具有在线数据传输和水下定位功能的智能海底地震仪制造技术

具有在线数据传输和水下定位功能的智能海底地震仪，涉及水声通信与海洋地震观测。水下球体和水面甲板机通过水声通信方式数据交互；水下球体的仪器舱内集成数据采集模块、智能声学模块等；智能声学模块集成时间同步算法和智能解调算法；基于神经网络设计CE和SD子网，利用深度学习替代传统通信模块，水面甲板机包括人机界面控制模块、智能传输定位模块、主控处理器等；智能传输定位模块对智能声学模块发送的水声信号进行调制解调，获得的信息在人机界面显示，智能传输定位模块中的智能测距子模块集成智能去噪算法，不需任何先验信息即可完成信号盲去噪；主控处理器的定位解算子模块利用解算算法定位解算，得地震仪位置，显著提升测距定位性能。提升测距定位性能。提升测距定位性能。

【技术实现步骤摘要】
具有在线数据传输和水下定位功能的智能海底地震仪


[0001]本专利技术涉及水声通信领域与海洋地震观测领域，尤其是涉及一种具有在线数据传输和水下定位功能的智能海底地震仪。

技术介绍

[0002]海底地震仪是一种放置于海底的地震数据采集系统，能够用于记录天然地震事件和地质剖面勘探（黎珠博,潘飞儒.海底地震观测技术现状与展望[J].华北地震科学,2015,33(03): 56
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63）。由于仪器位于海底，可以同时接收P波和S波信号，且环境噪音低，能够实现高信噪比、高分辨率和高精度的海底地震数据采集，广泛应用于油气勘探、地球深部结构探测、天然地震预报等领域（郭磊,王程,杨秀卿,薛钢,孟元库,刘延俊.海底地震仪布放回收器及方法[P]. 山东省：CN112462429B,2022
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03
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25）。
[0003]现有海底地震仪采取“离线获取数据”的作业方式，科考人员在海面将与沉耦架连接的海底地震仪按计划点投放，在沉耦架的重力作用下海底地震仪在海水中自由下落至海底进行数据记录，持续数个月后（一般为三个月）由科考人员回收坐底的海底地震仪（孟肯. 潜浮式深海地震仪的设计与研究[D].杭州电子科技大学,2021）。回收时科考人员在船上操作配套的甲板机，由甲板机发送声学指令，海底地震仪的水声换能器接收到声学释放指令后，对熔断钢丝进行电化学熔断，海底地震仪与沉耦架分离，海底地震仪利用自身的浮力漂浮至海面（董广,彭光荣,林裕锋. 一种海底地震仪装置及系统[P]. 广东省：CN215953874U, 2022
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03
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04）。
[0004]尽管以上作业方式进行数十年，但是呈现的几个较为棘手的问题一直未得到有效解决，首先，现有地震台网观测采取提前布放、离线数据分析的观测方式，在布放周期内，工作人员不仅无法获取观测数据，同时也无法知悉海底地震仪的工作状态，严重时可能使观测航次失去意义，浪费观测成本；其次，受洋流运动或海底地形的影响，传统海底地震仪坐底的实际位置与投放时海面记录的位置有偏差，观测位置不准确会降低后期数据处理时地质结构反演的性能；再次，现有海底地震仪的时钟依赖于本地晶振，长期工作后晶振会产生频率漂移和时间偏移，导致地震测线各个采集点的采集数据时间戳会有偏差，影响数据分析精度；最后，现有观测作业海底地震仪回收时候所需要的声学释放器还是依赖于国外进口，进口的声学释放器和对应的声学模块远远滞后于现有技术，但受制于设备非国产，在现有基础上进行产品的更新迭代并不容易。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对传统海底地震仪不具备在线数据传输能力，投放作业时由于施工人员无法获取水下海底地震仪状态而造成投放失败等问题，提供一种具有在线数据传输和水下定位功能的智能海底地震仪（以下简称：智能海底地震仪），在传统海底地震仪的基础上增加智能声学模块，与传统的声学模块不同，智能声学模块不仅具有水声通信功能，能实现实在线数据传输，还集成智能水声定位功能，使智能海底地震仪具有状态回传、声学
定位、声学释放功能，可以更好满足海洋科学研究与地震探测的需要。
[0006]本专利技术包括水下球体部分和水面甲板机两部分，水下球体与水面甲板机之间通过水声通信的方式进行数据交互；
[0007]所述水下球体部分包括仪器舱和沉耦架；所述仪器舱内集成数据采集模块、智能声学模块、电池组、主控模块；
[0008]所述数据采集模块包括检波器、数据采集器、水听器、内部存储卡和通用串口Ⅲ；所述检波器位于仪器舱内，用于将地震信号转换为可测量的电信号，检波器包括一个垂直方向分量和两个水平方向分量；所述数据采集器用于将检波器采集到的电信号滤波、放大、模数转换处理之后记录在内部存储卡上；所述水听器用于记录低频声信号；所述数据采集模块通过通用串口Ⅲ控制信号与智能声学模块交互；数据采集模块采用通用串口Ⅲ与主控模块交互信息；
[0009]所述智能声学模块包含信号预处理子模块Ⅰ、智能调制解调子模块Ⅰ、声信标、声发射子模块Ⅰ和通用串口Ⅱ；智能声学模块通过通用串口Ⅱ读取数据采集模块的状态和特定时段的数据，并将这些状态回传至水面甲板机；所述信号预处理子模块Ⅰ集成时间同步算法，用于定期对智能海底地震仪进行时钟校准；所述智能调制解调子模块Ⅰ集成智能解调算法，用于实现水声信号的智能解调功能；所述声信标用于产生定位请求脉冲信号，并通过换能器向水面甲板机发射定位请求信号；所述声发射子模块Ⅰ由功率放大电路、匹配电路和换能器构成；换能器位于仪器舱正上部，是水声信号发射和接收的重要部件；所述声发射子模块Ⅰ用于将接收的水声信号经滤波后驱动功率放大电路，送入匹配电路，最后驱动换能器将电信号转换为声信号传输到水声信道中；
[0010]所述电池组用于为主控模块提供48V电源；
[0011]所述主控模块包括电源管理子模块Ⅰ、系统控制子模块和通用串口Ⅰ；所述主控模块从电池组获得48V电源，电源管理子模块Ⅰ将48V电源降压为三路直流电源，分别为数据采集模块和智能声学模块供电；系统控制子模块利用通用串口Ⅰ对智能声学模块进行休眠控制；所述主控模块外接频闪灯、旗帜、天线，所述频闪灯、旗帜和天线均设于仪器舱的右上方；频闪灯和旗帜分别用于在黑夜和白天有效指示仪器舱所在方位且方便回收；
[0012]所述水面甲板机放置在甲板上，包括箱体部分；所述箱体部分由底板、电源模块、人机界面控制模块、智能传输定位模块和主控处理器构成；所述底板配备多个电源接口和多个数据接口，电源模块通过底板的各个电源接口对人机界面控制模块、主控处理器和智能传输定位模块进行供电；所述人机界面控制模块用于方便查看智能海底地震仪的健康状态、监测到的实时数据，如地震波等；所述智能传输定位模块用于对水下球体部分的智能声学模块发送的水声信号进行调制解调，将经解调获得的信息在人机界面显示，以实现在线数据传输；所述主控处理器用于将智能传输定位模块去噪后的信号处理得到智能海底地震仪的位置，并将该位置显示在人机界面控制模块的人机界面中；所述人机界面控制模块、智能传输定位模块和主控处理器之间通过底板的数据接口实现数据交互。
[0013]所述仪器舱固定设于沉耦架之上，仪器舱与沉耦架之间采用声释放熔断丝固定；水面甲板机通过水声信道发送声释放指令，当水下球体部分的智能声学模块接收到水面甲板机发送的声释放指令后，控制声释放熔断丝熔断，仪器舱与沉耦架分离，仪器舱上浮至水面，沉耦架遗弃于海底。
[0014]进一步的，所述智能解调算法集成于智能调制解调子模块Ⅰ，智能解调算法可基于神经网络设计，神经网络包括信道估计（Channel Estimation, CE）子网和信号检测（Signal Detection, SD）子网，CE子网的输入信号为基带频域信号Y
D
，经过CE子网处理后得到线性最小均方误差（Linear Minimum Mean Squared, LMMSE）估计值输出X LMMSE D，并作为SD子网的其中一个输入端；SD子网同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有在线数据传输和水下定位功能的智能海底地震仪，其特征在于包括水下球体部分和水面甲板机两部分，水下球体与水面甲板机之间通过水声通信的方式进行数据交互；所述水下球体部分包括仪器舱和沉耦架；所述仪器舱内集成数据采集模块、智能声学模块、电池组、主控模块；所述数据采集模块包括检波器、数据采集器、水听器、内部存储卡和通用串口Ⅲ；所述检波器位于仪器舱内，用于将地震信号转换为可测量的电信号，检波器包括一个垂直方向分量和两个水平方向分量；所述数据采集器用于采集地震波数据，将检波器采集到的电信号滤波、放大、模数转换处理之后记录在内部存储卡上；所述水听器用于记录低频声信号；所述数据采集模块通过通用串口Ⅲ控制信号与智能声学模块交互；数据采集模块采用通用串口II与主控模块交互信息；所述智能声学模块包含信号预处理子模块Ⅰ、智能调制解调子模块Ⅰ、声信标、声发射子模块Ⅰ和通用串口Ⅱ；智能声学模块通过通用串口Ⅱ读取数据采集模块的状态和特定时段的数据，并将这些状态回传至水面甲板机；所述信号预处理子模块Ⅰ集成时间同步算法，用于定期对智能海底地震仪进行时钟校准；所述智能调制解调子模块Ⅰ集成智能解调算法，用于实现水声信号的智能解调功能；所述声信标用于产生定位请求脉冲信号，并通过声发射子模块Ⅰ向水面甲板机发射定位请求信号；所述声发射子模块Ⅰ由功率放大电路、匹配电路和换能器构成；换能器位于仪器舱正上部，是水声信号发射和接收的重要部件；所述声发射子模块Ⅰ用于将接收的水声信号经滤波后驱动功率放大电路，送入匹配电路，最后驱动换能器将电信号转换为声信号传输到水声信道中；所述电池组用于为主控模块提供48V电源；所述主控模块包括电源管理子模块Ⅰ、系统控制子模块和通用串口Ⅰ；所述主控模块从电池组获得48V电源，电源管理子模块Ⅰ将48V电源降压为三路直流电源，分别为数据采集模块和智能声学模块供电；系统控制子模块利用通用串口Ⅰ对智能声学模块进行休眠控制；所述主控模块外接频闪灯、旗帜、天线，所述频闪灯、旗帜和天线均设于仪器舱的右上方；频闪灯和旗帜分别用于在黑夜和白天有效指示仪器舱所在方位且方便回收；所述水面甲板机放置在甲板上，包括箱体部分；所述箱体部分由底板、电源模块、人机界面控制模块、智能传输定位模块和主控处理器构成；所述底板配备多个电源接口和多个数据接口，电源模块通过底板的各个电源接口对人机界面控制模块、主控处理器和智能传输定位模块进行供电；所述人机界面控制模块用于方便查看智能海底地震仪的健康状态、监测到的实时数据；所述智能传输定位模块用于对水下球体部分的智能声学模块发送的定位请求水声信号进行调制解调，将经解调获得的信息在人机界面显示，以实现在线数据传输；所述主控处理器用于将智能传输定位模块去噪后的信号处理得到智能海底地震仪的位置，并将该位置显示在人机界面控制模块的人机界面中；所述人机界面控制模块、智能传输定位模块和主控处理器之间通过底板的数据接口实现信号交互；所述仪器舱固定设于沉耦架之上，仪器舱与沉耦架之间采用声释放熔断丝固定；水面甲板机通过水声信道发送声释放指令，当水下球体部分的智能声学模块接收到水面甲板机发送的声释放指令后，控制声释放熔断丝熔断，仪器舱与沉耦架分离，仪器舱上浮至水面，沉耦架遗弃于海底。
2.如权利要求1所述具有在线数据传输和水下定位功能的智能海底地震仪，其特征在于所述智能解调算法集成于智能调制解调子模块Ⅰ，智能解调算法可基于神经网络设计，CE子网和SD子网，CE子网的输入信号为基带频域信号Y
D
，经过CE子网处理后得到线性最小均方误差LMMSE估计值输出X LMMSE D，并作为SD子网的其中一个输入端；SD子网同时接收基带频域信号Y
D
作为输入，并输出解调信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德清，郑碧媛，陈何高佳，游铭杭，杜宏钰，黄双茂，
申请(专利权)人：通测科技厦门有限公司，
类型：发明
国别省市：