多通道地震勘探論文范文

本站小編為你精心準備了多通道地震勘探論文參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

1實時控制系統設計

1.1系統架構設計海上多通道地震勘探儀器一方面需要接受來自控制系統的控制、配置命令，另一方面還需要接受外界硬件觸發信號并對其進行實時響應和執行。此外，由于該系統的分布式特性，控制系統還需要具備控制命令的分發能力。在具體設計控制系統架構之前，需要設計該系統的狀態轉移圖，對控制系統的工作狀態及相互之間的轉換關系進行定義，如圖1所示。由圖1可以看出，實時控制系統的工作過程被設計成6種狀態：命令等待、命令識別和組裝、命令序列產生、命令傳輸、命令解析及命令執行。當系統開始工作時，首先進入命令等待狀態，循環等待外界有效控制命令的輸入。為了提高控制系統的實時性，所有狀態中只有命令等待狀態需要軟件參與，其他狀態全部由硬件FPGA（Field－ProgramableGateArray）完成。這樣設計既可以保證軟件控制的靈活性，又能保證其對外界觸發信號的強實時響應能力。當控制系統接收到有效的控制信號時，即刻轉入命令識別和組裝狀態。在該狀態中，控制系統根據預設的識別規則判斷其所接受到的命令的有效性，并將有效的命令按照一定的格式進行組裝，以適應FPGA邏輯的處理。這種處理方式在保證軟件控制最大自由度和靈活性的前提下，又不會增加FPGA邏輯設計的難度。為了提高控制系統對外界控制信號的響應能力，一旦完成命令的識別過程，控制系統在將所識別出的命令送入本地FIFO（FirstInFirstOut）進行緩存等待組裝的同時激活命令接受狀態，以在最短的時間內響應外界控制信號，從而縮短該控制系統的死時間。由于海上多通道地震勘探系統的分布式特性，命令接受體與執行器可以不在同一個地方，這就需要控制系統具備本地或遠程執行控制命令的能力，并根據所識別的命令性質進入命令執行狀態或命令傳輸狀態。此外，控制系統中還存在內循環觸發命令，為了提高循環定時的精度，需要硬件完成定時觸發和循環計數功能。為此，控制系統存在一個命令序列產生狀態（該狀態由軟件或特定命令觸發控制），當進入此狀態時，系統會根據序列產生規則自動產生命令序列，以供傳輸或執行。為便于命令長距離傳輸，傳輸前命令數據須經過一定格式的編碼，故在進入命令執行狀態前，先經過一個短暫的命令解析狀態，傳輸、解析和執行過程共同組成一個流水線，從而最大化提高命令執行效率和實時性。根據系統狀態轉移規則，設計的實時控制系統架構如圖2所示，整個系統由控制主機、命令接收箱體、觸發處理卡、數據匯總卡、數字包和命令執行器等6類模塊組成。為了支持分布式架構，命令接收箱體采用CompactPCI［8］機箱構成，其內部安裝1塊控制器卡、1塊觸發處理卡和多塊數據匯總卡。控制器運行VxWorks操作系統，其上運行用于命令接收和識別的實時軟件模塊，用于接收控制主機通過網絡發送的控制命令，并將這些命令通過串口發送觸發處理卡。觸發處理卡是一塊6UCompactPCI后插卡，其作用是接收控制器轉發的主機控制命令、導航或震源控制命令及外界觸發控制信號（需要經過觸發匹配處理以消除無效觸發），經過命令組裝后扇出至機箱內的所有數據匯總卡（通過該卡的后插卡專用接口接入，并經由CompactPCI機箱J3接口送至匯總卡）。數據匯總卡接收到控制命令后，首先進行命令解析和識別，按照命令的性質進行本地執行或轉發至與該匯總卡相連的數字包。海上多通道地震勘探系統的分布特性由多塊匯總卡及與之相連的多個數字包所呈現。根據勘探規模（二維或三維），命令接收機箱內的每塊數據匯總卡都對應于一條水下拖纜，數字包與匯總卡共同構成一個數據雙向傳輸的菊花鏈，下行對應于控制命令的發送，上行則對應于地震采集數據的上傳。數據匯總卡接收來自控制主機或外界觸發信號的控制命令，它是控制系統中單條電纜的實際命令發起者，位于單纜菊花鏈的始端。數字包為水下拖纜的數據處理中心，它是控制系統命令在電纜上的中轉單元，接收前級數字包傳輸的控制命令，轉發給下級數字包或本地命令執行單元。此外，數字包本身也會執行一些控制或配置命令。海上分布式多通道地震勘探設備的每個數字包負責與本地命令執行單元進行數據通信，這些命令執行單元是整個采集系統的模擬前端，負責對地震波形的數字化處理，每個命令執行單元負責4個采集通道。前端采集模塊是整個勘探儀器的命令實際執行者，通過該控制系統實現對大規模、分布式模擬數字化前端的實時控制，以使其能夠同步完成空間分布地震波形信號的數字化處理，從而保證高保真地重構出地震波形信息。實現圖2所示的實時控制系統架構時，為了保證控制系統的靈活性和實時性，除控制器上的Vx－Works命令接收模塊外，其他全部交由FPGA實現。該軟件通過網口接收來自控制主機、震源系統、導航系統等的控制命令，大大提高了系統的靈活性。為了保證該軟件對命令接收處理的實時性能，網口數據接收完成后隨即通過控制器串口轉發給觸發處理卡，并且網口模塊被設置成具有較高的優先級，同時該控制器串口控制的優先級也被提高。從該系統實現架構來看，其并不依賴于特定的系統工作協議，這種協議設計與執行系統相分離的方式有利于實現協議的多樣性，也有利于其升級和改進。這種結構既能很好地滿足海上分布式多通道地震勘探儀器實時控制系統的實時性、確定性和一致性，又不失靈活性，可以滿足靈活多樣的實現方式。

1.2觸發控制系統設計海上分布式多通道地震勘探觸發信號來自導航和震源系統，彼此之間有著嚴格的時序關系，如圖3所示。作業時，水下拖纜被物探船拖拽前行，當到達地理上特定目標點后，導航系統發出起始信號（start）給觸發處理卡，定義此點時刻為－250ms。當接收到該信號時，處理卡將會停止響應外界start信號以防止誤觸發，直到系統采集停止后恢復。導航系統在發出start信號后200ms時，發送點火信號（fire）至震源控制系統（氣槍陣列）使其準備釋放激發信號［9］，真正的信號釋放時刻（TB）即為地震勘探儀器的觸發信號，此時刻被定義為0時刻。由于氣槍陣列同步、控制等因素，實際的TB時刻會在0時刻附近擺動。為解決此問題，觸發處理卡具有一個TB有效檢測模塊，開設一個時間窗口（－20～30ms，可調）用于TB探測。當在該窗口內檢測到有效TB觸發信號時，將該TB作為整個控制系統的觸發信號，用以控制系統開始采集記錄地震波形信息，并送標志信息FTB（FieldTB）至數據匯總卡；如果在該窗口內未檢測到有效TB信號，則在窗口結束位置（即30ms處）開啟一個TB信號作為控制系統的觸發信號，此時系統觸發標志信息為ITB（InterTB），即該TB是控制系統產生而非震源系統產生的有效觸發信號。地震勘探儀器數據記錄的開始時刻由TB觸發信號控制，而記錄停止的時刻則由該系統的采樣時間所決定（可由控制主機配置）。當一次記錄過程結束后，觸發處理模塊重新配置，以便能夠接收下一個導航發送的start信號，從而循環往復地運行。圖4顯示了設計的觸發處理卡的結構，本地計數器接收到有效start信號（為保護信號接口，可進行光隔離）后開啟計數，其工作時鐘頻率為33或66MHz，來自CompactPCI總線，從而保證所產生的TB輸出信號能夠在機箱系統級與各數據匯總卡的工作邏輯進行同步對齊。計數器的輸出用來控制TB檢測窗的位置和大小，具體參數可由控制主機通過命令字進行配置。TB檢測主要對輸入的觸發信號進行去抖處理和寬度有效判斷，只有寬度達到5ms（可配置）的觸發信號才被視為有效觸發。但這引發另一問題，即該控制系統產生的供勘探儀器實際工作使用的觸發信號相對于觸發信號的理想時刻存在5ms的延遲，這是影響系統實時響應觸發信號的一個因素。另一個影響因素是命令傳輸至各分布式命令執行單元時存在延遲，且延遲時間不一致（解決方法見后文）。為方便系統設計和集成，觸發處理卡與數據匯總后插卡在物理形式上設計為同一種卡，通過檢測start信號、命令輸入信號是否存在自動判斷其工作模式。

1.3同步控制方案設計同步性能直接關系到實時控制系統命令執行步調的一致性，是海上分布式多通道地震勘探儀器實時控制系統所特有的性能指標。為了保證該系統各命令執行單元響應時刻的一致性，首先需要保證命令執行單元執行步調的一致性，其次是保證命令執行時刻的一致性。對于時鐘同步，可以利用數據時鐘融合傳輸（LVDS信號電平［10］）、時鐘恢復及頻率合成等技術，保證整個控制系統各個命令執行單元之間以同一頻率的時鐘運行［9］。如圖4所示，觸發控制模塊的處理卡為系統的主卡，其板載時鐘被融合到扇出命令通道中分發到整個控制系統；所有的接收單元（從卡）一方面從接收到的命令（LVDS）流中恢復出命令和時鐘，另一方面將其轉發給下一級命令接收單元，同時還會生成幾路LVTTL電平的命令信號用于本地控制；觸發控制卡上的時鐘處理模塊同樣被移植到數據匯總卡及數字包中，從而最終保證系統級時鐘的同步分發以及所有命令執行單元的同步運行。海上分布式多通道地震勘探儀器分布范圍常常達到數平方千米，各單元的傳輸延遲將會影響控制單元的起始執行時刻，可以采用延遲補償法［11］消除，即系統工作時，首先進入自校準狀態，通過控制單元內部的高頻時鐘計算其與主觸發控制卡之間的傳輸延遲，再將所有執行單元的命令執行時刻統一延遲到同一時刻以達到同步執行的目的。該方法雖然可以解決傳輸差異的影響，但會導致所有執行單元的響應執行時刻與理想觸發命令時間之間存在一個固定的延遲，當延遲值較大時甚至會造成采樣點的丟失和錯位，因而需要消除。由上述分析可知，命令執行時刻的不一致包含兩部分，即因判斷觸發寬度而引入的相對于觸發TB的延遲和因分布距離不一致而引入的傳輸延遲。前者是固定的，后者是浮動的，但無論哪種延遲，系統布局一旦確定都不會再改變。控制系統的最終命令執行單元為分布于水下拖纜內部的模擬采集前端，為了保證各采集前端的同步數據采集性能，在各前端均設置一個流水線緩存器［12］，前端數字化后的數據首先被送入流水線緩沖器，這是一個FIFO。根據TB觸發信號的寬度以及前端模數轉換的速率，可以設定固定緩沖器的深度，如監測5ms寬度、采樣率為2kHz時的固定深度為10。浮動緩存的大小由控制命令的傳輸和處理延遲決定，當傳輸距離為6000m時，各命令執行單元之間的延遲最大相差30μs左右。考慮到各級數字包轉發延遲（接收和發送各一個12MHz時鐘周期），在60個數字包工作的情況下，最大處理延遲大約為10μs。因此，在系統最高工作采樣時間間隔為250μs時，浮動緩沖深度設置為1即可。最后設計的實際流水線緩沖器大小為32。當控制系統的下傳控制命令速率較低時，浮動延遲大小會因處理延遲的增加而增加，此時只需要對浮動緩沖深度作相應調整即可。ADC（Analog－to－DigitalConverter）輸出的數字化信息進入FIFO后按照時鐘步調依次緩存，當第一個數據單元到達緩沖器頂端時，如果前端還沒有接收到觸發TB信號，則下一個時鐘沿到來時該數據即被丟棄；當TB觸發信號到達時，采樣緩沖前的開關將2個緩沖器相連，流水線緩沖頂端的數據從FIFO移出送至該采樣緩沖等待數字包將數據讀出。利用這種同步控制方案，既可以保證各前端執行單元工作時鐘的一致性，又可以保證不會因為觸發檢測、傳輸和處理延遲而造成前端數據的丟失或錯位。

2實時控制系統測試

在海上分布式多通道地震勘探儀器研制過程中，對該實時控制系統特性進行了大量室內和現場試驗，主要集中在實時性和同步性2個方面。由于優化設計了軟件處理模塊，對于實時性要求相對較低的系統控制命令，該控制系統可在100μs內作出響應；而命令的執行由于全部交由硬件FPGA來完成，可以在確定的時刻（由命令執行單元所處位置的傳輸和處理延遲決定）完成。為了進一步降低命令通過網口傳輸的不確定性，將命令通道與系統的地震采集數據及狀態回顯上傳通道進行隔離，從而保證了控制命令下傳通道的順暢。在對觸發控制信號響應和執行的強實時性方面，通過全硬件FPGA實現的觸發匹配、命令執行時刻校準等手段，保證了各執行單元能在確定的時刻完成對觸發信號的響應。同樣，具體執行時刻由傳輸和處理延遲決定，但對于每一個執行單元，其執行時刻是固定不變的。在系統同步控制方面，通過前端流水線緩沖器的設計和應用，保證了各個執行單元不會因為相對于觸發控制信號的同步誤差而出現數據丟失或錯位的現象。控制系統的“可靠性”主要是指該實時控制系統能夠將控制命令可靠地分發到各個執行器，而執行器也能夠在規定的時間內完成執行動作；而控制系統的“穩定性”是指該實時控制系統長期運行過程中不會出現命令分發、接收、執行等錯誤，也不會出現數據錯位。針對這2個特點，通過設計特定的命令模式，對比發送和接收到的命令是否一致并長期運行，從而判斷和驗證其“可靠性”和“穩定性”。具體的做法是：控制主機在發出命令的同時生成一個奇偶校驗位，兩者同時發送給前端執行器；執行器在接收到命令后首先判斷校驗位是否正確，然后執行相應的動作（由于命令的多樣性和復雜性，為了簡化測試過程，實際測試是用一個模擬動作來代替，即點亮LED燈的動作；為了判斷命令是否被正確執行，在執行器中還設計了一個檢驗模塊，用來檢測該模擬動作的次數）；最后比對發送命令的個數、正確接收命令的個數和命令正確執行的次數，只有當這三者完全一致時，才能證明控制系統的“可靠”和“穩定”。通過室內多次、長期的測試，該控制系統能夠完全滿足實時、可靠和穩定運行的要求。為了進一步驗證該實時控制系統的實際效果以及整個系統各方面指標的可靠性和穩定性等，開展了多次海上二維和三維試驗。圖5a顯示的是6000m單纜1920道的地震采集剖面，圖5b顯示的是用3條電纜（每條纜960通道）做的三維試驗地震剖面圖。可以看出，本文所設計的實時控制系統能夠保證海上分布式多通道地震勘探儀器各前端執行單元對系統控制、觸發的實時響應和執行，從而使得海上二維、三維試驗得以順利完成。

3結束語

海上分布式多通道地震勘探儀器具有大覆蓋、高精度的優勢，但隨之而來的是系統各命令和控制執行單元在系統架構及具體位置上的分離，這造成了控制系統設計的復雜性和挑戰性。本文提出的適用于海上分布式多通道地震勘探儀器的實時控制系統具有分布式、層次化、異構的樹狀結構，控制主機通過網口將控制命令經由嵌入式軟件發送至觸發處理卡并進入全硬件處理流程，從而保證了后續控制傳輸、響應及執行的實時性，而實時性要求極高的觸發信號則直接進入硬件化的觸發處理卡，從而避免了軟件層面不確定性的影響。這種軟硬件處理相分離的方法，在保留軟件靈活性的同時，也保證了系統的實時性。本文優化設計的全局同步時鐘分發方法及同步觸發控制，保證了各執行單元對于系統控制執行的實時性和一致性，前端流水線緩沖器的應用也保證了所有采集數據不會因為傳輸或處理延遲而造成丟失或錯位。此外，該系統架構將協議設計與執行系統分離，有利于實現協議的多樣性，也有利于其設計、升級和改進。室內和海上多次試驗證明，本文提出的實時控制系統能夠滿足海上大型地震勘探儀器對于控制系統在實時性、一致性、可靠性和穩定性等方面的要求，對其他相關控制系統的設計具有一定的參考價值。

作者：朱耀強阮福明曾翔曹平楊俊峰宋克柱單位：中海油田服務股份有限公司物探研究院中國科學技術大學核探測與核電子學國家重點實驗室中國科學技術大學近代物理系