槽波地震勘探是利用在煤层中激发和传播的导波，探查煤层内的小断层、陷落柱、煤层分叉与变薄带、矸石层分布、采空区及废弃巷道等地质异常的一种地球物理探测方法^[1-4]。其在探测精度、距离、抗干扰性以及后期构造异常的识别上具有显著优势，是目前煤矿井下最为有效的小构造探测方法。近年来，越来越多的科研工作者投身到煤矿井下槽波地震勘探的相关研究，中煤科工集团西安研究有限公司技术研发团队^[5-7]利用透射和反射槽波探测煤矿采空区，使得槽波探测技术得以快速推广。但由于煤矿井下工况环境复杂，施工作业环境受限，地面成熟的地震勘探类仪器设备无法直接应用到井下，煤矿井下的槽波地震勘探类仪器的发展相对滞后。2013年中煤科工集团西安研究院有限公司自主研制出YTZ3矿用地震仪，该仪器主要由地震检波器、采集分站、GPS授时装置、震源同步触发装置等构成，并取得了煤安防爆认证，目前已在近400个工作面成功应用^[8-12]。

在YTZ3矿用地震仪大面积推广应用过程中，发现其存在如下几点不足：① YTZ3矿用地震仪与检波器之间通过线缆连接，不仅噪声干扰易通过电缆引入采集分站，而且在多道数地震数据采集的情况下，仍需要布设大量线缆，费时费力施工效率不高，另外，线缆的定期检修也需投入大量的人力物力，使用成本偏高。②以走向1 000 m的工作面槽波透射探测为例，按照10 m道距布设100道，YTZ3矿用地震仪采集系统虽没有中央控制站、中继站等，但整体质量仍达190 kg，运输成本高昂。③ YTZ3矿用地震仪采用三通道设计以满足三分量采集的需求，但查阅大量相关文献表明，单通道已能完全满足现阶段煤矿井下槽波探测的要求^[13-15]。

鉴于上述原因，研制一款满足本安防爆的要求，具有一体化、单站单道、独立工作、连续采集记录、无线缆的束缚、轻巧便携的矿用单分量无缆地震仪，以满足现阶段煤矿井下高精度槽波地震探测技术的发展要求。

1   矿用单分量无缆地震仪设计

1.1   系统目标

为了满足煤矿井下高精度槽波地震探测技术的施工要求，所设计的矿用单分量无缆地震仪应从以下2个主要方面考虑。

① 本安防爆  仪器电源部分须采用本质安全型电路设计，满足GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》和GB 3836.4—2010《爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》的相关规定。

② 性能优越  煤矿井下工况环境复杂，仪器必须具有较高的抗电磁干扰能力，高分辨率，大动态范围，高稳定性，高可靠性和具有较长工作时间的特点，设计主要技术参数见表 1。

表  1  矿用单分量无缆地震仪主要设计技术参数

Table  1.  Main technical parameters of the single-component non-cable seismograph

性能指标	主要技术参数
带道能力	单站单道，无限扩展
采集方式	独立工作，连续采集
动态范围/dB	＞120
采样间隔/ms	4、2、1、0.5、0.25
采集分辨率	24位
频带宽度/Hz	60(根据所选用动圈传感器型号调整)
前置增益	0~64倍可调
存储能力	0.25 ms采样，连续记录10 h
工作时间/h	≥10(电池供电)
整机质量/g	≤600

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1.2   系统整体设计

按照地震仪的功能需求，矿用单分量无缆地震仪主要由地震仪采集分站与手持式授时终端两部分组成，如图 1所示。

图  1  矿用单分量无缆地震仪硬件系统框图

Figure  1.  Hardware system diagram of the single-component non-cable seismograph

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手持式授时终端首先在地面对各采集分站进行授时，建立时间同步基准，实现各采集分站与基准时钟的精确同步，并根据槽波施工的具体要求，对各采集分站进行统一的参数配置，实现采样速率、增益、采样开始时间、采样持续时间的集中设置。各采集分站根据预设的采集时间开始工作，并根据先前设定的参数指标进行地震波数据的连续采集与实时存储，到达预设的采样结束时间后，停止工作。采集完成后，手持式授时终端可实现对采集分站的单台数据回传也可建立局域网实现各采集分站数据的统一回传^[16-18]。

按照预期的设计目标，所设计的矿用单分量无缆地震仪将动圈检波器与采集电路、授时控制电路以及电源电路一同集成在一个完整的腔体中，壳体可直接固定在锚杆上，彻底摆脱线缆束缚，大幅降低整机质量，施工作业人员数量及运输成本显著下降，施工效率得到提高。

2   硬件设计

2.1   本安电源部分

电源电路的设计必须符合GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》和GB 3836.4—2010《爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》的相关规定要求，满足系统目标需求。即通过两级电源管理芯片MAX14571对输出电流进行限制，并经过两级限压限流保护，输出本安电压、电流驱动后级负载。这种组合方式具有保护电路简单、功耗小、限压限流值可精确控制的特点^[19-20]。电源部分的两级保护电路原理图如图 2所示。6.5 V电压作为保护电路的输入U_in，第一级保护电路限压值为7 V，欠压值为6 V，限流值为300 mA，第二级限压值为5.5 V，欠压值为4 V，限流值为200 mA。主控芯片外接电阻R2、R6、R4、R9确定过压保护值，R3、R7、R5、R10确定欠压保护值，R8、R11确定限流保护值，即一旦电流值大于电流阈值，芯片则会在20.7 ms后关断，保护机制启动。EN端和RIEN端两个使能端均接至3.3 V高电平，唤醒芯片使其器件工作正常。另外，C1、C2、C3、C4为旁路电容，限制发生瞬间短路时的输入电压的跌落，以维持器件的稳定工作。

图  2  两级保护电路原理

Figure  2.  Two-stage protection circuit

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矿用单分量无缆地震仪采用电池供电，经测试整机功耗不足2 W，为使仪器续航时间可达预期设计的10 h以上，因此，系统选用3.2 V/3.8 A·h两串一并的26650磷酸铁锂电池供电。

2.2   数据采集系统

单分量无缆地震仪的采集系统，采用模拟系统与数字系统完全隔离的设计，以避免电磁干扰对于测量结果的影响。采集部分由低通滤波电路、程控放大电路、模数转换电路以及数字滤波电路组成。模拟信号输入通过低通滤波电路，滤除高频噪声完成对信号的初步调理，再通过程控放大器对有效信号进行放大，经滤波后的地震信号最终由A/D完成采样，送入中央控制单元。

地震仪中央控制部分采用STM32F103系列芯片，该芯片内核基于高性能的ARM CorteX-M4型的32位RISC核, 其最高运行频率72 MHz，内置512 kB Flash和64 kB SRAM，并拥有丰富的I/O端口，支持SPI、IIC、UART、USB、CAN等多种通信接口，具有2个通用16位定时器、3个通用同步/异步收发器等多种功能，可稳定工作于–40~105℃的工业温度范围，系统功耗较低，完全满足煤矿井下复杂工况下槽波探测的需要。

采集部分采用32位Δ-Σ型模数转换器ADS1282，其电路连接如图 3所示。Δ-Σ型转换器是一种通过采样技术和噪声整形技术相结合的A/D，将量化噪声分配到更高的带宽之中，使原始带宽内的量化噪声降低，降低信号的失真度，从而保证地震数据采集的高精度^[21-23]。另外ADS1282还具有PGA可调，可编程放大器的特点；并且分辨率较高，250 Hz时可达到130 dB，输入信号可以达到纳伏级；功耗极低，工作时最低为17 mW，非工作模式仅为0.09 mW，完全可以保证地震数据采集的高精度。数字化后的信号通过A/D内部SINC、FIR和IIR滤波器完成对数据的整形抽样得到最终的信号，并通过SPI接口送入CorteX-M4型STM32处理器。

图  3  ADS1282电路连接

Figure  3.  ADS1282 circuit diagram

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2.3   授时同步系统

地震采集系统对各个采集单元间的时间同步性要求较高，只有实现同步采集才能保证地震数据的可用性。本次研制时考虑到时间同步的精准性、造价成本以及后续工作方式等因素，采用较为常见的GPS (Global Positioning System)同步授时技术，并设计了手持式授时终端^[24-26]。授时采集终端内部的时统电路采用基于瑞士U-BLOX的授时芯片LEA-5T为核心的电路设计，其电路连接如图 4所示。授时系统将GPS接收机和授时系统融为一个整体，系统集成度高，具有很强的信号接收捕获能力，最低可探测–160 dBm的信号，首次定位时间为1 s(热启动)，授时精度补偿后可达到15 ns。系统具有信号敏感、授时快、精度高的特点，并可在恶劣气候下实现单卫星授时。授时仪利用GPS高精度时钟作为同步信号，把GPS模块输出的秒脉冲和时间信息推送到各个采集单元，采集分站内置的GPS模块完成对GPS信号的接收，通过解析GPS数据，将该数据转换成相应的时间信息，将时间信息附到每一个数据文件头部，即数据采集的起始时间对应GPS秒脉冲信号(PPS)的信号上升沿，间隔整秒出现一次秒脉冲信号的上升沿，此后的时钟精度靠各自时钟电路维持至数据采集结束。系统采用频率为50 MHz，频差为±25×10^–6 Hz数字温度补偿晶振OX3241完成，晶振经过其分频处理输出时钟模块需要的频率，并为ARM内核提供基准频率信号，稳定度高，完全满足矿井地震仪同步要求。

图  4  LEA-5T电路连接

Figure  4.  LEA-5T circuit diagram

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3   软件设计

3.1   授时终端专用软件

地震仪手持式终端采用Android操作系统，该系统是基于Linux平台的、开源的、智能手机操作系统，其具有优秀的人机交互界面、丰富可利用的开发资源^[27-28]。地震仪手持式授时终端专用软件APP使用专业Android软件开发工具Android Studio进行设计，软件的界面简洁美观，可实现GPS授时、曲线数据查看、设备参数配置以及数据上传4个功能。

3.2   地震仪下位机软件

图 5是地震仪采集系统下位机的软件流程图。系统开机后首先对各个功能端口进行初始化自检，完成GPS数据的命令、配置等接收信息解析，并预先设定采集开始时间，当系统到达采样时间，系统进入采样工作环节，实现连续采样与实时存储，当到达预设的采样结束时间后，则系统停止采样。

图  5  系统流程图

Figure  5.  System flowchart

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4   系统测试

经过系统的硬件设计和软件设计以及整体系统安装调试，得到单站单道地震仪的原型样机如图 6所示，尺寸大小103 mm×90 mm，质量约为580 g，满足1.1节中的设计目标。对于矿用单分量无缆地震仪的采集性能，在实验室分别对本底噪声、信号一致性、动态范围等参数进行了逐一测试，其各项指标达到了预期的设计目标^[29]。

图  6  地震仪整机结构

1—充电数据交换接口；2—电池；3—采集板；4—检波器芯；5—壳体；6—锚杆转接装置

Figure  6.  The structure of the seismograph

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4.1   本底噪声测试

数据采集系统的本底噪声测试时，将该地震仪输出端短接，进行采集。仪器采用默认参数：采样间隔为0.25 ms，放大倍数为10，采集时间为1 min。采集到的最大值即为地震数据采集系统的本底噪声，并取任意2 048个点作图，测量的均方差为1.12 μV，符合设计要求。其波形如图 7所示。

图  7  本底噪声测试

Figure  7.  Background noise test

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4.2   信号一致性测试

随机抽取1号、3号2台单分量无缆地震仪，仪器IP号分别为192.168.1.6和192.168.1.8。设置仪器的采样间隔1 ms，放大倍数×1，采集时间1 min。同时接入同一台信号源，信号源信号频率为20 Hz，幅值为1 V(峰峰值)的正弦信号，进行模拟采集试验，二者接收波形如图 8所示。纵轴为样点数(共4 000点)，横轴为电压，单位为V。

图  8  信号一致性测试

Figure  8.  Signal consistency test

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经测算振幅一致性不高于0.5%，且波形无失真、无畸变，没有引入噪声，由此说明仪器性能符合设计要求。

4.3   动态范围

根据动态范围定义，按照下式进行计算。

式中：D为以dB表示该单分量地震采集站的动态范围；U_max为最大输入信号情况下该采集站采集通道的输出电压有效值；U_min为该采集站采集通道本底噪音的电压有效值^[30]。

测试系统选用Agilent公司生产的33120A数字式函数信号发生器，其在10 Hz~10 kHz时其失真度指标为0.000 1%，函数发生器连接地震仪采集端，设置地震仪采样间隔设置为1 ms(采样率1 kHz)，放大倍数×1，采集时间1 min，在地震仪接收端输入频率20 Hz，幅度为2.5 V的正弦信号，进行模拟采集试验，测得主机接收电压幅值为2.496 V，能识别的最小电压幅值为1.12 μV，最终测得出仪器的动态范围为127 dB，符合设计指标的要求。

4.4   现场试验

在野外将1台矿用单分量无缆地震仪和3台YTZ3矿用地震仪进行采集性能对比试验，2种不同地震仪布置于半径为3 m的圆上，以锤击点为圆心, 保证耦合良好，仪器布置如图 9a所示。试验采用锤击方式激发，仪器采样率均设置为4 000 Hz，采集时间和采集时长保持一致，锤击3次进行一致性对比试验，对比试验的叠加记录如图 9b所示。由图 9b可知，矿用单分量无缆地震仪在波形的初至时间、起跳方向、振幅响应和YTZ3矿用地震仪一致，结果说明，仪器性能满足实际生产要求。

图  9  对比试验

Figure  9.  The comparison test

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5   结论

a. 研制的矿用单分量无缆地震仪，将动圈检波器与采集控制电路、时间精度保持电路以及电源电路一同集成在一个完整的腔体中，实现了采集分站与检波器高度集成化，观测系统设计与布置更加灵活轻便，摆脱了施工线缆的束缚。

b. 采集系统将电路部分与检波器集成在同一壳体中，可直接固定在锚杆上，尺寸为103 mm×90 mm，质量约580 g。系统彻底摆脱线缆束缚，大幅降低整机重量，极大地降低了施工成本，提高了施工作业效率。

c. 手持式授时终端可实现对地面多台地震仪的同步授时，建立时间同步基准，实现各采集分站与基准时钟的精确同步，并且根据井下施工要求，对地震仪配置采集参数，并实现数据文件查看等数据管理功能。

d. 本文研制的新型煤矿井下单分量无缆地震仪，以其高精度、高集成度化、轻量化的特点改变了煤矿井下槽波地震探测的工作模式，可广泛应用于煤矿井下复杂工况环境下的大道数、高密度、宽方位的地震勘探工程中。