楊敬紅，吳秋云，朱耀強，曾 翔，阮福明

（中海油服股份有限公司物探研究院 天津 300451）

海洋多纜地震勘探系統(tǒng)的同步采集方法研究＊

楊敬紅，吳秋云，朱耀強，曾 翔，阮福明

（中海油服股份有限公司物探研究院 天津 300451）

文章介紹了一種用于海洋地震勘探系統(tǒng)的同步采集方法。該方法采用高精度時鐘分發(fā)、實時FPGA硬件延遲補償算法結(jié)合高效的系統(tǒng)控制協(xié)議，對多纜不同通道前端采集系統(tǒng)間的延遲差異進行自動補償，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)級的同步采集。該方法實現(xiàn)簡單，并且具有實時性強、可靠性高以及同步性能好等優(yōu)點。通過海上試驗表明，本同步采集方法能夠滿足4纜6 000m范圍內(nèi)、8 000通道規(guī)模的系統(tǒng)級同步采集。本方法在遠距離分布式系統(tǒng)以及傳感器網(wǎng)絡等應用中也有著重要的參考價值。

地震勘探；多纜多通道；同步采集；遠距離

地震勘探是近代發(fā)展變化最快的地球物理勘探方法之一，它的基本原理是利用人工激發(fā)的地震波在彈性不同的地層內(nèi)傳播規(guī)律來勘探地下的地質(zhì)情況。具體操作時，采用專門的儀器記錄反射波或折射波信號，然后通過專用的軟件對數(shù)據(jù)進行特定的分析處理，就能較準確地測定這些界面的深度和形態(tài)，從而為判斷地層的巖性提供最直接的參考。因此，地震勘探方法稱為勘探含油氣構(gòu)造甚至直接找油的主要方法［1］。

隨著地震勘探儀器的發(fā)展，能夠適應海量數(shù)據(jù)記錄（萬道）的高速磁盤記錄逐漸成為主流，常規(guī)三維觀測向?qū)挿较蚋呙芏热S觀測發(fā)展，與之配套的高精度成像、疊前反演和多信息融合的解釋技術也得到極大的發(fā)展，多波地震、時移地震、井中地震和微地震監(jiān)測等技術也得到快速發(fā)展［2－3］。這就使得地震勘探儀器逐漸發(fā)展成為大型、分布式的系統(tǒng)架構(gòu)。如，斯倫貝謝公司的Q－Marine海上設備可以達到20條拖纜，總通道數(shù)可達8萬道，每條纜長度達到12km［4］。要實現(xiàn)這樣的大型高精度海上地震勘探系統(tǒng)，需要解決很多關鍵技術問題，包括高精度數(shù)據(jù)采集、海量數(shù)據(jù)傳輸和存儲、多通道高精度同步采集等，而其中高精度的同步采集技術顯得尤為重要，這將直接影響著采集數(shù)據(jù)的后期處理和分析結(jié)果的準確性和可靠性。另一方面，由于海洋拖纜地震數(shù)據(jù)采集設備的特殊結(jié)構(gòu)，需要數(shù)據(jù)采集、傳輸、同步結(jié)構(gòu)等能夠盡量簡單，這樣便于成本的降低和野外施工的便捷［5］。

大型分布式系統(tǒng)中常用的IEEE－1588同步方法［6］，可以實現(xiàn)亞納秒的同步精度。然而該技術是基于以太網(wǎng)實現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)和協(xié)議過于復雜，并不適合海洋拖纜系統(tǒng)。此外，還包括GPS全球定位技術［7］、同步以太網(wǎng)技術（SyncE）［8］、計算機網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP技術［9］等，但都由于其復雜性而不能在海洋拖纜系統(tǒng)中得到應用。

本研究提出一種用于大型海洋多通道地震勘探系統(tǒng)的同步采集方法。該方法基于高速串行數(shù)據(jù)通信的技術進行高精度時鐘分發(fā)、海量地震數(shù)據(jù)的傳輸和系統(tǒng)控制命令的下發(fā)，通過精心設計的同步采集控制算法和系統(tǒng)同步協(xié)議實現(xiàn)了單纜1 920通道和3纜960通道規(guī)模的系統(tǒng)級同步能力。實際的海上試驗結(jié)果表明，本研究所提方法完全能夠滿足高精度海上地震勘探數(shù)據(jù)采集的要求。

1 分布式海洋地震勘探系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上地震勘探系統(tǒng)由一至多條水下電纜組成，每條電纜由甲板電纜、光纖前導段、工作段、數(shù)字包以及尾靶等部分串聯(lián)而成。其中，工作段是水下系統(tǒng)的核心組成部分之一，在其中等間距地放置大量的水聽器（單個或組合形式），從而形成一個有著巨大覆蓋面積的傳感器陣列。

圖1是分布式工作段的典型結(jié)構(gòu)。在該種分布式拖纜工作段中，采集板被等間距地放置在纜中，每塊負責4通道水聽器信號的數(shù)字化處理，數(shù)字化后的信號通過本地RS485協(xié)議傳輸?shù)綌?shù)字包上。水下系統(tǒng)所有數(shù)字包都通過高速串行通道進行級聯(lián)，從而保證水下所有采集板的數(shù)據(jù)能夠通過數(shù)字包逐級上傳到船載記錄系統(tǒng)中［10－11］。因此，數(shù)字包起著3個方面的作用，即工作段間的物理連接、本地8塊采集板的電源分配和數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)逐級上傳和命令逐級下發(fā)。

圖1 分布式拖纜工作段結(jié)構(gòu)

分布式的工作段拖纜結(jié)構(gòu)，使得水聽器模擬信號的傳輸距離大大降低，從而十分有利于信號的高質(zhì)量傳輸。同時由于傳輸?shù)男盘柸菙?shù)字化后的數(shù)據(jù)，模擬信號經(jīng)限于工作段內(nèi)的局部傳輸，因此整條水下拖纜的總通道數(shù)規(guī)模就完全由數(shù)字信號的傳輸能力和電源系統(tǒng)的供電能力所決定了，從而大大提高了單纜的帶道能力。這種分布是一種二級流水線數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，它在該數(shù)據(jù)傳輸帶來便利的同時，也給系統(tǒng)同步帶來了麻煩。

2 大范圍系統(tǒng)級同步時鐘分發(fā)

為了適應大范圍地震勘探數(shù)據(jù)采集的要求，并具備三維甚至是時移地震勘探的能力，多纜規(guī)模的系統(tǒng)是必然的趨勢。然而，如果這種系統(tǒng)中的每個模塊都采用獨立的本地時鐘進行工作，則會出現(xiàn)很多問題。首先，各個模塊時鐘的頻率不可能完全一致，這會造成各模塊采樣間隔和工作步調(diào)的不一致性；其次，各模塊獨立時鐘變化（包括自身的穩(wěn)定性、環(huán)境的影響等）的不一致性，同樣會造成系統(tǒng)不同步，本系統(tǒng)采集時序圖如圖2所示。為滿足要求我們設計了一種適用于大范圍系統(tǒng)級的同步時鐘分發(fā)方案如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)采集時序

圖3 大范圍時鐘同步分發(fā)結(jié)構(gòu)

為了保證系統(tǒng)時鐘的同源性，本時鐘分發(fā)結(jié)構(gòu)采用主時鐘分發(fā)模塊中的時鐘作為系統(tǒng)的主時鐘源。結(jié)合時鐘數(shù)據(jù)融合技術，借助于8B/10B編碼，將該主時鐘與從控制系統(tǒng)來的命令數(shù)據(jù)一起通過高速串行通道進行傳輸。該信號首先發(fā)送到各個拖纜接口板的后插板（船載系統(tǒng)基于Compact PCI平臺［12］實現(xiàn)），各后插板彼此級聯(lián)形成一個菊花鏈。后插板模塊在接到該高速串行信號的時候，首先通過CDR（時鐘數(shù)據(jù)恢復）技術從數(shù)據(jù)中提取出系統(tǒng)發(fā)送時鐘，并將有效的發(fā)送數(shù)據(jù)分離出來［11］?；謴统鰜淼臅r鐘直接送到PLL鎖相環(huán)中進行去抖和提純處理，從而有效濾除由于傳輸干擾所帶來的時鐘相位噪音，降低性能的損失，保證發(fā)送時鐘的高質(zhì)量。同時，鎖相環(huán)的加入還可以提高時鐘的驅(qū)動能力，滿足長距離多級時鐘傳輸?shù)囊蟆＝?jīng)過提純處理的高質(zhì)量時鐘分為兩個方向繼續(xù)進行分發(fā)處理：一個是橫向發(fā)送到另一塊拖纜接口板；另一個是縱向發(fā)送大本級拖纜上所有的數(shù)字包上（圖3）。而采用的技術和實現(xiàn)方法則與主時鐘源模塊發(fā)送時鐘和數(shù)據(jù)時完全一致，大大簡化了實現(xiàn)難度的同時，也能夠?qū)⒖刂葡到y(tǒng)下發(fā)的命令同步分發(fā)到所有前端接收數(shù)字包上。數(shù)字包接收到該信號的時候，采用于前面一樣的方法和技術，將恢復的時鐘用于下級分發(fā)和本級命令和數(shù)據(jù)采集使用。如此往復，就可以將高精度時鐘同步分發(fā)到同一拖纜上的各個數(shù)字包以及不同拖纜間的數(shù)字包，進而可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)級和大范圍的時鐘同步分發(fā)。

由于每條拖纜的尾包（拖纜上最后一個數(shù)字包，距離船最遠）都不存在后繼命令接收模塊和前級數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，因而，此時尾包上的數(shù)據(jù)發(fā)送通道的參考時鐘采用命令通道的恢復時鐘。如此處理，就可以將系統(tǒng)源時鐘通過命令通道發(fā)送下去，再通過數(shù)據(jù)通道上傳回來，從而實現(xiàn)真正意義上的系統(tǒng)級高精度同步時鐘的分發(fā)。

由于每個時鐘接收模塊都存在著兩個方向相反的傳輸通道，即命令和數(shù)據(jù)通道，這就造成各模塊上同時出現(xiàn)兩個恢復時鐘。需要強調(diào)的是，由于時鐘是編碼進數(shù)據(jù)中一起傳輸?shù)模m然所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)千差萬別，可是時鐘只有一個。然而，在經(jīng)過一段距離的傳輸并返回后，命令通道和數(shù)據(jù)通道恢復的時鐘在相位上會出現(xiàn)一定的差異（尾包由于命令和數(shù)據(jù)模塊共用同一個時鐘，固不存在該差異）。因此，為了保證系統(tǒng)工作時序的穩(wěn)定性，兩恢復時鐘不能混用，正如圖3所表示的那樣。

此外，需要指出的是，圖3所提方法僅對高速串行通道的時鐘數(shù)據(jù)恢復和鎖相環(huán)技術有要求，并不限定是采用光纖傳輸還是電傳輸方式。因此，頭包（靠近船的第一個數(shù)字包）直接采用光傳輸方式即可實現(xiàn)長距離的數(shù)據(jù)傳輸，同時不影響高精度時鐘的分發(fā)。

3 系統(tǒng)同步采集控制

高精度時鐘的分發(fā)只能使得每個數(shù)字包工作在同一個頻率下，并能始終保持變化的一致性。但要實現(xiàn)系統(tǒng)級的同步工作，還需要進行系統(tǒng)同步采集控制的處理。

由于拖纜工作段的長度會帶來信號傳輸延遲，從而導致各數(shù)字包接收和執(zhí)行系統(tǒng)命令在時間上出現(xiàn)差異，這會嚴重影響采集板采集時刻的同步，因此首先要解決的問題是傳輸延遲的不一致性，基本思路是將所有數(shù)字包執(zhí)行命令的時刻調(diào)為一致。這有兩種方法：一是采用時鐘樹技術［13］，即將所有通道傳輸路徑的延遲調(diào)為一致，這就使得所有通道接收命令的時刻完全一樣，但這種方法對通道一致性要求過高，很難在拖纜中將通道的傳輸延遲調(diào)為一致；另一種方法就是將各通道命令執(zhí)行的時刻通過延遲補償?shù)姆椒ㄕ{(diào)為一致，該方法適合于沒有辦法精確調(diào)節(jié)通道本身延遲的情況。還有其他非在線補償?shù)姆椒?，而只是將延遲的不一致性記錄下來，然后在離線數(shù)據(jù)分析的時候再進行補償。然而該方法在數(shù)據(jù)存儲的時候需要額外的空間，同時也增加了數(shù)據(jù)分析時的復雜性。

本系統(tǒng)采用在線延遲補償技術實現(xiàn)系統(tǒng)命令的同步執(zhí)行，即每個數(shù)字包在接收到系統(tǒng)下傳命令時，并不立即執(zhí)行，而是各自先延遲一段時間，最后再在同一個時刻同步執(zhí)行。由于命令傳輸?shù)矫總€數(shù)字包的時刻不一樣，因此延遲值的大小顯然因包而異。圖4顯示了延遲值的測量原理。船載控制系統(tǒng)下發(fā)系統(tǒng)同步延遲補償（synchronization delay compensation，SDC）命令至拖纜接口板，由于前面采用的數(shù)據(jù)時鐘融合傳輸?shù)募夹g，可以很容易滿足該SDC命令同步到達拖纜接口板，因為拖纜間命令通道級聯(lián)在一個Compact PCI機箱內(nèi)，長度小于1m，因而同步誤差在5ns以內(nèi)。SDC命令通過拖纜接口板下發(fā)到各個數(shù)字包的時候，順著拖纜傳輸線依次到達水下數(shù)字包。數(shù)字包i在接收到SDC的時候，觸發(fā)本地時間測量模塊工作的同時，將SDC傳遞給下一級。當傳遞到尾包的時候，尾包立即將該命令通過數(shù)據(jù)通道回環(huán)至前一級數(shù)字包。這樣當數(shù)字包i從數(shù)據(jù)通道中檢測到SDC命令時，停止時間測量模塊工作，從而可以得到SDC命令發(fā)送到回環(huán)接收的時間間隔，該值的一半即為數(shù)字包i到尾包的延遲時間大小，包括各級數(shù)字包處理開銷。因此，通過該命令回環(huán)延遲測量過程，每個數(shù)字包都可以得到與之所對應的延遲值大小。當實際同步執(zhí)行某個命令時，只要將該命令往后延遲這個時間值后再執(zhí)行，即可將所有數(shù)字包命令執(zhí)行時刻調(diào)整到尾包的時刻，從而達到命令同步的目的。

圖4 延遲補償同步原理

為簡單起見，數(shù)字包內(nèi)的時間測量模塊采用高頻計數(shù)器來實現(xiàn)，其工作頻率通過FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)倍頻至200MHz，即延遲補償精度為5ns，表明本系統(tǒng)可以補償拖纜1m左右的長度誤差。拖纜工作時，由于各級工作段都會對前級工作段施加張力，從而會造成拖纜系統(tǒng)發(fā)生軸向形變，造成傳輸延遲會隨著工作段數(shù)量、拖拽時速和海洋阻力等多方面的影響，顯然本延遲測量原理可以較好地解決該問題。圖5顯示的是該測量原理在FPGA中實現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)圖。

圖5 數(shù)字包延遲補償控制邏輯

數(shù)字包在上電復位后自動進入配置狀態(tài)，等待來自控制系統(tǒng)的配置命令。當拖纜接口模塊接收到同步延遲補償命令的時候，會將該命令分發(fā)到每個與之相連的數(shù)字包。當數(shù)字包識別出該SDC命令時，將工作模式調(diào)整為同步模式，此時數(shù)字包一方面下傳SDC命令至后級數(shù)字包；另一方面將上傳數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)作為命令進行解析，并從中檢測SDC命令。為了能夠獲得傳輸延遲的大小，在數(shù)字包中采用一個高頻計數(shù)器在作為時間測量模塊，并鎖存其測量的結(jié)果。計數(shù)器的開始由下傳命令通道中的SDC命令觸發(fā)，而停止則由上傳數(shù)據(jù)通道（同步模式下僅用來傳遞命令參數(shù)，而不是地震數(shù)據(jù)）中的SDC命令觸發(fā)。鎖存器的值既可以由高頻計數(shù)器寫入，也可以通過接收控制系統(tǒng)的配置參數(shù)進行寫入。因此，為了避免水下系統(tǒng)在工作之前都進行復雜而耗時的同步延遲補償參數(shù)的測量過程，當同步模式下測量出延遲補償大小的時候，可以在配置模式下將該參數(shù)通過數(shù)據(jù)通道上傳到船載控制系統(tǒng)，從而可以記錄下來作為系統(tǒng)的工作參數(shù)。這樣當系統(tǒng)重新上電工作的時候，就可以直接在配置模式下獲得補償參數(shù)。

數(shù)字包逐級向后傳遞SDC命令直到尾包上。尾包不會將下傳的SDC命令向后級傳遞，而是將該命令直接通過數(shù)據(jù)通道向前級返回，從而完成SDC命令在整個水下拖纜數(shù)字包間的回環(huán)傳遞，達到測量傳輸延遲的目的。當數(shù)字包切換到工作模式時，系統(tǒng)傳遞的所有命令都會經(jīng)過一個計數(shù)延遲模塊，延遲補償參數(shù)則為上述過程獲取鎖存值的一半。

延遲技術會導致所有采集數(shù)據(jù)往后延遲一定的時間大小，從而會造成采集數(shù)據(jù)的丟失。因此需要對地震采集數(shù)據(jù)進行流水線緩存，當接收到TB觸發(fā)信號的時候，將該信號前一段時間內(nèi)的采集數(shù)據(jù)一起上傳，即可獲得對應于真正TB觸發(fā)發(fā)生時刻之后的所有采集數(shù)據(jù)。假設拖纜總長度為6 000m，則命令延遲時刻為30μs，而本系統(tǒng)常規(guī)采樣時間間隔為1ms，遠大于該延遲值。另一方面，由于采用高速串行數(shù)據(jù)發(fā)送技術，數(shù)字包轉(zhuǎn)發(fā)命令的處理開銷為納秒量級。因此，不需要考慮命令整體的延遲執(zhí)行會造成采樣數(shù)據(jù)的丟失。然而，如果系統(tǒng)采樣率較高，如0.25ms及以上，再加上各級數(shù)字包處理開銷的延遲影響，那就必須要考慮命令整體延遲執(zhí)行對采樣數(shù)據(jù)的影響了。

至此，雖然已經(jīng)解決了同步時鐘分發(fā)和命令的同步執(zhí)行，但還沒有完全解決同步采集的問題，因為由于分布式拖纜數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)的原因，此時的命令還沒有傳遞到前端采集板，僅僅到達了數(shù)字包。為解決此問題，我們在數(shù)字包中將接收到命令通過RS485協(xié)議同步扇出至采集板（共8塊，見圖5），由于數(shù)字包工作時鐘以及命令執(zhí)行時刻已經(jīng)同步完成，顯然扇出命令可以同步地到達采集板并完成同步執(zhí)行。因此，各采集板采用不同源的本地工作時鐘，但在系統(tǒng)開始采集命令的控制下，并且在每一次TB命令產(chǎn)生的時刻，都會重新同步采集一次，從而可以消除各采集板工作誤差的累積效應，并最終完成整個大范圍系統(tǒng)級的同步采集。

4 測試

為了測試和驗證本同步采集方法，我們進行了大量的各單元模塊測試、實驗室系統(tǒng)聯(lián)合測試以及野外試驗。在實驗室內(nèi)測試，我們采用24MHz的時鐘作為高速數(shù)據(jù)通道的工作時鐘，并直接用來分發(fā)該24MHz時鐘至所有數(shù)字包。由于所采用SerDes芯片在8B/10B編碼狀態(tài)下工作的相位不穩(wěn)定性［14－15］，最終時鐘分發(fā)同步精度為一個工作時鐘周期，即約42ns，完全滿足海洋石油勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。

由于數(shù)字包通過RS485協(xié)議向各采集板扇系統(tǒng)命令，考慮到RS485協(xié)議工作的特點，我們將該命令工作時鐘設置為2MHz，而該時鐘則由各采集板所獲同步時鐘產(chǎn)生。另一方面，我們設置專用的命令時鐘同步命令來控制各數(shù)字包所產(chǎn)生RS485工作時鐘的起始相位，從而可以保證系統(tǒng)下發(fā)命令可以同步地傳遞到各個采集板上。由于采集板采用各自獨立的本地時鐘，為進一步提高命令接收時刻的一致性，我們采用本地24MHz高頻時鐘來采集RS485發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，而不是先生成2MHz時鐘然后再來采集命令數(shù)據(jù)，從而可以將命令收集同步精度由0.5μs提高到42ns，并最終將整個系統(tǒng)的同步采集能力控制在100ns以內(nèi)。

為了進一步驗證整個海上地震勘探系統(tǒng)同步采集的實際效果，以及整個系統(tǒng)的其他各方面的指標和可靠性穩(wěn)定性等，我們于2012年2月在北部灣潿洲的工作區(qū)內(nèi)進行了實際的海上試驗。圖6顯示的是6 000m單纜1 920道的采集地震剖面，圖7顯示的是3纜960道的采集地震剖面?？梢钥吹?，二維單纜的初至波從第1到第1 920道所用時間大約為4s，3條纜第一道的初至波在100ms時刻到達，而當時水溫較低，聲波在海水中的傳播速度大約為1 500m/s，證明我們的系統(tǒng)同步性能符合設計目標，并能夠滿足海洋地震勘探的要求。

圖6 二維1 920道海上試驗地震剖面

5 結(jié)論

圖7 三維3x960道海上試驗地震剖面

本研究提出一種適合于大型海上地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步采集方法，并詳細介紹了其實現(xiàn)細節(jié)。為了達到大范圍系統(tǒng)級同步能力，首先采用高速串行數(shù)據(jù)通道將時鐘和數(shù)據(jù)進行融合傳輸，利用高性能時鐘提取和去抖提純技術，將系統(tǒng)工作系統(tǒng)時鐘高精度同步分發(fā)到各數(shù)字包；其次，設計延遲補償方法和實現(xiàn)邏輯，保證系統(tǒng)發(fā)送命令能夠在各個數(shù)字包中被同步地執(zhí)行；最后為了保證前端采集模塊同步進行數(shù)據(jù)的采集，并消除采集時鐘誤差的長期累積效應，數(shù)字包將采集控制同步扇出至采集板，并采用同步復位命令來控制RS485工作時鐘的相位精確性，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)級控制命令的同步傳輸和執(zhí)行。對采集板而言，為了進一步提高執(zhí)行命令時刻的同步性能，采用本地高頻時鐘來識別提取數(shù)字包扇出的命令。最終，結(jié)合本研究所提出的同步采集方法，以及實驗測試表明，我們可以實現(xiàn)亞微妙量級的系統(tǒng)同步采集能力，系統(tǒng)規(guī)模為單纜6 000m、1 920通道，或者4纜7 680通道。我們對兩者進行了實際的海上試驗，結(jié)果驗證了本研究方法的實際可用性。

本研究方法全部采用硬件FPGA邏輯來實現(xiàn)，具有實時性強、可靠性高以及同步性能好等優(yōu)點。本方法在遠距離分布式系統(tǒng)以及傳感器網(wǎng)絡等應用中也有著重要的參考價值。

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