易碧金 穆群英 王蘇華 李 萍

(1.東方地球物理公司儀器服務中心 河北 涿州 072751;2.東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著電子、通信、制造工藝等技術的發(fā)展以及物探技術快速發(fā)展對裝備的需求，集先進技術于一體的地震儀器發(fā)展迅速。特別是地球物理勘探技術和無線通訊技術的發(fā)展，把地球物理勘探開發(fā)儀器帶入了一個快速發(fā)展的時期，有線地震儀、無線地震儀、節(jié)點式地震儀、一體化地震儀、混合式地震儀等層出不窮。近年來，隨著物探技術對實時采集道數(shù)需求的進一步提高、有線地震儀器的進一步完善以及節(jié)點式地震儀應用的成功嘗試，無線地震儀器的概念似乎在逐步淡出人們的視野。然而，無線傳輸?shù)奶攸c注定了地球物理勘探開發(fā)市場離不開 無 線，GPS、BD、WiFi、TSCH (Time Synchronized Channel Hopping)、Bluetooth、RFID、4G、5G 以及MIMO、TDMA、CDMA、FDD - LTE、LTE FDD、C - RAN(Centralized，Cooperative and Cloud Radio Access Network)、SDR(軟件定義的無線電)、SDN(Software - Defined Networking)/NFV(Network Functions Virtualization)、UDN(Ultra-Dense Network)、multi - RAT、D2D(Device - to - Device)、SON(Self Organizing Network)、SE(Spectral Efficiency)、EE(Energy Efficiency)等無線及無線網絡技術的詞匯卻在物探裝備行業(yè)愈來愈引人矚目，與物探裝備的關系也越來越密切，正確認知無線及其相關的技術對物探裝備的開發(fā)、制造、測試與應用越來越重要。

1 無線儀器發(fā)展概況

1.1 傳統(tǒng)無線遙測地震儀

自地球物理勘探開發(fā)開始至今，國內外地球物理儀器生產商幾十年來就一直致力于無線地震儀器的探索與研究。無線遙測地震儀利用無線系統(tǒng)發(fā)送指令和傳輸采集數(shù)據，地震儀器的中央控制系統(tǒng)與地震數(shù)據采集站點之間直接采用電臺進行通信，省去了重型地震電纜的連接和運輸，這不僅增加了儀器應用的靈活性，排列部署更方便快捷，并且降低了數(shù)據采集作業(yè)對環(huán)境的影響，更適應于地表通過較為困難的復雜地形以及海上勘探。具有代表性的是美國FairFiled 公司的BOX 和法國Sercel 公司的Eagle88 儀器等。BOX 以最大道能力8 000、傳輸距離達十公里而影響較大。

傳統(tǒng)的無線遙測地震儀均采用窄帶無線通訊方式實時傳輸采集的地震數(shù)據，其無線系統(tǒng)使用射頻通訊技術，而不是真正意義上的網絡通訊技術［1］。例如BOX 儀器采用了頻率合成、站內疊加、軟件相關、QPSK 調制、多頻道回收等技術，可以同時以數(shù)十個頻道接收采集數(shù)據［2］。采用這種無線技術的儀器，主要受頻率資源的限制，使其在實時采集道數(shù)上難以擴充，不能滿足如今大道數(shù)、大范圍數(shù)據采集的勘探作業(yè)需求，加之功耗較大，已難適應物探對裝備的需求。

1.2 無纜節(jié)點儀器

無線地震儀和自主節(jié)點式地震儀也統(tǒng)稱無纜地震儀。近年來國際高端物探市場出現(xiàn)了以“兩寬一高”為代表的物探技術，而支撐該技術實現(xiàn)的最大瓶頸是大型、經濟、可靠的采集裝備系統(tǒng)。現(xiàn)有的有線采集系統(tǒng)進行高密度數(shù)據的采集，在成本和施工組織上已經不能很好地適應，因此催生了無纜節(jié)點儀器。近年來，無纜節(jié)點儀器在勘探儀器市場占據的份額在逐步增加。節(jié)點儀器不使用無線技術實時傳輸采集的地震數(shù)據，只是在必要時應用低功耗的無線技術(例如藍牙)來進行采集點參數(shù)的配置、狀態(tài)信息的監(jiān)控，甚至完全不使用無線傳輸技術，所以這些儀器稱不上完全意義上的無線儀器。

最早提出并且應用于地球物理勘探的節(jié)點儀器是東方地球物理公司研發(fā)的3S 儀器、日本JGI 公司的MS-2000 等。目前國內、外有許多設備研發(fā)和生產制造廠家進行無纜節(jié)點儀器的研究和生產服務，具有代表性的有INOVA 公司的HAWK，GEOSPACE 公司的GSX/GSR，F(xiàn)airfield 公司的Z_LAND 以及AutoSeis 公司的HDR 等。這些儀器的共同特點是:

1)無電纜，獨立式的采集站自主記錄數(shù)據，本地存儲;

2)采集站內置高靈敏度GPS 模塊和高精度時鐘源，實現(xiàn)精確的系統(tǒng)級同步采集;

3)低功耗設計，內置高容量鋰電池或外接電池滿足長時間連續(xù)工作;

4)通過激發(fā)點激發(fā)的GPS 時間提取出每道有用記錄數(shù)據;

5)通過有線或無線串行接口，例如RS485、WiFi、Zigbee 或藍牙等近距離通信技術，輔助配置采集站的參數(shù)、回收站體狀態(tài)信息和采集數(shù)據狀況。

這些儀器的不足之處是不能在主機實時監(jiān)控地震采集數(shù)據和節(jié)點狀態(tài)信息，只能通過手持設備以無線方式近距離回收;對地震數(shù)據的質量分析一般都要等到把采集站收到室內后，連接到專用機架上下載每個采集站存儲的地震數(shù)據，并進行道集合成后才能進行。所以，不利于在野外現(xiàn)場實時控制采集質量。

1.3 新一代無線地震數(shù)據采集系統(tǒng)

人們習慣于把采用無線傳輸技術來進行實時地震數(shù)據采集(傳輸)的儀器稱為無線儀器。物探裝備行業(yè)也熟知最晚退出物探市場的BOX 無線地震儀器，我們暫且稱采用新的無線網絡技術、性能(主要指實時采集道數(shù)、功耗等)大幅提高、能夠實時集中紀錄地震數(shù)據的無線地震儀器系統(tǒng)為新一代的無線地震數(shù)據采集系統(tǒng)。其最大的區(qū)別在于采用了新的無線網絡傳輸技術(有別于傳統(tǒng)的射頻傳輸)，使實時采集道數(shù)可以達到萬道以上，并且功耗顯著降低。最早被認為是新一代無線地震儀器的有美國iSeis?公司推出的SigmaTM、Wireless Seismic 2012 年推出的RT2、Sercel 公司的Unite 儀器等。

1)SigmaTM，基于無線網絡，內置GPS，連續(xù)記錄30 d的數(shù)據?？偟罃?shù)大于5 萬道。采用Wi -Fi 技術傳輸采集的地震數(shù)據，采用MRN 技術進行QC 監(jiān)控及地面站單元的遠程控制。并且具有多種時間選項、多種數(shù)據回收選項［3］。

2)RT2 具有地震數(shù)據的連續(xù)同步采集和無線實時傳輸功能，能實時監(jiān)控環(huán)境噪音。其采集站有數(shù)據壓縮和疊加功能。除了傳輸是無線外，放炮類似于有線儀器。每個采集站既是采集站也是中繼站，以逐個接力方式回傳到線接口單元，實現(xiàn)一個排列的數(shù)據傳輸。在連續(xù)記錄模式下，單線實時在2 ms 采樣率帶道能力為400道;具有5 萬道的實時傳輸采集能力［4］。

2 不同無線技術在無線地震儀器中的功用

2.1 VHF

甚高頻(VHF)，這一30 MHz ～300 MHz 的無線電頻帶，包含了大家熟知的石油行業(yè)專用通信頻率。因為它可在視距范圍內進行通信，早期的無線遙測地震儀大多使用VHF 通信技術。例如Fairfield 公司的BOX 儀器，其工作頻率在214 MHz ～234 MHz 通頻帶，每個頻道帶寬20 kHz，最大可提供1 000 個無線通道，可以實現(xiàn)4 000道或8 000 道的實時地震數(shù)據采集(每個采集站設計為四道或八道)。但由于VHF 通信方式提供的通道數(shù)有限(不適合當前的高密度大道數(shù)施工需求)，通信距離限制在視線距離內且受制于主機發(fā)射功率，傳輸質量易受電視臺等其它空間電磁干擾以及地形地物的影響等原因，VHF 傳輸技術正逐步淡出地震數(shù)據傳輸舞臺。但相對而言，這種傳統(tǒng)技術的傳輸距離較遠，作為一種集中的同步方式仍然具有研發(fā)的價值和潛在的應用市場。

2.2 藍牙(Bluetooth)

藍牙(Bluetooth)是一種工作在2.4 GHz ISM 頻段、比較老但仍活力十足的短距離無線通信技術。它使用簡單，能確保多種設備連接的互操作性，能以最低耗能提供持久的無線連接。它采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點及點對多點通信;采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸。能為固定與移動設備之間提供低成本的近距離無線連接，這也是最早用于地震儀器的一種近場通信技術。但由于通信距離短，速率也不高，在地震節(jié)點儀器中，主要用于手持設備對采集節(jié)點的近距離控制與數(shù)據回收。

藍牙已經發(fā)布從1.1 至4.2 共8 個版本，傳輸速率分別為748 kbps ～810 kbps(1.1 版)、748 kbps ～810 kbps、1.8 Mbps ～2.1 Mbps(2.0 版)、24 Mbps(4.0 版)、60 Mpbs(4.2 版)。有效覆蓋范圍從10 m(4.0 之前的版本)擴大到100 m。4.0 版的低功耗;4.1 版提升了連接質量，重連時間間隔靈活、可變，同時改善了與LTE 等最新一代蜂窩技術的無縫協(xié)作，降低了近帶干擾;4.2 版本除提高數(shù)據傳輸速度和安全性外，還增添了IPv6 協(xié)議下的“設備直接聯(lián)網”，允許多個藍牙設備通過一個終端接入局域網或互聯(lián)網;更值得關注的是SIG(Bluetooth Special Interest Group)在2015 年正式宣布成立Bluetooth?Smart Mesh 工作組。這一工作組將構建架構，助力Bluetooth Smart 技術實現(xiàn)標準化的mesh 網絡功能，而這一技術也同樣認為是適合于大規(guī)模地震數(shù)據采集的無線監(jiān)控技術。藍牙的小巧、省電，非常適用于地震儀器采集節(jié)點這些體積較小、運行功率很低、通信距離不長的設備的無線連接應用。特別是低功耗藍牙(LE)采用了一種簡單的協(xié)議棧，在減少待機功耗、降低峰值功率和實現(xiàn)高速連接三個方面具有優(yōu)勢，正在獲得越來越多元件與模塊供應商的支持。隨著其網絡標準的進一步完善，這一技術在地震中的應用將日趨廣泛。

2.3 RFID、NFC

RFID(射頻識別)是一種利用射頻信號來識別特定目標并讀寫相關數(shù)據、而識別系統(tǒng)與特定目標之間無需建立機械或光學接觸的近距離無線通信技術。RFID 技術已經成為物聯(lián)網發(fā)展最為關鍵技術。與條形碼不同，射頻標簽可以嵌入被追蹤物體內部而無需處于識別器視線之內;另外這種非接觸識別能穿透冰、雪、霧、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標簽，并且閱讀速度極快(小于100 ms)。RFID 產品可以采用許多種載波頻率，見表1，涵蓋了低頻、高頻、超高頻及微波，通信的距離從幾厘米至十多米，由于其具有讀取方便快捷、識別速度快、數(shù)據的記憶容量大、標簽數(shù)據可動態(tài)更改、動態(tài)實時通信(50 次/s ～100 次/s)、安全性好、使用壽命長、應用范圍廣等特性而越來越受矚目。隨著高效、高精度勘探發(fā)展對物體裝備數(shù)量的急劇增加，設備數(shù)字化、精細化管理的需求，在物探市場，RFID 技術作為條碼技術的替代已逐步成為物探設備物資管理的手段，并且成功應用到了地震儀器中。特別是半有源RFID 技術(近距離激活定位、遠距離識別及上傳數(shù)據的低頻激活觸發(fā)技術)，在電池供電的無線地震儀器中將會有廣闊的應用空間。

表1 RFID 頻段及應用

NFC(Near Field Communication)是2002 年發(fā)明的一項無線技術。NFC 技術RFID 及互聯(lián)互通技術整合演變而來，在單一芯片上結合感應式讀卡器、感應式卡片和點對點的功能，具有雙向連接和識別的特點，能在短距離內與兼容設備進行識別和數(shù)據交換。NFC 工作在13.56 MHz;具有卡片模擬(無源模式)、讀/寫(有源模式)、點對點三種工作模式;傳輸速率從106 kbps 到424 kbps。雖然NFC 是RFID 技術的一個子集，但它具有一些獨特的增強性能:更短距離(＜10 cm)、直觀的鏈接過程、能夠與無源的RFID 產品進行通信、與藍牙和Wi - Fi 協(xié)作。這個開放的接口平臺，可以對無線網絡進行快速、主動設置，也是虛擬連接器，服務于現(xiàn)有蜂窩狀網絡、藍牙和無線802.11 設備。

2.4 Zigbee

ZigBee 是一種基于IEEE802.15.4 規(guī)范、工作在2.4 GHz 和868 MHz/915 MHz 頻段的無線技術。由于它低成本、低功耗、低數(shù)據率、自組網的特點，在自動控制和遠程控制領域應用愈來愈廣。這種適用于近距離控制與數(shù)據回收的無線通信技術，目前已經應用于地球物理重、磁、電等非地震勘探領域中的數(shù)據采集設備中。理論上ZigBee 通訊的覆蓋面積可無限擴展，其低數(shù)據速率無法應對高精度勘探中大數(shù)據量的傳輸，但其帶路由的自組網功能正被物探裝備技術開發(fā)人員嘗試應用于超大規(guī)模節(jié)點采集應用場合的設備狀態(tài)監(jiān)控。

2.5 WiFi、MeshWiFi、TSCH

除了以上例舉的幾種短距離場通信技術之外，還有一種大家較為熟悉的短距離場通信技術—WiFi，與藍牙等不同，WiFi 可以應用于較大數(shù)據傳輸、傳輸速率可以達到300 Mbps 到1 Gbps。目前成功應用于地震儀器中小范圍區(qū)域控制與數(shù)據回收。

由于Wi -Fi 的一些局限性，近年來出現(xiàn)了針對Wi-Fi 技術改進或完善的先進技術，例如無需額外的發(fā)射功率和頻譜資源就可以極大地提高無線通信系統(tǒng)容量的MIMO(多輸入多輸出)技術，兼容Wi -Fi、增加傳輸距離和移動性、擴展Wi-Fi 應用的Mesh (無線網狀網)網絡。Mesh 網基于多跳路由、對等網絡技術，具有移動寬帶的特性，自組網、自管理，自動修復、自我平衡以及能夠利用功率相對低的無線電設備在節(jié)點之間轉發(fā)信息等功能而得到了越來越廣泛的采用。特別是TSCH(時間同步通道跳頻)網狀網絡，已經在一些最嚴苛的環(huán)境中得到證實。TSCH 已經成為 WirelessHART(IEC62591)等現(xiàn)有工業(yè)無線標準的基本構件。如今，SmartMesh 網絡已經得到廣泛使用。

3 無線儀器面臨的機遇、挑戰(zhàn)與解決方案

3.1 無線儀器發(fā)展的機遇

無線通信技術、物探技術的發(fā)展，給無線地震儀器的發(fā)展帶來了新的機遇。一方面，隨著地球物理勘探區(qū)域向城市、沙漠、丘陵、江湖、山地、黃土塬、沼澤、海洋等復雜地區(qū)延伸;“兩寬一高”以及環(huán)保和高效勘探的需求，推動對具有靈活特點的大型無線地震儀器的需求。另一方面，大數(shù)據時代，特別是物聯(lián)網技術的高速發(fā)展，極大地推動了無線技術的快速發(fā)展。無線技術的完善、標準化，各種特色傳輸技術和網絡技術的相互融合，給無線地震儀器的研發(fā)提供了強勁的動力。

1)移動通信技術。移動終端可連接地面網和衛(wèi)星網，可移動使用和固定使用，可與衛(wèi)星業(yè)務共存和互連;移動通信從1G、2G、3G、4G、再到正在討論的5G 通信技術;在任何地方用寬帶接入互聯(lián)網、提供定位定時、數(shù)據采集、遠程控制。無線技術的每次進展都會給物探地震儀器帶來很大的影響。

2)無線通信協(xié)議。通信協(xié)議和標準的推出是一種技術或產品成熟的標志，近年來基于802.15 的無線通信新標準和協(xié)議不斷公布，使得LOT(物聯(lián)網)、智能家居系統(tǒng)、低功耗無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)等采用不同無線傳輸技術的標準陸續(xù)形成，兼容性、接入性愈來愈完善，網絡帶寬大大增加。例如，許多LoT 技術就是以IEEE 802.15.4 標準物理層為基礎構建的，包括ZigBee 和WirelessHART。WSN 采用IEEE 802.15.4 定義的2.4 GHz、16 通道擴頻低功率物理層，與單通道802.15.4 WSN 相比，TSCH 網絡的可用帶寬擴大到15 倍。

3)無線傳輸芯片。LOT、智能家居等的巨大商機推動了無線芯片開發(fā)廠商不斷推出新型功能強大、兼容多種協(xié)議、功耗低的“微控制器+無線通信”器件，全面滿足不同聯(lián)網需求。無線技術集成一體化已成為一種趨勢，未來會出現(xiàn)類似藍牙+WiFi +NFC 等集成產品。例如802.15.4 收發(fā)器在休眠、接收和發(fā)送等方式的功耗一直穩(wěn)步下降，LTC5800 -IPM 比前一代802.15.4 收發(fā)器低3 至5 倍。NFC 器件MLX90130/32 單顆芯片支持多種協(xié)議、芯片功耗低(休眠模式1 μA，睡眠模式20 μA，工作模式100 mA，標簽探測模式22 μA)。整合TSCH 與低功率硬件將在地震儀器的節(jié)點采集聯(lián)網中可產生巨大威力。

3.2 無線儀器發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

地震儀器最為關鍵的技術之一是通信。在有線地震儀器中，通信信號在有限的電纜中傳播，通信通過電纜系統(tǒng)與外界隔離，是一個相對封閉的傳輸環(huán)境，因此有線地震儀器具有排列穩(wěn)定、抗干擾等優(yōu)越性。與此不同，無線儀器的核心是無線通信技術，RF 信號是在一個開放的空間傳播，是一種不可預測的通信介質，與周圍環(huán)境相互影響。其它RF 信號傳輸源會對有用RF 信號引起有源干擾。較常見的是多徑衰落的影響，而更為嚴峻的是多徑衰落是不可預測的。無線傳輸在無線性能增強技術、功率控制與管理、抗干擾和穩(wěn)定性方面得到提高，在不可預測的通信介質上建立起可預測的通信網絡，一直是無線地震儀器要挑戰(zhàn)的內容。

無線儀器的另外一個更為嚴峻的挑戰(zhàn)是面對幾十萬道乃至百萬道的地震數(shù)據采集時，數(shù)據傳輸速率和頻率資源的利用。隨著無線通信技術的發(fā)展，采用通道跳頻實現(xiàn)頻率多樣性，可以最大限度減小多徑衰落的負面影響。但要在復雜區(qū)域下進行高效益、高分辨率勘探時，滿足大道數(shù)、大數(shù)據、大動態(tài)、低成本的需求，無線地震儀器同樣面臨同步、采集數(shù)據傳輸管理、系統(tǒng)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。為滿足“兩寬一高”的大道數(shù)地震數(shù)據采集作業(yè)需求，能否在大型多跳網絡上運用通道跳頻技術，并且滿足時間(同步)、速率(數(shù)據傳輸率和數(shù)據傳輸效率)和可靠性的需求成為新的挑戰(zhàn)。無線傳輸網絡必須能夠滿足規(guī)模非常大的網絡需求，按照期望的時間間隔發(fā)布數(shù)據，并在不犧牲可靠性或網絡可用性的前提下實現(xiàn)低功率。

3.3 無線儀器的解決方案

地震儀器的關鍵技術離不開采集節(jié)點的控制與采集數(shù)據的傳輸，無線地震儀器在此基礎上還需要重點考慮整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性、采集與傳輸設備的功耗、排列部署及附屬設備(例如電池與充電)的管理。無線技術都是為特定的應用領域開發(fā)出來的，目前市場上現(xiàn)有的各種不同通信方式都是服務于特定的應用場景。由于地球物理勘探數(shù)據采集的特點，單一地采用或移植目前其它領域成熟的無線技術，很難滿足物探行業(yè)的實際需求，需要針對物探數(shù)據采集的特點開發(fā)對應的無線傳輸技術，但這需要巨大的投入。一個折中的方法是充分利用市場現(xiàn)有技術及新的技術進行裁剪與優(yōu)化的個性化改造，最有效的方法之一是對目前各種特定的無線網絡技術進行集成化改造，不同通訊或傳輸技術優(yōu)勢互補，針對具體的數(shù)據采集作業(yè)項目，靈活選擇與之相匹配的技術來達到高效、高質、低成本的勘探開發(fā)的需求［5］。

lot、WSN 的發(fā)展和完善為無線地震儀器的區(qū)域網絡采集提供了很好的技術支持。尤其是采用TSCH 技術的網格架構，跨整個多跳網絡實現(xiàn)嚴格的時間同步，嚴密協(xié)調通信及頻道使用，整個網絡的時間標準準確度在幾十微妙以內;TSCH 網絡的流量傳送可以動態(tài)地安排在各個時隙中，既實現(xiàn)了配對的通道跳頻、完整路徑和頻率多樣性，如圖1［1］所示，也實現(xiàn)了低功耗數(shù)據包交換和高可用性動態(tài)占空比。這些特點可較好地滿足節(jié)點式自主采集的遠程監(jiān)控需求。時間同步化網狀網絡的推出及成功應用，說明低功耗無線系統(tǒng)的應用變成了現(xiàn)實。

圖1 路徑和頻率多樣性—節(jié)點D 連接B 失敗時，會利用通路多樣性和頻率多樣性嘗試連接C 通道。

4 結論與建議

無線地震儀器，特別是無線與存儲相結合的新型無線地震儀器提供了很有誘惑力的前景，隨著集成一體化技術的發(fā)展、無線通訊技術的整合和彼此協(xié)作，無線通信的未來必然是各種無線技術互補發(fā)展，向網絡一體化、接入多元化、應用綜合化的寬帶無線網絡發(fā)展。Bluetooth、Wi -Fi、Mesh、TSCH 等技術在HAWK、RT2 等地震儀器或其它無線傳感器網絡的實際應用中得到了驗證。隨著無線技術本身的發(fā)展和進一步優(yōu)化，LTE、Wi-MAX、TSCH 和Zigbee 等新型互補性接入技術的應用，使得在任何復雜作業(yè)環(huán)境下，采用無線路由和多點無縫接入傳輸技術，實現(xiàn)無障礙傳輸通信，滿足大道數(shù)、全數(shù)字的實時地震數(shù)據采集在不久的將來將成為現(xiàn)實。無線系統(tǒng)可提供與有線系統(tǒng)相媲美的可靠性，代替有線系統(tǒng)而做到更輕便化簡單化。

［1］吳海超，林 君，張林行.地震儀器中應用的網絡通訊技術研究［J］.地球物理學進展，2012，27(4):1822 -1831.

［2］易碧金，穆群英，羅富龍.當前地震勘探儀器的應用技術分析［J］.地球物理學進展，2004，19(4):837 -846.

［3］iSeis?(International Seismic Co.，Seismic Source Co)公司.SigmaTM地震數(shù)據采集系統(tǒng)簡介.(資料)

［4］美國Wireless Seismic 技術公司.RT2 地震數(shù)據采集系統(tǒng)簡介.(資料)

［5］劉振武，撒利明，董世泰，等.地震數(shù)據采集核心裝備現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］，石油地球物理勘探，2013，48(4):663-675.