鋼鏍柱11將兩者固接，其中兩個(gè)位于直徑上的鏍柱11上端 伸出固定板16的上表面相互連接，構(gòu)成吊鉤15;鏍桿支撐板12內(nèi)孔直徑 與塑料儀器艙22頂部外圓直徑相適配。
片狀環(huán)繞絲固定板16上表面設(shè)有正極13、脫鉤滑塊13、繞絲釘14、 負(fù)極17，正極8、負(fù)極17位于固定板16內(nèi)孔直徑方向的相對(duì)兩側(cè)，正極 8上套接壓絲墊片10后螺接鎖緊螺母9，負(fù)極17上套接負(fù)極保護(hù)套18; 在與正極8、負(fù)極17構(gòu)成的直徑方向相垂直的直徑方向上兩端，于固定板 16周緣上設(shè)有向圓心的凹槽，兩凹槽內(nèi)各設(shè)有一脫鉤滑塊13， L狀脫鉤滑 塊13與凹槽相適配，其向上突起的固定壁中間有一固接口，固接口供拉 緊鋼絲23纏繞連接，其底座上設(shè)有多個(gè)繞絲釘14和一禁錮鏍栓；在固定 板16上表面還設(shè)有多個(gè)繞絲釘14，繞絲釘14均勻分布，分布的位置與正 極8、負(fù)極17的位置構(gòu)成圓環(huán)形。
一熔斷鋼絲19經(jīng)正極8和順序經(jīng)所有的繞絲釘14繞成環(huán)，并以鎖緊 螺母9和繞絲釘14固緊定位，將脫鉤滑塊13固于固定板16上，熔斷鋼 絲19與兩負(fù)極17觸接；兩負(fù)極17即是兩熔斷點(diǎn)20。
將塑料儀器艙22置于沉耦架24中，脫鉤機(jī)構(gòu)21置于塑料儀器艙22 頂端，鏍桿支撐板12內(nèi)孔與塑料儀器艙22頂端相接，以多根拉緊鋼絲23 纏繞于脫鉤滑塊13的固接口 132后，用多個(gè)鎖緊螺栓26拉緊多根拉緊鋼 絲23，以固定塑料儀器艙22。
在固定塑料儀器艙22后，卸掉脫鉤滑塊13上的禁錮鏍栓212，再利 用鎖緊螺栓26來(lái)拉緊鋼絲23調(diào)整儀器艙22的緊固程度；在儀器回收時(shí) 利用海水特性，在兩熔斷點(diǎn)20處進(jìn)行電腐蝕烙斷鋼絲19，脫鉤滑塊13 被拉緊鋼絲23拉脫開(kāi)，儀器艙22即利用海水浮力上浮，以便回收。
(1) 繞絲固定板16采用具有高機(jī)械強(qiáng)度、高剛性、.韌性強(qiáng)的工程塑 料尼龍加工而成，在水中不易變形，不易被腐蝕。
(2) 繞絲釘14是脫鉤機(jī)構(gòu)中較為關(guān)鍵的部分，所以我們采用316L 特殊不銹鋼制成，這種材料對(duì)于海水及各種腐蝕介質(zhì)的抗腐蝕性能均優(yōu)于 普通不銹鋼。
(3) 熔斷鋼絲19是整個(gè)脫鉤機(jī)構(gòu)的核心部件，我們選用的316耐腐 蝕鋼絲，由7束49股細(xì)鋼絲經(jīng)過(guò)特殊工藝加工而成，易曲而柔軟。在彎曲時(shí)不象單股鋼絲那樣顯得太硬，拉緊時(shí)會(huì)緊貼繞絲釘。
脫鉤機(jī)構(gòu)21作為儀器回收過(guò)程的重要組成部件，機(jī)構(gòu)的組裝、調(diào)試 工作都可在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)通過(guò)，才可安裝使用。測(cè)試好的脫鉤機(jī)構(gòu)通過(guò)8
組不銹鋼鏍釘固定在儀器艙22的上部，能夠很方便地完成組裝。機(jī)構(gòu)中 的零件加工工藝和選材均可以保證長(zhǎng)時(shí)間工作在海水里，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)在 接到指令后，鋼絲在5分鐘內(nèi)即被熔斷。直到儀器回收整個(gè)過(guò)程不超過(guò)10 分鐘。
三、沉耦架(請(qǐng)參閱"七通道多功能海底地震儀"申請(qǐng)?zhí)枮?200810117385. 4):
沉耦架24，采用表面附著防銹漆的鋼鐵材料制成，在井字形上表面 中部固設(shè)一固定圓盤(pán)，固定圓盤(pán)中心部有一圓環(huán)狀突起，該圓環(huán)狀突起的 直徑與塑料儀器艙22底部外圓相適配，固定圓盤(pán)周緣處均勻分布著固接 的多數(shù)個(gè)向上正交的支撐桿，支撐桿上端固接有頂環(huán)，頂環(huán)上均勻分布有 鎖緊螺栓26，頂環(huán)的內(nèi)孔直徑大于塑料儀器艙22的球直徑；
鎖緊螺栓26與拉緊鋼絲23下端可拆卸的固接，通過(guò)耐腐蝕拉緊鋼絲 23與脫鉤機(jī)構(gòu)21緊密相連，其重量和體積適合于在下沉過(guò)程中控制下沉 速度和下沉姿態(tài)，以及當(dāng)儀器沉入海底時(shí)能夠保持正確姿態(tài)并進(jìn)入工作狀 態(tài)，并為地震儀在海底工作提供穩(wěn)定可靠的基座，提高儀器記錄數(shù)據(jù)的真 實(shí)性。儀器上浮后，沉耦架丟棄在海水中。
通過(guò)耐腐蝕拉緊鋼絲23把儀器緊固在沉耦架24上，用鎖緊螺栓26 將帶塑料保護(hù)皮的耐腐蝕拉緊鋼絲23拉緊，由8股緊固，分兩組，每組 4股拉緊一脫鉤機(jī)構(gòu)21的脫鉤滑塊13，降低了單股鋼絲的受力程度，可 以使儀器很穩(wěn)定的固定在基座上。
沉耦架24屬于不回收部分，考慮到它的工作性質(zhì)，我們選擇標(biāo)準(zhǔn)角 鐵作為主要的加工原料，不但滿足了其作為工作基座的剛性和硬度，且大 大降低了加工成本。使用動(dòng)態(tài)過(guò)程
選擇好投放地點(diǎn)和方位，把海底地震儀投放到海底，儀器著地后，立 即用聲納系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。內(nèi)部由姿態(tài)傳感器7感知到海底姿態(tài)不平時(shí)，
由位于電池盒蓋上面的直流電機(jī)上拉檢波器，使之脫離開(kāi)玻璃艙球35，根 據(jù)自重作用調(diào)至水平并重新放回玻璃艙球35底部，此后內(nèi)部地震計(jì)和數(shù) 字采集器同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，連續(xù)記錄海底干擾和地震信號(hào)，并存儲(chǔ)在內(nèi) 部存儲(chǔ)器中。
當(dāng)需要回收儀器時(shí)，在該儀器所在的位置附近海域通過(guò)聲納系統(tǒng)發(fā)出 回收信號(hào)，儀器接到信號(hào)后，開(kāi)始熔斷鋼絲，約5分鐘儀器艙與沉耦架24 脫離，自動(dòng)上浮至水面，浮出海面后通過(guò)GPS天線29發(fā)送其所在的位置 信息，根據(jù)該信息或目測(cè)方式確定儀器方位，進(jìn)行打撈上船。然后提取所 記錄的數(shù)據(jù)供分析和研究。
U)內(nèi)部一體化
儀器內(nèi)部采用電池組31、電子電路30、三分量高頻檢波器33--體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將電池組通過(guò)O型圈34放置在玻璃艙球上，電路板安 裝在電池盒蓋的上面，使之成為一個(gè)整體，可以在玻璃儀器艙球外進(jìn)行組 裝、調(diào)試，然后將測(cè)試完成的海底地震儀放進(jìn)玻璃艙球內(nèi)，通過(guò)玻璃艙球 擠壓0型圈來(lái)固定內(nèi)部裝置。比起以往的海底地震儀需要在球內(nèi)組裝和調(diào) 試，內(nèi)部結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)在時(shí)間和工作量上有了大幅度的縮減，操作簡(jiǎn) 單、方便且減少了附加振顫。
以往的海底地震儀(比如我們前期研制的三分量高頻海底地震儀)通 常將電池、地震計(jì)、記錄器、水聲模塊等部件都是零散的通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘 接的方式固定在上下兩半艙球，極易造成耐壓玻璃艙球的損壞，同時(shí)電路 布線復(fù)雜，難以組裝和調(diào)試，容易產(chǎn)生附加振顫噪聲影響儀器對(duì)地動(dòng)信號(hào) 的記錄。
該項(xiàng)一體化結(jié)構(gòu)是我們創(chuàng)新性發(fā)明，這使海底地震儀實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的 復(fù)雜程度大大降低，同時(shí)該項(xiàng)工藝也可運(yùn)用到采用此類(lèi)艙球的其它設(shè)備 中。(2)脫鉤裝置(請(qǐng)參閱"七通道多功能海底地震儀"申請(qǐng)?zhí)枮?br> 200810117385.4):
脫鉤機(jī)構(gòu)21采用頂部脫鉤滑塊13鋼纜系固連接，利用鎖緊螺栓26 拉緊鋼絲調(diào)整儀器艙的緊固程度，整個(gè)過(guò)程便于安裝操作；儀器回收時(shí)，
水聲壓力傳感器接收到水面發(fā)出的釋放指令，海底地震儀的脫鉤機(jī)構(gòu)上的 正極開(kāi)始加電利用海水特性進(jìn)行電腐蝕熔斷鋼絲19，脫鉤滑塊13被拉緊 鋼絲23拉脫開(kāi)，儀器艙22利用海水浮力上浮。海底地震儀的回收過(guò)程時(shí)
間短且可靠性強(qiáng)。
權(quán)利要求
1、一種天然氣水合物勘探用海底地震儀，包括塑料儀器艙、玻璃儀器艙球、脫鉤機(jī)構(gòu)、沉耦架；玻璃儀器艙球固裝于塑料儀器艙內(nèi)，脫鉤機(jī)構(gòu)位于塑料儀器艙頂端，沉耦架位于塑料儀器艙底端；在脫鉤機(jī)構(gòu)與沉耦架之間以拉緊鋼絲固接，將塑料儀器艙固定于沉耦架中；其特征在于玻璃儀器艙球內(nèi)設(shè)有常平裝置，常平裝置包括直流電機(jī)、配重銅板、調(diào)節(jié)重心用螺紋孔、檢波器座、鋁制卡環(huán)；配重銅板、檢波器座皆為中心有通孔的圓板，尺寸相同；一金屬導(dǎo)線管，其外徑與中心通孔的內(nèi)徑相適配，并順序穿過(guò)配重銅板、檢波器座的中心通孔與配重銅板、檢波器座正交固接，配重銅板、檢波器座相互之間有一間隙；三分量高頻檢波器包括一垂直向檢波器、兩水平向檢波器，檢波器座上表面設(shè)有垂直向檢波器，檢波器座側(cè)面有兩個(gè)凹槽分別裝有兩個(gè)正交的水平向檢波器，鋁制卡環(huán)套在檢波器座外面通過(guò)螺釘固接，鋁制卡環(huán)與檢波器座水平設(shè)置，相互有一間隙；鋁制卡環(huán)下表面呈弧面，與玻璃儀器艙球內(nèi)壁相適配；電池組分左右相對(duì)固設(shè)于O型圈的上表面，在兩電池組頂端電池盒蓋上水平設(shè)有電子電路板，電子電路板上方水平設(shè)有天線支架，支架上表面固裝有GPS天線，電子電路板下方水平設(shè)有一電機(jī)架，電機(jī)架上有直流電機(jī)、鋼絲纏繞輪，鋼絲纏繞輪位于電機(jī)架中心，直流電機(jī)的輸出軸與鋼絲的一端固接，鋼絲的另一端繞過(guò)鋼絲纏繞輪垂向下方，并穿過(guò)導(dǎo)線管中心通道，與配重銅板內(nèi)壁固接，將配重銅板、檢波器座和三分量高頻檢波器懸掛。
2、 如權(quán)利要求1所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其特征在 于所述配重銅板厚度^8mm，其上均勻分布有螺紋孔，以用螺釘調(diào)節(jié)三 分量高頻檢波器的重心。
3、 如權(quán)利要求1所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其特征在 于所述常平裝置，其工作過(guò)程為開(kāi)啟直流電機(jī)，經(jīng)纏繞鋼絲提起配重 銅板、檢波器座和三分量高頻檢波器，使檢波器座離開(kāi)玻璃艙球底部，此 時(shí)三分量高頻檢波器與配重銅板、檢波器座可自由旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度《30 度，根據(jù)配重銅板、檢波器座和三分量高頻檢波器組合體的自重調(diào)整平衡，調(diào)整完，再利用直流電機(jī)釋放鋼絲把檢波器座放回玻璃艙球底部。
4、如權(quán)利要求1所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其特征在于所述三分量高頻檢波器還包括姿態(tài)傳感器，姿態(tài)傳感器采用固態(tài)mems器件，固接在配重銅板上，分別與直流電機(jī)控制電路、三分量高頻檢波器 電連接，能讀出三分量高頻檢波器任意時(shí)刻的姿態(tài)，當(dāng)檢波器的傾斜角度 超過(guò)工作允許范圍時(shí)，控制電路指令直流電機(jī)在整點(diǎn)時(shí)刻對(duì)檢波器進(jìn)行調(diào)整。
5、 如權(quán)利要求1所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其特征在于電子電路、釆集器系統(tǒng)、水聲通訊模塊固定在電池盒蓋的上方，使玻璃艙球內(nèi)部的電池組，檢波器組合體成為一個(gè)整體，在玻璃儀器艙球外進(jìn) 行組裝、調(diào)試，然后將測(cè)試完成的儀器放進(jìn)玻璃艙球內(nèi)，通過(guò)玻璃艙球擠壓0型圈來(lái)固定內(nèi)部裝置；三分量高頻檢波器、水聲壓力傳感器，這兩種不同工作頻帶的儀器由 數(shù)字采集器，對(duì)儀器記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使儀器能夠記錄人工震源信號(hào)。
6、 如權(quán)利要求1所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其特征在 于所述三分量高頻檢波器頻率為10-250Hz。
7、 如權(quán)利要求1所述的天然氣水合物勘探用海底地震儀，其特征在于其海底流動(dòng)地震觀測(cè)方式海底地震儀接收人工震源信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)觀測(cè)，做二維觀測(cè)，用高頻率 的檢波器，獲得的數(shù)據(jù)能夠反演海底較為精細(xì)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，觀測(cè)的地質(zhì)結(jié) 構(gòu)深度淺。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種天然氣水合物勘探用海底地震儀，涉及地震技術(shù)，用于海底地震觀測(cè)、天然氣水合物勘探和地質(zhì)調(diào)查。包括塑料儀器艙、脫鉤機(jī)構(gòu)和沉耦架，塑料儀器艙內(nèi)的玻璃艙球頂部裝有水聲壓力傳感器，內(nèi)部裝有高頻檢波器、水聲通訊模塊、無(wú)線信標(biāo)機(jī)、GPS、電子羅盤(pán)和組合電源。脫鉤機(jī)構(gòu)固定在塑料儀器艙球的上部與沉耦架通過(guò)耐腐蝕拉緊鋼絲連接，儀器回收時(shí)，通過(guò)電腐蝕原理熔斷鋼絲后，塑料儀器艙自然上浮回收。沉耦架為海底地震儀工作時(shí)提供穩(wěn)定的基座。本發(fā)明集成了用于人工氣槍震源觀測(cè)的三分量高頻檢波器和水聲壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)多用途的海底地震探測(cè)。
文檔編號(hào)G01V1/18GK101441274SQ20081024094
公開(kāi)日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者游慶瑜, 趙春蕾, 郝天珧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所