吳增海 宋克柱 曹 平

（1.中國科學(xué)院核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，合肥，230026）

引 言

海洋地震勘探是通過探測地層對人工產(chǎn)生的地震波的反射聲波，反演海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)，探測海洋油藏。隨著海洋油藏復(fù)雜程度的增高和海洋油氣田勘探開發(fā)難度的加大，需要更精細(xì)的地震方法應(yīng)用于油藏的評估，因此要求新的地震采集技術(shù)進(jìn)一步提高時空分辨能力，以獲得信息更全的地震資料［1］。因此，本文設(shè)計和實現(xiàn)了一種用于海洋地震勘探的高性能高精度拖纜數(shù)字包。為了滿足三維地震勘探高分辨率的要求，拖纜數(shù)字包需要達(dá)到比較高的電子學(xué)指標(biāo)，比如：高動態(tài)范圍（高于120 dB）、合適的信號帶寬（5～500Hz，1kHz采樣率下）和高增益一致性（高于99%），等。同時，由于地層的反射聲波相對于海洋環(huán)境噪聲非常微弱，因此要求數(shù)字包具有極低的電路噪聲和極高的共模抑制比。

本文提出了一種高性能、高精度、高密度的數(shù)字包結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的數(shù)字包由供電單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、信號采集單元和兩個互聯(lián)單元組成。每個結(jié)構(gòu)單元均為一印刷電路板。經(jīng)過長時間充分測試，該數(shù)字包能夠達(dá)到上文提到的各項指標(biāo)要求，且結(jié)構(gòu)上具有良好的可靠性、靈活性和可擴(kuò)寬性。

在國內(nèi)外的同類地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)的數(shù)字包［2］，采集單元與傳輸單元分離，傳輸單元管理控制其左右的采集單元，采集單元被封裝在拖纜中，導(dǎo)致一旦成纜后，數(shù)字包檢修困難。本文提出的數(shù)字包結(jié)構(gòu)，包含了采集與傳輸模塊，安裝于拖纜之間，易于檢修。也有系統(tǒng)采用在海底鋪設(shè)拖纜和數(shù)字包［3］，這樣可以降低海水引入的噪聲，但需要每個數(shù)字包單獨供電，而且施工困難，且道間距較大。本文提出的數(shù)字包采用船上高壓電源統(tǒng)一供電，單個數(shù)字包含有16個采集通道，道間距為6.25m，大大提高了系統(tǒng)分辨率。

1 數(shù)字包結(jié)構(gòu)

海洋地震勘探系統(tǒng)由水下數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)和船上主控與記錄子系統(tǒng)組成。其中，水下數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由拖纜數(shù)字包（Streamer cable digitizer，SCD）和拖纜單元 （Streamer cable unit，SCU）串聯(lián)而成，并被拖曳于探測船后。船上主控與記錄子系統(tǒng)包含工控計算機(jī)（含嵌入式的水下數(shù)據(jù)接收處理模塊）、工作站上的系統(tǒng)軟件和存儲設(shè)備。在勘探工作中，船尾的高壓氣槍陣列產(chǎn)生聲波源信號。當(dāng)聲波信號在海水和地層中傳播時，海底和不同的地質(zhì)層會反射聲波。反射的聲波信號會在分布于拖纜單元中的水聽器上產(chǎn)生壓力。壓力通過水聽器被轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog－to－digital converter，ADC）數(shù)字化后，經(jīng)數(shù)字包傳送給船上主控與記錄子系統(tǒng)［4］。得到的地震數(shù)據(jù)經(jīng)過初步數(shù)據(jù)分析處理、圖像顯示，然后有效數(shù)據(jù)將被存儲到磁盤陣列和磁帶機(jī)中。同時，系統(tǒng)支持在線的水聽器故障定位及指標(biāo)測試。

水下拖纜的結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個長度為100m的拖纜單元中分布有16組水聽器，并且由數(shù)字包串接起來。每個拖纜數(shù)字包管理16組水聽器（兩端各8組），并通過拖纜單元中的高速數(shù)據(jù)傳輸線（6類雙絞線）進(jìn)行通信。

圖1 水下拖纜結(jié)構(gòu)

拖纜數(shù)字包是水下數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的核心模塊，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸、協(xié)議解析、電源管理、狀態(tài)監(jiān)視和拖纜單元間的物理連接。拖纜數(shù)字包的結(jié)構(gòu)如圖2所示。供電單元（Power supply unit，PSU）將高壓交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，并為其他單元提供電源管理。數(shù)據(jù)傳輸單元（Data relay unit，DRU）的作用是接收和轉(zhuǎn)發(fā)控制命令、上傳采集數(shù)據(jù)、監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，同時控制下級數(shù)字包的開關(guān)。信號采集單元（Signal acquisition unit，SAU）負(fù)責(zé)16個通道的數(shù)據(jù)采集、測試信號的產(chǎn)生和各種測試模式的實現(xiàn)?；ヂ?lián)單元負(fù)責(zé)將數(shù)字包中的其他3類單元進(jìn)行整合加固連接，并實現(xiàn)本地數(shù)字包中信號電源線的互聯(lián)。每個數(shù)字包中有兩個互聯(lián)單元，結(jié)構(gòu)完全一樣。

圖2 拖纜數(shù)字包結(jié)構(gòu)

2 信號采集單元設(shè)計

每個信號采集單元由4個采集模塊組成。各采集模塊之間是相互獨立的，并且都通過接插件與數(shù)據(jù)傳輸單元相連。每個采集模塊含有4個信號采集通道，從數(shù)據(jù)傳輸單元接收控制命令和上傳采集數(shù)據(jù)。信號采集單元的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信號采集單元的結(jié)構(gòu)

每個采集模塊采集4道模擬信號，由前端模擬開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、RC濾波網(wǎng)絡(luò)、前置放大器、Δ－ΣADC、Δ－ΣDAC、DSP和連接到數(shù)據(jù)傳輸單元的接插件組成。采集模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了在線評估數(shù)字包，由Δ－ΣDAC產(chǎn)生的直流測試信號和正弦測試信號可以通過前端模擬開關(guān)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入采集通道。同時，利用水聽器的電阻電容測試算法［5］，就可以方便地在線監(jiān)測水聽器狀態(tài)和定位故障。RC濾波網(wǎng)絡(luò)對模擬信號進(jìn)行高切和低切的信號調(diào)理，同時對ADC輸入信號進(jìn)行抗混疊濾波。前置放大器采用高阻抗可編程控制的差分放大器CS3302，該放大器的增益可以由FPGA直接配置以滿足不同條件的需要。采集模塊中采用CS5372／CS5376作為數(shù)據(jù)采集芯片。CS5372是雙通道的低功耗24bitΔ－ΣADC，工作在過采樣頻率512kHz下。CS5376是4通道的數(shù)字濾波處理器，可以同時接受4通道的Δ－Σ數(shù)據(jù)流，完成抽取濾波的功能，并能完成梳狀濾波、有限脈沖響應(yīng)（Finite impulse response，F(xiàn)IR）濾波及無限脈沖響應(yīng)（Infinite impulse response，IIR）濾波。為了實現(xiàn)在線測試，采集模塊中含有一個高精度的Δ－Σ DAC CS4373A，該DAC從CS5376接收測試數(shù)據(jù)流，為系統(tǒng)提供高精度多通道的測試信號。交流正弦信號用來測試系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)，如共模抑制比，總諧波失真等，同時直流及脈沖信號通過模擬開關(guān)的選通可以測試系統(tǒng)的帶寬和水聽器的電阻電容。

圖4 采集模塊的結(jié)構(gòu)

3 數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸單元接收船上主控與記錄子系統(tǒng)的控制命令和配置信息，同時通過數(shù)據(jù)流水線上傳采集數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)傳輸單元也負(fù)責(zé)監(jiān)控數(shù)字包狀態(tài)和管理數(shù)字包序列號。FPGA是數(shù)據(jù)傳輸單元的核心，通過接插件向信號采集單元發(fā)送命令和獲取采集數(shù)據(jù)。長距離的數(shù)據(jù)傳輸主要是由2套串并／并串轉(zhuǎn)換器和線纜驅(qū)動器／均衡器來完成的，兩個數(shù)字包直接通過100m的6類線纜相連。在12MHz的系統(tǒng)時鐘下，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到了144Mb／s，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率的要求。數(shù)據(jù)傳輸單元的基本框圖如圖5所示。

FPGA是數(shù)據(jù)傳輸單元的核心，實時地控制數(shù)據(jù)采集和傳輸。數(shù)字包上電以后，F(xiàn)PGA內(nèi)部的邏輯自動初始化配置信號采集單元和數(shù)據(jù)傳輸單元，同時準(zhǔn)備接受上面發(fā)下來的命令。FPGA的邏輯采用模塊化設(shè)計，主要包括：

（1）方向判別模塊。由于數(shù)字包的對稱結(jié)構(gòu)，可以自由安裝，故要求數(shù)字包能自動區(qū)分前后方向。

（2）數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。主要控制數(shù)據(jù)和命令通道的數(shù)據(jù)流，使其流水線傳輸。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸單元框圖

（3）數(shù)據(jù)打包及協(xié)議處理模塊。完成系統(tǒng)命令的解析，以及上傳數(shù)據(jù)的按協(xié)議打包。

（4）數(shù)據(jù)獲取模塊。通過信號采集單元中的CS5376串行接口獲取采集數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。

（5）狀態(tài)監(jiān)視模塊。通過與數(shù)字包中的狀態(tài)采樣ADC的通信，獲取數(shù)字包的溫度、壓力、電壓和電流等信息，監(jiān)控整個數(shù)字包狀態(tài)，同時將狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳。

基于串行并發(fā)總線結(jié)構(gòu)［6］，數(shù)據(jù)傳輸單元含有兩條傳輸通道，即：下行命令通道和上行數(shù)據(jù)通道。傳輸通道中的數(shù)據(jù)都是以幀的格式進(jìn)行傳輸?shù)模?］，同時為了直流平衡，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都采用8b／10b編碼。上行數(shù)據(jù)通道幀格式為：幀起始、時間信息、序列號、幀類型、環(huán)境信息（溫度、壓力、電壓等）、模擬采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗、幀結(jié)束。當(dāng)數(shù)字包收到系統(tǒng)采集觸發(fā)信號時，時間戳可標(biāo)記出系統(tǒng)開始采樣時刻的數(shù)據(jù)幀。為了減少協(xié)議開銷，一個數(shù)據(jù)幀中含有4個采樣周期的采樣數(shù)據(jù)。

為了提高傳輸效率，命令和數(shù)據(jù)通道都采用了流水線的傳輸方式。命令通道流水線的實現(xiàn)方式是：當(dāng)數(shù)字包接收到上級命令時，解析命令，同時直接將命令傳給下一級數(shù)字包。對于數(shù)據(jù)通道，在系統(tǒng)同步條件下，所有數(shù)字包同一時間完成數(shù)據(jù)采集，并發(fā)地向上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)本地采集數(shù)據(jù)完成后，數(shù)據(jù)被放入FIFO中緩存，每個數(shù)字包都向上級數(shù)字包上傳本地采集數(shù)據(jù)，同時緩存來自下級數(shù)字包的采集數(shù)據(jù)。當(dāng)傳輸完本地采集數(shù)據(jù)以后，繼續(xù)上傳下級數(shù)字包的采集數(shù)據(jù)。因此，數(shù)字包的采集數(shù)據(jù)被逐級上傳，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)通道的流水線設(shè)計。數(shù)據(jù)傳輸通道的時序如圖6所示，所有的數(shù)據(jù)都必須在時間間隙T（數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生所要的時間，4個采樣周期）內(nèi)傳輸至船上主控和記錄子系統(tǒng)，以避免有效數(shù)據(jù)幀的丟失。假定數(shù)字包的個數(shù)為N，數(shù)據(jù)傳輸率為B，數(shù)據(jù)幀長度為D，數(shù)據(jù)傳輸延遲為t，因此數(shù)據(jù)傳輸率必須滿足

由此，可以得到系統(tǒng)數(shù)字包個數(shù)N必須滿足

在本文的系統(tǒng)中，B＝12MB／s，D＝200B，t＝250ns，T＝4／4k＝1ms。由此可以得出數(shù)字包個數(shù)最多為60個，滿足系統(tǒng)的要求。

圖6 數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸時序圖

4 系統(tǒng)同步設(shè)計

在一個實際的系統(tǒng)中，由于采集傳輸空間上的廣域分布，要求系統(tǒng)中各個通道之間都是同步的。對于本文設(shè)計的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)同步主要可以分為時鐘同步和命令同步。

4.1 系統(tǒng)時鐘同步

由于各個數(shù)字包上工作時鐘晶振起振的隨機(jī)性，即使每個晶振頻率一致，實際上每個采集單元時鐘的初始相位是不一致的，這就體現(xiàn)在采集時刻的不同步。另一方面，實際上所有的時鐘晶振頻率是不可能完全一致的，會產(chǎn)生累積效應(yīng)，導(dǎo)致頻率漂移［8］，這又會體現(xiàn)在采集時刻的不同步上。因此，解決時鐘同步的方法是數(shù)字包信號采樣時鐘均采用同一時鐘源。數(shù)字包中系統(tǒng)時鐘同步的方法如圖7所示。在系統(tǒng)工作時，數(shù)字包發(fā)送數(shù)據(jù)單元，并在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，將時鐘信息包含在內(nèi)。傳輸鏈上所有接收單元首先采用時鐘恢復(fù)和鎖相環(huán)（Phase locked loop，PLL）鎖相技術(shù)，從數(shù)據(jù)鏈上提取出時鐘信號，再以此時鐘作為本級系統(tǒng)工作時鐘發(fā)送到下一級系統(tǒng)。循環(huán)往復(fù)，這樣就可以保證每個接收單元上恢復(fù)的時鐘都與上級數(shù)字包上發(fā)送的時鐘保持同頻同相，從而達(dá)到系統(tǒng)時鐘同步的目的。

圖7 系統(tǒng)時鐘同步框圖

系統(tǒng)時鐘同步又可分為數(shù)字包內(nèi)部時鐘同步和數(shù)字包之間時鐘同步。在數(shù)字包內(nèi)部，各個信號采集模塊的時鐘都來自同一個PLL，保證了數(shù)字包內(nèi)部時鐘的同步。在數(shù)字包之間，由于各個數(shù)字包的時鐘都源于上級數(shù)字包時鐘，保證了數(shù)字包之間的時鐘同步。為了保證數(shù)字包時鐘都有時鐘，傳輸通道必須一直處于工作狀態(tài)，當(dāng)不傳命令和數(shù)據(jù)幀時，需要傳輸特定的同步碼流［9］。圖8是通過Lecroy WaveRunner 104MXi示波器測得的，表明了相鄰數(shù)字包之間的時鐘同步。

圖8 相鄰數(shù)字包的時鐘

4.2 命令同步

為了保證系統(tǒng)同步，所有數(shù)字包必須在同一時刻響應(yīng)系統(tǒng)命令，例如開始采集命令。對于100m的電纜上，電信號傳輸延時約為0.5μs。在12MHz的系統(tǒng)時鐘下，每對串行器／解串器的傳輸延遲為220ns。與ADC的采樣周期（0.25ms）相比，以上兩種傳輸延遲可以忽略不計。但是對于整個系統(tǒng)含有很多數(shù)字包的情況，則需要考慮傳播延遲。為了消除傳播延遲，在FPGA中實現(xiàn)了延時補(bǔ)償。首先，需要測定各個數(shù)字包的信號傳播延遲，測試方法見圖9左上部分。船上主控和記錄子系統(tǒng)先發(fā)送延時測量命令，由每個數(shù)字包記錄延時測量命令的時刻，當(dāng)最后一個數(shù)字包接收到此命令后，向前級繼續(xù)發(fā)送該命令，每個數(shù)字包記錄第2次該命令的時刻。如圖9，假定第1個數(shù)字包兩個時刻分別為T1.1和T1.2，第n個數(shù)字包的為Tn.1，Tn.2，由于傳輸通道是前后對稱的，故兩個方向上的傳輸延遲相同。從圖9中，可以看出第n個數(shù)字包的延遲補(bǔ)償為（Tn.2－Tn.1）／2。由于已經(jīng)測量出了不同的數(shù)字包延時補(bǔ)償，只需要在命令執(zhí)行前增加一個延時模塊，通過高精度時鐘對不同的數(shù)字包進(jìn)行延時補(bǔ)償，如圖9下半部分所示。這樣所有的數(shù)字包都能在同一時刻響應(yīng)系統(tǒng)命令，從而達(dá)到了命令同步的要求。

圖9 傳輸延時的測量和補(bǔ)償

5 數(shù)字包性能測試

根據(jù)The Society of Exploration Geophysicists（SEG）制定的行業(yè)規(guī)范，對地震采集儀器的性能指標(biāo)測試給出了一系列參數(shù)的定義、測量辦法和具體算法［10］。主要包括：系統(tǒng)的諧波失真、噪音、帶寬、動態(tài)范圍、道間串?dāng)_等。為了評估數(shù)字包性能，本文在數(shù)字包中設(shè)計了高性能的信號產(chǎn)生源，可以為不同的測試項目提供不同的測試信號。采集到的測試信號可以直接被船上主控與記錄子系統(tǒng)的軟件分析和顯示［11］。這里列舉了幾個重要指標(biāo)。

（1）動態(tài)范圍（Dynamic range，DR）：表征系統(tǒng)可以達(dá)到的最大值和最小值之間的范圍，即

從圖10可以看出系統(tǒng)儀器噪音小于1.3μV，儀器噪聲為1.2μV（均方根值），動態(tài)范圍達(dá)到了120dB以上。

圖10 系統(tǒng)儀器噪聲測試

（2）總諧波失真（Total harmonic distortion，THD）：諧波失真表征系統(tǒng)對于理想正弦輸入信號的非線性失真?？傊C波失真定義為諧波與信號幅度兩者的均方根值的比值，一般計算前5次諧波，并用分貝（dB）表示

圖11 系統(tǒng)總諧波失真測試

如圖11所示，系統(tǒng)THD好于－112dB，總諧波失真為－116dB，輸入信號為31.25Hz的正弦信號。

（3）系統(tǒng)帶寬（Bandwidth）：系統(tǒng)帶寬為系統(tǒng)對輸入脈沖信號的響應(yīng)。從圖12可以看出，系統(tǒng)的帶寬為2.2～450Hz，輸入脈沖寬度為0.5ms。低頻截止頻率為2.2Hz，高頻截止頻率為450Hz。

表2給出了數(shù)字包的性能測試結(jié)果，所有結(jié)果都在1kHz采樣率下測得，F(xiàn)FT數(shù)據(jù)個數(shù)為4 096。

圖12 系統(tǒng)帶寬測試

表3為系統(tǒng)數(shù)字包與國外同類系統(tǒng)的性能對比，從對比結(jié)果可以看出該數(shù)字包性能達(dá)到了國際同類系統(tǒng)的性能，能夠滿足海洋地震勘探的要求。

表2 數(shù)字包性能測試結(jié)果

表3 該系統(tǒng)與國外同類系統(tǒng)對比

6 結(jié)束語

本文給出了一種高精度、高性能的海洋地震勘探數(shù)字包的設(shè)計與實現(xiàn)。該數(shù)字包通過實驗室及近海環(huán)境的測試后表明，系統(tǒng)的實時控制、數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸均可靠工作，運行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計要求。該結(jié)構(gòu)的數(shù)字包對其他相關(guān)地震勘探和遙感系統(tǒng)均有一定的參考價值和借鑒意義。

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