SmartSolo 節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用

鮑曉龍，白 濤，侯剛棟，李 偉

（中國煤炭地質(zhì)總局 物測隊，河北 邢臺 054000）

1 概 況

目前，地震勘探技術(shù)水平日益提升，而在地震勘探數(shù)據(jù)采集質(zhì)量、采集精度、采集范圍等諸多方面的要求也愈發(fā)嚴格，各個勘探服務(wù)公司普遍傾向于獲取超寬頻帶、超寬方位角，并且覆蓋次數(shù)相對更高的信息數(shù)據(jù)，對地震勘探的有效目的層作出更詳細的解釋，對于一些結(jié)構(gòu)相對更加繁瑣、復(fù)雜地質(zhì)條件，可以獲得相對更高的分辨率，從而獲取效果更佳的成像質(zhì)量。因此，對數(shù)字地震儀采集系統(tǒng)各方面性能要求更加嚴格，有效的接收排列也就越來越大。盡管現(xiàn)階段應(yīng)用相對比較廣泛的有線數(shù)字地震采集設(shè)備仍然廣泛應(yīng)用在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，但在施工地區(qū)地表地物條件復(fù)雜區(qū)域，無線數(shù)字地震儀器采集設(shè)備、節(jié)點數(shù)字地震儀器采集設(shè)備更能發(fā)揮它的優(yōu)越性能，用以實現(xiàn)高效高精度的野外采集，其將會廣泛應(yīng)用于地形更加繁瑣復(fù)雜、自然環(huán)境更加惡劣的場合。本文以中國煤炭地質(zhì)總局物測隊購置的SmartSolo 為研究對象，從多個層面、多個維度對節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)、基本工作原理、應(yīng)用場合等進行了詳細介紹。

2 SmartSolo 節(jié)點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

一般來說，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的過程之中必須要經(jīng)過多個步驟，例如檢波器振動信號的獲取、數(shù)據(jù)存儲與傳輸、數(shù)據(jù)記錄等。

對于節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，其在具體運行過程之中，無論是振動信號的拾取，還是模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換，均是在單個站體內(nèi)獨立完成，然后將具體數(shù)據(jù)直接存儲于SD 卡之內(nèi)，回收到室內(nèi)集中拆下站體，通過下載架，下載到工作站內(nèi)，進行擬合數(shù)據(jù)。

節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在運行過程之中，徹底解決了數(shù)據(jù)直接回傳至工作站這一難以處理的問題，即由原來的數(shù)據(jù)的采集—數(shù)據(jù)的傳輸—數(shù)據(jù)記錄到主機，變?yōu)槟壳暗臄?shù)據(jù)的采集—數(shù)據(jù)的記錄（就地） —數(shù)據(jù)下載擬合。極大地從優(yōu)從簡了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與此同時使野外施工更加高效高質(zhì)。

SmartSolo 內(nèi)部包含多個智能振動傳感器，例如IGU- 16、 IGU- 16HR、 IGU- 16HR- 3C、 IGU BD3C- 5、IGU- 19HR 等。

2.1 SmartSolo 系統(tǒng)組成

SmartSolo 采集系統(tǒng)主要是由野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和室內(nèi)數(shù)據(jù)下載系統(tǒng)兩大部分組成。

（1） 野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由相對獨立和自主運行的智能振動傳感器（IGU）、輔助設(shè)備、軟件套裝組成。智能振動傳感器沒有沉重的外接地震數(shù)傳電纜，可以多重選擇，目前有內(nèi)置檢波器或外接檢波器這兩種模式。購買智能振動傳感器產(chǎn)品時，可以根據(jù)作業(yè)需求選擇內(nèi)置檢波器或外接檢波器的型號。

依據(jù)GPS 授時技術(shù)，排列管理員可以使用手持終端或裝有SmartSolo 掃碼軟件的手機，去布設(shè)IGU 接收點的位置。當(dāng)智能振動傳感器內(nèi)的GPS接收器啟動了以后，接收到GPS 衛(wèi)星的同步信號，內(nèi)置時鐘啟動GPS 計時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 被打開，這樣就開始自動連續(xù)采集地震數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存貯于內(nèi)置SD 卡內(nèi)。

開工前先給IGU 寫入采集參數(shù)（腳本），將SPS 文件寫入DMC 里，將接收點數(shù)據(jù)傳入手持器或者裝有SmartSolo 掃碼軟件的手機。把IGU 放到點位后，用磁開關(guān)將IGU 打開，待GPS 搜星完成，站體指示燈為綠燈閃爍時，用手持機或手機掃描IGU 站體條形碼編號。將手持器或手機布設(shè)完成的排列數(shù)據(jù)上傳到DMC 內(nèi)（圖1）。

圖1 工區(qū)布置Fig. 1 Layout of working area

IGU 內(nèi)封裝有8.4 V 的鋰電池，在常規(guī)溫度下，這種電池在1 ms 采樣率時，IGU 采集數(shù)據(jù)可以連續(xù)工作25 d。IGU 工作狀態(tài)，根據(jù)需要可以完全被埋置，也可以部分埋置，這樣可以使得IGU與地面充分的耦合，這樣埋置，即降低了環(huán)境噪音對采集有用信號的干擾，并且還可以使設(shè)備的損壞率大大降低。

（2） 數(shù)據(jù)下載系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)下載系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)下載架、充電架、工作站（圖2）。

圖2 充電架、數(shù)據(jù)下載架及工作站示意Fig. 2 Charging rack data download rack and workstation

數(shù)據(jù)下載架：工作站通過光纜連接到下載架，每臺下載架可以連接32 個節(jié)點，連接好后自動下載，實時最大傳輸速率20 Mb/s。

充電架：每臺充電架可同時為48 個電池包充電，電池包從完全放電到充滿電不超過3.5 h。

工作站：用于數(shù)據(jù)收集和管理，預(yù)裝SmartSoloDCC、SmartSoloDMC 軟件。

參照時斷信號（TB） 提取過程之中的GPS 時間，SmartSolo 軟件擬合IGU 下載下來的數(shù)據(jù)體，可以依據(jù)需要進行擬合，不但可以直接將地震數(shù)據(jù)輸出（標準數(shù)據(jù)格式），也可以輸出連續(xù)采集的噪音，并將擬合好的數(shù)據(jù)體記錄到存儲設(shè)備上。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)指標

SmartSolo IGU- 16 10Hz 智能振動傳感器是一個A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，24 位，屬于單站單道類型。在站體內(nèi)部包含位，其是由多個部件共同構(gòu)成，如電池包、電子控制板、存儲器等，同時還包含了濾波器、信號發(fā)生器等重要元件。

采樣率/ms 1、2、4

前方增益/ dB 0、6、12、18、24

動態(tài)范圍 126dB@2ms 增益0dB

增益精度/% ＜1

等效輸入噪音 0.7uV 2ms@增益12dB

總諧波失真/% ＜0.000 5

共模抑制/ dB ≥100

計時精度 ±10uS，GPS 馴服

電池類型 鋰離子電池

2.3 GPS 時鐘

對于GPS 時間系統(tǒng)而言，其主要是把原子時鐘直接作為時間基準，在設(shè)定時間起算原點的過程之中，主要是依據(jù)UTC 的0 時，當(dāng)系統(tǒng)正式啟動之后，不再發(fā)生跳秒，確保時間的連續(xù)性特點。隨著時間的推移，GPS 時間、UTC 時間必定會產(chǎn)生一定的差異，對于秒級以下的差異均進行統(tǒng)計整理，然后交由服務(wù)部門對外公布。利用GPS 時間的周、秒直接將閏秒的調(diào)整時間值減去，從而最終求出UTC 時間，經(jīng)過換算處理之后便可以求出UTC 時間，現(xiàn)階段，GPS 時間、UTC 時間存在一定的差異，即在16 s 左右。

SmartSolo 智能振動傳感器主要是把GPS 時間作為時序，當(dāng)對采集數(shù)據(jù)進行下載整理或者合成處理的過程之中，必須要通過合理化的方式來轉(zhuǎn)換這兩個時間系統(tǒng)，從而直接求出采集數(shù)據(jù)時間。

SmartSolo 智能振動傳感器內(nèi)部配設(shè)了一個精度非常高的時鐘，主要作用是計時，當(dāng)GPS 時間信號直接傳輸至傳感器后，傳感器內(nèi)部時鐘將會與GPS 時間進行同步，傳感器進行采集的過程之中，即便GPS 信號已經(jīng)丟失，通過自有時鐘，傳感器仍可以繼續(xù)進行采集。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸至傳感器數(shù)據(jù)之后，系統(tǒng)將可以對各個傳感器的時鐘漂移進行全面化、深入化的分析，以此來進一步提高采集數(shù)據(jù)的時間精度。

在SmartSolo 智能振動傳感器的埋置試驗中，當(dāng)傳感器埋置深度達到40 cm 時，仍然可以達到平均搜星6 顆，從而確保采集系統(tǒng)可以正常運行，如圖3 所示。

圖3 GPS 搜星圖Fig. 3 GPS star search

2.4 SmartSolo 節(jié)點儀的應(yīng)用特點

SmartSolo 屬于一個節(jié)點式采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自主運行，可根據(jù)需要設(shè)定自動開關(guān)機時間，喚醒后自動采集，施工效率僅與一個因素有關(guān)，即放炮速度，提高了野外施工效率。與有線數(shù)字地震儀器相比較而言，SmartSolo 地震采集系統(tǒng)在具體運行的過程之中并不需要過多的野外設(shè)備，并且無需較多的施工人員，在地形、環(huán)境等各個方面的要求相對更低。在具體生產(chǎn)應(yīng)用的過程之中，SmartSolo施工作業(yè)具有兩個特點。

（1） 前期準備和培訓(xùn)。

SmartSolo 的數(shù)據(jù)下載與處理均是在營地內(nèi)集中完成，下載流程包括野外回收IGU、拆卸IGU電池包、下載IGU 數(shù)據(jù)。為了確保數(shù)據(jù)回收率，使各IGU 內(nèi)所包含的數(shù)據(jù)均可以直接下載至記錄系統(tǒng)之中，當(dāng)對營地進行建設(shè)的過程之中便需要對IGU 下載區(qū)、操作區(qū)、物品安放區(qū)等進行科學(xué)規(guī)劃，確保已經(jīng)下載的數(shù)據(jù)IGU 與其它IGU 全面分離，避免造成重復(fù)下載或遺漏下載情況的發(fā)生。

手持終端或手機在野外掃碼前，必須啟動IGU，檢查狀態(tài)燈正確，再去掃描，掃描完畢后，必須要對此節(jié)點的狀態(tài)信息、位置信息等進行快速存儲。若由于操作失誤而導(dǎo)致節(jié)點未直接啟動，又或者IGU 的位置、設(shè)計位置存在一定的偏差，儀器操作員在野外很難發(fā)現(xiàn)和糾正。所以在正式生產(chǎn)之前，必須要結(jié)合實際情況，通過合理化的方式對相關(guān)人員進行技術(shù)培訓(xùn)。

（2） SmartSolo 軟件數(shù)據(jù)處理與合成。

SmartSolo 參照TB 的GPS 時間對所采集的數(shù)據(jù)進行合成處理，不管是何種激發(fā)方式、生產(chǎn)模式，只要可以直接存儲激發(fā)源時段信號的GPS 時間進行存儲，SmartSolo 便可以把一些通過正常方式下載的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧呐诩w數(shù)據(jù)。SmartSolo 軟件內(nèi)輸入已知的炮點文件、檢波點文件、關(guān)系文件，加載已知的IGU 布設(shè)位置，并把SBS 文件加載SmartSolo 軟件內(nèi)，這樣就可以進行數(shù)據(jù)合成了。

按炮集處理擬合數(shù)據(jù)大體分為2 個步驟：①Q(mào)C 組提供SPS 文件，加載到SmartSolo 軟件里，主要是對輸出炮集記錄空間范圍進行精準、全面的控制；②充分應(yīng)用含有GPS 時間、To 時間的SBS 文件，對從IGU 下載出的采集數(shù)據(jù)體進行處理分析，并把有效數(shù)據(jù)直接切出，如此一來便可以直接得出三維炮集記錄，從而更好的開展后續(xù)分析處理。觀測系統(tǒng)可以隨意進行分析設(shè)計，并且疊加次數(shù)也不固定，并不會受到系統(tǒng)方面的約束作用。

SmartSolo 系統(tǒng)提供了多種類型輸出，圖4 詳細展示了炮集數(shù)據(jù)處理流程。

圖4 炮集數(shù)據(jù)處理流程示意Fig. 4 Data processing process of shotset

3 結(jié) 語

對于節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，其并不具備較強的實時信息交換能力，無法對野外排列進行監(jiān)控，并不了解野外資料質(zhì)量。若由于外部因素的影響，造成采集資料產(chǎn)生異常，無法應(yīng)用直接、高效的糾正措施。如此一來，必須要從根源上徹底打破勘探理念，通過系統(tǒng)可靠性來直接突破現(xiàn)場監(jiān)視記錄的依賴性，從而對接收點所存在的資料丟失問題進行彌補。

最近幾年，大數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等得到了蓬勃發(fā)展，節(jié)點采集系統(tǒng)具備諸多突出優(yōu)點，如重量較輕、穩(wěn)定性非常高、適應(yīng)性較強等，并且還可以實現(xiàn)高效率采集的效果，正是基于其所具備的一系列優(yōu)點，其應(yīng)用范圍逐步擴大。