CN103197343B - 一种适用于地球物理勘探的数据无损压缩传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于地球物理勘探的数据无损压缩传输方法，对多个采样点的采样值进行组帧，然后根据数据无损压缩算法对帧内各通道内的数据进行变量S的计算，然后根据S选择压缩处理方法，最后将压缩后的数据进行传输。本发明大大降低系统对数据传输速率的要求，降低系统设计复杂度，增加系统稳定性以及系统的制造和维护成本；另外在同等数据率下可有效减少数据传输时间，进而减少系统死时间。

Description

一种适用于地球物理勘探的数据无损压缩传输方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探仪器中的数据传输系统领域，具体是一种适用于地球物理勘探的数据无损压缩传输方法。

背景技术

地震勘探系统中的数据传输是一个关键问题，目前主流仪器大多采用了原始采集数据的传输，没有对数据进行压缩，这对传输速率提出了很高的要求，尤其是大型地震勘探系统，其需要支持上万道数，由于传输速率的限制，必须在各级加缓存以完成采集数据的上传，这一方面增加了系统的设计复杂度，另一方面也造成了系统的死时间较长。基于后期数据分析对数据正确性的高要求，采集得到的数据必须无误的上传存储，这就要求如果要使用数据压缩，必须是可以无失真的恢复得到原始数据，这可能也是目前地震勘探仪器中较少采用压缩传输的原因之一；另一方面即便采用数据压缩，对于大型地震勘探系统，仍然无法根本解决数据传输的问题，仍然需要通过各级加缓存的方式才能完成大容量数据的上传，这就使得采用数据压缩时的额外开销显得多余，但从另一方面考虑，如果数据压缩能够很大的降低数据量，尤其是大容量数据下，将具有重要意义，这一方面可以减少各级缓存的容量，更重要的是可以大大减少数据上传的时间，增加数据传输的稳定性。

目前主流的地震勘探系统均很少采用数据压缩传输方法。如法国Sercel公司推出的428系列，其在408系列8Mbps传输速率的基础上提高到了16Mbps，但是在道数较多的情况下，仍然需要加各级缓存才能完成一次数据的完整上传，从其技术手册来看，其没有提到数据压缩，合理推测其当没有使用数据压缩传输方法，而是以采集得到的原始数据进行组帧上传；中海油“海亮”地震勘探系统数据传输率达到240Mbps，其原因就在于道数多，无压缩，无各级加缓存，采用如此高数据传输率，对传输介质提出了很高的要求，故“海亮”系统采用了特制的电缆，费用极高。如果采用了有效的数据压缩传输算法，可大大降低传输速率，降低电缆品质，可大大降低仪器制造和维护成本。中石油ES109万道陆上地震勘探系统采用了双路485传输用以支持高数据率，大大增加了系统功耗和设计复杂度，如果采用了有效的数据压缩传输算法，只需单路485传输即可达到数据传输速率需求，这无论是从系统设计角度还是从功耗角度都是很有利的。

地震勘探系统通常需要较高的数据传输率，在道数较多的情况下，通常需要加各级缓存才能完成数据传输，增加了系统设计复杂度，更重要的是数据传输时间长，炮间隔时间大，长时间传输也对数据传输的正确性有不利影响，采用有效压缩传输方法可以降低对数据率的要求，这在某些情况下可大大降低系统设计的复杂度，对系统稳定性和制造成本具有非常重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于地球物理勘探的数据无损压缩传输方法，大大降低系统对数据传输速率的要求，降低系统设计复杂度，增加系统稳定性以及系统的制造和维护成本；另外在同等数据率下可有效减少数据传输时间，进而减少系统死时间。

本发明的技术方案为：

一种适用于地球物理勘探的数据无损压缩传输方法，包括以下步骤：

（1）、将ADC采集的每n个样点数据作为一帧，每帧包含8个数据通道，每个数据通道内包含n个采样数据，将数据帧作为压缩单位，不考虑帧头状态字和效验字节，ADC采集的每个数据占3个字节，对纯数据24n个字节进行压缩；

（2）、定义变量S：一帧中某一数据通道中的某一数据若仅需用1个字节表示，则这个数据表示+1；若一数据通道中的某一数据若仅需用大于1个字节且小于2个字节来表示，则这个数据表示+(n+1)；若一数据通道中的某一数据若仅需用大于2个字节以上来表示，则这个数据表示+(n²+n+1)；即当一数据通道中的所有数据均用1个字节表示时，则S=n，当一数据通道中的至少有一个数据大于1字节且所有数据均小于2字节时，则n<S<(n²+n+1)，当一数据通道中的至少有一个数据大于2字节时，则(n²+n+1)<S≤(n³+n²+n)；

（3）、引入差分: 若一数据通道中的n个数据相邻两个数据求差后得到的n个数据按步骤（2）求S,若求差后n个数据的S大于原数据的S，则用求差后数据的S代替原数据S进行处理方法的判断，若求差后n个数据的S小于或等于原数据的S，直接将原数据上传,不进行压缩；

（4）、处理方法的选择及处理：每一数据通道分配两位定义为flag，每帧8个通道，flag长度固定为2个字节；flag紧随状态字节，在8个数据通道之前；而每一数据通道的开头另定义有一个新的标志位以表示每一数据通道的编码细节，记作flag2；

a、处理方法1，本处理方法适用于数据通道S=n：

若某一数据通道的S=n，该数据通道的flag=00b,该数据通道n个数据均能够以1字节表示，即该数据通道n个数据均以8位表示，该数据通道的flag2直接设置为0；

b、处理方法2，本处理方法适用于数据通道n<S<(n²+n+1)：

以下处理步骤区分优先级，当条件1>满足时，直接进入条件1>进行处理，仅当条件1>不满足时，才处理条件2>，仅在条件1>和2>均不满足时，才处理条件3>；

1> 若某一数据通道原数据有一半数据需要1字节以上表示，即S≥(n/2+1)*(n+1)+(n/2-1)*1且差分后数据S值满足如下关系：

(n/2+1)*(n+1)+(n/2-1)*1≤S≤n*(n+1)，

则：如该数据通道n个数据均可以12位表示，设置该数据通道的flag=01b, flag2 =0x00；若该数据通道n个数据均能够以14位表示，设置该数据通道的flag=10b, flag2 =0xFF；

     2> 若差分后数据S小于原数据S，则采用差分后数据上传，设置该数据通道flag =10b；

     3>采用原始数据上传，设置该数据通道flag =01b；

在2>, 3>中flag2为n/8个字节，flag2的第n位分别代表该数据通道的第n个数据，如某个数据需要使用2字节表示，则该数据在flag2中的代表位设为1，否则为0；

c、处理方法3，本处理方法适用于数据通道(n²+n+1)<S≤(n³+n²+n)：

以下处理步骤区分优先级，当条件1>满足时，直接进入条件1>进行处理，仅当条件1>不满足时，才处理条件2>，仅在条件1>和2>均不满足时，才处理条件3>；

首先设置flag=11b；

1> 若某一数据通道原数据中有一半以上需用3字节表示，即S≥(n/2+1)*(n²+n+1)+(n/2-1)*(n+1)，且差分后S值满足如下关系：

(n/2+1)*(n²+n+1)+(n/2-1)*(n+1)≤S≤n*(n²+n+1)，

则：如该数据通道的8个数据均以20位表示，设置flag2 =0xFF00，结果处理方法3，否则进入2>进行判断；

2> 若差分后数据S小于原数据S，则采用差分后数据上传，该数据通道flag2为n/8个字节，flag2的n位分别代表该数据通道的n个数据，该数据通道的每个数据为2字节或3字节，若为3字节数据则该数据在flag2中的代表位设为1，否则为0。

3> 采用原始数据上传，该数据通道flag2为n/8+1个字节，第一字节恒设置为0xFF，第二字节的n位分别代表该数据通道的n个数据，该数据通道的每个数据为2字节或3字节，若为3字节数据则该数据在flag2中的代表位设为1，否则为0。

所述的每帧内除了纯数据信息，还包含有状态信息和效验码。

所述的n=8m，m为大于或等于1的整数。

本发明的优点：

本发明大大降低了系统对数据传输速率的要求，通过对实际采集得到数据帧应用该算法，平均压缩比为1.89（即压缩后数据量变为压缩前的53%），即采用压缩算法后，相同数据量下，所要求的数据传输率约可降低为原来的一半，在某些情况下，这可以大大降低系统设计复杂度。由图3可见未出现负压缩帧，无连续出现压缩比低于1.3的数据帧，同时注意到第100帧附近整体压缩比较低，与之对应的正是地震活跃期。

通过实例证明，本发明所设计的无损压缩算法大大降低了数据量，有效的降低了对数据传输速率的需求，增加了数据传输的稳定性以及系统的制造和维护成本；另外在同等数据率下有效的减少数据传输时间，进而减少了系统死时间。

附图说明

图1是本发明无损压缩算法的流程图。

图2是本发明具体实施例中无损压缩算法的流程图。

图3为本发明具体实施例应用压缩算法后所得的各帧压缩比。

具体实施方式

一种适用于地球物理勘探的数据无损压缩传输方法，以下说明中令m=1，即n=8，一帧中有8道，每道有8个采样点，包括以下步骤：

（1）、见下表1，将ADC采集的每8个样点数据作为一帧，每帧包含8个数据通道，每个数据通道内包含8个采样数据，将数据帧作为压缩单位，不考虑帧头状态字和效验字节，ADC采集的每个数据占3个字节，对纯数据192个字节进行压缩，一帧中除了纯数据字节，还包括有10个字节的帧头状态字和2个字节的效验码；

（2）、定义变量S：一帧中某一数据通道中的某一数据若仅需用1个字节表示，则这个数据表示+1；若一数据通道中的某一数据若仅需用大于1个字节且小于2个字节来表示，则这个数据表示+9；若一数据通道中的某一数据若仅需用大于2个字节以上来表示，则这个数据表示+73；即当一数据通道中的所有数据均用1个字节表示时，则S=8，当一数据通道中的至少有一个数据大于1字节且所有数据均小于2字节时，则8<S<73，当一数据通道中的至少有一个数据大于2字节时，则73<S≤584；

（3）、引入差分: 若一数据通道中的8个数据相邻两个数据求差后得到的8个数据按步骤（2）求S,若求差后8个数据的S大于原数据的S，则用求差后数据的S代替原数据S进行处理方法的判断，若求差后8个数据的S小于或等于原数据的S，直接将原数据上传,不进行压缩；

（4）、见图1、图2，处理方法的选择及处理：每一数据通道分配两位定义为flag，每帧8个通道，flag长度固定为2个字节；flag紧随状态字节，在8个数据通道之前；而每一数据通道的开头另定义有一个新的标志位以表示每一数据通道的编码细节，记作flag2；

a、处理方法1：

若某一数据通道的S=8，该数据通道的flag=00b,该数据通道n个数据均以1字节表示，即该数据通道8个数据均以8位表示，该数据通道的flag2为0；

b、处理方法2，本处理方法适用于数据通道8<S<73：

以下处理步骤区分优先级，当条件1>满足时，直接进入条件1>进行处理，仅当条件1>不满足时，才处理条件2>，仅在条件1>和2>均不满足时，才处理条件3>；

1> 若某一数据通道原数据S≥48且差分后数据48≤S≤72，则：

如果该数据通道8个数据均以12位表示，设置该数据通道的flag=01b, flag2 =0x00；若该数据通道n个数据均以14位表示，该数据通道的flag=10b, flag2 =0xFF；

2> 若差分后数据S小于原数据S，则采用差分后数据上传，设置该数据通道flag =10b；

3> 若采用原数据上传，该数据通道flag =01b;

如上2>, 3>情况中flag2为1个字节，flag2的8位分别代表该数据通道的8个数据，该数据通道的每个数据可表示为1字节或2字节，若表示为2字节数据则该数据在flag2中的代表位即为1，否则为0；

c、处理方法3，本处理方法适用于数据通道73<S≤584：

以下处理步骤区分优先级，当条件1>满足时，直接进入条件1>进行处理，仅当条件1>不满足时，才处理条件2>，仅在条件1>和2>均不满足时，才处理条件3>；

首先设置flag=11b：

1> 若某一数据通道原数据S≥392且差分后数据392≤S≤584，则如果该数据通道的8个数据均以20位表示，设置flag2 =0xFF00，退出处理方法3，否则进入2>进行判断；

2> 若差分后数据S小于原数据S，则采用差分后数据上传，该数据通道flag2为1个字节，flag2的8位分别代表该数据通道的8个数据，该数据通道的每个数据为2字节或3字节，若为3字节数据则该数据在flag2中的代表位即为1，不为3字节则为0；

3> 采用原数据上传，该数据通道flag2为2个字节，第一字节为0xFF，第二字节的8位分别代表该数据通道的8个数据，该数据通道的每个数据为2字节或3字节，若为3字节数据则该数据在flag2中的代表位即为1，不为3字节则为0。

Claims (3)

1.一种适用于地球物理勘探的数据无损压缩传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、将ADC采集的每n个样点数据作为一帧，每帧包含8个数据通道，每个数据通道内包含n个采样数据，将数据帧作为压缩单位，不考虑帧头状态字和效验字节，ADC采集的每个数据占3个字节，对纯数据24n个字节进行压缩；

（2）、定义变量S：一帧中某一数据通道中的某一数据若仅需用1个字节表示，则这个数据表示+1；若一数据通道中的某一数据若仅需用大于1个字节且小于2个字节来表示，则这个数据表示+(n+1)；若一数据通道中的某一数据若仅需用大于2个字节以上来表示，则这个数据表示+(n²+n+1)；即当一数据通道中的所有数据均用1个字节表示时，则S=n，当一数据通道中的至少有一个数据大于1字节且所有数据均小于2字节时，则n<S<(n²+n+1)，当一数据通道中的至少有一个数据大于2字节时，则(n²+n+1)<S≤(n³+n²+n)；

（3）、引入差分: 若一数据通道中的n个数据相邻两个数据求差后得到的n个数据按步骤（2）求S,若求差后n个数据的S大于原数据的S，则用求差后数据的S代替原数据S进行处理方法的判断，若求差后n个数据的S小于或等于原数据的S，直接将原数据上传,不进行压缩；

（4）、处理方法的选择及处理：每一数据通道分配两位定义为flag，每帧8个通道，flag长度固定为2个字节；flag紧随状态字节，在8个数据通道之前；而每一数据通道的开头另定义有一个新的标志位以表示每一数据通道的编码细节，记作flag2；

a、处理方法1，本处理方法适用于数据通道S=n：

若某一数据通道的S=n，该数据通道的flag=00b,该数据通道n个数据均能够以1字节表示，即该数据通道n个数据均以8位表示，该数据通道的flag2直接设置为0；

b、处理方法2，本处理方法适用于数据通道n<S<(n²+n+1)：

以下处理步骤区分优先级，当条件1>满足时，直接进入条件1>进行处理，仅当条件1>不满足时，才处理条件2>，仅在条件1>和2>均不满足时，才处理条件3>；

1> 若某一数据通道原数据有一半数据需要1字节以上表示，即S≥(n/2+1)*(n+1)+(n/2-1)*1且差分后数据S值满足如下关系：

(n/2+1)*(n+1)+(n/2-1)*1≤S≤n*(n+1)，

则：如该数据通道n个数据均可以12位表示，设置该数据通道的flag=01b, flag2 =0x00；若该数据通道n个数据均能够以14位表示，设置该数据通道的flag=10b, flag2 =0xFF；

    2> 若差分后数据S小于原数据S，则采用差分后数据上传，设置该数据通道flag =10b；

    3>采用原始数据上传，设置该数据通道flag =01b；

在2>, 3>中flag2为n/8个字节，flag2的第n位分别代表该数据通道的第n个数据，如某个数据需要使用2字节表示，则该数据在flag2中的代表位设为1，否则为0；

c、处理方法3，本处理方法适用于数据通道(n²+n+1)<S≤(n³+n²+n)：

以下处理步骤区分优先级，当条件1>满足时，直接进入条件1>进行处理，仅当条件1>不满足时，才处理条件2>，仅在条件1>和2>均不满足时，才处理条件3>；

首先设置flag=11b；

1> 若某一数据通道原数据中有一半以上需用3字节表示，即S≥(n/2+1)*(n²+n+1)+(n/2-1)*(n+1)，且差分后S值满足如下关系：

(n/2+1)*(n²+n+1)+(n/2-1)*(n+1)≤S≤n*(n²+n+1)，

则：如该数据通道的8个数据均以20位表示，设置flag2 =0xFF00，结果处理方法3，否则进入2>进行判断；

2> 若差分后数据S小于原数据S，则采用差分后数据上传，该数据通道flag2为n/8个字节，flag2的n位分别代表该数据通道的n个数据，该数据通道的每个数据为2字节或3字节，若为3字节数据则该数据在flag2中的代表位设为1，否则为0；

 3> 采用原始数据上传，该数据通道flag2为n/8+1个字节，第一字节恒设置为0xFF，第二字节的n位分别代表该数据通道的n个数据，该数据通道的每个数据为2字节或3字节，若为3字节数据则该数据在flag2中的代表位设为1，否则为0。

2.根据权利要求1所述的一种适用于地球物理勘探的数据无损压缩传输方法，其特征在于：所述的每帧内除了纯数据信息，还包含有状态信息和效验码。

3.根据权利要求1所述的一种适用于地球物理勘探的数据无损压缩传输方法，其特征在于：所述的n=8m，m为大于或等于1的整数。