煤炭系統(tǒng)地震勘測(cè)節(jié)點(diǎn)儀器的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

張晨林 左衛(wèi)華

摘要：地震勘探野外數(shù)據(jù)采集是一項(xiàng)工程量龐大的野外作業(yè)，根據(jù)現(xiàn)階段煤礦地震勘探實(shí)際需要及存在的問(wèn)題，把質(zhì)量管理的思想應(yīng)用到野外采集中，可以減少人為因素帶來(lái)的誤差，提高工作效率。結(jié)合目前勘探隊(duì)和煤礦管理人員的需求，研制并開(kāi)發(fā)了煤礦地震勘探質(zhì)量管理信息系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)儀器地震勘探設(shè)計(jì)的應(yīng)用，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)角度分析了節(jié)點(diǎn)儀器在煤炭系統(tǒng)地震勘探技術(shù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤炭系統(tǒng);地震勘探;節(jié)點(diǎn)儀器;硬軟件系統(tǒng)

引言

地震勘探作為煤炭系統(tǒng)勘探的重要手段長(zhǎng)期以來(lái)一直受到人們的重視，而近年來(lái)開(kāi)發(fā)地震的興起使得地震技術(shù)在煤炭系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中同樣起到了重要作用。地震勘探是一項(xiàng)硬件和軟件高度集成的高端技術(shù)手段，硬件和軟件技術(shù)的提高對(duì)其進(jìn)步都有著重要的影響。

一、煤礦地震勘探質(zhì)量監(jiān)管難點(diǎn)

地震勘探是煤礦構(gòu)造勘探中精度最高的方法之一，自20世紀(jì)90年代推廣以來(lái)，在各礦區(qū)推廣應(yīng)用中取得了顯著的地質(zhì)效果。隨著煤礦生產(chǎn)開(kāi)采的進(jìn)行，對(duì)構(gòu)造控制精度的要求越來(lái)越高，提高勘探精度是煤礦生產(chǎn)設(shè)計(jì)首選之策。

對(duì)于地震勘探，前期野外數(shù)據(jù)采集尤為重要。考慮到施工過(guò)程中地表?xiàng)l件的復(fù)雜性，環(huán)境噪聲人為因素等影響，如何對(duì)野外數(shù)據(jù)采集進(jìn)行科學(xué)、全面地質(zhì)量監(jiān)控，是保證地震勘探精度和繼續(xù)擴(kuò)大地震勘探應(yīng)用范圍亟待解決的問(wèn)題。煤礦地震勘探的質(zhì)量控制，特別是野外數(shù)據(jù)采集施工質(zhì)量，在現(xiàn)階段主要還是通過(guò)施工方的自律，業(yè)主方和監(jiān)理方的檢查和監(jiān)督來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但從煤礦地震勘探的施工特點(diǎn)及現(xiàn)階段市場(chǎng)狀況看，有以下幾點(diǎn)已成為質(zhì)量監(jiān)管的難點(diǎn)：

（1）野外數(shù)據(jù)采集每天由數(shù)萬(wàn)個(gè)檢波點(diǎn)和數(shù)百個(gè)炮點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)量大，質(zhì)量控制范圍廣，難以做到全面管理;

（2）施工環(huán)節(jié)多，從招投標(biāo)、設(shè)計(jì)、野外生產(chǎn)、數(shù)據(jù)處理、中間成果、提交報(bào)告等也為質(zhì)量控制帶來(lái)不便;

（3）采集質(zhì)量的監(jiān)控以及評(píng)價(jià)基本由手工來(lái)實(shí)現(xiàn)，煩瑣的工作耗費(fèi)了大量人力物力，而且在整個(gè)施工過(guò)程中不可避免地包含了很多人為因素，很難保證數(shù)據(jù)管理的科學(xué)性和完整性，工作也很難按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行;

（4）對(duì)于國(guó)內(nèi)外采集質(zhì)量管理軟件，大多是在基于工作站的Un平臺(tái)下操作，其價(jià)格昂貴，而且使用不同于Window系統(tǒng)界面，使用難度較大。

因此，結(jié)合煤礦地震勘探施工的特點(diǎn)，研制與開(kāi)發(fā)適合煤礦的煤礦地震勘探質(zhì)量管理信息系統(tǒng)具有重要的意義和廣泛的應(yīng)用前景。

二、節(jié)點(diǎn)地震勘探技術(shù)概述

隨著地震數(shù)據(jù)采集方法和裝備的改進(jìn)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的提高和解釋方法的發(fā)展，利用地震資料不僅能指示地下構(gòu)造形態(tài)、斷裂分布，而且能在一定程度上了解地層巖性、儲(chǔ)層厚度、儲(chǔ)層參數(shù)，甚至能直接確定油氣藏的位置。地震資料同測(cè)井、巖芯以及其他地質(zhì)資料相結(jié)合，能夠極大提高煤炭系統(tǒng)勘探的準(zhǔn)確率。高精度地震技術(shù)的進(jìn)步包括地震數(shù)據(jù)的采集、處理和解釋等幾個(gè)方面。

2.1 地震數(shù)據(jù)采集

地震數(shù)據(jù)的采集是獲得數(shù)據(jù)的第一步，因此尤為關(guān)鍵。當(dāng)前地震采集采用干擾波定量分析、精確的淺表層結(jié)構(gòu)調(diào)查、多種震源施工、靈活的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方法。隨著勘探領(lǐng)域的擴(kuò)展，地震采集的地貌狀況也更為復(fù)雜。以中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司為例，近年來(lái)圍繞復(fù)雜山地、黃土源等特殊地表和復(fù)雜陸相沉積地層進(jìn)行地球物理勘探施工遇到的世界級(jí)難題，持續(xù)開(kāi)展了提高信噪比、成像精度、層位預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的一體化物探技術(shù)方法攻關(guān)，已經(jīng)逐步形成了復(fù)雜山地、沙漠、黃土塌、海陸過(guò)渡帶、大型城區(qū)、富油氣區(qū)帶、油藏地球物理、綜合物化探等8項(xiàng)具有中國(guó)石油特色的技術(shù)系列。

2.2地震數(shù)據(jù)處理

在高精度地震勘探中，高精度的數(shù)據(jù)處理技術(shù)有著十分重要的作用，在某種意義上是決定成功與失敗的關(guān)鍵因素。高精度數(shù)據(jù)處理技術(shù)，總的目標(biāo)是追求高信噪比、高分辨率、高保真度，即我們常說(shuō)的“三高”處理".

高精度的數(shù)據(jù)處理技術(shù)是建立在一定信噪比水平基礎(chǔ)之上的，沒(méi)有一定的信噪比也就無(wú)法討論成像信號(hào)的分辨率和保真度，更不能對(duì)成像精度水平進(jìn)行衡量。有關(guān)方法很多，應(yīng)用效果十分顯著回。最近幾年，壓制噪聲從疊后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向了主要在疊前數(shù)據(jù)上進(jìn)行，這不僅是認(rèn)識(shí)觀念的轉(zhuǎn)變，也是提高數(shù)據(jù)處理精度的要求。疊前壓噪的目的也不再是單一為了改善疊加處理效果，而是多方位的。例如，改善疊前偏移成像的效果，提高疊前解釋性處理技術(shù)的準(zhǔn)確度以及提高疊前數(shù)據(jù)屬性提取的保真度等。

2.3地震資料解釋

地震資料在解釋的工作流程、剖面對(duì)比方法以及資料的應(yīng)用及綜合分析方面與二維地震資料解釋有許多相同之處。但是，由于地震勘探在數(shù)據(jù)采集與處理過(guò)程中采用了與二維地震勘探不同的方法，因此地震資料解釋又與二維地震資料解釋存在著明顯的不同。此外，隨著地震數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)的不斷發(fā)展和解釋工作站功能的不斷增強(qiáng)、大型集成軟件的廣泛應(yīng)用以及面切片、相干體、可視化等解釋技術(shù)的發(fā)展，使地震資料解釋效率與精度顯著提高。

三、節(jié)點(diǎn)儀器的硬件與軟件部分開(kāi)發(fā)

3.1硬件部分

地震波通過(guò)檢波器轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，然后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換單元，采樣后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，中央控制單元從A/D轉(zhuǎn)換單元取回采樣后的數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)到SD卡中。電臺(tái)單元和天線用于與手簿之間的通信。中控通過(guò)電源管理單元對(duì)鋰電池的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，溫補(bǔ)晶振為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)結(jié)合GPS授時(shí)完成節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的時(shí)間同步。

3.1.1中央控制模塊

（1）中控MCU

中央控制模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)有序、高效運(yùn)行，控制對(duì)時(shí)、采集、存儲(chǔ)等功能?？刂颇K選取主要考慮：（1）處理器的性能，處理器的內(nèi)部架構(gòu)和時(shí)鐘運(yùn)行頻率等指標(biāo)決定著處理器處理任務(wù)的速度。（2）處理器的外設(shè)資源，處理器豐富的外設(shè)資源將最大限度的和應(yīng)用需求匹配，并且增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。（3）處理器支持的開(kāi)發(fā)工具，完善的開(kāi)發(fā)環(huán)境可以使得調(diào)試更加方便，有效減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。

根據(jù)所需設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)儀器系統(tǒng)功能復(fù)雜程度以及結(jié)合芯片提供的外設(shè)資源和相應(yīng)功耗，本項(xiàng)目選擇STM32微控制器STM32L471VET6作為中央控制模塊的核心控制器，應(yīng)用Keil作為開(kāi)發(fā)工具。

（2）時(shí)鐘

本項(xiàng)目采用溫補(bǔ)晶振給主芯片提供時(shí)鐘，確保在野外長(zhǎng)時(shí)間采樣時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的采樣時(shí)間同GPS時(shí)間對(duì)齊。由于晶體振蕩器的震蕩頻率會(huì)隨著溫度的變化而變化，溫補(bǔ)晶振即溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO），是通過(guò)其附加的溫度補(bǔ)償電路使由周?chē)鷾囟茸兓a(chǎn)生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。

3.1.2信號(hào)采集模塊

本次采用德州儀器生產(chǎn)的Δ-Σ型A/D轉(zhuǎn)換器ADS1284。ADS1284是一款32位高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，芯片內(nèi)部包括一個(gè)低噪聲可編程增益放大器（Programable Gain Amplifier，PGA），Δ-Σ調(diào)制器和數(shù)字濾波器。雙通道多路復(fù)用器（MUX）具有用于信號(hào)測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)測(cè)試的輸入。具有使輸入電路短路和測(cè)試內(nèi)部噪聲的模式.PGA具有高輸入阻抗和低噪聲，可與地震檢波器直接連接，實(shí)現(xiàn)QC檢測(cè)。

3.1.3時(shí)間同步模塊

本項(xiàng)目采用u-blox公司的M8030芯片作為GPS接收機(jī)進(jìn)行時(shí)鐘精準(zhǔn)管理，是一種多用途的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位芯片，雙頻射頻前端可以同步接收 GPS （QZSS） 和 GLONASS 或北斗，或同步接收 GLONASS和北斗衛(wèi)星信號(hào)。它基于高性能的ublox m8位置引擎，使得這些接收器在不需要外部主機(jī)的情況下仍然可以提供行業(yè)領(lǐng)先的導(dǎo)航靈敏度和快速的捕獲時(shí)間。u-blox先進(jìn)的射頻設(shè)計(jì)和干擾抑制，確保了芯片即使在惡劣的 GNSS 衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境下（如在城市峽谷中）也能提供可靠的定位。

3.1.4短距離通信模塊

SX1262是Semtech公司最新推出的一款遠(yuǎn)距離、低功耗的sub-GHz無(wú)線收發(fā)器。

SX1262內(nèi)部具有TCXO晶振，可保證頻率準(zhǔn)確，支持的工作頻段覆蓋150–960MHz，具有兩種調(diào)試方式，LoRa以及傳統(tǒng)的（G）FSK，是一款高性能物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線收發(fā)器，其特殊的LoRa調(diào)制方式使通信距離在一定程度上可遠(yuǎn)達(dá)5km。SX1262內(nèi)部集成了低噪聲放大器（LNA），LoRa調(diào)制下，最高接收靈敏度可達(dá)-148dBm，同時(shí)還集成了功率放大器（PA），其發(fā)射功率最大可達(dá)+22dBm。SX1262還具備兩種電壓調(diào)節(jié)方式，低壓差穩(wěn)壓器（LDO）以及高效率降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，采用高效率降壓DC-DC配電方式，其接收電流最低可小于4.2mA，真正意義上實(shí)現(xiàn)了低功耗。最后SX1262集成的數(shù)字接口通過(guò)SPI和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.1.5存儲(chǔ)模塊

本項(xiàng)目選用16G的SD卡完成地震采集數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)。在存儲(chǔ)容量16GB、節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采樣率為1000SPS、采集精度為32bit的情況下，每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)大小為4字節(jié)，一天24小時(shí)連續(xù)采集的數(shù)據(jù)大小就是329.5898MB，采集計(jì)算得到存儲(chǔ)模塊理論上能夠存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)為49.71天，充分滿足節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間野外采集工作的存儲(chǔ)要求。

基于STM32L471VE的GL823的讀卡功能，通過(guò)使用外部總線復(fù)用器TS3A27518EPWR信號(hào)分離器進(jìn)行信號(hào)切換，當(dāng)USB插入時(shí)選擇GL823與SD卡連接，進(jìn)行讀卡操作，未插入時(shí)，STM32的SDIO接口與SD卡連接，主要用于讀卡器主要用于STM32讀寫(xiě)卡和電腦USB讀卡。

3.1.6供電模塊

本項(xiàng)目采用內(nèi)置的18650鋰電池組為采集站供電，該型號(hào)電池重量輕，容量大，而且自放電率很低，使用壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)，初步設(shè)計(jì)為兩串六并。18650型號(hào)表示電芯直徑為18mm，高度為65mm，每個(gè)單體電芯的電壓為3.7V，容量為2.25Ah，組合后每組電芯的電壓為7.4V，容量為13.5Ah。

3.1.7節(jié)點(diǎn)自檢和QC模塊

在儀器上線前和采集過(guò)程中要檢測(cè)檢波器自身、GPS、AD等模塊是否正常。此模塊由中央控制模塊、信號(hào)采集模塊、時(shí)間同步模塊、短距離通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和控制接收模塊來(lái)共同實(shí)現(xiàn)。

3.1.8充電下載一體柜

充電：上線之前要保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)處于滿電狀態(tài)，要求采集站電壓≥8.4V。從虧電到滿電大約需要2.5到3個(gè)小時(shí)的充電時(shí)間，機(jī)柜上紅燈表示充電狀態(tài)，綠燈則表示充滿電狀態(tài)。

節(jié)點(diǎn)單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)下載柜快速下載到客戶端，然后通過(guò)光纖交換機(jī)轉(zhuǎn)存到磁盤(pán)陣列上;服務(wù)器與多組機(jī)柜通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的方式連接在一起，并支持多組機(jī)柜并行處理。

隨后根據(jù) SPS 對(duì)下載后數(shù)據(jù)做匹配，檢查野外節(jié)點(diǎn)回收的狀況，是否存在漏收或者多收的情況。

3.2軟件部分

本項(xiàng)目選擇Keil作為STM32微控制器的開(kāi)發(fā)工具。

無(wú)線地震數(shù)據(jù)采集的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)按功能劃分了較多的模塊，系統(tǒng)上電后不僅要完成地震數(shù)據(jù)的采集和后續(xù)處理，還要在采集過(guò)程中保持時(shí)間同步，同時(shí)需要響應(yīng)上位機(jī)通過(guò)電臺(tái)傳輸?shù)目刂菩盘?hào)回傳自檢狀態(tài)和QC數(shù)據(jù)。因此，我們采用移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并基于此進(jìn)行后續(xù)的功能模塊軟件開(kāi)發(fā)。

我們采用分模塊的設(shè)計(jì)思想，將各個(gè)功能部分劃分成為單獨(dú)的模塊后獨(dú)立地完成任務(wù)，然后通過(guò)中央控制模塊對(duì)其他模塊任務(wù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)完整的工作流程。

3.2.1整體流程

具體的工作流程為：

（1）當(dāng)?shù)卣饠?shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)開(kāi)始上電后，中控模塊關(guān)閉除了電臺(tái)模塊以外的其他模塊，并進(jìn)入停止模式，將上位機(jī)連接節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的電臺(tái)后產(chǎn)生的中斷作為喚醒事件。

（2）當(dāng)上位機(jī)連接后，節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)退出停止模式，進(jìn)入初始化，讀取配置文件，完成系統(tǒng)自身參數(shù)設(shè)置，初始化SD卡并掛載文件系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)接著進(jìn)行自檢。

（4）QC測(cè)試結(jié)果合格后開(kāi)啟GPS接收機(jī)進(jìn)行時(shí)間同步。

（5）時(shí)間同步的精度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的要求后啟動(dòng)采集模塊，A/D轉(zhuǎn)換器完成每次采樣后，從數(shù)據(jù)緩存寄存器中取回地震數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到SD卡內(nèi)，系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。

（6）當(dāng)系統(tǒng)接收到停止采集信號(hào)時(shí)，采集任務(wù)結(jié)束，只保留電臺(tái)模塊供電，并重新進(jìn)入停止模式。

3.2.2時(shí)間同步方案設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的時(shí)間同步過(guò)程即為通過(guò)授時(shí)設(shè)備產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間t0完成對(duì)于節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC的校正過(guò)程。

通過(guò)系統(tǒng)時(shí)間與GPS時(shí)間對(duì)齊，采樣時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)間對(duì)齊來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

3.2.3主要模塊驅(qū)動(dòng)程序

（1）采集單元

（2）授時(shí)單元

當(dāng)控制程序完成QC檢測(cè)后進(jìn)入GPS同步狀態(tài)，在該狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步。

（3）電臺(tái)模塊

作為中控MCU和上位機(jī)相互之間通信的橋梁，電臺(tái)模塊通過(guò)串口完成數(shù)據(jù)透?jìng)?。串口?shù)據(jù)透?jìng)魇且环N雙向的數(shù)據(jù)傳輸通道，中控MCU可以把設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)通過(guò)串口發(fā)給電臺(tái)模塊，電臺(tái)模塊再將這些數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議發(fā)給上位機(jī)，也可以將指令通過(guò)上位機(jī)發(fā)送給電臺(tái)模塊，電臺(tái)模塊再將指令通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給中控MCU。

結(jié)論

目前來(lái)看，軟件工程的發(fā)展已經(jīng)影響到了我們生產(chǎn)和生活的方方面面，對(duì)煤炭系統(tǒng)勘探領(lǐng)域的影響也是不容小視。煤炭系統(tǒng)地震勘探與開(kāi)發(fā)正進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，其中硬件和軟件技術(shù)的進(jìn)步為其注入了發(fā)展的活力和持續(xù)的推動(dòng)力，已經(jīng)取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為我國(guó)的能源安全和能源發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

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