地震勘探用混疊激發(fā)控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

甘志強,孫祥娥,夏 穎

(1.長江大學 電子信息學院,湖北 荊州 434023;2.中國石油集團東方地球物理公司 西安物探裝備分公司,陜西 西安 710077)

引 言

地震勘探利用人工地震波在遇到不同密度媒質的分界面時會發(fā)生波的反射現(xiàn)象的基本原理獲取地下構造特征信息,是當前最為經(jīng)濟、有效的油氣資源勘探技術。隨著油氣勘探的不斷深入,埋藏淺、構造容易落實、儲集性能較好的油氣藏分布情況已經(jīng)基本掌握,而對于埋藏深、構造復雜的油氣資源需要應用高精度的地震勘探方法才能更加清楚的認識,從而以“寬頻帶、寬方位、高密度、高效率、大道數(shù)”為特征的高精度地震勘探方法逐步得到規(guī)?；瘧谩鹘y(tǒng)地震勘探作業(yè)時,單位時間內只采集單個激發(fā)源的反射波,已不能滿足當前勘探作業(yè)的需求?；殳B采集是近年來新發(fā)展起來的一種地震勘探高效作業(yè)新方法[1],主要特征是在極小的時間間隔內同時激發(fā)多個震源,并接收、記錄來自多個激發(fā)源的混疊反射波。因此,混疊采集數(shù)據(jù)中不同激發(fā)源產(chǎn)生的反射波分離效果將直接影響描述地下構造特征的地震剖面品質[2-3]。

地震勘探過程中,為了提升混疊數(shù)據(jù)分離的效果,對激發(fā)控制有著特殊的要求,一方面要求激發(fā)時間具有較強的隨機分布特征,另外一方面還要求按設計規(guī)則輸出的激發(fā)時間能夠在某一小的時間窗口內抖動。為了克服這些難題,本文提出一種混疊激發(fā)時間產(chǎn)生算法,并選用ST公司的STM32L475作為微控制器,ublox公司的MAX-7Q作為衛(wèi)星接收模塊,TI公司低功耗、高精度的ADS1292作為隨機數(shù)種子數(shù)據(jù)的采集芯片設計了混疊激發(fā)控制系統(tǒng)[4-6],用于地震勘探高效混疊采集時2個或2個以上激發(fā)源同時激發(fā)。這套系統(tǒng)基于衛(wèi)星授時技術,以當前炮的上一炮激發(fā)時間的整秒部分為基礎,基于位置坐標、先后順序、時距控制等參數(shù),以地震檢波器拾取的振動數(shù)據(jù)作為種子,隨機產(chǎn)生一個指定窗口內小抖動的隨機數(shù)作為炮點激發(fā)的顫動時間,以提高激發(fā)抖動激發(fā)時間的隨機性,為混疊數(shù)據(jù)有效分離奠定基礎。

1 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)基于復雜的軟硬件結構實現(xiàn)混疊激發(fā)控制時間生成和炮點的高精度啟爆控制,需要解決的問題包括：(1)低功耗、高精度衛(wèi)星時鐘同步的實現(xiàn);(2)符合正態(tài)隨機分布特征的地震勘探激發(fā)控制時間的生成;(3)基于生成時間序列的高精度啟爆控制。整個系統(tǒng)分為主控端和受控端兩部分(圖1)。

主控端和受控端內置的衛(wèi)星接收模塊按照設定的時間周期啟動,在接收并解析衛(wèi)星信號后輸出秒脈沖信號和對應歷元信息到STM32L475;STM32L475根據(jù)接收到的信息計算本地時鐘與衛(wèi)星時鐘間的偏差,并輸出相應的調節(jié)電壓牽引壓控晶振的頻率,使工作頻率靠近晶振的中心頻率,實現(xiàn)衛(wèi)星時間同步和本地時鐘的校準。

在完成本地時鐘校準后,即可進入激發(fā)控制工作流程,步驟如下：

(1)主控端的STM32L475可根據(jù)待激發(fā)炮點的位置、時距控制參數(shù)以及振動傳感數(shù)據(jù)生成隨機性較強的混疊激發(fā)控制時間傳輸?shù)娇刂浦鳈C;

(2)控制主機顯示記錄該信息并通過無線傳輸電臺發(fā)送給受控端;

(3)受控端接收到來自主控端的含有激發(fā)控制時間信息的啟爆指令后,啟動激發(fā)控制中斷程序,進入激發(fā)倒計時,控制炮點在激發(fā)控制時間啟爆,最大控制誤差不大于20 μs;

圖1 混疊激發(fā)控制系統(tǒng)整體結構Fig.1 Overall structure of aliasing excitation control system

(4)在炮點激發(fā)完成后,受控制端記錄、顯示遙爆系統(tǒng)的啟爆中斷信號的時間,并將炮點激發(fā)位置、激發(fā)組號、實際激發(fā)時間等編碼形成激發(fā)完成信息通過無線傳輸模塊發(fā)送給主控端;

(5)主控端解碼并顯示來自受控端的激發(fā)完成信息,并校對實際激發(fā)信息是否與生成信息相符(誤差不大于20 μs)。

2 軟硬件設計

由于野外地震勘探環(huán)境的復雜性和混疊采集作業(yè)的特殊需求,時鐘精度、控制精度、功耗和激發(fā)的隨機性是系統(tǒng)設計時需要關注的重點內容。系統(tǒng)使用GPS/BDS時鐘作為混疊激發(fā)控制的基準時鐘,以解決系統(tǒng)時鐘精度、激發(fā)控制精度的問題。同時,通過基于MAX-7Q、STM32L475、SDINBDG4-16G-XI1等器件的低功耗設計技術,結合周期性啟動MAX-7Q模塊進行時鐘同步的算法,降低系統(tǒng)的整體功耗[7-8]?；谇笆鲈O計,以當前炮的上一炮激發(fā)時間的整秒部分為基礎,根據(jù)激發(fā)源所處位置、準備好的順序、時-距規(guī)則參數(shù)等信息,以低功耗、高精度的ADS1292芯片和地震檢波器拾取的振動數(shù)據(jù)作為種子,隨機產(chǎn)生一個指定窗口內小抖動的隨機數(shù)作為炮點激發(fā)的顫動時間,用于控制炮點的啟爆時間,以提高激發(fā)時間的隨機性[9-11]。針對壓控晶體振蕩器(Voltage Controlled Crystal Oscillator,以下簡稱VCXO)的頻率校準參數(shù)選擇、周期性時鐘同步算法和小窗口隨機數(shù)生成是系統(tǒng)設計的關鍵點。

2.1 晶振頻率控制

壓控晶振是通過控制電壓“牽引”輸出振蕩信號的頻率,選用的壓控晶振的輸出頻率會隨著控制電壓升高而升高,但是由于制造工藝、結構設計、生產(chǎn)批次不同等多方面原因,同一型號的壓控晶振的電壓-頻率曲線都會有差異[12-13]。因此,牽引電壓和壓控晶振頻率變化關系的獲取是衛(wèi)星時鐘同步需要解決的關鍵問題。一般條件下,野外施工現(xiàn)場環(huán)境溫度在短期內不會劇烈變化,使得晶振頻率也不會發(fā)生大幅度變化,可以將這個較短時間段內控制電壓和輸出頻率關系曲線近似看作線性曲線,如圖2所示。圖2中Vc表示中心頻率fc(即16.384 MHz)對應的控制電壓;ΔfL為晶振輸出頻率波動下限,ΔVL為對應控制電壓調整量;ΔfH為晶振輸出頻率波動上限,ΔVH為對應控制電壓調整量。(Vc-ΔVL,Vc+ΔVH)為用于晶振頻率控制的控制電壓微調區(qū)間,(fc-ΔfL,fc+ΔfH)為頻率變化范圍。

圖2 VCXO電壓-頻率特性曲線Fig.2 VCXO voltage-frequency characteristic curve

結合圖1的硬件架構,壓控晶振輸出頻率調節(jié)模型建立步驟描述如下：

(1)STM32L475根據(jù)選用壓控晶振的性能參數(shù),輸出對應Vc,作為初始控制量C1,控制VCXO輸出振蕩信號頻率在其標稱輸出頻率附近;

(2)初始化STM32L475內置Timer1、Timer2、Timer5的時鐘頻率為F。將Timer1設置為上升沿捕獲工作模式,Timer2設置為PWM脈沖輸出模式,產(chǎn)生周期為1 s的脈沖信號;Timer5設置為向上計數(shù)工作模式;

(3)當Timer1捕獲到來自衛(wèi)星接收模塊的第一個PPS信號時,立即啟動Timer2輸出周期為1 s的脈沖信號,并同時開啟Timer5開始計數(shù);

(4)在STM32L475輸出初始控制量C1的同時,Timer5對連續(xù)k(k≥1)個PPS上升沿進行計數(shù),記為N1。

(5)STM32L475將控制量增加至C2并輸出,Timer5對連續(xù)k(k≥1)個PPS上升沿進行計數(shù),記為N2。

(6) 根據(jù)2次Timer5的計數(shù)N1、N2,計算STM32L475輸出控制量每變化1個單位對應Timer5的計數(shù)值c0：

(1)

2.2 周期性時鐘同步

一般情況下,地震勘探作業(yè)要求地震勘探數(shù)據(jù)采集和炮點激發(fā)時刻的時間誤差不大于20 μs。如圖3所示,STM32L475收到衛(wèi)星接收模塊輸出的授時信息后,在PPS到來時刻對板載RTC時鐘進行配置,實現(xiàn)衛(wèi)星時間同步。之后,按照預置的時間間隔啟動衛(wèi)星接收模塊,計算本地時鐘與衛(wèi)星時鐘的偏差,并利用晶振的壓控-頻率特性進行調節(jié),確保本地RTC時鐘的準確度。為確保本地時鐘的調節(jié)精度,使用增量PID算法調整壓控晶振的輸出信號頻率。

設u(k)是第k次根據(jù)PID算法計算得到的控制量。由PID算法可知,u(k)和Timer5計數(shù)值的關系：

(2)

式中：e(k)為第k次PID預計輸出值與待調節(jié)Timer5計數(shù)值間的誤差;Kp為PID控制的比例放大系數(shù);Ki和Kd分別為積分、微分參數(shù)。由公式(2)可知,如果某次計算溢出等原因輸出錯誤的控制量u(k),會引起晶振頻率發(fā)生大幅度變化,影響調節(jié)精度。這個問題可通過只輸出控制量增量的方法解決：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)。

(3)

式中：Δu(k)為當前、上一次PID算法輸出控制量的差值。式(2)代入式(3)可得：

Δu(k)=Kp·Δe(k)+Ki·e(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)]。

(4)

式中：Δe(k)=e(k)-e(k-1),為第k、k-1次待調節(jié)的晶振計數(shù)值的差值。再由式(1)和式(4)計算可得STM32L475輸出控制量的變化量ΔC(k)：

(5)

2.3 小窗口隨機數(shù)生成

正態(tài)分布是一種常見的概率密度分布函數(shù),在人們的生產(chǎn)、生活中廣泛應用。在地震勘探領域,也有用于濾除或衰減符合正態(tài)分布隨機噪聲的成熟數(shù)據(jù)處理方法和流程。因此,本文提出使用高精度ADC芯片采集振動傳感器的數(shù)據(jù)作為產(chǎn)生符合正態(tài)分布抖動時間的種子,再擴展成所需的隨機數(shù)[14-16]。

假設地震檢波器采集的數(shù)據(jù)t0作為產(chǎn)生隨機數(shù)的種子,生成小窗口隨機數(shù)過程如下：

首先使用種子t0生成n個符合(0,1)區(qū)間均勻分布的隨機序列x1,x2,…,xn：

(6)

式中：a、b、base為常數(shù);ti為計算過程參數(shù),t0表示地震檢波器采集的數(shù)據(jù),是產(chǎn)生隨機序列的種子;xi為符合(0,1)區(qū)間均勻分布的隨機數(shù);“?」”表示向下取整。

再使用由公式(6)生成的隨機序列x1,x2,…,xn,分別代入下式,得到正態(tài)分布隨機數(shù)y：

(7)

式中：μ、σ分別是正態(tài)分布隨機數(shù)的數(shù)學期望和標準差。在用于生成源激發(fā)控制時間時,μ用于表征根據(jù)相應規(guī)則計算得到的兩次激發(fā)之間的時間間隔;σ用于控制在μ基礎上的時間抖動范圍。

3 測試驗證

為了驗證提出方法的有效性,微控制器選用內置有溫度傳感器的STM32L475,衛(wèi)星接收模塊選用ublox公司的MAX-7Q,使用TI公司低功耗、高精度的ADS1292作為ADC模塊,振動傳感器選用地震勘探常見的動圈式檢波器,按照圖1所示硬件架構進行電路設計,主控端電路板實物圖如圖3所示,受控端硬件實物圖如圖4所示。

圖3 主控端電路板實物圖Fig.3 Physical picture of circuit board at main control terminal

圖4 受控端硬件實物圖Fig.4 Physical picture of hardware at controlled terminal

3.1 時鐘同步精度

MAX-7Q的工作功耗約50 mW,待機功耗約11 mW。圖5給出了24 h不同GPS同步周期的時鐘偏差曲線,可見同步周期越小,時鐘偏移值越小,但功耗會隨之升高?？紤]到系統(tǒng)低功耗的設計需求,最終選擇GPS時鐘同步周期為5 min,使得系統(tǒng)平均工作功耗大約維持在50 mW。

圖5 不同GPS同步周期的時鐘偏移曲線Fig.5 Clock offset curves of different GPS synchronization cycles

使用2塊主控端電路板,即主控板A和主控板B,工作在開闊地,確保其處于衛(wèi)星信號良好的條件下。主控板A每5 min記錄一次本地時鐘相對BDS/GPS時鐘的偏差,并使用如前所述的校準算法校正本地時鐘的相對偏差;主控板B每5 min記錄一次本地時鐘相對GPS時鐘的偏差,但不使用校準算法。由圖6可知,未進行時鐘偏差校正的主控板B 1 h的時鐘偏差近100 μs,而進行時鐘偏差校正的主控板A的時間偏差始終不大于5 μs。

圖6 1 h時鐘偏差曲線Fig.6 1h clock deviation curve

3.2 激發(fā)時間隨機性

主控端電路板使用ADS1292芯片、地震檢波器拾取的數(shù)據(jù)作為產(chǎn)生混疊激發(fā)控制時間的種子,生成2 000個抖動范圍為300 ms、間隔時間為8 s的混疊激發(fā)控制時間序列,并逐個發(fā)送到受控端進行模擬激發(fā)控制。記錄的激發(fā)時間數(shù)據(jù)的抖動值符合正態(tài)分布特征(圖7),顫動情況如圖8所示,達到了設計目標。

4 結 語

激發(fā)源啟動的隨機性對于混疊采集作業(yè)方法具有重要意義。本文提出了一種基于振動傳感和衛(wèi)星授時的混疊激發(fā)控制時間產(chǎn)生算法及相應系統(tǒng),用于混疊采集作業(yè)時的激發(fā)源啟動控制,并驗證了該技術方法的正確性、可靠性和工業(yè)應用的可行性。測試結果表明,按照5 min的衛(wèi)星時鐘同步周期,能夠在大幅節(jié)約功率損耗的前提下,確保本地時鐘誤差不大于5 μs。今后,本文提出的算法和相應系統(tǒng)將應用于實際的地震勘探項目,而野外生產(chǎn)采集的振動數(shù)據(jù)更具有隨機性,使得產(chǎn)生的混疊激發(fā)控制時間隨機程度更高。但是,野外生產(chǎn)時多變的溫度環(huán)境也會對本文提出系統(tǒng)的應用效果,特別是時鐘同步精度帶來巨大考驗。因此,如何選擇自適應衛(wèi)星同步周期以及壓控晶振調節(jié)參數(shù)就成為了確保生成混疊激發(fā)時間序列質量的關鍵。

圖7 生成隨機激發(fā)時間數(shù)據(jù)的分布圖Fig.7 Distribution of generating random excitation time data

圖8 生成隨機激發(fā)時間的顫動情況Fig.8 Flutter of generating random excitation time