（物理电子学专业论文）地震数据传输系统设计研究.pdf

摘要 摘要 石油是现今最为重要的天然能源，直接关系到人们的生活和国家安全。随着 国民经济的高速发展，我国的石油需求也逐年递增。但是，国内的石油产量却不 能满足国内的需求，石油缺口需要进口来填补。据有关机构预计，中国2 0 1 0 年 的石油进口规模将达到1 8 亿2 亿吨，占石油总需求的5 0 ，石油短缺已经威胁 到了我国国家能源战略安全。中国有着广阔的海域，海上的油气资源极为丰富， 很好地开发这些油气资源能够极大地减小石油缺口。 由于我国海上石油勘探技术的发展比较落后，我国海上石油勘探设备主要依 赖进口，这就严重制约了我国石油工业的发展。为此，2 0 0 1 年，“8 6 3 ”国家高 科技研究计划立项开始研究具有自主知识产权的海上油藏勘探设备，我们实验室 承担了其中的“时移地震数据采集与记录系统”研究开发任务，在该课题顺利完 成后，作为该课题的延续，我们实验室又承担了“深海石油探测地震数据采集与 记录系统”的研发任务，本论文的选题就是基于这样的研究背景。 “深海石油探测地震数据采集与记录系统”从整体上主要可以分为导航和枪 控系统、采集系统、传输系统和主控与记录系统，本文主要研究了其中传输系统 的设计。本文主要内容简介如下： 第一章首先介绍了本论文选题的背景，简述了地震勘探的方法。同时介绍了 地震仪器的发展，最后说明了现今地震勘探仪器的特点。 第二章主要介绍了项目组所承担的“深海石油探测地震数据采集与记录系 统”的设计指标要求，对整个系统的几个模块进行了简述。 ，- 第三章主要描述了水下传输系统的设计。本章比较详细地描述了地震勘探系 统中传统的流水线结构和现在流行的网络结构，从协议开销、传输实现、同步方 式和差错控制方式等方面对两种结构进行了分析。通过对两种结构的对比分析， 结合系统的设计指标要求，确定了系统水下传输系统的方案，最后给出了传输包 的详细设计。 第四章主要描述了水上传输系统的设计。本章从水上传输系统应有的功能入 手，确定了其应该包含的电路模块；根据数据量和可靠性等因素，选取了水上传 输系统实现的平台；对可能实现的两种方案进行了对比分析，并选取了适合系统 摘要 的方案：最后给出了水上传输系统的设计。 第五章主要对本文了内容进行了总结，给出了本人在项目中所作的工作和本 论文的创新点，同时给出了系统可以进一步改进的方向。 a b s t r a c t o i li st h em o s ti m p o n a n tn a t u r a lr e s o u r c en o w ，a n di t i s d i r e c t i yr e l a t e dt o p e o p l e sl i f ea n dn a t i o n a ls e c u r i t y ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ； t h eo i ld e m a n do fo u rc o u n t r yh a si n c r e a s e dy e a rb yy e a r b u tt h ed o m e s t l co n p m d u c t i o nc 矗n tm e e tt h ed e m a n d ，a n do i ii m p o r ti sn e e d e dt om a k eu pt h es h o r t a g e a c c o r d i n gt or e l e v a n ta g e n c y ，b yt h ey e a r2 0 l0 ，c h i n a so i li m p o r tw i l lr e a c hl8 0 - 2lo m i l l i o nt o n s 。w h i c ha c c o u n t sf o r5 0p e r c e n to ft h et o t a ld e m a n d a n dt h es h o r t a g eo f o i lh a sb e e nat h r e a tt ot h es e c u r i t yo fn a t i o n a le n e 唱ys t r a t e g y t h e r ei sb r o a ds e a a r e a i nc h i n a ，w h i c hi s 凡l lo f r e s o u r c e 。a n de x p l o r a t i o no f t h er e s o u r c ew i l lg r e a t l yr e d u c e t h es h o r t a g eo fo i l b e c a u s eo ft h ei a c ko fo 凰h o r ee x p l o r a t i o nt e c h n o l o g y t h em a r i n es e i s m i c d e v i c e so fo u rc o u n t 呵a r em a i n l yp u r c h a s e df _ r o ma b r o a d ， w h i c hs l o wm e d e v e l o p m e n to fo 订i n d u s t 叫v e r ym u c h s oap l a nw e r em a d ei n2 0 0 lt od e v e l o pt h e o f 取h o r ee x p l o r a t i o nd e v i c e sw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a ip r o p e n yr i g h t sb y8 6 3 ， n a t i o n a lh i 曲t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m o u rl a bi sr e s p o n s i b l ef o r t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et i m e 。l a p s em a r i n es e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o na n d l 沁c o r d i n gs y s t e m ，w h i c hi sas u bt a s ko ft h ep l a n a r e rt h ec o m p l e t eo f t h i st a s k ，t h e d e v e l o p m e n to fs e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o na n dr e c o r d i n gs y s t e mi nd e 印s e ao i i e x p l o r a t i o ni st a k e nb yo u rl a b 。m yt h e s i si sb a s e do nt h i sr e s e a r c hb a c k g r o u n d t h es e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o na n dr e c o r d i n gs y s t e mi nd e e ps e ao i le x p l o r a t i o n i s c o m p o s e do fn a v i g a t i o n a n dg u nc o n t r o ls y s t e m ， d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ， t r a n s f l e r r i n gs y s t e m ，c o n t r o l l i n ga n dr e c o r d i n gs y s t e m t h et r a n s f e r r i n gs y s t e md e s j g n i ss t u d i e di nt h i sp 印e r 。t h ea b s t r a c tf o l l o w s ： c h a p t e r d e v e l o p m e n t d e s c r i b e d 1s t a r t sw i t ht h eb a c k g r o u n do ft h et h e s i s i ta l s oi n t r o d u c e st h e o fs e i s m i cd e v i c e s a tl a s t ，t h ec h a r a c t c r i s t i co fs e i s m i c d e v i c e si s c h a p t e r2m a i n i y i n t r o d u c e st h ei n d e xr e q u i r e m e n t so fm es e i s m i cd a t a a c q u i s i t i o na n dr e c 。r d i n gs y s t e m i nd e e ps e ao i le x p l o r a t i o n i ta l s og i v e sab r i e f d e s c r i p t i o no f t h em o d u l e sw h i c hc o m p o s et h ew h o l es y s t e m - c h a p t e r3m a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g n o fu n d e n ，a t e rt r a n s 佬r r i n gs y s t e m i t d e s c r i b e st h ep r o t o c o ls p e n d i n g ，t r a n s f e r r i n gr e a l i z a t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s ， e 咖rc o n t r o lm e t h o d so ft r a d i t i o n a lp i p e l i n e s t r u c t u r ea n dn e t w o r ks t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s to f t h et w os t m c t u r ea n dt h ei n d e xr e q u i r e m e n t s ，i tg i v e st h e d e s i g ns c h e m eo f u n d e n v a t e rt r a n s f e r r i n gs y s t e m i tt h e ni l i u s t r a t e st h ed e s i g n c h a p t e r4m a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g no fo n b o a r dt r a n s f e r r i n gs y s t e m i t s 协】r t s w i t j lt h em n c t i o no ft h em o d u l ea n di n t r o d u c e st h ep o s s i b l ep a r t so f t h em o d u l e t h e p l a t f o r m 。f 。n - b 。a r dt r a n s f e r r i n g m 。d u i ei sc h 。s eb a s e d 。nt h ed a t a r a t ea n d r e l i a b i 脚i ta n a l y s e s 铆op 。s s i b l ed e s i g n sa n dt h e b e t t e ro n e i ss e l e c t e df o rt h e o n 南o a r dt r a n s f e r r i n gs y s t e m i tt h e ni i l u s t r a t e st h ed e s i g n c h a p t e r5s t a r t sw “ht h es u m m a r i z a t i o no f t h et h e s i s i tt h e ng i v e st h ea u t h o r 8 w o r ka n di n n o v a t i o no ft h et h e s i s a n dp o i n t so u tp o s s i b l ed i r e c t i o no ff u t u r e a m e n d m e n t 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他入已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 年月日 致谢 致谢 首先，我要感谢我的导师宋克柱老师和杨俊峰老师，本论文全部工作是在他 们的悉心指导下完成，他们严谨的治学态度、渊博的学识、一丝不苟和精益求精 的工作作风对我产生了很大的影响，将使我终生受益。在快电子实验室的3 年中， 宋老师和杨老师在学习、工作和生活等方面给予我了很多的指导和帮助，在此， 我向他们表示我最衷心的感谢。 感谢在快电子实验室学习工作的过程中给予我启发和帮助的老师，他们是王 砚方老师、安琪老师、王永纲老师、刘树彬老师和武杰老师；同时，还要感谢程 伊敏老师，她让实验室的学习生活更加丰富多彩。 感谢实验室的众兄弟姐妹，他们在我工作和论文完成的过程中都给了我很多 具体的帮助，他们是曹平、马灵、刘祥、张嗣锋、张可立、王东旅、周杰、胡婷 婷、程宏才、曹桂平和已经毕业的程敬原、王超、吴义华、程涛、曾翔和陈佳。 在实验室的大部分时光都是和他们一起度过，生活也因为有了他们而变的有趣和 让人留恋。衷心地感谢他们。 特别感谢y a y a 在生活中对我的体贴和帮助，她让我了解到了专业之外的很 多东西，同时她的很多看法和观点也使我受益良多。 最后，感谢我的家人在背后给我的支持，特别是我的父母，没有他们的含辛 茹苦，就不会有我们姐弟三人的今天；也祝福我的姐姐和弟弟在工作和学习中一 切顺利。 第一章绪论 1 1 背景简介 第一章绪论 石油是极其重要的战略能源，关系到国民生活的方方面面，同时石油战略储 备也是国家安全的一个重要方面，近几年，国际原油价格节节攀升，目前已突破 了每桶1 0 0 美元的高价，这也从侧面反映出各国对石油的激烈争夺。国际油价的 升高对国内的影响越来越影响，随着我国经济的迅猛发展，我国的石油缺口越来 越大，为了缓解我国石油的紧缺，我国在积极到国外寻求石油的同时，也加紧了 国内石油的勘探和开发。 我国的海岸线长达1 8 万公里，具有非常辽阔的海域。但是由于海上的环境 比较复杂，给海上石油勘探和开采带来了极大的不便。由于起步比较晚，海上石 油勘探技术的积累不够，所以我国的海上石油勘探技术还远远落后于国外，也造 成了我国海上石油勘探设备主要依靠进口的现状。进口设备的价格比较昂贵，而 且不易维护。 为此，2 0 0 1 年，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 确立了“资源和环境” 领域的重大立项：渤海大油田勘探开发关键技术，快电子实验室承担了“时移地 震采集关键设备研制”子课题“时移地震数据采集与记录体统”的研究任务。在 该课题顺利完成后，作为该课题的延续，快电子实验室又继续承担了“深海石油 探测地震数据采集与记录系统”。本文的选题就基于这样的背景。 1 2 地震勘探方法简介 地震勘探是通过人工激发震源形成人造地震，所产生的地震波在向地层深处 传播的过程中在阻抗不连续处发生反射，被放置在地表的检波器接收并记录，地 震数据经过信号处理等过程得到所勘探区域的地质构造图像。地震勘探可分为三 个阶段：地震数据采集、地震数据处理和地震数据的分析解释。地震数据采集主 要包括在野外通过人工震源产生地震波，采集反射的地震波，将其数字化并记录： 地震数据处理是指将记录的地震数据通过一定的变换和滤波，形成地质剖面：分 析解释主要通过地质剖面分析，得到实际的地质构造和油藏分布情况。本文研究 的内容处于地震勘探的第一个阶段，即野外地震数据的采集和记录。 第一章绪论 早期的地震勘探方式通常为二维地震，二维地震即在一条地震侧线上放炮并 接收返回的地震波，进而通过对返回地震波的分析处理得到测线下面的地质图像 剖面。三维地震则是在地表面一块平面内，接收地下空间内各个方向的反射波， 进而得到这个三维空间的地质图像。三维地震勘探相比于二维地震，其精确度有 了很大的提高，同时三维地震还适用于地质情况比较复杂的地区。 时移地震产生于上世纪8 0 年代初期，在9 0 年代得到空前的发展，目前已经 是油气藏动态监测与管理的一种新方法。时移地震油藏监测技术是指油藏开发过 程中，不同时期在同一位置的重复采集地震数据，并对这些数据进行互均化处理， 研究不同时期与油藏流体变化有关的地震反射之间的差异，依次对产层中流体的 流动效应进行观测成像。时移地震按观测方式可以分为：时移三维地震、时移二 维地震、时移v s p 和井间时移地震。其中最为常用的方式是时移三维地震，其 又称四维地震，是三维空间和一维时间一起构成四维模型，通过在不同时间在同 一区域的重复地震数据采集，对多次数据进行比较综合分析，从而确定油藏的分 布。 海上时移地震按电缆状态一般分为海上拖缆和海底电缆两种方式。 海上拖缆技术在过去的2 0 多年里发展得越来越成熟，现在大概9 0 的海上 石油勘探都运用拖缆技术，海上拖缆技术比较适合深海大面积作业。最初，海上 拖缆采用的是单缆，其作业效率比陆地要快得多，随着技术的发展，到2 0 世纪 9 0 年代，开始出现多缆采集系统，多缆采集系统的作业效率大幅提高，极大地 减小了作业成本，现在的海上拖缆勘探系统支持的缆数达到了1 6 缆或更多。 海底电缆的成本较高，是拖缆的几倍，其主要运用在拖缆不能工作的区域， 在浅水区，在采油平台的周围要使用海底电缆，如在采油平台固定海底电缆，每 过一段时问就进行一次地震数据采集，以确定油藏界面的变化和发现残留的油气 带，达到知道采油的目的。同时由于海底电缆安放在海底，相比于工作在海平面 的海上拖缆，其噪声相对较小，所以在分辨率和信噪比等方面有一定的优势。 1 3 地震勘探仪器发展 地震勘探仪器从出现至今，已经发展了六代： 1 ) 模拟光点记录地震仪 特点：采用电子管电路；系统采用模拟光点感光照相记录，从检波器输 出，传输到记录，均为模拟信号；地震道数少，一般为2 6 道；记录器的 动态范围一般为2 0 d b 左右；记录频带窄，一般为3 0 h z 左右。 2 ) 模拟磁带记录地震仪 第一章绪论 特点：采用晶体管电路；采用模拟磁带记录，从检波器输出到记录均为 模拟信号：地震道数相比第一代有所增加，一般为4 8 道；记录器的动态 范围一般为4 0 5 0 d b ：记录频带为1 5 1 2 0 h z 。 3 ) 数字磁带记录地震仪 特点：采用集成电路技术，相比前两代地震仪，数字磁带记录地震仪采 用了瞬时浮点增益放大器控制技术、模数转换技术和数字磁记录技术； 地震道数可达2 4 0 道；记录频带宽，前方滤波器的通频带一般在3 2 5 0 h z 。 4 ) 遥测地震仪 特点：所谓遥测，是指利用传感器和通信等技术对远距离的测量点进行 测量。遥测地震仪使用放置在检波点上的采集站将检波器输出转换为数 字信号，将数字信号传输至中央记录系统：地震道数多，可达上万道； 采用计算机对整个系统进行控制，系统功能增强；系统配备了成套测试 软件，方便系统的维护。 5 ) 2 4 位遥测地震仪 特点：采用了2 4 位模数转换器，增加了动态范围；多种数据传输方式， 分为有线遥测地震仪、无线遥测地震仪和存储式数据回收遥测地震仪； 在数据采集过程中应用了数字信号处理技术，完成信号的滤波、f f t 、抽 取和叠加等功能：强大的数据实时分析处理和q c 功能，完善的人机界 面功能。 6 ) 全数字遥测地震仪 特点：全数字遥测地震仪最主要的特征是检波器使用了采用了微电子机 械系统技术制造的数字地震检波器l l j 。检波器主要有三部分构成： l 。3 个微电子机械系统( m e m s ) 2 一2 4 位a d c 及数据传输和命令同步控制电路 3 微电子检测电路和电压反馈控制电路 目前，i o n 、s e r c e l 和s c h l u m b e r g e r 等国外大型公司在石油勘探技术和设 备制造方面处于领先地位。我国具有自主知识产权的系统还不多。下面将分别介 绍先进的陆上和海上石油勘探系统4 2 8 x l 和q m a r i n e 。 2 0 0 5 年，s e r c e l 公司推出的4 2 8 x l 地震采集系统是当今时间最先进的陆 上地震勘探系统之一，4 2 8 x l 可以采用模拟检波器或全数字检波器，并在交叉线 数据传输上使用了t c m p 网络协议。4 2 8 x l 系统中主要包括中央硬件单元 l c i 4 2 8 、野外数字单元f d u 4 2 8 、数字检波器单元d s u 3 4 2 8 、交叉站l a u x 4 2 8 、 排列采集站l a u l 4 2 8 ：同时4 2 8 x l 系统为了能适应更复杂的地形条件，增加系 第一章绪论 统施工时的灵活性和方便性，在系统中引入了无线采集单元l a u r - 4 2 8 和无线中 继单元l r u 4 2 8 。 系统主要模块指标和功能简介： 中央单元 中央控制单元采用客户机服务器架构，客户机通过网络与服务器连接： l c i 4 2 8 是排列与服务器之间的接口，实时2 m s 采样时，l c i 4 2 8 支持1 0 0 0 0 个通道，其主要承担着以太网的路由器职能，同时还管理者其他外围设备； 系统支持将l o 个l c i 4 2 8 连接在一起，使系统的带道能力达到10 0 0 0 0 道。 d s u 3 4 2 8 带宽：0 8 0 0 畸变：9 0 d b 动态范围：1 2 0 d b 4 m s 振幅校准精度：0 2 5 正交校准精度：o 2 5 功耗：2 8 5 m w 8 m b p s ，3 0 0 m w l6 m b p s 间隔：11 0 m 8 m b p s ，9 0 m 1 6 m b p s f d u 4 2 8 瞬时动态范围：1 3 0 d b 系统动态范围：1 4 0 d b 采样率：4 ，2 ，1 ，o 5 ，o 2 5 m s 串音抑制： 1 3 0 d b 畸变：1 1 0 d b 增益精度： o 1 相位精度： 1 1 5 d b 谐波畸变： 1 0 5 d b 增益精度：0 5 最大输入信号范围：1 1 1 1 7 8 0 m v r m s 同步方式：g p s 同步，同步精度l o 肛s a d c 分布在电缆上，采用4 级d e l t a s i g m a 结构，动态范围好于1 2 0 d b ， 采样间隔：1 、2 和4 m s 低切滤波：1 9 4 h z 的模拟r c 滤波；数字i i r 巴特沃斯滤波，频率为3 、 6 、9 和1 2 h z ，斜率1 8 d b o c t ； 高切滤波：f i r 或最小相移滤波，5 0 或8 0 的奈奎斯特采样频率，衰 减大于1 3 0 d b 测试振荡器：t h d 好于9 5 d b ，频率范围7 8 12 5 h z 测试能力：噪声，直流漂移，总谐波失真，增益精度，串扰，脉冲响应， 传感器阻抗 磁带机：3 5 9 0 和3 5 9 0 e ，记录格式s e g d a t m 传输速度：1 5 5 m b p s 第一章绪论 工作环境：温度1 0 到5 0 度，最大工作水深1 0 0 米 1 4 地震勘探系统特点 现在高分辨率的地震勘探对地震信号的动态范围要求比较高，地震波的动态 范围是指勘探过程中采集的有效地震波的最小和最大振幅的变化范围，最大有效 地震波是最先到达检波器的直达波，最小有效地震波是深层的反射波，深层反射 波由于地层吸收、反射系数和传输中的衰减等因素，使最大和最小有效地震波的 变化范围高达1 2 0d b ，这么大的动态范围对a d 提出了很高的要求，要求其能 自动控制增益，在接收直达波时，采用小的增益，在接收深层反射波时，采用大 的增益。同时，由于水上噪声的影响，采集系统对电路的固有噪声和共模抑制比 也有很高的要求。这些因素决定了在进行地震高分辨地震勘探时，a d 的精度应 不低于2 0 位。目前，在石油勘探中的采集系统中最为主流的a d 为2 4 位 加。 随着大型易勘探的油气田已先被勘探开发，现在油气勘探的目标区域开始转 向一些地质条件比较复杂的区域，这也对地震资料的分辨率提出了更高的要求， 也促使了地震勘探中道间距越来越小。如海上拖缆的道间距已由传统的1 2 5 m 减 小为现在的3 1 2 5 m 。道间距的减小意味着在同样的覆盖面积下，通道数( 检波 器个数) 将增多。在海上，由于拖缆技术的发展，现在海上拖缆也越来越长，如 s e r c e l 公司的s e a l 系统的固态缆长度可达1 5 公里，每条缆支持1 0 0 0 道，整 个系统系统支持2 0 0 0 0 道。地震数据采集系统的多通道极大地增加了系统的数据 量。同时多通道也意味着作业面积的增大，这就产生了数据长距离传输时的传输 和同步问题。 第二章“深海石油探测地震数据采集与记录系统”简介 第二章“深海石油探测地震数据采集与记录系统 简介 “深海石油探测地震数据采集与记录系统”是十五期间“时移地震数据采集 与记录体统”课题的延续，在其研究成果的基础上，对系统进行改进，提高4 缆系统硬件的可靠性与稳定性，完善软件的功能并优化性能。并在此基础上，实 现具有1 6 缆的基于高可靠平台的大容量、高速实时地震记录系统。 2 1 系统设计指标 系统技术指标： 最大接收能力： 最多支持1 6 缆，每条缆最多支持1 9 2 0 道 o 5 m s 或9 6 0 道 o 2 5 m s ； 数字低切频率： 频率：3 、6 、9 、1 2 h z ： 斜率：1 8d b o c t ； 记录长度： 默认为6 秒，最大支持记录时间为1 8 秒； 记录间隔： 1 1 5 d b ： 前方增益：0 、6 、1 2 、2 4 d b 可选； 输入短路噪音：2 5u vm s ： 道间增益精度：l ： 谐波畸变：0 0 0 0 5 ： 串音抑制：l o o d b ； 数据传输率： 共模抑制比：1 0 0 d b ； 模拟低切滤波：2h z ，6 d b o c t a v e 高切滤波：8 2 4h z ，2 6 4 d b o c t a v e o 5 m s ； 4 1 2h z ，2 6 4 d b o c t a v e 1 m s ： 主控功能指标： ( 1 ) 系统日、月检及系统诊断功能； ( 2 ) 采集参数配置功能： ( 3 ) 磁带机操作控制功能； ( 4 ) 绘图仪操作控制功能； ( 5 ) 实时显示功能； ( 6 ) 实时控制功能； ( 7 ) 电缆状态显示； ( 8 ) 相关信息显示功能： ( 9 ) 打印选择，控制： ( 1 0 ) 错误信息处理功能； ( 1 1 ) 人机对话功能 ( 1 2 ) 完善的帮助文档 ( 1 3 ) 软件自身错误检测功能； 2 2 系统总体结构 深海石油探测地震数据采集与记录系统主要包括： 1 ) 导航系统：完成对系统的导航和系统各点的定位； 2 ) 枪控系统：完成对气枪阵的控制： 3 ) 采集系统：位于拖缆内部，完成数据的采集； 第二章“深海石油探测地震数据采集与记录系统”简介 4 ) 传输系统：将采集到的数据传输到记录系统： 5 ) 室内记录系统：室内记录系统主要完成对地震数据的记录和对系统的控制： 商 2 2 1 导航及枪控系统 图2 1系统总体结构图 绘图仪 一厘嘲 r a i d 站 深海石油勘探的区域一般比较大，勘探船在勘探的过程中在不停的移动，而 且没有任何参照物，所以导航系统是深海石油勘探中一个必备环节。导航系统的 任务主要是指示勘探船航行的速度和方向，并在船到达炮点时发出指令。 枪控系统主要完成对高压气枪阵的控制。高压气枪阵是系统中所使用的震 源。其基本的原理是将高压空气在极短的时间内释放于水中，形成气泡并产生强 烈的振动。高压气枪阵的性能主要与气枪阵的深度、气枪压力、气枪容量和气枪 阵的同步性相关。气枪阵的深度越深，产生的地震波的频率越低，能量越大：气 枪的压力越大，低频能量越高；气枪的容量与产生的地震波的频率成反比。气枪 阵的同步性对气枪阵的性能的影响最大，所以在高分辨地震勘探时，必须尽可能 降低气枪阵的同步误差，提高其同步性。系统中所用的气枪阵为双排8 枪2 ， 长度为2 0 4 米，枪阵中心离船尾2 5 2 米，工作中基本枪阵为波尔特( b o l t ) 1 4 枪，总容量为2 8 1 8i n c h 3 ，两个5 5 0i n c h 3 枪作为备用枪，排列如下图： 第二章“深海石油探测地震数据采集与记录系统”简介 勘探船 、 、 5 5 04 6 63 0 91 9 41 4 81 1 79 58 0 5 5 04 6 63 0 91 9 41 4 81 1 7 9 5 8 0 2 2 2 采集系统 采集系统的主要功能是完成水下数据的采集，并将数据传输至传输系统。在 深海石油探测地震采集与记录系统中，采集系统的功能由检波器和采集板来实 现。其基本的结构框图如下图所示： 图2 3 采集系统基本结构框图 系统中采用的检波器为压电陶瓷检波器：检波器数据输出后，经过前置放大 电路来消除连接线上引入的共模干扰；滤波用来消除地震信号中的噪声和干扰； 主放大器则是增益调节电压放大；模数转换使用2 4 位d ，将模拟信号转 换为数字信号，经过f p g a 的相应处理后，发送至传输系统。 2 2 3 传输系统 ，_ ，i旧 ，= 、 第二章“深海石油探测地震数据采集与记录系统”简介 传输系统主要是指在水下采集与记录工作站之间的部分。传输系统又可以分 为两部分：水下传输系统和水上传输系统。水下传输系统其主要负责汇总采集系 统所采集到的数据，将数据打包并逐级传输到水上传输系统，同时还负责将拖缆 的状态数据上传至主控：水上传输系统工作在勘探船上，主要功能是将水下拖缆 的数据汇总然后传输到记录工作站进行记录，同时水上传输系统还负责命令的同 步转发和振子数据的抽取和上传等。 2 2 4 室内主控及记录系统 主控工作站的主要功能是控制整个系统的正常工作流程，其负责在系统上电 时完成系统的初始化控制，对系统中各个模块的工作参数进行配置，同时定时向 传输系统要求振子数据并绘制振子图，并以一定的刷新频率刷新显示振子图；当 系统中的工作状态发生异常时，如拖缆漏水、拖缆断开、各个功能模块出现故障 等，应及时根据接收到的状态信息和正常工作参数进行比较，判断异常状态发生， 并进行相应的处理。为了实现主控工作站的所有功能，在主控工作站上提供两个 显示接口，分别为显示控制界面的控制显示器和显示振子图的振子显示器。记录 工作站主要负责大容量地震数据的实时记录，地震数据的绘制和系统的q c 质量 监控。 第三章水下传输系统设计 第三章水下传输系统设计 在进行传输系统的设计时，首先要进行传输结构的选择和确定，只有在传输 结构确定的情况下，才能针对结构的特点，采用合适的数据传输协议、同步方式 和差错控制方式。在确定传输模块所采用的结构是要考虑的因素有很多，其中包 括地震仪工作的环境：在陆上还是海上：如果在海上，是海上拖缆还是海底电缆； 以及采用的传输介质，是有线传输还是无线传输；同时还要考虑通道数、数据传 输率、实时性和功耗等诸多方面等；总之，针对不同的系统，传输结构的选用也 比较灵活，可根据系统的具体指标要求采用不同的结构。 目前，地震数据采集系统中最常见的传输结构有两种，分别是流水线结构和 网络结构。 3 1 流水线结构 所谓的流水线结构主要是相对于网络结构而言，流水线结构的采集单元和传 输单元的排列比较规则，所有的单元都分布在一条直线上，同时，除了第一个和 最后一个传输单元外，其余的传输单元都只连接其前后两级的传输单元，而在数 据传输上，流水线上的数据在传输单元之间逐级推进。流水线结构中传输单元和 采集单元的排列规则，但是其组合方式却可以很灵活，下图给出了两种流水线结 构，第一种流水线的每个传输单元负责其左右各4 个采集单元的数据收集，而每 个采集单元负责几个通道( 检波器) 数据的收集( 图上未显示) ；在第二种流水 线中采集单元和传输单元合并为一个单元，这个单元负责几个通道( 检波器) 数 据的收集( 图上未显示) 。 第三章水下传输系统设计 采集单元 1 传输单元和采集单元分开 2 ，传输单元和采集单元合并 图3 1 两种流水线结构 采用流水线结构需要考虑以下几个问题。 3 1 1 传输技术与传输介质 流水线结构中一般包括如下几个通信通道( 以传输单元和采集单元分开的结 构为例) ：采集单元到传输单元之间的数据通道、传输单元到采集单元的命令通 道以及传输单元之间的数据通道和命令通道。对于流水线结构中的命令通道，由 于数据量比较小，命令一般为几个字节，所以命令通道数据率要求不高，比较容 易实现；而对于采集单元到传输单元的数据通道，若系统的流水线上有8 0 个传 输单元，每个传输单元负责左右各两个采集单元，每个采集单元负责4 个通道的 数据采集，道间距为1 2 5m ，系统采样率为lm s ，采集单元采用2 4 位的模数转 换器，则每次采样后采集单元的数据为1 2b y t e ，数据率要求为9 6k b p s ，这个数 据率也并不高；但是传输单元之间的数据逐级向前推进，所以在前级的传输单元 之间的数据率要求比较高，最前级的纯数据率将达到3 1 3 6m b p s ，同时由于道间 距为1 2 5m ，所以传输单元间的距离为2 0 0m ，要在这么远的距离上进行可靠的 数据传输，必须采用可靠的数据传输技术。 s e r d e s 是英文s e r i a l i z e r ( 串行器) d e s e r i a i i z e r ( 解串器) 的简称。它是一种 时分多路复用、点对点的通信技术，即在发送端多路低速并行信号被转换成高 速串行信号，经过传输媒体，最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行 信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量，减少所需的 传输信道和器件引脚数目，从而大大降低通信成本。 s e r d e s 技术最早应用于广域网( w a n ) 通信。国际上存在两种广域网标准：一 种是s o n e t ，主要通行于北美；另一种是s d h ，主要通行于欧洲。这两种广域网 第三章水下传输系统设计 标准制订了不同层次的传输速率。目前万兆( o c 一1 9 2 ) 广域网已在欧美开始实行， 中国大陆已升级到2 5 千兆( 0 c 一4 8 ) 水平。s e r d e s 技术支持的广域网构成了国际 互联网络的骨干网。s e r d e s 技术同样应用于局域网( l a n ) 通信。因为s e r d e s 技 术主要用来实现i s 0 模型的物理层，s e r d e s 通常被称之为物理层( p h y ) 器件。以 太网是世界上最流行的局域网，其数据传输速率不断演变。i e e e 在2 0 0 2 年通过 的万兆以太网标准，把局域网传输速率提高到了广域网的水平，并特意制订了提 供局域网和广域网无缝联接的串行w a np h y 。与此同时，s e r d e s 技术也广泛应用 于不断升级的存储区域网( s a n ) ，例如光纤信道。 基于s e i m e s 的高速串行接口采用以下措施突破了传统并行i o 接口的数据 传输瓶颈：一是采用差分信号传输代替单端信号传输，从而增强了抗噪声、抗干 扰能力；二是采用时钟和数据恢复技术代替同时传输数据和时钟，从而解决了限 制数据传输速率的信号时钟偏移问题。 一个典型s e r d e s 收发机由发送通道和接收通道组成：编码器、串行器、发 送器以及时钟产生电路组成发送通道；解码器、解串器、接收器以及时钟恢复电 路组成接收通道。顾名思义，编码器和解码器完成编码和解码功能，其中8 b l o b 、 6 4 b 6 6 b 和不规则编码( s c r a m b l i n g ) 是最常用的编码方案。串行器和解串器负责从 并行到串行和从串行到并行的转换。串行器需要时钟产生电路，时钟发生电路通 常由锁相环( p l l ) 来实现。解串器需要时钟和数据恢复电路( c d r ) ，时钟恢复电 路通常也由锁相环来实现，但有多种实现形式如相位插植、过剩抽样等。发送器 和接收器完成差分信号的发送和接收，其中l v d s 和c m l 是最常用的两种差分 信号标准。由于信号的衰减是影响其长距离传输的主要因素，所以为了使信号传 输更长的距离，一般在发送器中对信号进行预加重，而在接收器中对接收的信号 进行均衡。 并行数据 本地参 并行数据 分输出 图3 2典型s e r d e s 收发机结构图 分输入 第三章水下传输系统设计 随着s e r d e s 技术的发展，很多公司推出了很多高性能的串行收发器，根据 系统的传输单元间的数据传输率和传输距离的要求，选取合适的高速串行收发芯 片，可以简化系统设计。同时串行链路上的数据传输率和传输距离不仅与收发器 的性能有关，与收发器间的传输介质也有很大的关系。 常见的传输介质包括双绞线和光纤。 双绞线 双绞线采用了一对互相绝缘的金属导线互相绞合的方式来抵御一部分外界 电磁波干扰。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可以降低信号干扰 的程度，当两根导线中传输差分信号时，每一根导线在传输中辐射的电波会被另 一根线上发出的电波抵消，可以有效地电磁干扰。“双绞线”的名字也是由此而 来。双绞线一般由两根2 2 2 6 号绝缘铜导线相互缠绕而成。典型的双绞线有四对 的，也有更多对双绞线放在一个电缆套管里的，称为双绞线电缆。在双绞线电缆 内，不同线对具有不同的扭绞长度，一般地说，扭绞长度在3 8 1 c m 至1 4 c m 内， 按逆时针方向扭绞。相临线对的扭绞长度在1 2 7c m 以上，一般扭线越密其抗干 扰能力就越强。目前，双绞线可分为非屏蔽双绞线( u t p ) 和屏蔽双绞线( s t p ) 。 屏蔽双绞线电缆的外层由铝铂包裹，以减小辐射，但并不能完全消除辐射，屏蔽 双绞线价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。非屏蔽双绞线电缆具 无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间，易安装，成本也比较低，但是传输性 能不如屏蔽双绞线。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离，信道宽度和数据 传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。 双绞线是局域网传输中最常用的传输线缆，i e e e8 0 2 31 0 0 b a s e t 实现了在 1 0 0m5 类非屏蔽双绞线上每秒l o ob i t 的数据传输，而1 0 0 0 b a s e t 更是实现 了在1 0 0m5 类非屏蔽双绞线上每秒千兆位的传输，而l o o b a s e t 和1 0 0 0 b a s e t 的物理层都是s e r d e s 技术。可见，选择合适的串行收发器，选择传输性能比较 好的线缆，如超5 类线或6 类线，双绞线上的数据传输率和传输距离完全可以满 足地震勘探系统的需要。 光纤 光纤，即光导纤维的简称，在通信系统中，载波频率越高，信号的频带就越 宽，光的载波频率在1 0 挖1 0 h z 的数量级，而无线电的频宽在1 0 6 1 0 8h z 的数量级。传输介质的频带越宽，数据传输速率就越高，所以用光纤很容易实现 很高的数据传输速率。 按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。 多模光纤( m u l t im o d ef i b e r ) ：中心玻璃芯较粗( 5 0 或6 2 5 岬) ，可传多种模式 第三章水下传输系统设计 的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加 会更加严重。例如：6 0 0 m b k m 的光纤在2 k m 时则只有3 0 0 m b 的带宽了。因 此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。 单模光纤( s i n g l em o d ef i b e r ) ：中心玻璃芯很细( 芯径一般为9 或1 0 岬) ，只 能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料 色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要 窄，稳定性要好。后来又发现在1 3 l 岬波长处，单模光纤的材料色散和波导色 散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1 3 i 胂波长处，单模光纤的 总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1 3 l u m 处正好是光纤的一个低损耗窗口。 这样，1 3 1 岬波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用 光纤通信系统的主要工作波段。1 3 1 p m 常规单模光纤的主要