CN102436011B

CN102436011B - 用于地球物理探测的地震信号采集传输装置

Info

Publication number: CN102436011B
Application number: CN 201110299502
Authority: CN
Inventors: 段发阶; 蒋佳佳; 陈劲; 何智刚; 常宗杰; 张超; 华香凝
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-10-08
Filing date: 2011-10-08
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-10-08
Also published as: CN102436011A

Abstract

本发明属于地球物理勘探领域。为提供一种能高速可靠传输大容量地震数据的采集传输节点，本发明采取的技术方案是，用于地球物理探测的地震信号采集传输装置，结构为：在所述装置即节点的双绞线上传输的数据格式是同步信息被周期性的插入到命令信息中，此外还包括：采集时钟提取模块、命令解码模块、模数转换器、增益及自检控制器位同步时钟提取器、转发器、采集时钟提取模块、命令解码模块、节点主控制器、增益及自检控制器、数据接收与转发器、数据组帧器在一片FPGA芯片上实现。锁相环电路中鉴频鉴相器PFD、比例积分滤波器、晶体压控振荡器VCTCXO依次串接。本发明主要应用于地球勘探。

Description

用于地球物理探测的地震信号采集传输装置

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，特别是一种用于地球物理探测的地震信号采集传输装置。

背景技术

我国在海洋油气田勘探中应用的地震数据采集与记录系统全部是从国外进口的设备，如：美国I/O公司的MSX系统，法国SERCEL公司的SYNTRAK960系统等仪器设备，该类仪器都是基于传统的工业计算机VME总线结构，体积较大，技术相对落后，采集数据量小，传输速度慢。

现有的一些地震采集系统的采集节点支持的采集通道数少，如目前法国SERCEL公司开发的408UL系统中一个采集节点只能采集一个通道的数据，这样导致在同样通道数的系统下，需要更多的采集节点，从而使系统的可靠性降低，且系统的成本很高。中国科技大学设计的采集板中将下行命令线、电源线和同步采集时钟线分开传输，这样就会使系统内传输线多，系统体积大；此外，他们采用光纤作为传输介质以实现采集节点之间数据的传输，虽然能带来传输容量增大的优点，但同时也带来两个方面的缺点：一方面光纤容易折断，使得系统的故障率高，系统可靠性降低；另一方面光电收发模块体积大，散热量大，成本高，不利于探测缆的小型化(见文献[1]王超，宋克柱，唐进.高性能水下地震数据采集系统设计与实现[J].吉林大学学报(工学版).2007，37(1)：168-172)。

中国专利公开号CN1289921C，公开日2006年12月13日，发明创造的名称为分布式海洋地震勘探拖缆，该申请案公开了一种拖曳式海洋地震勘探拖缆。其不足这处是采集和传输节点分开，带来系统的体积增大；且每个采集节点也只能采集4个通道的地震信号，采集通道的集成度也不高，系统体积庞大。

发明内容

为克服现有技术的不足，(1)采用链路复用技术，提供一种将命令、电源和同步采集时钟三种信号仅通过一对传输双绞线实现同时传输的采集传输节点，实现传输线的高效利用；

(2)提供一种能高精度同步采集16个通道地震数据的采集传输节点；

(3)提供一种能高速可靠传输大容量地震数据的采集传输节点；

(4)提供一种体积小，集成度高，能同时完成16个通道地震数据的采集及传输的地震数据采集传输节点(以下简称节点)。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，用于地球物理探测的地震信号采集传输装置，结构为：在所述装置即节点的双绞线上传输的数据格式是同步信息被周期性的插入到命令信息中，传输的码型均为三阶高密度双极性码HDB3码，同步信息和命令信息经接收变压器2耦合后，首先经信号均衡器对信号进行放大增强处理，然后一方面经过单双变换及整形模块进行双极性码HDB3码到单极性码NRZ码的变换，以使双极性码变为NRZ码，供FGPA内部模块处理；另一方面被传送到位同步时钟提取器进行位同步定时时钟的提取；所述转发器7在位同步时钟的控制下，将命令信息和同步信息发送到幅度补偿及单双变换模块；单双变换模块将接收到的信号进行单极性码NRZ码到双极性码(HDB3码)的转换后，经发送变压器9耦合到双绞线上，向下一级节点传输；

采集时钟提取模块在所述提取出的位同步时钟的定时下对接收到的同步信息进行解码，并将解码出的采集时钟传输到锁相环电路；

命令解码模块在所述提取出的位同步时钟的定时下对接收到的命令信息进行解码，并将相应命令信息传送到节点主控制器；

主电源经双绞线后到达接收变压器，再经接收变压器输入端的中心抽头取出，经电源模块转换成所需直流电压，另一方面，主电源经传输线连接到发送变压器输出端的中心抽头上，并经双绞线传输到下一个节点，为下一个节点提供主电源；

模数转换器，两个模数转换芯片，每个是有8个输入通道且高度集成的24位Δ-∑ADC模数转换芯片，用两个所述的模数转换芯片实现16个通道地震信号的转换、滤波与抽取过程，16个传感器等分为两组，每组中的每个传感器检测到的信号分别通过前置放大器、多路转换开关、增益调节电路、信号调理电路后被传送到模数转换芯片的一个通道中，模数转换芯片输出的数据经数据组帧器后被传送到数据接收与转发器；

增益及自检控制器，一方面分别连接节点主控制器、信号调理电路，在控制命令的控制下实现放大增益的调节；另一方面分别连接节点主控制器、用于自检的DAC电路、多路转换开关，在控制命令的控制下实现自检功能；

从传感器输出到模数转换器输入之间全部采用差分的形式对信号进行放大和传输；

PECL均衡芯片、串并转换用于将来自下一相邻节点的高速低压差分信号转换成并行信号后传至数据接收与转发器；并串转换用于将从数据接收与转发器输出的并行数据转换成高速的低压差分信号并传至PECL驱动芯片，然后传输到上一个相邻节点；

位同步时钟提取器、转发器、采集时钟提取模块、命令解码模块、节点主控制器、增益及自检控制器、数据接收与转发器、数据组帧器在一片FPGA芯片上实现。

锁相环电路中鉴频鉴相器PFD、比例积分滤波器、晶体压控振荡器VCTCXO依次串接，采用鉴频鉴相器PFD提高相位的捕获能力；采用具有高直流增益的比例积分滤波器，使锁相环具有在任何条件下均能从失锁状态恢复到锁定状态的能力，提高锁相环工作的可靠性；采用具有温度补偿的晶体压控振荡器VCTCXO保证锁相环路的高稳定性和低相位噪声，提高锁相环路的同步精度。

本发明具有如下特点：

(1)通过独特的变压器传输结构及链路复用技术，将命令信息、采集时钟信息和节点供电主电源三种信号仅通过一对双绞线同时传输，减小了系统中传输线的数量，从而减小了系统的总重量和体积，提高了硬件利用率，利于系统的进一步集成与小型化；

(2)通过高精度和高稳定度的锁相环模块与两片集成度高的ADC芯片的结合，实现了一个节点能高精度同步采集16个通道的地震信号；

(3)将低压差分技术与PECL驱动均衡技术相结合，实现了地震数据的大容量高速可靠传输，克服了现有进口仪器中数据传输速率低的缺点，并克服了国内技术中光纤介质容易折断，故障率高，体积大，散热量大，成本高的缺点；

(4)将16个通道地震信号的转换、滤波与抽取通过两片具有高集成度的24位Δ-∑ADC芯片实现，克服了现有技术中地震信号的转换、滤波与抽取采用分立元件实现时易引入电磁干扰、采集电路部分元器件多、体积大的缺点。

附图说明

图1示出本发明采集传输节点的主要功能框图。

图2示出本发明中采集传输节点的双绞线上传输的数据格式图。

图3示出本发明中表明锁相环同步精度的波形图。

图1中：1为一对差分双绞线；2为接收变压器；3为双单变换及整形模块；4为电源模块；5为信号均衡器；6为位同步时钟提取器；7为转发器；8为单双变换模块；9为发送变压器；10为幅度补偿器；11为命令解码模块；12为采集时钟提取模块；13为节点主控制器；14为一对差分双绞线；15为PECL驱动芯片；16为并串转换模块；17为数据接收与转发器；18为串并转换模块；19为PECL均衡芯片；20为一对差分双绞线；21为增益及自检控制器；22为DAC电路；23为数据组帧器；24为鉴相器；25为环路滤波器；26为压控振荡器；27为ADC 2；28这ADC 1；29为锁相环；30为信号调理电路；31为多路转换开关；32为传感器；33为电源传输线；34为一对差分双绞线；35为控制多路转换开关31进行切换的控制线。

图2中：36为数据格式；37为同步信息；38为命令信息。

具体实施方式

本发明主要解决的技术问题是：(1)克服现有技术中命令线、电源线和同步采集时钟线分开传输硬件开销大、传输线利用率低、而使系统体积大的缺点，提供一种将命令、电源和同步采集时钟三种信号仅通过一对双绞传输线来实现同时传输的采集传输节点；(2)克服现有技术中一个采集节点只能采集几个通道数据的限制，提供一种能同步采集16个通道地震数据的采集传输节点；(3)克服现有进口仪器中数据传输速率低的缺点，和克服国内技术中光纤介质容易折断，故障率高，体积大，散热量大，成本高的缺点，提供一种能高速可靠传输大容量地震数据的采集传输节点；(4)克服现有技术中采集电路集成度低的缺点，提供一种体积小，集成度高，能同时完成16个通道地震数据的采集及传输的地震数据采集传输节点。

本发明是这样实现的：

本发明中所述采集传输节点是指既具有地震数据的采集功能，又具有地震数据的传输功能，即集地震数据的采集和传输于一体的节点，以下简称节点。

进一步，本发明的下行命令和采集时钟采用自同步的同步传输方式。

进一步，本发明中所述的采集时钟是指用于所有模数转换器(ADC)对地震信号进行转换的时钟，它通常与地震信号的采样率成比例关系。

进一步，在本发明中，下行命令和采集时钟使用同一对双绞线传输，且采用三阶高密度双极性码(HDB3码)结合自同步的方式实现命令及采集时钟的传输与转发。

进一步，在本发明中，一对双绞线承载着上一个节点传来的数据，它能同时传输下行命令、采集时钟和节点的主电源。其中，下行命令和采集时钟通过一个接收变压器耦合到节点，节点再将下行命令和同步采集时钟通过一个发送变压器耦合到另一对双绞线上向下一个节点传输；节点从接收变压器的中心抽头取出主电源电压，经电源模块变换后为自身工作提供电能；同时主电源电压再经一根传输线连接到发送变压器的中心抽头，通过另一对双绞线向下一个节点传输，以便为下一个节点提供主电源。

进一步，本发明信号均衡器对接收到的信号进行放大增强处理，然后再经过双单变换及整形电路将双极性信号变换成噪声小的单极性信号。

进一步，本发明采用幅度补偿电路对被转发的信号进行放大增强处理，然后再经单双变换电路将单极性信号变换成双极性信号发送出去。

进一步，本发明通过在下行传输线上周期性的插入同步帧的方法为节点提供地震信号的采集时钟。

进一步，在本发明中，一个具有高稳定度和高精度的锁相环电路被设计，并将此锁相环电路与两片高集成度的24位Δ-∑ADC芯片相结合，实现了16通道地震数据的高精度同步采集，其中每片24位Δ-∑ADC芯片能同时实现8路信号的转换。

进一步，本发明中，增益控制及自检器一方面结合DAC电路、多路转换开关实现节点的自检功能；另一方面实现对信号调理电路增益的控制。

进一步，本发明采用低压差分高速数据传输技术，并结合8B/10B编码实现地震数据的高速大容量可靠传输。

本发明具有下述特点：(1)通过独特的变压器传输结构，采用链路复用技术，将命令信息、采集时钟信息和节点供电主电源三种信号仅通过一对双绞线实现同时传输，减小了系统中传输线的数量，从而减小了系统的总重量和体积，提高了硬件利用率，利于系统的进一步集成与小型化；(2)通过高精度和高稳定度的锁相环模块与两片集成度高的ADC芯片的结合，实现了一个节点能高精度同步采集16个通道的地震信号；(3)将低压差分技术与PECL驱动均衡技术相结合，实现了地震数据的大容量高速可靠传输，克服了现有进口仪器中数据传输速率低的缺点，并克服了国内技术中光纤介质容易折断，故障率高，体积大，散热量大，成本高的缺点；(4)将16个通道地震信号的转换、滤波与抽取通过两片具有高集成度的24位Δ-∑ADC芯片实现，克服了现有技术中地震信号的转换、滤波与抽取采用分立元件实现时易引入电磁干扰、采集电路部分元器件多、体积大的缺点。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

第一步：命令和同步采集时钟信息的再传输及解码过程。

本发明中所述的采集时钟是指用于系统中所有模数转换器对地震信号进行转换的时钟，它的时钟频率f1＝1/T1，如图2所示，它通常与地震信号的采样率成比例关系。

在节点间通过一对差分双绞线采用自同步的传输方式实现下行命令和采集时钟的同时传输，其中双绞线1和双绞线34上传输的码型均为三阶高密度双极性码(HDB3码)。在节点的双绞线上传输的数据格式36参见图2所示，同步信息(即采集时钟信息)37被周期性的插入到命令信息38中。

同步信息37和命令信息38经接收变压器2耦合后，首先经信号均衡器5对信号进行放大增强处理，然后一方面经过单双变换及整形模块3进行双极性码(HDB3码)到单极性码(NRZ码)的变换，以使双极性码变为NRZ码，供FGPA内部模块处理；另一方面被传送到位同步时钟提取模块6进行位同步定时时钟的提取。

所述转发器7在位同步时钟的控制下，将命令信息38和同步信息37发送到幅度补偿10及单双变换模块8；单双变换模块8将接收到的信号进行单极性码(NRZ码)到双极性码(HDB3码)的转换后，经发送变压器9耦合到双绞线10上，向下一级节点传输。

与上述过程同时，采集时钟提取模块12在所述提取出的位同步时钟的定时下对接收到的同步信息37进行解码，并将解码出的采集时钟传输到锁相环电路29。

与上述过程同时，命令解码模块11在所述提取出的位同步时钟的定时下对接收到的命令信息37进行解码，并将相应命令信息38传送到节点主控制器13中。

第二步：节点电能的获取与再传输过程。

一方面，主电源经双绞线1后到达接收变压器2，再经接收变压器2输入端的中心抽头取出，经电源模块4转换成正负5V、正3.3V、正2.5V、正1.2V电压；其中，正负5V供采集电路部分的模拟电路使用，正5V、正3.3V、正2.5V、正1.2V供采集及传输电路部分的数字电路使用。另一方面，主电源经传输线5连接到发送变压器9输出端的中心抽头上，并经双绞线10传输到下一个节点，为下一个节点提供主电源。

第三步：16通道地震信号的放大与滤波。

为了有效抑制模拟信号传输线路上的干扰，所述信号调理电路30采用全差分的信号放大及传输方式；它同时完成对地震信号的低切、高切滤波及具有极高共模抑制比的前置放大功能等。

第四步：程控增益调节和节点的自检。

本发明中，节点根据接收到的下行命令，通过增益控制及自检器21，一方面实现16个采集通道程控增益放大器放大倍数的调节，其中，程控增益放大器能实现的增益为：0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB、36dB；另一方面，通过24位DAC电路22和多路转换开关31的结合，实现16通道地震信号采集通路的自检功能。

第五步：16通道地震数据的高集成度高精度同步采集。

本发明中，所述具有高稳定度和高精度的锁相环电路29由鉴频鉴相器(PFD)24、环路滤波器25和高稳定度的温度补偿晶体压控振荡器(VCTCXO)26及ADC芯片28组成；它能使16个通道的ADC在5ns的同步采集误差范围内实现高精度同步采集，其实际测量到的同步精度如图3所示。本发明采用两片高集成度的24位Δ-∑ADC芯片实现16通道地震数据的高精度同步采集，所述24位Δ-∑ADC芯片每片能同时采集8通道的地震数据，并能同时完成地震数据的转换、滤波与抽取功能，具有集成度高，体积小，受电磁干扰小的优点，实现了低噪声、高集成度，高效的数据采集及转换功能。

第六步：节点主控制器的功能。

节点主控制器13接收来自命令解码模块11的命令，并控制和协调节点里所有过程的有序进行，主要包括：(1)控制系统中节点复位、开始采集、数据传输的有序进行(2)协调系统采集电路部分增益的控制及节点功能自检的进行；(3)控制地震数据的接收与转发的顺利进行等。

第七步：地震数据接收与转发接口的设计。

本发明中，地震数据的接收与转发采用PECL驱动芯片15、PECL均衡芯片19并结合串并转换18和并串转换16，能实现地震数据的大容量高速可靠传输，目前已结题的系统在196Mbps的数据传输率下能可靠稳定的工作。所述串并转换18用于将高速低压差分信号转换成并行信号后传至数据接收与转发器17；所述并串转换16用于将从数据接收与转发器17输出的并行数据转换成高速的低压差分信号并传至PECL驱动芯片15。

第八步：数据接收与转发的主要功能及工作过程。

在频率为f1的采集时钟的时序下，本节点上的数据组帧器23将接收到的16通道的地震数据和自身节点的工作状态组装成数据帧后传输到数据接收与转发器17。

数据接收与转发器17一方面接收来自本节点中16通道的地震数据，另一方面接收下一个节点传来的地震数据。在频率为f1的采集时钟的时序下，数据接收与转发器13将接收到的承载有地震数据和节点工作状态信息的数据帧以8B/10B的编码方式传输到上一个相邻节点。

Claims

1.一种用于地球物理探测的地震信号采集传输装置，结构为：在所述装置即节点的双绞线上传输的数据格式的特征是同步信息被周期性的插入到命令信息中，传输的码型均为三阶高密度双极性码HDB3码，同步信息和命令信息经接收变压器(2)耦合后，首先经信号均衡器对信号进行放大增强处理，然后一方面经过双单变换及整形模块进行双极性码HDB3码到单极性码NRZ码的变换，以使双极性码变为NRZ码，供FGPA内部模块处理；另一方面被传送到位同步时钟提取器进行位同步时钟的提取；转发器(7)在位同步时钟的控制下，将命令信息和同步信息发送到幅度补偿及单双变换模块；单双变换模块将接收到的信号进行单极性码NRZ码到双极性码即HDB3码的转换后，经发送变压器(9)耦合到双绞线上，向下一级节点传输；

模数转换器由两个模数转换芯片构成，每个是有8个输入通道且高度集成的24位Δ-∑ADC模数转换芯片，用两个所述的模数转换芯片实现16个通道地震信号的转换、滤波与抽取过程，16个传感器等分为两组，每组中的每个传感器检测到的信号分别通过前置放大器、多路转换开关、增益调节电路、信号调理电路后被传送到模数转换芯片的一个通道中，模数转换芯片输出的数据经数据组帧器后被传送到数据接收与转发器；

2.如权利要求1所述装置，其特征是，锁相环电路中鉴频鉴相器PFD、比例积分滤波器、晶体压控振荡器VCTCX0依次串接，采用鉴频鉴相器PFD提高相位的捕获能力；采用具有高直流增益的比例积分滤波器，使锁相环具有在任何条件下均能从失锁状态恢复到锁定状态的能力，提高锁相环工作的可靠性；采用具有温度补偿的晶体压控振荡器VCTCX0保证锁相环路的高稳定性和低相位噪声，提高锁相环路的同步精度。