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地球物理勘探设备中数据采集部分若干关键技术研究

田楷云  
【摘要】:石油是现代社会发展的重要资源,石油安全关系到国家安全。当前我国对石油的需求在快速增长,但大部分石油供给却都依靠国外进口,因此需要在国内加大对油气资源的勘探力度。地震勘探是目前使用最广泛的油气勘探技术,相比其他勘探技术,地震勘探具有具有精度高、分辨率高、勘探深度大等优点。但随着勘探目标小型化和加深,地球物理勘探设备需要具有更高的分辨率。提升分辨率的一个重要途径是在同样勘探区域增大采样的通道数,即提高采样通道的密度,称为高密度采样。这要求勘探设备数据采集系统具有较大的带道能力,同时为了方便施工,使其不断向着大通道、低功耗、轻型化的方向发展。本文在分析国外先进的大通道数勘探设备数据采集系统的拓扑和功能基础上,重点研究了用于大规模数据采集系统的以下三种关键技术。一是根据分布式和分层管理的思想,设计了一种可扩展的大规模地球物理勘探设备数据采集系统。该系统将采集站分区域管理,每个区域内的采集站由一个电源站管理,并赋予管理站体相应的管理、授时、供电和存储能力。电源站也按区域进行划分,由交叉站进行管理和数据收集。中央控制单元只直接管理交叉站,可以从海量站体的管理任务中解放出来。在扩展通道数时,数据采集系统会增加相应的电源站和交叉站,经过两级管理站体后,对中央控制单元的管理压力影响较小,因而可以管理更多的站体。在数据采集系统中还分布有多个数据中心,在通道数较多时,可以协助中央控制单元存储数据,分担其数据存储压力。在线路出现故障时,一方面,管理站体可以及时发现故障点,并报告给中央控制单元;另一方面,管理站体也具有一定的存储能力,可以暂存采样数据,保障数据安全。综上,这种分布式结构使大通道数数据采集系统的实现成为可能,同时增强了系统的可靠性。二是对数据传输系统中的数据传输进行研究,设计了用于地球物理勘探设备数据采集系统中的低功耗数据收发器。采集站之间通信的距离从几米到几十米不等,传输速率4.096Mbps,常用的RS485和LVDS收发器虽然可以满足需求,但功耗较大,一对收发的功耗可以达到数十mW。本文中,根据LVDS收发的原理,使用低电压的分立器件设计收发器,并且根据传输情况自动调节驱动器驱动电流,实现自适应低功耗收发器。在测试中,经过自动调节后,该收发器在50m传输距离和4.096Mbps传输速率下,一对收发的功耗小于2mW。三是对采集站的时钟同步进行研究。采集站的时钟同步是数据采集系统的重要功能,主要包括时钟频率同步和时刻同步。在本设计中,时钟同步分两级进行。电源站上使用GPS的秒脉冲和UTC时间进行时钟同步,并生成同步帧。同步帧为单向帧,通过广播方式传输给采集站。采集站从同步帧中恢复脉冲信号用于采集站时钟频率同步,并根据同步帧信息和采集站与电源站的传输延时对本地时刻进行调整,最终实现与UTC时间的同步。使用这种方式,在实验室条件下,测得采集站的时钟稳定度可以达到0.07ppm,与GPS时钟的稳定度处于同一水平,时刻同步精度小于1μS,可以满足数据采集系统的需求。本文在设计和实现数据采集系统站体的时候,从功耗方面进行了优化。分别对数据采集系统的供电结构进行分析,对供电结果进行仿真,突出单个采集站功耗对数据采集系统供电的重要性。在实现采集站时,主要从数据传输收发器、时钟同步方式等方面考虑,设计了自适应低功耗收发器和单向同步帧时钟同步方式。通过使用以上技术,采集站功耗最低77mW,低于国外先进数据采集系统中同类站体的功耗。本论文共分为五章:第一章为绪论,阐述了新勘探方法在提高勘探分辨率时,对大规模地球物理勘探设备的需求,以及在采集道数快速增长时,对野外施工带来的影响。提出用于大规模地球物理勘探的数据采集系统,在提高带道能力的同时,应该降低功耗,提高可靠性,以方便野外施工和保障数据安全。第二章从国外已有的大规模地球物理勘探设备数据采集系统出发,讨论了在需要同时采集的通道数较大时,数据采集系统应该具备的能力;分析了采集链的供电结构,对功耗进行仿真,提出了降低功耗对数据采集系统的重要性。第三章详细阐述了大规模数据采集系统的系统结构,分析各级站体的功能和硬件实现,针对不同站体对已有技术进行优化和改进。主要讨论了低功耗采集站中使用的技术,包括自适应低功耗收发器和单向同步帧实现的时间同步方式。第四章对低功耗采集站进行了部分测试,包括同步性能测试,自适应收发器测试、采集站功耗测试等,并对结果进行了分析。第五章是整篇论文的总结与展望,对系统已实现的功能和指标进行总结,并对系统的进一步完善提出建议。


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