（物理电子学专业论文）深水浅层高分辨率拖缆采集数传系统研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的快速发展和居民生活水平的不断提高，石油需求持续增长。 然而国内石油产量远不能满足市场的需求，石油短缺的严峻局面已经越来越严重 的威胁到我国国民经济的发展和国家能源的战略安全。近年来，全球近5 0 的 油气重大发现均在3 0 0 m 至3 0 0 0 m 的深水。深水除了蕴藏着丰富的石油和天然气 资源外，还有储量更为巨大的天然气水合物资源。专家们预测，无论在中国还是 全球其他地区，深水已经成为并将继续成为全球油气资源接替的主要领域。尽管 深水蕴藏着巨大的油气资源，但我们在开发深水油气田的过程中仍然面临着种种 挑战。由于海洋环境恶劣，存在着诸如波浪、台风、地震、海冰、海啸等多种灾 害荷载，同时海洋结构的地基往往含有不良土层，所以海洋工程结构与相类似的 陆地结构易损性或破坏概率更大。确保投资巨大的海洋工程在灾害作用下的安全 性的重要不言而喻。提高海洋工程结构的安全性除提高结构的设计水准和增加一 些防灾的措施( 如隔震装置等) 外，最重要的是为海洋工程结构选择良好的场地。 海洋工程场地的资料主要通过海洋工程地质勘测来获取。海洋工程地质勘测的主 要手段有地震勘探、原位试验和室内土工试验。与后两者相比，地震勘探是最高 效的方法。本文研究的对象是用于深海浅地层地震勘探的“高分辨率数字拖缆系 统”的采集和数传系统，基于深海浅地层地震勘探的特点，设计和实现了这一系 统的硬件，并且完成了系统的测试工作。本文共有五章，结构如下， 第一章介绍了本论文的选题背景，海上地震勘探的基本原理，以及地震勘探 仪器的组成。 第二章介绍了“高分辨率数字拖缆系统”的总体结构和主要设计指标。简单 介绍了水下拖缆系统和室内系统的功能和结构。 第三章介绍了“高分辨率数字拖缆系统”的水下拖缆系统的详细设计。详细 阐述了采集系统的硬件设计、传输系统的硬件设计和传输协议设计。 第四章介绍了水下拖缆系统的测试情况。包拓板级测试，模拟指标测试和系 统测试。 第五章对本人的工作进行了总结，提出了创新点和亮点，对今后工作进行了 展望。 关键词：海洋地震勘探深水浅层高分辨率数据采集数据传输 v a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed o m e s t i ce c o n o m yg r o w i n gr a p i d l ya n dp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d sc o n t i n u e t oi m p r o v e ，t h en e e df o ro i lk e e p sr i s i n g h o w e v e r , t h ed o m e s t i co i lp r o d u c t i o ni sf a r l e s st h a nt h em a r k e tn e e d t h es h o r t a g eo fo i lh a sb e e nac r i t i c a lt h r e a tt o t h e d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h es e c u r i t ys t r a t e g y o fn a t i o n a lr e s o u r c e r e c e n ty e a r s ，n e a r l y5 0 m a j o rd i s c o v e r si no i lw e r ei nd e e ps e aw h i c hd e p t hf r o m 3 0 0 mt o3 0 0 0 m t h es p e c i a l i s t sp r e d i c tt h a te i t h e ri nc h i n ao ra n y w h e r ee l s ei nt h e w o r l d ，d e e ps e ah a sb e e nt a k e nt h em a i nf i l e do fo i lp r o d u c t i o n a l t h o u g ht h e r ea r e m a s s i v eo i lr e s o u r c e si nd e e ps e a ，t h ed e v e l o p m e n tc o u l db eac h a l l e n g e t h e r ea r e t i d e s ，h u r r i c a n e s ，e a r t h q u a k e s ，s e ai c e s ，t s u n a m i sw h i c hm a k et h es e ae n v i r o n m e n t v e r ys e v e r e m e a n w h i l et h em a r i n es t r u c t u r eb a s eo f t e ne n c o u n t e r sb a dl a y e ro fs o i l ， m a k e sm a r i n ep r o je c t sm o r ev u l n e r a b l et h a nt h o s eo n e si nl a n d t h es i g n i f i c a n t i m p o r t a n c eo ft h em o n e y c o s t i n gm a r i n ep r o j e c t s s e c u r i t yi su n n e c e s s a r yt ob es a i d t h em e t h o d so fi m p r o v es e c u r i t yl e v e lo fm a r i n ep r o j e c t sa r et or i s et h ed e s i g n s t a n d a r da n dt ou s es o m em e a s u r eo fd i s a s t e rp r e v e n t i o n ，a n dm o s ti m p o r t a n t ，c h o o s e ag o o ds p o t t h ei n f o r m a t i o no fm a r i n ep r o j e c t sf i e l di sa c q u i r e db yg e o l o g i c a l i n v e s t i g a t i o n ，w h i c hc o u l db ed o n eb yt h r e em e t h o d s ：s e i s m i ce x p l o r a t i o n ，i ns i t u t e s t i n ga n dg e o t e c t m i c a lm o d e lt e s t t h em o s te f f i c i e n tw a yi s s e i s m i ce x p l o r a t i o n t h i sp a p e rc o n c e n t r a t eo nt h ea c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mo f “h i g h r e s o l u t i o nd i g i t a lc a b l e - b a s e dm a r i n es e i s m i ca c q u i s i t i o ns y s t e m w h i c hw a s d e s i g nt ou s e da st h ed e e ps e as h a l l o wl a y e rs e i s m i ce x p l o r a t i o ni n s t r u m e n t b a s eo n t h ec h a r a c t e r i s t i co fd e e ps e as h a l l o wl a y e rs e i s m i ce x p l o r a t i o n ，w ed e s i g n e da n d i m p l e m e n t e dt h eh a r d w a r eo ft h es y s t e m ，a n dc o m p l e t es o m et e s t so f t h es y s t e m t h i s p a p e ri sc o m p o s e do f5c h a p t e r s ，w h o s ea b s t r a c ta r el i s tb e l o w ： c h a p t e rli n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h et h e s i s ，t h eb a s i ct h e o r yo fm a r i n e s e i s m i ce x p l o r a t i o na n dt h es t r u c t u r eo fs e i s m i ce x p l o r a t i o ni n s t r u m e n t s c h a p t e r2i n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dt h et a r g e t so f h i g hr e s o l u t i o nd i g i t a l c a b l e b a s e dm a r i n es e i s m i ca c q u i s i t i o ns y s t e m ”i ta l s og i v e sab r i e fd 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 r 3p a r t i c u l a r l yd i s c u s s e st h ed e s i g no ft h ec a b l es y s t e mo f “h i g h r e s o l u t i o nd i g i t a lc a b l e b a s e dm a r i n es e i s m i ca c q u i s i t i o ns y s t e m ”i td e s c r i b e st h e h a r d w a r ed e s i g no fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dd a t a 乜a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n da l s o g i v e sd e t a i l so nt h et r a n s m i s s i o np r o t o c o ld e s i g n v t a b s t r a c t c h a p t e r4i n t r o d u c e st h et e s t so ft h ec a b l es y s t e m ，i n c l u d i n gp c bt e s t s ，a n a l o g t e s t sa n ds y s t e mt e s t s c h a p t e r5g i v e st h ea u t h o r sw o r ka n di n n o v a t i o no ft h et h e s i sa n dp o i n t so u t p o s s i b l ed i r e c t i o no ff u t u r ea m e n d m e n t k e y w o r d s ：m a r i n es e i s m i ce x p l o r a t i o n ，d e e ps e a ，s h a l l o wl a y e r , h i g hr e s o l u t i o n ，d a t a a c q u i s i t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o n i 图表目录 图表目录 图i 海上地震勘探工作模式2 图2 地震波穿透深度与勘探分辨率的关系3 图3 压电陶瓷检波器电路等效图4 图4 高分辨率数字拖缆系统结构示意图6 图5 水下拖缆系统结构示意图7 图6 室内系统组成示意图8 图7 数字包机械结构图10 图8 采集板结构示意图1 1 图9 过压保护电路示意图1 2 图1 0r c 滤波网络示意图1 2 图1 1a d 8 2 2 2 管脚示意图1 3 图1 2a d 8 2 2 系统结构图1 4 图1 3a d 8 2 2 2 单端改差分连接示意图1 5 图1 4 一阶a a d c 的工作原理图1 6 图1 5 量化噪声成形1 7 图1 6c s 5 3 6 8 结构示意图一1 7 图1 7i q c 系统结构图1 8 图l8c s 4 3 7 3 结构图1 9 图1 9c s 4 3 7 3 的工作模式和增益设置一1 9 图2 0 正常采集输入2 0 图2 1d a c 输入示意图2 0 图2 2 接地示意图2 1 图2 3d a c 检波器串联示意图2 1 图2 4 采集板f p g a 逻辑结构图2 3 图2 5c s 5 3 6 8 寄存器1 2 c 写入时序2 4 图2 6c s 5 3 6 8 寄存器映射表2 4 图2 7t d m 数据传输时序图2 5 图2 8 采集板结构图2 5 图2 9 电源系统示意图2 6 图3 0 电源系统逐级上电和可交换方向安装示意图2 7 图31 水下拖缆传输拓扑结构2 7 图3 2 数字包方向调换示意图2 8 x i 图表目录 图3 3 预加重信号示意图3 0 图3 4 均衡器频率特性图3 0 图3 5 传输系统硬件方案3 1 图3 6s c 总线设备连接图3 1 图3 78 b 1 0 b 转换控制字符编码3 2 图3 8s c 总线传输示意图3 3 图3 9s c 总线命令帧定义3 3 图4 0s c 总线数据帧定义3 3 图4 l 命令通道传输示意图3 4 图4 2 数据通道流水线示意图3 5 图4 3 电压监控原理图3 6 图4 4 命令回环示意图3 7 图4 5 传输板f p g a 逻辑框图3 8 图4 6 第一级数字包采集的水听器数据( 屏蔽前) 4 4 图4 7 第一级数字包采集的水听器数据( 屏蔽后) 4 4 x i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 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人已经发表或 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已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：签字日期： 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者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。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开口保密( 年) 作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 摘要 致谢 首先，我要感谢我的导师宋克柱副教授，本论文是在他的悉心指导下完成的。 他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。我在快电子学实验室学习和工作的三年中， 他在我的学习上、科研工作上还有生活上都给予了极大的指导、帮助、关心和鼓 舞，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，我向他表示最 衷心的感谢! 感谢王砚方教授给与我的关心和指导。王老师孜孜不倦邀游学海，探索新知 的精神，值得我们每个人学习。 感谢在快电子学实验室一起工作和学习并给予我启发和帮助的老师们，他们 是：安琪教授、王永刚教授、刘树彬副教授、武杰老师、杨俊峰老师；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。 特别感谢师兄曹平博士，在工作和生活中给予我许多无私的帮助和指导，令 我受益匪浅。感谢实验室的师兄和师弟们，他们在工作和生活中给了我非常多的 帮助、包容和理解，他们是马灵、张嗣峰、王东旅，周杰、胡婷婷、程宏才、曹 桂平、吴增海、商林峰、姚麟、安建飞、毛迪、董磊以及已经毕业的程敬原、王 超、吴义华、程涛、杜挺克、刘翔。 感谢项目合作方西安石油仪器厂八六三系统组，他们是连艳红、雷斌、豆会 平、王爱萍、井静、袁晨，感谢他们在我出差和工作中给予的帮助和关心。 最后，感谢我的家人，二十多年来，在人生成长的道路上，他们给与了我无 私关怀和教育。衷心感谢我的父母，无论发生什么事情，他们都始终站在我的背 后，毫不犹豫的给与了我最大的支持和鼓励。 i v 第一章前言 1 1 选题背景 第一章前言帚一早刖i 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。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。当根据统计， 2 0 0 0 年以来全世界新增的油气发现中，大约7 0 来自海上，其中深水区块的油 气发现占全世界新增发现资源的5 0 左右，这充分说明深水已经成为全球油气 储量接替的主要区域。 中国具有广阔的深水海域，也具有十分丰富的油气资源。我国南海深水区有 着丰富的油气资源，被国外专家称为世界四大海洋油气积聚区之专，也被称作第 二个波斯湾。因此国家“十一五8 6 3 计划把“南海深水油气勘探开发关键技术 及装备立为海洋技术领域重大项目之一。项目总体目标是：重点开发深水海域 油气勘探技术和装备，自主研发深水油气开发重大装备核心技术，突破深水钻完 井、采油、工程和安全保障等关键技术，初步形成深水油气勘探开发技术能力， 为我国水深3 0 0 3 0 0 0 米的深水大中型油气田的勘探开发提供技术支撑。通过项 目的实施，掌握具有我国特色的、拥有自主知识产权的深海油气勘探开发核心技 术，培养深水油气勘探开发人才体系，打破国外的技术垄断，实现我国深海油气 勘探开发技术的跨越式发展。 由于海洋环境恶劣，存在着诸如波浪、台风、地震、海冰、海啸等多种灾害 荷载，同时海洋结构的地基往往含有不良土层，所以海洋工程结构与相类似的陆 地结构易损性或破坏概率更大。确保投资巨大的海洋工程在灾害作用下的安全性 的重要不言而喻。提高海洋工程结构的安全性除提高结构的设计水准和增加一些 防灾的措施( 如隔震装置等) 外，最重要的是为海洋工程结构选择良好的场地。海 洋工程场地的资料主要通过海洋工程地质勘测来获取。因此，海洋工程地质勘测 的主要手段有地震勘探、原位试验和室内土工试验。与后两者相比，地震勘探是 最高效的方法。因此在南海深水油气勘探开发关键技术及装备”项目中，“深水 高分辨率浅地层探测技术”成为了深水工程安全保障技术方面重点开发的一个子 课题。海洋工程地质勘测的主要手段有地震勘探、原位试验和室内土工试验。与 后两者相比，地震勘探是最高效的方法。在这样的背景下，2 0 0 8 年初快电子学 实验室和西安石油仪器厂开始合作进行“深水浅层高分辨率拖揽采集数传系统 第一章前言 的研制工作。 1 2 海上地震勘探基本原理 勘探地震学是应用地球物理学的一个分支，是利用岩土弹性性质研究地下矿 床、油气层分布情况和解决工程地质、环境地质问题的- - i - i 学科。地震勘探采用 人工方法激发地震波，通过研究地震波在地质介质中传播的物理特性与介质的物 性参数和结构参数之间的关系，从而确定各种地质界面的空间位置和形态，对地 下介质进行综合评价。 海上地震勘探的基本方法是使用海水中的震源产生人工地震，通过检波器将 从海底地层中反射的地震波信号转化成电信号，由地震数据获取系统采集并记录 检波器转化的地震信号，最后使用处理和解释软件进行地震数据的分析从而推断 地质体内不同地层的空间分布、构造形态和物性参数。其工作过程如图1 所示。 图1 海上地震勘探工作模式 海上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。地震数据采集是地震勘探的基础，用于地震数据采集的设备 被称为地震勘探仪器。地震勘探仪器的任务，是激发地震波并把返回的地震波记 录下来。从这个意义上讲，地震勘探仪器包拓震源，检波器和地震数据获取系统 三大部分，其中，震源激发地震波，检波器接受地震波并把它转换成电信号，地 震数据获取系统对地震电信号进行放大滤波并记录下来。 2 第一章前言 1 3 震源系统 震源是海洋地震勘探系统的重要组成部分，基本决定着海洋地震勘探的地层 穿透深度和分辨率。海洋工程地震勘探震源种类较多，主要有枪震源、电火花震 源、b o o m e r 震源及剖面仪震源等，这些种类的震源由于工作原理不同，其震 源特性有着较大区别，震源的选用对海洋地震勘探成果的质量有着较大影响。 地震震源按激发能量的大小排列依次是枪震源、电火花震源、b o o m e r 和 剖面仪，而如果按激发地震波的频谱对上述震源进行排序，这个顺序则要完全颠 倒过来。由此可以看出在其它条件不变的条件下，震源激发的能量大，则产生的 地震波的频率势必会比较低；而震源的激发能量小，则地震波的频率会相应地提 高。气枪震源的穿透深度可达数十公里，但其地层分辨率却只能达到百米量级； 而剖面仪的穿透深度只有几十米左右，但其地层分辨率却可以达到米级甚至亚米 级。由此可以看出震源的激发的能量大，则穿透深度大，但地层分辨率低；震源 激发能量小，则穿透有限，但地层分辨率显著提高。如图2 所示， o o l h zo 1 i 乜l l 包l o | l z1 0 0 i - l a ：i 馘b1 0 k l k 缀。 蝙餮 传统地：蠢调查 粼黼缓 尚分辨奉睦麓调轰 么劳纭 ， 7 7 ，- j 鼍高分辨碍 苏彩 瞳徽 璐钐衫，- 一x 恕呻q 碴 誓叠袋漱 | 1 4 检波器 穿透深度绥；钐垂盎分辨率弦要l 鬻 尴震调聋 图2 地震波穿透深度与勘探分辨率的关系 在海洋地震勘探工作中使用的检波器一般是压电式检波器，通常叫做水听 器。这种检波器是根据物质的压电效应原理制成的。压电式检波器的主要由压电 她 崎 溉 0 l l 第一章前言 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电 荷。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( 如锆钛酸铅) ， 它们可做成陶瓷盘、片、管等各种形状。 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 成其长度的一部分，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，一般装在注满油或 某种泡沫塑料的有密封外套的拖缆内，防止它与海水直接接触，而又能收到海水 中传来的地震波造成的声压。 在海上勘探过程中，由于勘探船的拖动和海浪冲击，海上检波器中的压电传 感器不断地受到加速度产生的惯性力而产生电荷，这种输出即所谓加速度噪声。 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 状，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。在加速度的作用下，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。 一般来说，压电陶瓷检波器可以等效为一个电压源与一个r c 结构的串联， 等效电路如图3 4 所示，其中r 0 是检波器的绝缘电阻，正常情况下具有很大的 阻值( 大于2 0 0mq ) ，c 是检波器的特征电容，不同陶瓷材料的压电检波器具 有不同的c o 值，我们所使用的压电陶瓷检波器c 值约为1 6 uf 。压电陶瓷检波 器具有检波器灵敏度高，信噪比大，结构简单、工作可靠等优点。 u 0 c 0 图3 压电陶瓷检波器电路等效图 1 5 地震数据获取系统 地震数据采集的任务是按照勘探技术指标的要求把地震数据记录下来，这就 决定了地震数据采集的核心是地震数据获取系统。地震勘探对要求地震数据获取 系统高保真，高信噪比，高分辨率的把地震波记录下来。具体来说，应该满足以 下几点： l 、地震数据获取系统地的动态范围大于需要记录的地震信号的动态范围。 4 第一章前言 需要记录的地震信号的动态范围定义为地震信号的最大幅度和最小振幅的变化 范围。最大幅度是指震源直接传到离震源最近的检波点的的直达波幅度，与偏移 距的大小有关；最小幅度是最深目的层的反射波传回来的幅度，由勘探深度决定。 目的层越深，反射信号越弱，当反射信号的最小幅度比外界环境噪声还小时，就 会被外界环境噪声掩没。因此，一般认为需要记录的地震信号最小有意义的幅度 是外界环境噪声的幅度。目前普遍认为地震数据获取系统的动态范围应该达到或 者接近1 2 0 d b 。 2 、在所能记录的幅度范围和频率范围内，地震数据获取系统应该基本上是 一个线性系统。所谓线性系统就是当输入为单一频率的正弦波时，输出也是同频 率的单一正弦波。如果给一个系统输入一个频率为f 的正弦波，其输出中出现很 多频率为k f ( k 为正整数) 的新的频率分量，那么我们就认为这个系统是非线性系 统或者说存在非线性失真。实际上，完全线性的系统是不存在的。一个实际系统 的非线性失真程度通常用谐波失真系数来表示。系统谐波失真一般用谐波振幅的 睾方和根比上所有信号的平方和根来衡量，一般这个比值要小于0 0 0 0 5 。 3 、地震数据获取系统长年在野外工作，工作环境与室内仪器大不相同。而 地震数据获取系统一旦发生故障，轻则影响地震记录的质量，重则使整个地震勘 探队的工作陷于停顿，所以特别要求地震仪有很高的稳定性和可靠性，并且具有 一定的自检能力和野外监视功能。除此之外，体积小、重量轻、耗电省、操作简 便、易于维修等也是应尽可能满足的基本要求。 第二章高分辨率数字拖缆系统的总体结构 第二章高分辨率数字拖缆系统的总体结构 2 0 0 8 年初中国科技大学快电子学实验室和西安石油仪器厂开始合作进行 “高分辨率数字拖缆系统 ( h i g hr e s o l u t i o nd i g i t a lc a b l e - b a s e dm a r i n es e i s m i c a c q u i s i t i o ns y s t e m ，简称h r d 系统) 的研制工作。“高分辨率数字拖缆系统 是 用于深水浅层地震勘探的一个海上拖缆系统，主要由水下的拖缆数据采集和传输 系统和室内( 船上) 数据记录与控制系统组成。如下图所示， 图4 高分辨率数字拖缆系统结构示意图 其中水下拖缆系统负责采集和传输地震波信号，室内系统负责将水下传上来 的地震信号进行一定的处理并存储，整个系统在触发控制系统的管理下协同工 作。 2 1 水下拖缆系统 水下拖缆系统主要负责对地震波信号的采集和传输，它的组成形式为水下拖 缆，由若干拖缆采集工作段串联而成，每拖缆采集工作段长度为5 0 m ，上有8 个检波点，各点间隔6 2 5 m 。各段之间通过数字包( d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e ，简 称d a m ) 连接，每个数字包直接管理其左右两端各2 1 8 7 5 m 内的共8 个水听器。 如下图所示： 6 第二章高分辨率数字拖缆系统的总体结构 | | | 羔乒一静1 3 塞i；i；iii；jliiji；ij：。i：j：l：iiili：iii：丽。盱 统 水听器( 拖缆内) 这样所有的数字包级联而成一条完整的水下拖缆系统，由于最前级的( 靠近 船尾) 数字包的前面是1 5 0 m 的拖缆前导段，最后级的( 远离船尾) 数字包的后 面没有拖缆采集工作段，因此这两个数字包都只负责4 个水听器。 数字包是水下拖缆系统的基本组成单元，由两块同样大小的p c b 板通过5 0 脚接插件扣接而成，一块p c b 板和拖缆中的检波器直接相连，称为数据采集板， 主要完成如下功能： 一数据采集：按照设定的采集参数( 采样率、前放增益) ，对来自水听器 的信号放大、2 4 位a d 转换、完成数据采集。 一仪器质量控制( i n s t r u m e n t sq u a l i t yc o n t r 0 1 ) ：按照需要进行的测试项目 设定信号源的参数和采集信号源的信号。 而另一块p c b 板和拖缆中的电源和数据传输通道相连，称为数据传输板， 主要完成如下功能： 一逐级供电：将高压电源转为低压供本地使用，同时根据需要决定是否将 高压电源传送到后级。 一命令解析：将主机下发的命令进行本地解析以执行相应的操作。 数据传输：将本地的地震数据和i q c 数据以及辅助信息( 温度，电压， 数字包序列号等等) 根据协议打包传输到前级，同时也将后级上传数据 缓存和转发到前级。 2 2 室内系统 室内系统完成水下地震数据上传的接收、系统工作命令的下发以及地震数据 的处理等功能，主要由拖缆数据获取系统和i q c 软件组成。室内系统的组成如 下图所示： 第二章高分辨率数字拖缆系统的总体结构 绘图仪 s i e 板：s t r e a m e ri n f o r m a t i o ne x c h a n g e 图6 室内系统组成示意图 如上图所示，水下拖缆系统通过拖缆信息交换板( s t r e a m e ri n f o r m a t i o n e x c h a n g e s i e ) 与地面系统连接。s i e 板为一块6 u 的c o m p a c t p c i 板卡，通 过背板总线，s i e 板可以将数据传递到系统软件，同时也可以接收系统软件的控 制和配置信息，该板为系统的核心组成部件，主要完成如下功能： 一接收水下拖缆上传地震数据； 一完成地震数据的时序道序转换和浮点格式转换； 向水下系统发送控制和配置信息； 一接收系统软件的控制和配置信息； 接收震源控制系统的触发( s t a r t ) 和同步( t b ) 信号； 通过c p c i 背板总线传递地震数据到零槽系统； 一从地震信息中解析出地震数据和状态数据； 完成地震数据时序到道序的转换； 零槽系统作为室内系统的另一个主要部分，主要完成如下功能： 一接收s i e 板通过c p c i 背板总线传递的地震信息； 一完成外围设备( 绘图仪、打印机以及磁带机等) 的控制； 一完成系统的控制、图形显示、状态监视、算法分析等功能； s i e 为自行设计的6 uc o m p a c t p c i 板卡，零槽为购买的商业板卡，因此s i e 第二章高分辨率数字拖缆系统的总体结构 的功能主要由板上f p g a 等嵌入式系统实现，而零槽系统主要由该系统上运行的 质量控制软件系统实现。 2 3 主要设计指标 2 3 1 系统指标： 一总道数：4 8 道，可扩展到9 6 道； 一每采集单元道数：8 道； 道间距：6 2 5 m ； _ 采集模块间距：5 0 m ； 弹性段总长度最大1 5 0 m ，每段5 0 m ，最多3 段： - 最大工作深度：5 0 m _ 一炮采样时间最长2 s 。 - 数字包功耗：小于1 0 0 m a 4 8 v d c ； 数字包尺寸：不大于3 8 r a m 2 2 0 m m ( 直径长度) ； 数字包可任意方向安装。 2 3 2 模拟部分指标 一采样率：2 k - 1 6 k 可调； _ 可编程增益：0 ，1 8 ，3 6d b ； - 最大输入范围：4 5v ( p - - p ) ，2 2 5 v ； 分辨率：2 4 b i t s ( 含符号位) ； - 动态范围：大于1 1 0 d b 。 _ 谐波畸变：大于9 0 d b 。 _ 共模抑制比：大于9 0 d b 。 一道间串音：大于1 1 0 d b 。 第三章水下拖缆系统的设计 第三章、水下拖缆系统的设计 水下拖缆系统是h r d 系统中最重要组成部分之一，水下拖缆数据采集系统 的模拟性能决定了勘探的质量和精度，水下拖缆数据传输系统的性能则关系着整 个系统是否能正常工作。在设计水下拖缆系统的时候，我们首先根据采集系统指 标的要求进行了采集部分的硬件设计，然后根据水下拖缆系统的数据传输特点设 计了传输系统的传输方案和硬件实现，最后设计了一种串行并发总线协议来实现 所有的数字包管理，使他们能够协同工作。 3 1 数字包结构 水下拖缆系统的基本单元是数字包，数字包分为传输板和采集板两块 2 2 0 m m * 3 4 m m 的电路板，通过5 0 脚0 5 m m 间距的板级接插件连接，由四个螺 钉固定在一起，安装在内径3 8 m m 的圆柱形的外壳里，如图所示 图7 数字包机械结构图 主 e o 厂 可以看出数字包的尺寸非常窄，同时由于两块p c b 板相扣并且安装在圆柱 形外壳里，对器件的尺寸和高度提出了要求，应该尽量选择紧凑的设计和小尺寸 的器件。下面分别对这两块p c b 板进行介绍。 1 0 第三章水下拖缆系统的设计 3 2 采集板设计 地震数据的采集任务由数字包内的采集板完成。采集板直接和拖缆内的检波 器连接，通过信号调理和a d 转换把检波器接收到的地震信号转化成数字信号。 它的主要结构如下所示， 图8 采集板结构示意图 到 传 输 板 可以看出采集板主要由与水听器连接的输入电路，前置放大器，a d c ，i q c 系统和一块f p g a 组成。采集板通过接插件和传输板相连，一方面通过a d c 把 地震模拟信号转化成数字信号上传到传输板，一方面接受传输板的配置命令对 a d c ，增益，和i q c 进行控制。下面分别介绍每个部分的设计。 3 2 1 输入电路 水听器拾取的地震信号是一种微弱的信号，可以小到微伏量级。在接受有效 的地震波信号的同时，水听器也不可避免的接受到很多干扰波( 如水波干扰，生 物噪声等) 。同时由于水听器经过较长的模拟连接线与系统相连，外面的电磁干 扰在模拟连接线上也会产生电压，产生干扰。如果不作任何处理，直接进行记录， 则可能记录效果很差，无法辨识出有效信号，在干扰强烈的情况下，甚至可能损 坏仪器。 输入电路是指水听器的输出和前置放大器的输入之间的接口电路。输入电路 由过压保护电路和r c 滤波网络组成。 3 2 1 1 过压保护电路 水听器的输出有时候会因为受到干扰而超出系统可以接受的电压范围，这种 超出的电压一般是瞬时的，以电压尖峰的形式出现在信号中。在系统中我们使用 开关二极管来进行过压保护。对每个输入信号，使用两个开关二极管接在+ 2 5 v 和2 5 v 上，如图所示， 第三章水下拖缆系统的设计 图9 过压保护电路示惹图 当超过输入范围的电压尖峰到来时，开关二极管导通，从而把电压钳制在可 以接受的输入范围内，二极管允许的正向瞬时电流应该足够大以防止二极管被损 坏。在正常工作时，这二极管处于反向状态。由于处于输入信号通路上，二极管 的反向漏电流和寄生电容应该尽量小，以减小对输入信号的非线性影响。二极管 b a v 9 9 特性如下， 一瞬时尖峰正向电流( 1 9 s 、l m s 、l s ) - 4 5 a 、1 a 、o 5 a 一反向漏电流( 7 5 v ) ：1 肚 一 寄生电容( v r = 0 ，f = 1 m h z ) ：1 5p f 3 2 1 2r c 滤波网络 为了突出有效波，压制干扰波提高记录的质量，必须对水听器的信号进行滤 波，以便让有效波的频率成分全波通过，干扰波的频率成分被滤掉。这里我们使 用一个简单r c 滤波网络，为水听器的输入信号提供了一个低切滤波，一个高切 滤波，同时为前置放大器提供了限流保护和偏置电流通路。如图所示 图1 0r c 滤波网络示意图 由于水听器可以等效成一个电容和大电阻的并联，前面提到这个电阻约为 2 0 0 m r 2 左右，所以可以视为开路，水听器的电容便和r 1 组成一个低切滤波器， 水听器电容c 。为1 6 p f ，r l 为3 m ，一3 ( 1 b 低切值为荔熹面3 3 他。 r 2 、r 3 和c 1 组成一个高切滤波器滤除进入前置放大器的高频信号，3 d b 1 2 第三章水下拖缆系统的设计 高切值为荔南8 。舰。 r 2 和r 3 的存在限制了大电流直接进入前置放大器，提供了前置放大器的输 入保护。r 4 和r 5 则为前置放大器提供了偏置电流通路。 3 2 2 前置放大器 前置放大器是仪器模拟电路中的重要功能单元。前置放大器主要作用是为传 感器输出的微弱信号提供增益，适应a d 转换对信号电平的要求。作为重要的 模拟部件，前置放大器的失真度，带宽，噪声，共模抑制等指标对整个系统的指 标有大影响，是决定整个系统相关特性的重要因素。 a n a l o gd e v i c e s 公司的a d 8 2 2 2 是一个双通道，高精度的仪表放大器， 如图所示。 _ “ 雩言砉孝 一n 1 r g l r g + i 翔1 一m 2 r g 2 r g 2 + i 托2 f _ “饵 乏盗盐亏 芷职 图1 1a d 8 2 2 2 管脚示意图 它有如下一些特点： _ 低噪声：8n v 4h z 1l d - i z 、0 2 5g vp - p ( 0 1h zt o1 0h z ) 充足的带宽：0 1 5 0 k h z 一 高输入阻抗：1 0 0g q 一高共模抑制比：1 2 6d bm i n i m u mc m r r ( g = 1 0 0 ) a d 8 2 2 2 的系统结构如下图所示： 1 3 第三章水下拖缆系统的设计 - v s 、， 图1 2 a d 8 2 2 系统结构图 可以看出a d 8 2 2 2 的放大器是基于典型的三运放拓扑结构，三极管q l 和 q 2 通过固定的电流偏置作为输入缓冲，输入的差分信号使得运放a 1 和a 2 的输 出也发生相应的变化使r a 上的电压和输入差分电压相同，在r g 上的流过电流 同时也流过r 1 和r 2 ，使得a 1 和a 2 输出之间的电压差得到放大。 从拓扑结构上看，q 1 ，q 2 ，a 1 ，a 2 ，r 1 ，r 2 ，r a 共同构成一个电流反馈差分放 大器，输入端的共模信号得到了抑制，可以达到较高的共模抑制比。 放大器的增益通过外接的电阻r a 进行设置，由放大器的结构可以得到放大 器的增益为g ：1 + 4 9 4 k q 。 如 系统设计要求0 d b 、1 8 d b 、3 6 d b 三档可调增益，也就是1 倍增益、8 倍增 益、6 4 倍增益，所以我们设选择了7 8 4 q 和7 k q 两个不同的电阻，通过模拟开 关进行他们之间以及断路的切换，从而实现了系统增益可调。 在a 3 的作用下，a d 8 2 2 2 的输出为v o w = g ( 虼+ 一圪一) + 。这是一个单 端的输出，为了配合后面的差分输入的a d c ，还必须把这个输出转为差分输出。 a d 8 2 2 2 是一个双通道的仪表放大器，也就是说在一个芯片上包含两个相同的独 立的仪表放大器，通过简单的配置，可以把a d