本发明属于煤矿井下地震勘探领域，涉及一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集设备及方法。
背景技术：
1、近年来随着煤矿安全高效开采要求日益提高，掘进巷道、工作面超前精细探测方法的研究迫在眉睫。槽波地震勘探由于其对煤层中的断层、陷落柱及冲刷带等等具有较好的探测效果，已经成为应用最为广泛的勘探手段之一。
2、通常情况下，地震波在顶板、底板的传播速度大于在煤层中的传播速度，煤层作为低速夹层表现出明显的“波导”性质。当在煤层中激发地震波时，由于煤层顶、底界面为强波阻抗界面，从震源出发的地震波入射角度大于临界角时便以全反射的形式被禁锢在煤层中，并在其中相互干涉、叠加形成了槽波。
3、槽波按照偏振特征可以分为rayleigh型槽波和love型槽波，其中rayleigh型槽波由p波和sv波干涉形成，它的质点在与波场传播方向平行、与煤层面垂直的平面内振动，质点振动轨迹呈椭圆状。通常槽波地震勘探的震源为炸药震源，而炸药震源为胀缩震源，产生的p波能量明显大于s波能量，因此产生的rayleigh型槽波能量大于love型槽波，所以在进行槽波的数据采集时，只接收rayleigh型槽波即可满足探测需求，rayleigh型槽波只需接收z方向(竖直方向)的数据即可。
4、目前槽波的数据采集通常是使用动圈式检波器+数字地震仪实现的。动圈检波器将采集到的震动信号转换为与震动速度成正比的电压信号，数字地震仪将该电压信号数字化后按照一定格式存储或实时上传。具体实施时，将动圈检波器固定在锚杆上或布置于2.5m左右的水平浅孔内，间隔一定距离布置，数量为几十或几百道不等。由于需要接收的是z分量的数据，要求动圈检波器无论是固定在锚杆上还是浅孔内，都必须使其轴向方向与竖直方向平行。但是在实际工况环境下几乎无法实现，施工时均是采用肉眼分辨的方式，误差较大。而且，由于动圈检波器道数较多，每一道均有可能存在与竖直方向的偏差，且道与道之间的偏差存在不一致性，因此，由姿态不统一引起的累积误差对后期的反演成像造成一定的影响。
5、所述的动圈检波器是将震动信号转换为电压信号的一种传感器，是地震数据采集的关键部件。它由永久磁铁、线圈和弹簧片组成，当存在机械振动时，线圈对磁铁做相对运动而切割磁力线，根据电磁感应原理，线圈中产生感生电动势，且感生电动势的大小与线圈和磁铁的相对运动速度成正比，线圈输出的模拟电信号与机械振动的速度变化规律是一致的。动圈检波器是无源设备。
6、所述的数字地震仪为地震记录数字化的仪器，是指将动圈检波器产生的电压信号数字化后按照一定格式存储的设备。该设备可以按照实际需求进行地震数据采集。
7、目前，动圈检波器的固定方式均无法精确测量检波器轴向偏离竖直方向的角度，检波器间的偏差也无法消除，这些累积误差势必会对反演成像的精度造成影响。因此，亟需一种能够测量并校正该偏离误差，提高z分量槽波数据的采集质量的设备及方法，从而提高槽波地震勘探反演成像的精度。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集设备及方法，该设备能够实现精确测量检波器轴向与竖直方向的偏离角度，该方法计算并校正每一个地震道偏离竖直方向的角度，以解决由检波器姿态不统一导致的单道误差和道间的累积误差对数据质量的影响。
2、为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案予以解决：
3、一方面，本发明提供了一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集设备，包括外壳，外壳上设置有锚杆的转接装置以及网口，所述外壳内部安装有mems加速度计、a/d转换器、数字滤波电路、cpu、rtc、温补晶振、存储单元和本安电源，其中，mems加速度计依次通过a/d转换器、数字滤波电路连接cpu，温补晶振通过rtc连接cpu，cpu分别连接存储单元和gps模块，cpu还通过网口连接以太网从而与外部的pc机连接；mems加速度计和温补晶振均连接本安电源；
4、mems加速度计用于采集的震动信号和姿态信号输出为差分信号，由a/d转换器转换并通过数字滤波电路进行数字化后通过cpu存储至存储单元；cpu的时间由gps模块获取，并由温补晶振通过rtc保证时钟精度，cpu通过以太网将数据上传至pc机。
5、另一方面，本发明提供了一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集方法，包括如下步骤：
6、步骤一：将矿井槽波数据采集设备中的mems加速度计进行标定，使mems加速度计在竖直、静止状态下的加速度值为1g，然后将mems加速度计集成于采集设备中，使mems加速度计与采集设备的外壳的z方向保持一致；所述矿井槽波数据采集设备采用权利要求1所述的具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集设备；
7、步骤二：将所述的矿井槽波数据采集设备在地面进行授时、配置参数后，将它们分别安装在煤矿井下指定测点位置，每个测点为一个地震道；
8、步骤三：所有的矿井槽波数据采集设备按照步骤二的配置参数及指定时间采集实测数据，所述实测数据包括姿态数据和振幅数据；
9、步骤四：采集完成后，将实测数据通过以太网回收至地面，将每个地震道上的采集设备采集的数据导入到pc机；
10、步骤五：提取姿态数据；
11、步骤六：姿态数据的计算；
12、步骤七：振幅数据的提取；
13、步骤八：根据步骤六得到的姿态数据，对振幅数据进行姿态校正；
14、步骤九：获得姿态校正后的最终数据。
15、进一步的，步骤五具体包括：
16、每台矿井槽波数据采集设备为一个地震道，若第n道震动信号的实际测量值为dn，每一道数据的实际样点数量为nsamp，所有样点中最大值为maxdn，最小值为mindn，该矿井槽波数据采集设备在静止状态下的加速度值用adn表示，则计算方法为：
17、adn＝(∑dn-maxdn-mindn)/(nsamp-2)；
18、adn即为所述采集设备的姿态数据。
19、进一步的，步骤六具体包括：得到第n道矿井槽波数据采集设备与竖直方向的夹角：
20、αn＝arccos(adn/(1*g))；
21、αn即为所述采集设备的姿态数据。
22、进一步的，步骤七具体包括：用d实际n表示第n道分离姿态数据后的振幅数据：
23、d实际n＝dn-adn。
24、进一步的，步骤八具体包括：第n道姿态校正后的数据用d姿态n表示：
25、d姿态n＝d实际n/cos(αn)。
26、进一步的，步骤九包括：如果某次数据采集的总地震道数为m，则姿态校正后的最终数据dfinal为：
27、dfinal＝[d姿态1 d姿态2 … d姿态n … d姿态m]。
28、进一步的，还包括步骤十：对姿态校正后的最终数据dfinal处理、成像和解释。
29、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
30、(1)本发明的采集设备中，利用mems加速度计能够同时测量震动信号及姿态数据的特性，使其代替动圈检波器作为主要传感部分，同时测量震动信号和姿态信号。
31、(2)由于mems加速度计的体积和重量极小，可将其集成于所述采集设备内，使得采集设备体积重量大幅减小，能够提高槽波探测的施工效率，减小劳动强度。
32、(3)利用了mems加速度计同时测量的震动信号和姿态信号，在数据预处理时提取实测数据的姿态数据，并对振幅数据进行校正，最终可以消除各个地震道之间由于不同倾角而导致的信号幅度偏差，进而提高槽波的反演成像质量。
33、综上，本发明利用了mems加速度计可同时测量震动信号和姿态信号的特性以及其体积小、重量轻的优势，将mems加速度计集成于所述采集设备当中，并通过本安电源供电、gps授时、晶振守时、存储数据及通过以太网进行交互处理，最终实现槽波地震数据的采集，并对所述采集设备采集的数据进行姿态提取、振幅数据校正等操作。
1.一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集设备，包括外壳，外壳上设置有锚杆的转接装置以及网口，其特征在于，所述外壳内部安装有mems加速度计、a/d转换器、数字滤波电路、cpu、rtc、温补晶振、存储单元和本安电源，其中，mems加速度计依次通过a/d转换器、数字滤波电路连接cpu，温补晶振通过rtc连接cpu，cpu还分别连接存储单元和gps模块，cpu还通过网口连接以太网从而与外部的pc机连接；mems加速度计和温补晶振均连接本安电源；
2.一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
3.如权利要求2所述的一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集方法，其特征在于，步骤五具体包括：
4.如权利要求3所述的一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集方法，其特征在于，步骤六具体包括：得到第n道矿井槽波数据采集设备与竖直方向的夹角：
5.如权利要求4所述的一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集方法，其特征在于，步骤七具体包括：用d实际n表示第n道分离姿态数据后的振幅数据：
6.如权利要求5所述的一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集方法，其特征在于，步骤八具体包括：第n道姿态校正后的数据用d姿态n表示：
7.如权利要求6所述的一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集方法，其特征在于，步骤九包括：如果某次数据采集的总地震道数为m，则姿态校正后的最终数据dfinal为：
8.如权利要求6所述的一种具有姿态校正功能的矿井槽波数据采集方法，其特征在于，还包括步骤十：对姿态校正后的最终数据dfinal处理、成像和解释。
