邱永成++郭軼++朱耀強(qiáng)

摘 要：設(shè)計(jì)一種用于海洋物探的數(shù)字式氣槍震源控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由水上、水下兩部分組成。水上部分負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的處理顯示；水下系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一種分布式架構(gòu)，利用前端電路直接對采集波形進(jìn)行數(shù)字化處理，從而完成對于海洋物探氣槍震源的實(shí)時(shí)控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，并且能夠支持多震源的同步控制和延遲控制。

關(guān)鍵詞：地震勘探 氣槍震源 同步控制 立體震源

中圖分類號：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0016-04

氣槍震源是1960年代發(fā)明的，經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，氣槍震源逐漸成為一種重要的人工震源。海洋地震勘探一般使用氣槍作為震源，其是利用高壓空氣迅速釋放，由氣泡的膨脹與收縮而產(chǎn)生地震波的一種工具。氣槍震源系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、子波一致性好、頻帶寬、野外作業(yè)方便等特點(diǎn)[1，2]。

氣槍震源控制系統(tǒng)是氣槍震源系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，主要功能是完成對氣槍震源的激發(fā)控制，實(shí)時(shí)采集氣槍同步信號、近場子波信號、壓力和深度數(shù)據(jù)，從而對氣槍震源的激發(fā)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。氣槍震源控制系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩種。數(shù)字式氣槍震源控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是在氣槍震源附近完成采集信號的數(shù)字化處理，縮短了模擬信號傳輸?shù)拈L度，減小炮纜的芯線數(shù)量，能夠允許更小的偏移距。高質(zhì)量的3D、4D地震勘探，需要高度重復(fù)的、寬頻震源的信號，然而，目前許多勘探船舶仍使用傳統(tǒng)的模擬震源控制系統(tǒng)，控制器所需采集的模擬控制和監(jiān)測信號，通過又長又昂貴的炮纜傳遞，而炮纜在復(fù)雜的海上作業(yè)環(huán)境中，極易出現(xiàn)漏電的情況，從而導(dǎo)致模擬的震源信號不能滿足高精度3D、高重復(fù)4D 勘探的需要。數(shù)字式氣槍震源控制系統(tǒng)彌補(bǔ)了模擬氣槍震源控制系統(tǒng)的不足。

目前，氣槍震源主要有Sleeve槍、BOLT槍、G槍等，氣槍震源控制系統(tǒng)由國外壟斷，這制約了我國海洋地震勘探技術(shù)的發(fā)展。該文提出一種用于海洋物探的數(shù)字式氣槍震源控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成對海洋氣槍震源的同步控制和延遲控制，對于立體震源的研究、氣槍陣列組合及氣槍震源控制方式的研究具有實(shí)際的應(yīng)用意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字式氣槍震源控制系統(tǒng)主要分為硬件平臺與操作控制軟件兩部分，硬件平臺包括水下及室內(nèi)硬件；軟件部分主要至系統(tǒng)控制軟件，運(yùn)行于水上工作站。系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)目標(biāo)如下。

（1）水下單元。

①同步控制精度0.1ms；

②點(diǎn)火電壓60/90VDC；

③近場采樣率0.25、0.5、1、2、4ms；

④近場采樣分辨率24bit；

⑤壓力深度采樣分辨率16bit。

（2）室內(nèi)單元。

①可控制陣列數(shù) 12個(gè)；

②支持震源數(shù) 4個(gè)；

③一個(gè)陣列可控制子槍數(shù) 12個(gè)；

④近場記錄格式SEG-D；

⑤最小內(nèi)部循環(huán)時(shí)間小于3 s。

數(shù)字式氣槍震源控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。水下硬件包括近場采集、同步信號采集、點(diǎn)火控制以及數(shù)據(jù)傳輸板；室內(nèi)硬件包括數(shù)據(jù)接收板和控制板。

近場信號采集采用專用地震信號采集套片，同步信號和壓力深度信號的采集采用高精度采集芯片[3，4]，采集數(shù)據(jù)的處理采用FGPA完成，高壓485傳輸機(jī)制對數(shù)字化的信號進(jìn)行長距離傳輸，在室內(nèi)對點(diǎn)火控制以及采集數(shù)據(jù)的處理通過百兆網(wǎng)絡(luò)與操作軟件實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和槍控觸發(fā)信號的接收功能；控制軟件部分完成系統(tǒng)整體控制功能，包括參數(shù)配置、命令發(fā)送、操作控制、數(shù)據(jù)記錄、實(shí)時(shí)顯示等。

整個(gè)水下系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成一種分布式架構(gòu)，可分為多個(gè)陣列，每個(gè)陣列支持多個(gè)采集傳輸單元模塊。該架構(gòu)使得該系統(tǒng)能夠支持多氣槍陣列的同時(shí)點(diǎn)火控制、數(shù)字化處理等（圖1）。

水下單元是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，位于水下每個(gè)子槍的附近，包括采集包和傳輸包。采集包主要是實(shí)現(xiàn)對每個(gè)氣槍的點(diǎn)火進(jìn)行控制，并把同步信號、近場和壓力深度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，傳輸包主要實(shí)現(xiàn)把每個(gè)槍陣所有采集包的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞覂?nèi)系統(tǒng)。

室內(nèi)控制單元主要實(shí)現(xiàn)對水下各單元的控制，把接收的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給工作站，包括室內(nèi)控制箱體和電源箱體兩部分。

2 水下單元設(shè)計(jì)

水下單元包括采集模塊、傳輸模塊和連接線，如圖2所示，位于水下氣槍附近1 m左右，與傳感器一起安裝在槍架上，其兩端共有兩個(gè)8芯AG插座，分別用于供電、命令和數(shù)據(jù)的發(fā)送、連接近場檢波器、連接外部的壓力或者深度傳感器以及連接氣槍震源的電磁閥和線圈。由于采集模塊安裝與水下與氣槍距離約1m左右，氣槍激發(fā)時(shí)振動比較大，因此采集模塊的制作需要采取防水和防振措施。

每個(gè)采集模塊負(fù)責(zé)的工作有如下幾項(xiàng)。

（1）命令的接收與發(fā)送：接收室內(nèi)控制單元傳來的命令，根據(jù)命令字和命令號進(jìn)行解析，控制采集及傳輸部分的工作，同時(shí)控制電磁閥的點(diǎn)火。

（2）數(shù)據(jù)采集：采集近場檢波器、壓力和深度傳感器的數(shù)據(jù)，按照一定的格式打包發(fā)給室內(nèi)控制單元。

（3）供電：采集模塊把輸入的DC48V電源轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集板和本級壓力深度傳感器需要的電源。

水下單元的數(shù)據(jù)傳輸通過RS485完成，各個(gè)級聯(lián)傳輸包之間通過RS485總線方式實(shí)現(xiàn)水下單元的數(shù)據(jù)傳輸。該單元需要完成與室內(nèi)控制單元通訊、控制氣槍震源的點(diǎn)火、采集氣槍線圈數(shù)據(jù)、采集近場傳感器數(shù)據(jù)、采集壓力深度傳感器的數(shù)據(jù)、采集輔助數(shù)據(jù)、點(diǎn)火檢測及狀態(tài)判斷等功能。

數(shù)據(jù)采集部分則采用專門的高精度AD采集氣槍震源線圈以及近場傳感器的數(shù)據(jù)；采用單片機(jī)來對電磁閥點(diǎn)火及數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行控制，利用單片機(jī)的內(nèi)部AD來采集壓力、深度以及輔助數(shù)據(jù)。命令和數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送采用RS485總線傳輸，由于炮纜的長度一般在四五百米左右，每個(gè)槍陣的第一個(gè)采集模塊與室內(nèi)系統(tǒng)的傳輸距離應(yīng)該要達(dá)到600 m，因此485傳輸距離要大于600 m。

3 室內(nèi)控制箱體設(shè)計(jì)

控制箱體位于室內(nèi)，與上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，與導(dǎo)航和采集系統(tǒng)通過同軸電纜進(jìn)行連接，與水下單元通過RS485總線進(jìn)行相連，與電源箱體通過RS485總線相連，如圖3所示。主要完成如下功能。

（1）通過百兆網(wǎng)口接收控制工作站的控制命令和配置參數(shù)，并通過RS485總線轉(zhuǎn)發(fā)給12個(gè)水下單元陣列以控制其工作狀態(tài)。

（2）接收12個(gè)水下單元陣列傳來的數(shù)據(jù)，分離出線圈數(shù)據(jù)、近場檢波器數(shù)據(jù)、壓力和深度傳感器數(shù)據(jù)以及狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過百兆網(wǎng)口發(fā)送給控制工作站。

（3）實(shí)現(xiàn)對電源箱體以及12條炮纜供電的控制功能。

（4）接收導(dǎo)航傳來的Nav_start，產(chǎn)生TB信號，控制水下單元的工作方式。

（5）接受控制工作站傳來的報(bào)警信息，進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。

4 系統(tǒng)工作協(xié)議

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，需要建立如圖4所示的通訊通道。其中，通道①為系統(tǒng)控制單元（SCU）與工作站之間的通道為上行數(shù)據(jù)通道，通道②為SCU與工作站之間的通道為下行的命令通道，通道③為SCU與采集板之間的命令數(shù)據(jù)通道。其中①、②為網(wǎng)絡(luò)通信，③為RS485總線通信方式。

系統(tǒng)的總體流程包括兩條主鏈路流程：一是命令流程，二是數(shù)據(jù)流程。

（1）命令流程：由工作站或者SCU發(fā)起，按通信協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)的初始化配置、工作模式設(shè)置、正常放炮、QC監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲控制等所有命令的封裝、發(fā)送，并由SCU箱體內(nèi)的板卡進(jìn)行命令的解析、轉(zhuǎn)發(fā)，一部分命令由SCU箱體內(nèi)的板卡進(jìn)行處理，一部分命令轉(zhuǎn)發(fā)至水下單元執(zhí)行。命令流程中還包括SCU箱體內(nèi)同步指令的處理流程與命令反饋信息處理流程。

（2）數(shù)據(jù)流程：由水下單元采集電磁閥線圈、近場、壓力和深度傳感器以及各種輔助的數(shù)據(jù)，進(jìn)行封裝后通過485總線通信方式發(fā)送給SCU箱體內(nèi)的CPU板，按通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析和處理，再進(jìn)行封裝后傳給工作站完成數(shù)據(jù)的存儲與監(jiān)控等。

5 測試與驗(yàn)證

氣槍震源控制系統(tǒng)的主要功能是完成對氣槍震源的點(diǎn)火控制，實(shí)時(shí)采集氣槍同步信號、近場子波信號、壓力和深度數(shù)據(jù)，從而對氣槍震源的點(diǎn)火質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。為驗(yàn)證該文所提設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用Altera公司的Stratix系列芯片以及ST公司基于ARM Cortex-M3核的STM32F103R8處理器作為主要實(shí)現(xiàn)芯片，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套數(shù)字化震源控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)室和海上現(xiàn)場測試，包括系統(tǒng)通信測試、系統(tǒng)監(jiān)控測試、系統(tǒng)性能測試等方面。2015年3月，該系統(tǒng)在物探船上進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)，圖5為進(jìn)行水下單元固定安裝的現(xiàn)場圖；圖6為響炮時(shí)一個(gè)陣列的氣槍同步波形及近場檢波器的采集波形；圖7為隨機(jī)響炮時(shí)近場檢波器連續(xù)采集的3炮波形圖。

野外試驗(yàn)進(jìn)行了兩天，連續(xù)響炮約4 000炮，整個(gè)試驗(yàn)過程中整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，氣槍的延遲誤差在0～0.02 ms左右，與模擬氣槍震源控制系統(tǒng)的零點(diǎn)幾毫秒相比，該套系統(tǒng)的同步控制精度提高了一個(gè)數(shù)量級，達(dá)到了與國外數(shù)字槍控相同的指標(biāo)；另外，野外還進(jìn)行了氣槍震源延遲控制試驗(yàn)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)3種方式的延遲控制：（1）陣列與陣列間固定延遲響炮；（2）每一條槍固定延遲響炮；（3）所有槍隨機(jī)響炮。氣槍震源延遲控制的實(shí)現(xiàn)對于立體震源的研究、氣槍陣列組合及氣槍震源控制方式的研究具有實(shí)際的應(yīng)用意義，可以拓展平面震源的低頻端能量、補(bǔ)償高頻端的陷波點(diǎn)，有利于深海油氣地震勘探的中深部目的層成像[5]。

6 結(jié)語

氣槍震源控制系統(tǒng)直接關(guān)系著海洋物探震源工作的穩(wěn)定性、可靠性以及震源性能，該文提出一種數(shù)字式氣槍震源控制系統(tǒng)，由水上、水下兩部分組成，分別用于完成系統(tǒng)監(jiān)控以及近場地震波形數(shù)字化采集。水下系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一種分布式架構(gòu)，利用前置高品質(zhì)數(shù)字化電路直接對近場波形進(jìn)行數(shù)字化處理。在水下采集和傳輸模塊的共同配合下，數(shù)字化信號直接送至水上系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而完成對于海洋物探氣槍震源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、易于實(shí)現(xiàn)，并且具備良好的擴(kuò)展能力。實(shí)驗(yàn)室及海上試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)除了能夠滿足海洋物探對于氣槍震源控制系統(tǒng)的同步控制要求外，還能夠?qū)崿F(xiàn)氣槍震源的多種延遲控制方式，對于立體震源的研究、氣槍陣列組合及氣槍震源控制方式的研究具有實(shí)際的應(yīng)用意義，可以拓展平面震源的低頻端能量、補(bǔ)償高頻端的陷波點(diǎn)，有利于深海油氣地震勘探的中深部目的層成像。

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