（物理电子学专业论文）时移地震数据采集与记录系统主控软件研究与设计.pdf

中国科学技术大学硕士论文致谢 致谢 首先，我要感谢我的导师宋克柱副教授和王砚方教授，本论文是在他们的指导下完成的。 他们严谨治学的科学态度、广阔渊博的学识经验、孜孜不倦的追求精神以及一丝不苟的工作 作风对我产生极大的影响，令我受益匪浅。我在快电子学实验室学习和工作的三年中，他们 在我的学习上、科研工作上还有生活上都给予了极大的指导和帮助，正是在两位老师的关心 和鼓舞下，使我在求学乃至人生的道路上不断地追求发展与进步，在此，我向他们表示最衷 心的感谢! 项目组的杨峻峰、曹平、程敬原、吴义华、唐世悦、王超、曾翔、马灵、程涛、刘祥、 杜挺克、张嗣峰、胡婷婷、王东旅以及已经毕业的阮福明、伍尚坤，他们在工作与论文完成 过程中都给予了我许多具体的支持与帮助，在此向他们深表感谢! 中国海洋石油油服公司的 朱耀强，董立军，王子秋等，感谢他们在工作中给我的很多支持和帮助。 我还要感谢那些在快电子实验室一起工作学习并给予我启发和帮助的老师和同学，他们 是：安琪教授、汤家骏副教授、刘树彬、刘索琴、程伊敏等。 我的好朋友蒋丹莎、陆燕和刘绮在我完成论文和找工作期间给予了非常大的帮助和鼓 励，还要忍受我无数的抱怨和骚扰。 最后，我要衷心感谢我的父母。二十多年来，他们对我的无私关怀和教育才使我从蹒跚 学步到如今取得硕士学位，是他们的鼓励和支持给了我从挫折中站起来的勇气。 中国科学技术大学硕士论文 摘要 摘要 石油被誉为现代化工业发展的血液，近些年，随着我国经济的高速增长，石油在我国常 规能源结构中所占的比重越来越大，中国石油需求的缺口也越来越大，石油已经威胁到了我 国国家能源战略安全。现今我国陆上油田开发已经进入中后期而近海海域油气资源相当丰 富，如何开发这些海上油气资源己迫在眉睫。 相比于陆上的石油勘探设备，海上地震勘探设备要复杂得多，而且规模较大。由于技术 发展的落后，因此到目前为止，我国海洋石油的勘探工作和开采工作，不是直接由外国公司 进行勘探就是购买国外的设备。国外进口的设备，价格昂贵，维修很不方便。 为此，2 0 0 1 年，“8 6 3 ”国家高科技研究计划就立项开始研究具有自主知识产权的海上 油藏勘探设备，我们实验室承担了资源与环境领域，渤海大油田勘探开发关键技术主题重 大专项海上时移地震油藏监测技术课题时移地震采集关键设备研制子课题时移地震数 据采集与记录系统的研究开发任务，本论文选题就是基于这样的研究背景。 时移地震仪系统是一个复杂的系统工程，室内控制与记录系统是时移地震仪系统中很重 要的组成部分。本论文将主要围绕主控工作站对高精度大容量时移地震系统进行研究与探 讨。 本文第一章从如何寻找石油出发，简单介绍了时移地震技术的原理及发展现状，最后介 绍本论文的研究的主要内容。 第二章介绍我们研制的海上时移地震系统的总体方案。先介绍了海上时移地震系统设计 的总体目标和意义，再说明系统的总体结构，以及对每一部分的结构原理和功能进行分析和 研究，其目的是对整个时移地震系统有一个整体的了解和认识。 第三章介绍本论文研究的主控系统的总体架构。先分析了主控软件的功能需求，再根据 需求设定系统的运行平台，并详细介绍主控软件的结构设计。 第四章介绍主控软件用户界面的详细设计。先简单介绍了xw i n d o w 系统，再介绍了 m o t i f 和u i l 的原理、方法及风格，接着分析主控软件的工作区组织形式及结构，并详细介 绍主控软件用户界面的组成。 第五章是对主控软件底层实现的详细介绍。从软件的各个模块详细介绍了主控软件，包 括软件系统内核、网络接口、数据交换、系统监控和联机帮助，同时说明主控工作站和时移 地震设备其它部分的通讯协议。最后重点介绍了软件的关键算法，也就是软件的难点部分。 第六章是介绍我们对整个时移地震系统进行过两次阶段性的总体试验一一渤海湾海上 试验与南海试验。分别介绍了这两次试验情况，试验内容、方法，并对试验结果的进行了分 析。 最后在总结和展望部分，总结了本论文的工作及创新性，并分析了系统仍然存在的一些 问题及改进的方法，最后提出了系统移植的设想。 4 中国科学技术大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t o i li sh o n o r e db l o o do fm o d e r ni n d u s t r yd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s ，t h ep e r c e n t i l eo fo i li n n o r m a le n e r g ys t r u c t u r eg r o w st o g e t h e rw i t ht h ec o u n t r y se c o n o m y a st h eg a pb e t w e e no i l r e q u i r e m e n ta n ds u p p l ye n l a r g e si nc h i n a ，o i lh a si n f l u e n c e dt h ee n e r g ys t r a t e g y ss a f e t yo fo u r c o u n t r yn o wt h a tt h ee x p l o i t a t i o no fi n l a n do i lf i e l d sh a se n t e r e di t sm i d d l es t a g eo re v e na f t e r s t a g e ，w h i l et h eo f f s h o r es t r i p sa r ea b u n d a n ti no i la n dg a s ，h o wt oe x p l o i tt h e s eo f f s h o r er e s o u r c e s h a sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta n du r g e n t t h eo f f s h o r eo i le x p l o r a t i o ne q u i p m e n t sa r em u c hm o r ec o m p l e xa n dl a r g e ri ns c a l et h a nt h e i n l a n do n e sb e c a u s eo ft h et e c h n i q u ed e v e l o p m e n tl a g u p i l ln o w , t h eo f f s h o r eo i le x p l o r a t i o n s i nc h i n ae i t h e ru s et h ee q u i p m e n t sb r o u g h tf r o mf o r e i g nc o u n t r i e so ra r ec a r r i e do u td i r e c t l yb y f o r e i g nc o m p a n i e sb o t hc a u s eal a r g es u mo fm o n e y , b e s i d e s ，t h ee x p o r t e de q u i p m e n t sa r eh a r dt o r e p a i r d u et ot h e s er e a s o n s ，8 6 3 ，t h en a t i o n a lh i 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 ，b e g a n i n2 0 01ap r o j e c to fr e s e a r c ho nd e v e l o p m e n to fo f f s h o r eo i lr e s o u r c ee x p l o r a t i o ne q u i p m e n t s ， w i t hs e l f - o w n e di n t e l l e c t u a la u t h o r i t y o u rt a bi sr e s p o n s i b l ef o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e t 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 dr e c o r d i n gs y s t e m ( t m s d a r s ) ，w h i c hb e l o n g s t ot h er e s o u r c ea n de n v i r o n m e n tf i e l d ，t o p i co f t h ek e yt e c h n o l o g yo fe x p l o r a t i o na n dp r o d u c t i o n o ft h eb o h a io f f s h o r eo i l f i e l d ，s u b t o p i co ft h et i m e - l a p s em a r i n es e i s m i ct e c h n o l o g yf o rt h e e x p l o r a t i o no fo i ls t o r a g e ，t a s ko fd e v e l o p m e n to fp i v o t a ld e v i c eo fm a r i n es e i s m i cd a t a a c q u i s i t i o nm y t 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 m s d a r si saq u i t ec o m p l e xp r o j e c t t h er e a r - e n d ，h i g h s p e e dr e c o r d i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e mi st h ei m p o r t a n tp a n so ft h ew h o l es y s t e mt m s d a r s r e s e a r c ha n dd i s c u s s i o na r eb a s e d o i lt h eo p e r a t o rc o n t r o lm o d u l e ( o c m ) i nt h i st h e s i s c h a p t e r1b e g i n sw i t ht h em e t h o d so fo i ls e e k i n g g i v e so u tab r i e fd e s c r i p t i o no nt i m e l a p s e s e i s m i ct e c h n i q u e t h e ni n t r o d u c e st h et e n d e n c ya n dp r e s e n ts t a t u so fs e i s m i ce x p l o r a t i o n e q u i p m e n t s d e v e l o p m e n ta tl a s tt h ek e yp o i n t so f t h i st h e s i sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d c h a p t e r2i n t r o d u c e st h eo v e r a l ld e s i g np u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft m s d a r s ，t o g e t h e r w i t ht h es y s t e m sg e n e r a lp e r f o n n a n c et a r g e t i ta l s oi n c l u d e st h eg e n e r a ls y s t e ms t r u c t u r e ，t h e a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ns t r u c t u r ef o u n d a t i o na n df u n c t i o no fe a c hp a r t ，o f f e r i n gag l o b a li d e ao i l t m s d a r st ot h er e a d e r c h a p t e r3i n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r eo fo c m d i s c u s s e di nt h i sa r t i c l ea f t e ra n a l y z i n gt h e r e q u i r e m e n t so fo c m ，h a r d w a r ea n ds o f tc i r c u m s t a n c ea r ec o n f i r m e dt h er e m a i n d e rd e s c r i b et h e a r c h i t e c t u r ei nd e t a i l c h a p t e r4 i n t r o d u c e st h eg u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) d e s i g no fo c m t h ep r i n c i p l e ， m e t h o da n ds t y l eo fxw i n d o w , t h em o t i fa n du i la r eb r i e f l yi n t r o d u c e da f t e rt h a t ，i ta n a l y z e s t h es t r u c t u r eo f o c m sw o r k a r o u n d ，f o l l o w i n gt h ed e s c r i p t i o no f d e s i g no f g u i c h a p t e r5i n t r o d u c e st h ed e s i g no fe v e r ym o d u l e si nd e t a i l ，i n c l u d i n gk e r n e l ，n e t w o r k ，d a t a c o m m u n i c a t i o n ，m o n i t o ra n do n - l i n eh e l p a tl a s t ，s o m ep i v o t a la r i t h m e t i ca r ei n t r o d u c e d ，w h i c h 中国科学技术大学硕士论文 摘要 a r et h em o s td i f f i c u l tp a r t so f t h ew o r k c h a p t e r6i n t r o d u c e st h et w op h a s i cs y s t e m i ce x p e r i m e n t so ft m s d a r s ，o n eh a sb e e n c a r r i e do u ti nb o h a i ，t h eo t h e ro nn a n h a it h ec i r c u m s t a n c e s ，p r o c e s s e sa n dm e t h o d so ft h e s et w o e x p e r i m e n t sa r ei n t r o d u c e dt h ee x p e r i m e n t sr e s u l t si sa l s oa n a l y z e d i nt h ep a r t ，t h ee x t r a o r d i n a r ya d v a n t a g e sa n dp r a c t i c a b i l i t yo fo u rt m s d a r si ss u m m a r i z e d b a s e do nt h et w oi n t r o d u c e dp a r t s t h e t e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a lf o r e i g nc l a s s i c a l t i m e 。l a p s e s e i s m i c s y s t e m s a r e c o m p a r e d ，a n dn e w l yd e v e l o p e dt e c h n i q u e s a n dr e c e n t l y a c h i e v e m e n t so f t i m e l a p s es e i s m i cs y s t e ma r ei n t r o d u c e d 6 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题简介 1 1 1 课题背景 石油和天然气是国民经济发展的重要能源资源，是中国能源安全的核心问题，随着我国 石油供应对外依赖程度的增大，石油安全问题越来越突出，将会成为我国2 1 世纪经济、社 会可持续发展面临的一个重要问题。在中国约3 0 0 万平方公里的管辖海域中，2 0 0 米水深范 围以内的近海大陆架面积约1 3 0 万平方公里，蕴藏着丰富的石油和天然气资源，据地质家们 预测，这部分海域总的石油资源鼙约为2 3 7 亿吨，天然气资源量1 58 万亿立方米。白八五” 以来，海洋石油增量成为中国油气产鳖增加的主力。 在海洋石油工业开拓的初期，大都使用自制的简易设备，勘探时间长且精度差，阻碍了 我国海上石油资源的开采。到日前为止，由于技术发展的落后，我国海洋石油的勘探和开采， 一是从国外进口价格昂贵的设备，但是设备一旦出现问题，维修很不方便。二是与外国公司 合作，用市场换取外国公司的一部分技术。 为此，2 0 0 1 年，“8 6 3 ”国家高科技研究计划就立项开始研究具有自主知识产权的海上 油藏勘探设备，我们实验室承担了资源与环境领域，渤海大油田勘探开发关键技术主题重 大专项海上时移地震油藏监测技术课题时移地震采集关键设备研制子课题时移地震 数据采集与记录系统的研究开发任务，本论文选题就是基于这样的研究背景。 1 1 2 时移地震方法简介 时间推移地震( t i m e l a p s es e i s m i c ) ，简称时移地震，作为一门前沿技术产生于上世纪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在油藏生产过程中，在同一油田于不同的时间重复进行地震测 量，地震响应随时间的变化可以表征油藏性质的变化( 岩石物理性质、物体运移、压力、温 度) ，通过特殊的时移的镇处理技术，差异分析技术和计算机可视化技术来描述油藏内部物 性参数的变化和追踪流体前缘。 时移地震按观测方式可分为：时移三维地震、时移二维地震、时移v s p 、井间时移地 震。我们使用的是时移三维地震，常称四维地震，这是目前较常规的时移地震方法，效果也 是最好的，也就是本文将要介绍的时移地震。四维地震就是由三维空间加一维时间构成四维 模型，即，将地震反射声波转换成地壳的详尽剖面图，据此拼合成一种3 维模型，然后每隔 一段时间重复地震勘探，将多次地震数据综合比较分析，确定油气前缘和剩余油分布，最终 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 便形成一个能指导钻井操作的模型。四维地震勘探技术是一个系统工程，在海洋石油物探系 统中，包括水下数据采集、室内数据处理、地震数据解释三个环节，每一个阶段都需要使用 一定的设备，才能完成预期的任务。没有这些设备作为工具和手段，地震勘探理论再完善也 不能付诸实施，当然也就达不到勘探的目的，我们实验室承担的正是地震数据采集和处理设 备研制的工作。事实上，一个国家一个油田勘探设备的情况，很大程度上反映了这个国家这 个油田的勘探水平。 地震勘探有两种基本类型，反射法和折射法。反射法是利用从岩层反射回来的声波。折 射法利用沿岩层界面滑行一段距离后再返回地面的声波。折射法是地震勘探首先被普遍采 用的一种方法，现在除几种特殊用途外，折射法已被反射法所取代。反射法地震勘探的基本 工作原理是，用人工在地面或靠近地面激发声波再记录返回来的地震波回声。 海上时移地震仪是利用反射地震测量的原理，下图就是反射式地震测量的原理图： 图1 - 1 海底电缆勘探原理 1 2 时移地震勘探技术发展 时移地震作为石油工业油气田勘探开发的一项技术措施，首先由a r c o 公司于1 9 8 3 年 实施，尔后许多石油公司实施了不同油气藏类型和不同目的的现场先导试验。二十多年来， 时移地震技术得到了很大的发展和完善。 1 我国目前的进展 当前，我国不少油田已进入隐藏油气藏勘探时期，老油田的采收率不高，对时移地震 技术有急迫的需求感，因此，时移地震技术的发展前景十分看好。当前发展方向可归纳为以 下几个方面： 1 )工作重心从可行性讨论转移到应用技术的研究，并把时移的概念和思路推广到更 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 多的领域。从单一的地面的时移地震出现了时移v s p 、时移井间地震，时移多波， 时移重磁电方法等； 2 )从走时、振幅、频率差异等儿项信息的分析发展到地震多种属性的综合分析与应 用，其中a v o 分析和各项异性分析信息的应用发展很快，效果明显： 3 ) 利用多种信息、实现随时间推移对储层进行动态监测的目的： 4 )储层监测众多学科之间的协作模式逐渐明朗，时移地震同三维弹性地震模拟、储 层描述以及流体流动模拟的结合，将地质储层建模、流体流动建模、岩石物理建 模和地震建模纳入储层监测的统一管理： 5 ) 利用老的二维地震数据和新的三维地震数据或者两次三维采集数据实现时移地震 分析，这种处理模型越来越多地受到了人们的重视实例证明这是一条可行的途 径，对我国更具有现实意义； 6 )开始研究经济效益和采集、处理、解释的周期问题。 总之，当今时移地震技术的发展方兴未艾，随着地震数据采集、处理、解释技术的提高， 在不久的将来此项技术在我国将会从现场先导试验进入推广应用的阶段。 2 国外的进展 1 ) 近几年来，时移地震技术多应用在重复采集的三维区中，然而，采集技术方面的进 展相对缓慢。人们通常把在同一地区不同时期采集的数据称为继承性数据。这种数据往往在 采集时没有考虑到时移地震技术的应用。显然，继承性数据的成本最低。另外一种采集方式 为目的性重复采集，即在已有的三维区，为了时移地震技术的应用进行另一个时间的采集， 这种数据的成本次之，但其重复性相对比较好。如果把检波器永久固定在同一个位置，在不 同时间进行地震波激发，称为永久性检波器的采集，其成本最高。 各大地球物理服务公司协同各大石油公司在近几年来做了各方面的试验，如w e s t e r n g e c o 和e x x o n 、s h e l l 、c h e v r o n 以及中东各石油公司作了继承性数据及目的性中复采集的试 验，并和b p 在北海地区作了海底电缆的试验，w e s t e r n g e c o 做了陆上目的性重复采集的试 验。另外，各大公司还在砂岩、碳酸盐岩等各种不同类型的油藏上作了一定的试验。 在采集设计上，目的性重复采集主要要求检波器以及炮点尽量保持一致。g p s 技术的 发展使这种一致性比较容易达到。荷兰的d e l f t 大学在试验室中制作了按实际比例虽小的海 上采集物理模型，在试验槽中可以根据不同的采集设计用微型的拖船收集数据，此外，还可 以根据试验的需要改变“海底”的油藏性质。 在采集方面，w e s t e r ng e c o 近年推出的q 系统是一个重大的进展。这种采集系统采用 9 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 了高密度网格数据接收，从而将响应的重复性和位置的重复性问题变成相同位置如何取舍检 波器数据进行处理的问题。当然，此系统的应用以及效果有待于以后在实际应用中检验。 2 ) 数字检波器和点震源点检波器连续采集 数字检波器是加速度传感器，工作区在谐振频率之下；而常规传感器是速度传感器，工 作区在谐振频率之上。数字检波器有比常规检波器好很多的振幅和频率响应，在振幅畸变不 超过1 ，时间畸变不超过2 0 l - s 时，频率响应范围是o 3 0 0 h z 。数字检波器的动态范 围( 9 0 d b ) 好于常规检波器( 7 0 d b ) ，模拟信号在数字检波器内就进行了数字化，可以 认为所有的信号均采用数字方式传送，减小道间串扰和工业干扰。 3 ) 地震仪器系统将向“全域化”发展 地震勘探系统同一主机采用不同的外围设备，能完成陆地、沼泽、滩涂、过渡带、浅海、 深海，“全域化”地形勘探的时代已经到来，这大大地增加了地震队的应变能力，克服因地 形变化给生产组织所带来的困难，同时方便操作。s e r c e l 公司的4 0 8 系统7l 版本已经能 实现一台主机，从陆地4 0 8 u l 一沼泽4 0 8 w p s r 一过渡带4 0 8 u l s ( 一1 5 m ) 一浅海a q u a l i n k ( 5 0 m ) 一深海、极深海d e e p s e e l i n k ( 一3 0 0 m 2 0 0 0 m ) 的“全域化”勘探。 全域化的另一个概念是同一主机可以完成数字检波器和模拟检波器信号的同时接收，可 以根据不同地区在进行常规勘探的同时，有选择的进行局部三分量( 即时移地震方法) 勘探。 随着通信技术、网络技术的不断发展，无线勘探仪器也将随信技术的发展而不断发展 无线勘探仪器一直是地震勘探领域中一种重要的勘探仪器。9 0 年代初期有人曾预言， 有线、无线相结台是2 1 世纪勘探仪器的发展方向。s e r c e l 、i n p u t o u t p u t 、f a i r f i e l d 公司相继完成了有线无线系统，以适应复杂地区的勘探。 1 3 本论文的研究工作 海上时移地震仪系统是一个复自? 而庞大的系统工程，它由很多部分组成。很难由一个人 或一个单位部门单独研究开发完成，我们课题组与中国海洋石油服务有限公司、清华大学等 联合进行了“海上时移地震关键设彳i ! r 技术”课题的研究，。 时移地震数据采集与记录系统设计为三大部分组成，分别是水下数据采集，室内数据传 输和室内控制记录，其中室内控制记录部分由软件完成，分为主控工作站部分 ( o c m o p e f a t o rc o n s o l em o d u l u ) , f l ：j 质量控制及纪录工作站( v p r v j s i o np l o t t i n g a n d r e c o r d i n g ) 。 系统组成的每一部分都很重要，都可以成为有一个很好的研究方向和研究课题。而本论 1 0 中国科学技术大学硕= l 论文第一章绪论 文将对主控工作站软件系统进行研究与探讨，也是本人在硕士期间的主要： 作部分。 主控工作站是常规地震仪必不可少的重要组成部分，它负责整个系统的参数配置，任务 分发与调度，系统运行的质量监控，与船载枪控系统、导航系统的通讯，对系统的检查和诊 断以及地震数据振子幽形的实时显示等方面的任务。 土控：r 作站的监控任务是相当复杂的，而且工作站软件是直接与用户对话的，在功能、 界面等方面都会发生改变，软件的架构设计就变得非常重要，目的是软件有好的扩展性、维 护性和移植性，这也是本论文研究工作的难点之一。 我们设计的时移地震仪的记录地震系统单缆的最大道数为1 9 2 0 道，一般接1 - 4 条6 0 0 0 米的拖缆，最多可扩展到1 6 条缆，4 条缆总数据率2 6 m b y t e s ，而振子数据率为o 2 6 m b y t e s 。 地震勘探作业时要求实时显示地震数据振子图形，如何将这些采集的大容量的地震数据做必 要实时处理，是本论文研究工作的另一个难点。 中国科学技术大学硕士论文 第二章时移地震采集与记录系统系统结构 第二章时移地震采集与记录系统结构 2 1 设计目标 海上时移地震采集与记录系统是按目前世界最先进的新一代遥感地震仪，即2 4 位遥测 地震仪设计的。它采用了超大规模集成电路，多计算机控制和2 4 位a d c ( 模数转换) 技 术。它的设计目标如下： l 水下采集系统采用2 4 位a d c 技术，采样本级3 2 路传感器的模拟信号，采样 周期可以程控为o 5 m s 、l m s 、2 m s 、4 m s 。 2 接收下一级数字包传来的采样数字信号和本级采样得到的数字信号合并后，上传 至上级数字包。通过光纤上传采样得到的数字信号。光纤通讯码率不小于1 0 0 m b p s 。 3 接收四路水下光缆上传的数据，每路光纤传输速度不小于1 0 0 m b i t s ，每路有效处 理数据率不小于5 0 m b i t s 。 4 通过主控工作站下传命令至v p r 工作站、c p c i 机箱，机箱内的单板通过光纤下传 命令给水下采集系统，在采集系统内将命令逐级下传。 5 主控工作站可显示系统工作的各个状态。 6 将地震数据和导航数据台并后转换成s e g d 格式，无丢失、实时存储到磁带机， 两组磁带机同时记录。 7 可选择显示任意一条光缆、任意一炮采集到的完全数据图形。 8 可选择将任意一炮的完全数据通过绘图仪绘制成常规或变面积图形。 9 完善的日、月检功能( 自检水下传感器、数字包及记录系统工作是否正常) 。 l o 具有3 2 道辅助道数据采集功能，可以将辅助道采集的数据记录到磁带，并可通过 绘图仪绘出辅助道图形。 1 1 实时显示全部道数的采集数据变化示意图( 可以按时间抽取) 。 1 2 磁盘单道记录功能( 可选任意光缆的任意道) 。 1 3 传统打印机。 2 2 总体结构 下图是我们设计的时移地震仪系统的总体框图，如图2 - 1 ： 1 2 中国科学技术大学硕士论文第二章时移地震采集与记录系统系统结构 图2 1 海上时移地震仪的系统结构图 完整的海上时移地震仪由以下几个部分组成： 1 导航系统，主要完成系统的定位以系统启动同步等功能； 2 枪控系统，主要是实现对震源( 空气枪) 的控制，以及震源同步等功能： 3 水下数据采集系统，即水下电缆，主要功能是将震源激发的地震波信号接收转化为 电信号，进一步放大滤波并转换为数字信号： 4 声学定位系统，主要是用来定位水下电缆的具体形状，以便推算出各个声学传感器 的精确位置，这对后续的地震数据的解释精度有比较明显的影响。 5 数据传输平台，即c p c i 机箱，主要通过光纤接收水下数字包的数据并将数据时序 转成道序，高速可靠地传送到室内记录系统； 6 室内记录系统，主要功能是数据的收集，实现可靠稳定的实时记录和监控： 其中，导航、枪控和声学定位系统是安装在物探船上的现有的仪器，水下数据采集、数 据传输和室内记录系统这三个部分是由我们项目组承担完成的。 2 2 1 导航系统、震源及地震检波器简介 导航系统是位于物探传上的一个导航工作站，有软件控制发出导航命令。 震源用的是空气枪震源。其结构和工作过程如图所示。空气压缩机把高压空气经由左上 方的进气管打进上气室，推动往复阀落下，往复阀中心有- - t b 道，高压空气由此从上气室进 中国科学技术大学硕士论文 第二章时移地震采集与记录系统系统结构 入下气室。上、下气室内的压强虽然相同，但往复阀上端的活塞面积略大于下端的活塞面积， 故产生静压力使往复阀下降直到北上气室的底座托住( 上、下气室是被固定在一起的) 。在 气枪被触发时，电磁阀打开，高压空气便沿着上气室右壁的孔道注入往复阀上端活塞与上气 室底座之间，使往复阀失去平衡，以极高的速度向上滑动。当往复阀的下端活塞滑过四个大 排气口，下气室的全部高压空气便急速喷到水中产生高压气泡，气泡在静水压力作用下将产 生胀缩震荡( 气泡效应) ，形成向外传播的压力波。 图2 2 空气枪震源结构图 地震检波器是将地面振动变为电信号的一种传感器。或者说，检波器是把机械振动转换 为电信号的机电装置。检波器用于感受由地震波引起的振动，因此也称为“地耳”。地震信 息首先通过检波器在进入地震仪，也可称为地震仪的“咽喉”。可见检波器作为完整的地震 勘探装置的一个重要的部分，不可忽视。 在本系统中选用的是压电陶瓷检波器。压电式检波器在海洋地震勘探工作中大量使用。 这种检波器是根据某种物质的压电效应制成。它主要是由压电晶体组成，当检波器周围的水 压发生变化时，压电晶体因发生物理形变而产生一个电动势。目前海上常用的压电晶体检波 器中多采用压电陶瓷活化元件( 如镐钛酸铅) ，他们分别做成陶瓷盘、片、管各种形状，如 图所示。 p 圃 。 图2 3压电式地震检波器 采用单个陶瓷盘的检波器普遍备有压力补偿装置，以保证压电晶体不随水的深度增加而 。 中国科学技术大学t 口i - j ：论文第二章时移地震采集与记录系统系统结构 继续形变。当使用陶瓷管元件时，检波器一般是鱼雷型的，陶瓷管构成其k 度的一部分，也 有装在海洋拖缆中的。但一般在海洋拖缆中使用的活化元件则是陶瓷管。不管哪种压电晶体 陶瓷元件都必须密封起来，一般装在注满油的密封外壳拖缆内，防止与水接触。 由于压电品体的输出阻抗较高，所以在检波器与放大器之间常常需要有一个变压器，使 其阻抗匹配。对于单个检波器，变压器就放在检波器内，在海洋拖缆内，往往是一个检波器 组共用一个变压器。 约3 k i n 图2 4海上勘探示意图 在海上勘探过程中，由1 二勘探船的拖动和海浪冲击，海上检波器中的压电传感器将不断 地受到加速度的作用。由于加速度的作用，压电元件上将受到与质量成正比的惯性力的作用 而产生电荷输出。为了消除这种因加速度产生的噪声，海上检波器中的压电传感器通常做成 弯曲片，每两个弯曲片背靠背并联在一起，当地震信号引起检波器附近的水压变化时，两个 弯曲片产生相同的形变，从而产生相同极性的电荷彼此相加，在输出端产生信号电压。在加 速度的作用一f ，两弯曲片产生相反的形变，从而产生相反极性的电荷彼此抵消，在输出端不 产生加速度噪声电压。 2 2 2 高精度水下采集系统简介 水f 数据采集系统的主要功能是完成地震信号的数据采集和传输，其实物就是海洋地震 电缆或等浮电缆，海洋地震电缆，或称等浮电缆，拖在船的后面，检波器与以之相联的水下 数据采集系统都装在电缆里面，这样所有检波器的联接、组合中，检波器之间的距离都是早 己矧定好的。在远航和进入港口时，电缆收在后甲板的一个大卷筒上。当地震勘探： 作开始 时，把屯缆放开，在整个t 作过程中昼夜拖在船的后面。地震电缆实物如下图。 中国利学技术人学坝1 论文 第二章时移地震采集与记录系统系统结构 圈2 - 5 拖缆采集系统连接示意图 地震电缆分为7 段，实物如图 2 5 ，是靠近船的叫前导段，接下来依次是弹性段、头包、 工作段、尾包、弹性段、尾靶。其中前导段一般长l 公里，前导段主要是铠装电缆和光纤， 弹性段主要作用是减振，以保证工作段在比较平稳的状态一fe 作。头包负责1 6 路地震通道 数据采集，同时还负责拉力传感器的数据采集，向主控反馈水下电缆的拉力状态，随时监视 水r 电缆是否拉力过大，防i 上出现电缆被拉断的情况。工作段就是每段负责1 0 0 米的屯缆共 3 2 路地震传感器的数据采集，和水深，水温的状态检测，随时向船上反馈水下工作段的工 作环境参数。尾包和头包一样只要负责1 6 路地震道数据，同时处理电源的连接，因为，大 缆中电游是采用高压输送，在各数据传输包节点降压的方法，因此尾包对电源需要做一些简 单的处理。 我们设计的水下数据采集系统装在地震电缆中的头包、： 作段与尾包里，与检波器相连。 地震勘探仪的基本功能就是进行地震数据采集和记录。从各种类型数字地震仪产品的介 绑中上可以看出地震仪性能指标中的很大一部分是描述采集系统这一部分的。可以说，采集 系统的技术性能基本上决定了现代地震仪的主要性能。 数字地震勘探仪的采集系统指的是用于对检波器送来的地震模拟信号进行放大、滤波和 数字转换的所有电路。各类数字地震仪采集系统的基本组成和工作原理基本相同。其基本组 成火体如图f 2 6 所示。 6 中固科学技术大学硕一l 论文 第二章时移地震采集与记录系统系统结构 榆波器 数 据 暂 存 传 输 图2 6 采集系统的基本构成 采集系统与检波器相连的部分称为“前放”电路、它主要用于消除检波器连线上引入的 共模干扰利对输入信号按固定增益放大。滤波是用来消除地层信号中存在的低频干扰、交流 电干扰和高频干扰。a d 模数转换器将放大后的检波器模拟信号转换为数字信号，然后由数 据传输系统将数据暂存汇集统一送往记录系统。 2 2 3 c p c i 机箱简介 c p c i 机箱位于船上的控制室内，内有3 种板，一种是一块c p c i 机箱自带的零槽，负 责初始化的配置工作：第二种是光纤接口板( f c i 板) ，直接接收拖缆的数据；第三种是数 据汇聚板( v p d 板) ，负责接收多块f c i 板的数据，并将数据打包，通过千兆网传给工作站。 c p c i 机箱里的每一块光纤接口板负责接收一条拖缆的数据，然后对接收的数据作相同 的处理，将数据从时序格式转成道序格式：从光纤数据中剥离出状态数据，发送到主控工作 站进行实时显示；从前端实时按时问抽取振子显示数据，并通过百兆网1 3 将其发送到主控工 作站进行地震振子图显示：进行处理后( 将时序数据转换为道序数据，再加上导航数据等) ， 将数据写入数据汇聚板；通过以太网接口将4 路光纤数据写入磁带机：同时通过以太网口将 选定的任意光缆、任意炮号的地震数据送给v p r ( v i s i o n 、p l o t t i n ga n dr e c o r d i n g ) 工作站 显示地震数据波形图，并将波形图送给绘图仪绘图( 可以控制是否绘图) 。s c s i 板还要将4 路光缆的地震数据经过抽取( 按时间抽取或按道抽取) 后，送给主控工作站，在其一个显示 器上实时显示光缆各道数据变化示意图。 水f 光纤传送到光纤接口板的原始数据是串行的，并且是按时间排序的数据，而最终地 震记录系统记录的地震数据，是要以道序排列的数据，因此，在光纤接口模块要实现时序数 据到道序数据的转换。 同时，还要在地震数据流中，按一定的比率，实时地抽取一定量的数据作为地震振子数 据送到主控系统去显示，作为对水下数字抱工作状态的监控。 整个c p c i 机箱内设计了四块f c l 板，其主要功能有：每块f c i 板接收一路水下电缆上 中国科学技术大学坝土论文第二章时移地震采集 - j i t l 录系统系统结构 的光纤数据，并把所接受的数据传输包数据由时序转换成道序数据，分炮储存，同时按照一 定的比率将数据进行抽取，把抽取的数据实时传送到主控工作站进行地震振子显示，供： 作 人员随时监督水下传感器的： 作状态；提供一个主控工作站和水下数据传输包的通讯接口， 使得工作人员可以通过主控界面对水下的数据传输包进行控制和交互；随水下数据传输包一 起送到f c i 板的不仅有水下声学传感器的采样数据，还有很多其他的状态数据，比如水。f 深度电压，水温，张力( 头包才有) 等，这些状态数据和采样数据分开，不记录到磁带机 中，因此在f c l 板上，要把这些数据进行分离，并通过独立的通道发送到主控工作站。 四块f c i 板采集的光纤数据都要通过c p c i 背板总线送到v p d 板，由v p d 板上的干 兆以太网接口传输到磁带记录及质量控n _ e 作站。因此v p d 的主要功能就是：存储4 路光 纤地震数据( 已转换为道序数据) ，供磁带机记录和显示。在v p d 板中，需要设计大容量 r a m ，用来存储地震数据利存储待显示的麴据。全部的数据通过千兆以太网络发送给v p r 工作站。在v p d 板上设计有1 0 0 0 m b p s 网口。送给v p r 工作站的数据通过该干兆以太网传 输。v p d 板上设计有1 0 0 m b p se n e t 网口，通过该百兆以太网接收主控工作站的控制命令 和配置参数。 2 2 4 主控与大容量记录系统简介 室内记录系统的任务非常多，复杂的系统监控和大容量数据记录就是很难实现的。基于 功能划分和操作简便的考虑，我们把室内记录系统划分为双工作站实现，就是主控： 作站 o c m 和绘图记录工作站v p r 。 整个时移地震勘探系统，正常作业时可接1 4 条6 0 0 0 米的拖缆，单缆的总记录道数最 高达1 9 2 0 道。最多可以扩展到1 6 条缆，最高的数据传输速率约为5 0 m b s 。并实时将这些 地震数据加上导航数据头，按照地震记录的标准格式s e g d 的格式记录到磁带。 图2 。7主控与记录系统结构示意图 中圉科学技术大学颀。卜论文 第二章时移地震采集与记录系统系统结构 主控工作站作为整个系统的控制核心，实现对整个时移地震系统的整体控制以及工作过 程中的地震数据质量监控；其软件负责系统的控制与管理，以及振子数据( 经过抽取的地震 数据) 的显示，方便操作员对地震数据的实时监控； 主控模块提供了一个方便的系统人机交互界面，采用双显示器：r 作站来实现。工作人员， 可以通过该工作站提供的主控界面实现对整个系统的参数配置、任务分发与调度、系统运行 的质量监控、对系统f f 0 - i 作状态的检查和诊断等方面的任务。同时，前端f c i 板送来的实 时地震振子数据也送到主控： 作站进行显示，便于工作人员随时监控水下各个数据传