用于獲取地震數據的無線系統和方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請號為200780039182. 1、申請日為2007年9月13日、發明名稱為"用 于獲取地震數據的無線系統和方法"的專利申請的分案申請。
[0002] 對相關申請的交叉引用
[0003] 本申請要求針對2006年9月14日提交的美國臨時申請序列號60/844633的在 35U.S.C. § 119(e)之下的優先權，并且還要求針對2007年3月8日提交的美國非臨時專利 申請序列號11/683883的在35U.S.C. § 120之下的優先權（14. 0331)，其全部內容通過引用 并入于此。
技術領域
[0004] 本發明涉及地震數據獲取系統和利用其的方法的領域。更具體地說，本發明涉及 用于在陸基地震勘測期間有效收集地震數據的系統和方法。
【背景技術】
[0005] 陸地地震（landseismic)獲取旨在捕獲通過地下（subsurface)傳播的聲能和彈 性能。這種能量可以由諸如振動源（振動器）的一個或多個地面（surface)源生成。振動 器生成通過大地傳播到不同地下層（subsurfacelayer)中的壓力信號。這里，通過與地下 層中的地質構造相互作用而形成彈性波。彈性波以地下層中的局部應力的變化和質點位移 為特征，該質點位移基本上處于和波陣面相同的平面中。聲波和彈性波還已知為壓力波和 剪切波。聲波和彈性波統稱為地震波場。
[0006] 地下構造可以以諸如密度、可壓縮性以及多孔性的物理參數為特征。這些參數值 的變化被稱為聲學差異（contrast)或彈性差異，并且可以表示地下層（其可以包含碳氫化 合物）中的變化。當聲波或彈性波遭遇聲學差異或彈性差異時，一部分波將反射回地面，而 另一部分波將傳導至地下更深部分中。到達陸地地面的彈性波可以被定位在陸地上的運動 傳感器（用于測量位移、速度或加速度，如地震檢波器、加速計等）測量到。陸地地面處的 彈性波測量可以被用于生成地下的詳細影像（包括諸如密度、可壓縮性、多孔性等的物理 特性的定量評價）。這通過對地震數據的恰當處理來實現。
[0007] 地震傳感器單元典型地還包含為數字化并記錄地震數據所需的電子裝置。在一個 已知實施方式中，每一個傳感器單元都連接至陸地地震線纜，其經由線纜連接至地面車輛 或諸如平臺的其它地面設施上的記錄儀器。陸地地震線纜提供電力和用于向計量儀器傳送 記錄并數字化的地震信號的手段。陸地地震是保證發現并有效生產碳氫化合物兩者的一個 重要角色。然而，如現今普遍實行的，陸地地震需要廣泛使用線纜來連接傳感器網絡，以生 成地面下層的影像。涉及線纜的諸如運輸、敷設以及卷繞的活動可能包括多達總后勤活動 的50%。而且，線纜和連接器可能占超過地面設備總成本的30%。涉及線纜和連接器的諸 如短路、開路以及斷續問題的問題可能縮減多達50%的有效獲取時間。線纜可能引入對于 現場工作人員（fieldcrews)、其它人以及動物的安全風險，并且可能因留下操作痕跡而破 壞環境。而且最終，線纜可能限制按新的和非常規模式敷設傳感器的自由度。
[0008] 在進行陸地地震時已經努力減少使用線纜。例如，在美國專利No. 7124028、 No. 6219620以及No. 6070129中公開了無線陸地地震系統和方法。在一些已知實施方式中， 將射頻信號用于從多個地震檢波器向中間收集節點傳送地震數據，該中間收集節點接著經 由射頻無線、線纜或光纖向中央控制站傳送收集的數據。在更多新近實施方式（如在'028 專利中公開的）中，沒有使用收集節點，而相反，地震檢波器包括按逐跳（hop-to-hop)通信 方式在地震檢波器之間實現短距無線電通信的組件。
[0009] 美國公布的申請號20060247505公開了一種特別用于醫學用途的傳感器系統，其 允許從任何遠程位置監測傳感器數據。其側重點是為移動的、而非必須呆在家里或其它單 一位置（如醫院病房）的用戶（典型為內科病人）提供機會。該傳感器系統的用戶和外部實 體可以監測傳感器數據，并且可以提供該用戶與急救人員之間的通信鏈路。該傳感器系統 包括具有傳感器的傳感器模塊，和第一無線鏈路，該第一無線鏈路向移動通信裝置（如蜂 窩電話或個人數字助理PDA)無線地傳送從傳感器采樣的數據，該移動通信裝置具有接收 來自該傳感器模塊的數據并且向服務器無線地傳送該數據的第二無線鏈路。該第一無線鏈 路可以包括從射頻通信協議、磁感應協議以及無線個人區域網協議（WPAN)的組中選擇的 無線通信協議。該第二無線鏈路可以包括從GSM標準、GPRS、GPS、3G、WIFI(801.11)、WiMAX 以及射頻通信協議的組中選擇的無線通信協議。在討論先前已知醫學監測系統的問題時， 本發明人提到類似缺陷還適用于其它數據獲取系統，如環境監測系統，和地震監測系統，然 而，不存在關于地震傳感器系統或獲取地震數據的進一步公開、教導或建議。在如網絡字 典（NetworkDictionary)(例如，參見在http://www.networkdictionary.com/wireless/WirelessDataNetworking.php討論的無線數據連網及其移動無線的分離處理）的參考文 獻中，已證明，例如通過其分離處理，移動無線技術已經實現了與無線數據連網分離的狀 O
[0010] 盡管在陸地地震數據獲取領域中已經存在一些有關無線數據發送的使用，但仍然 在魯棒性、可量測性、成本以及功效方面存在改進空間。本發明致力于尋求這些方面中的一 個或多個。
【發明內容】
[0011] 根據本發明，描述了在魯棒性、可量測性、成本以及功效中的一個或多個方面減少 或克服了先前已知無線系統和方法的缺點的、用于獲取陸地地震數據的無線系統和方法。 本發明的系統和方法允許更有效地獲取陸地地震數據，舉例來說，如在針對地下含油氣儲 集層（hydrocarbon-bearingreservoir)的勘探或監測現有IC藏期間，獲取3-D和4-D陸 地地震數據。電磁信號可被用于向傳感器單元和/或從傳感器單元傳送數據、傳送功率、以 及/或接收指令以操作傳感器單元。
[0012] 本發明的第一方面是一種陸地地震數據獲取系統，該系統包括：
[0013] -個或多個振動器，
[0014] 一個或多個基站，
[0015] 地震數據記錄站，
[0016] 以及傳感器系統，該傳感器系統用于獲取和/或監測陸地地震傳感器數據并向所 述一個或多個基站發送該數據，該傳感器系統包括多個傳感器模塊，每一個傳感器模塊都 包括一地震傳感器，其中，振動器、基站、記錄站以及地震傳感器之間的全部通信完全是無 線的。本發明的系統的特征在于包括無線數據網絡，其中，該無線數據網絡包括地震傳感 器，該地震傳感器通過第一無線鏈路向所述一個或多個基站發送所述數據的至少一部分， 所述一個或多個基站繼而通過第二無線鏈路向記錄站發送它們接收到的至少一些數據，如 在此進一步說明的。而且，如在此進一步說明的，記錄站不需要在陸地上，并且不需要固定 不動。例如，記錄站可以從固定陸地車輛、移動陸地車輛、固定海洋船只、移動海洋船只以及 諸如直升飛機、飛艇或飛機的移動航空器中選擇。
[0017] 如在此使用的，術語"完全無線"意指各傳感器單元之間、各振動器之間、各基站之 間、任何傳感器單元與基站之間、任何傳感器單元與數據記錄站之間、任何傳感器單元與任 何振動器之間、任何振動器與數據記錄站之間、任何振動器與任何基站之間等不存在有線、 纖維（包括光纖）或其它物理通信連接。然而，這不排除例如同一振動區域中兩個振動器 之間的物理連接的可能性。
[0018] 如在此進一步例示的，基站可被戰略性地定位為覆蓋預定傳感器模塊組。在這些 實施方式中，每一組傳感器模塊都可以經由網狀拓撲和/或以逐跳的方式（在此還稱為多 跳）無線地中繼數據。還可以使用星形拓撲和其它拓撲，但網狀拓撲將生成最大冗余。在 每一個基站與數據記錄站（例如，記錄車）之間，可以從基站向記錄站直接傳送地震數據。 在本發明的系統中，傳感器模塊可以共同彼此相對靠近地隔開，例如，范圍從1米直到約10 米的距離。因為傳感器模塊之間的距離相對較短，所以多跳可以避開不平坦地形或包括人 造障礙物的地形中的潛在無線通信（RF、微波、紅外線）問題。已知的是，對于在隔開達較大 距離的點A與點B之間無線地傳送數據來說，與點A和點B之間的直接無線通信相比，A與 B之間的多個地點之間的中繼將消耗更少能量。
[0019] 本發明中的系統包括以下部分，包括第一無線鏈路，該第一無線鏈路向基站（其 可以是移動或非移動通信裝置）無線地傳送從地震傳感器采樣的地震數據，該基站具有第 二無線鏈路，該第二無線鏈路接收來自傳感器模塊的地震數據，并且向陸地地震數據記錄 站無線地傳送該地震數據，所述一個或多個振動器具有第三無線鏈路，該第三無線鏈路接 收來自陸地地震數據記錄站的命令并且向該陸地地震數據記錄站無線地傳送振動器數據 (如狀態信息）。如在此使用的，術語"移動"在被用于描述一裝置時，包括手持式裝置和可 以佩戴在人體上的裝置，例如，佩戴在皮帶上、放在口袋中、放在錢包中等的裝置。并不意味 著包括如用很大的力氣才能移動的建筑物或小屋或用較小的力氣就能移動的臺式計算機 那樣的實際上可被移動的物體。
[0020] 在特定系統實施方式中，第一無線鏈路可以從任何無線個人區域網（WPAN)通信 協議中選擇。第二和第三無線鏈路可以從支持點對多點（PMP)寬帶無線訪問的任何無線通 信協議中獨立地選擇。這些協議可以包括，但不限于IEEE標準802. 16 (有時稱為WiMax(微 波存取全球互通）標準）、IEEE標準802. 20等。第二和第三無線鏈路可以使用相同或不同 協議。
[0021] 本發明的特定陸地地震數據獲取系統可以利用允許在傳感器模塊、振動器、基站 以及記錄站之間或者僅在傳感器模塊之間廣播消息（音頻、視頻、字母數字混編、數字、模 擬及其組合）的無線鏈路和設備。該消息可以被時間標記和被用于距離測量以及時鐘校 準。該通信網絡還可以被用于傳送狀態信息和/或質量控制（QC)。
[0022] 本發明的第二方面包括獲取陸地地震數據（包括延時陸地地震數據獲取）的方 法，該方法包括以下步驟：
[0023] a)從記錄站無線地啟動一個或多個振動器，該振動器通過陸地區域生成一個或多 個振動信號；
[0024] b)利用定位在所述陸地區域上的傳感器系統測量反射的陸地地震數據，該傳感器 系統包括多個傳感器模塊，每一個傳感器模塊都包括一地震傳感器；
[0025] c)從所述多個傳感器模塊向一個或多個基站無線地發送該地震數據中的至少一 Jifcb. ??，
[0026] d)向記錄站無線地發送由所述一個或多個基站接收到的至少一些