CN103499833B - 一种内置电源有线地震仪器及数据传输方法 - Google Patents

Abstract

一种内置电源有线地震仪器及数据传输方法，属于地震数据采集技术领域。数传电缆将采集站串联组成第一串联排列，第一串联排列连接至第一交叉站的低端排列接口的输入端，另第二串联排列连接至第一交叉站的高端排列接口的输入端；第一交叉站通过第六交叉传输线连接至主控制记录设备，完成对来自主控制记录设备的命令的转发，并将下级回传的地震数据输入至主控制记录设备；主控制记录设备将采集到的二维地震勘探数据进行处理、存储和输出显示。本发明实现了电源和数据线路隔离，抗干扰能力明显提高；野外地面设备总重量较现有同类地震仪器大幅降低；系统结构简单、轻便灵活、适合复杂地表环境下的施工。

Description

一种内置电源有线地震仪器及数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种内置电源有线地震仪器及数据传输方法，属于地震数据采集技术领域。

背景技术

目前，地震勘探是陆地勘探石油、天然气、煤炭资源的主要方法,而有线地震仪器又是当前地震勘探中的主力,占据地震仪市场的绝大部分份额。随着油气、煤炭资源勘探开发的不断深入，野外数据采集道数越来越大，施工地表条件也日趋复杂，这就要求地震仪器在保证采集数据质量的前提下，还具有良好的物理特性和排列稳定性、可靠安全的数据传输以及较低的功耗。

为满足科学技术发展的需要，近年来传统电池（如干电池、蓄电池等）的性能不断提高，国外也涌现出多种新型电池，如美国Ultralife公司制造的基于物理镀膜（unrivaled thinnessPVD）技术的超薄电池厚度最低可以达到0.1m。这一全固态、超薄电池提供一些用户急需的属性——持久的安全性（不能燃烧或泄漏）以及史无前例的电池能量密度（不低于700Wh/L）。美国麻省理工学院（MIT）的科学家也提出一种旨在减短电池充电时间的新技术理念，其最终目标是在使电池能在几秒钟内完成充电。这项新技术目前正在研究阶段，现在已推出能在10～20秒内完成充电的小型电池样品（使用传统技术制造的同样电池充电时间为6分钟），并有望在两年内得到突破。总体来说，新型电池的研发重点主要集中在小型化、大容量化、充电时间短和清洁能源等方面。更小、使用时间更长、充电时间更短和更加环保将会是电池的发展方向。电池技术的不断进步必将为地震勘探仪器的进一步发展提供动力和前提条件。

现在广泛使用的有线地震仪器，如法国Sercel公司的408UL、428XL，中石油东方地球物理公司控股INOVA公司的Scorpion、G3i等大都采用基于复用数据线和电源线技术的集中供电方式，即将电源站或者交叉站外接的12V电池（野外施工时，通常使用12V铅酸蓄电瓶）的电力通过数据线平均分配给多个采集站。这种供电方式虽然使得电源管理和野外布线得到了一定的简化，但它也带来两个方面的问题：一是功率损耗问题。为满足现场采集需求，通常是电源站或交叉站将其电源的12V电压经DC转换电路升压，最终通过传输线对向采集站提供电压更高的直流电源。众所周知，直流电压经过远距离传输时，会造成一定的功率损耗。如国外某地震仪器采用远距离传输方式为48个采集站供电时，在传输线上的功率损耗约为1.5W（55米道距），现在国内三维地震勘探采集道数普遍在万道左右，若采用集中供电方式，每天损耗的功率将是不容忽视的；二是数据采集可靠性问题。集中供电方式就是一台电源站或交叉站为多个采集站供电。野外采集时，若由于电瓶低电或者其它原因引起某个集中供电点不能正常供电，将会导致该供电段内的采集站全部停止工作，丢失数据。为了克服这些问题，引入一种内置电源有线地震仪器，旨在提供一种在重量、功耗、系统可靠性以及在野外使用灵活性等方面更具优势的地震数据采集系统。

发明内容

为了克服传统有线地震仪器集中式供电带来的功率损耗和数据采集可靠性方面的问题，本发明提供一种内置电源有线地震仪器及数据传输方法，旨在减轻野外采集设备总重量，避免由于集中供电而引起的功耗损耗，提高系统数据采集的可靠性及其野外使用灵活性。

一种内置电源地震数据采集系统，将接收到的地震勘探数据进行存储、管理、处理、输出，包括：主控制记录设备；交叉站和采集站；若干采集站线性串联构成采集站串联排列；所述交叉站串联在该采集站串联组中；

所述主控制记录设备，包括：控制系统执行各种功能命令的服务器；绘图仪；磁带机；大容量磁盘阵列；用于野外采集排列的管理和控制，对接收到的地震勘探数据进行处理、存储和显示、输出；

所述交叉站，包括电源管理单元；数据传输单元；测试管理单元；命令管理单元；大线接口单元：可选择性采用内置电源或外接电源，站体具有良好的防水密封性能；在网络中，每个采集站具有唯一的序列号和IP地址；完成采集大线的管理、采集数据传输（带冗余纠错和临时存储功能）以及采集站内部和野外测试的管理；

所述交叉站内置电源，采用可重复充电、能量密度大、重量低的电池，安装于交叉站站体内部；电池与电路板采取隔离安装措施；电池的正负极分别与交叉站电源管理单元的内置电源接口的正、负极相连；

所述交叉站内置电源和外置电源切换通过电源管理单元中的电源切换电路完成，在电源切换过程中交叉站稳定工作；

所述采集站，包括电源管理单元；模数转换单元；数据传输单元；命令管理单元；采用内置电源供电，站体具有良好的防水密封性能；在网络中，每个采集站具有唯一的序列号和IP地址；根据系统主机发送的命令，完成模拟地震数据的接收、A/D转换、传输以及采集站的内部和外部测试；

所述采集站内置电源，采用可重复充电使用、能量密度大、重量低的电池，安装于采集站站体内部；电池与电路板采取隔离安装措施；电池的正负极分别与采集站电源管理单元的内置电源接口的正、负极相连。

一种用于上述内置电源有线地震仪器的高传输速率、低传输误码率的数据传输方法,包括下述步骤：

步骤1：交叉站和采集站接收到系统的上电指令后，其内部电源管理单元开始供电。系统上电后进行初始化工作，在初始化过程中，完成整个采集系统的命令时间同步校准。同步校准完成后，每个采集站和交叉站内部延迟寄存器均保存了命令执行的延迟时间；

步骤2：初始化完成后，采集站和交叉站进入工作状态，等待执行来自主控制记录设备的各种任务；

步骤3：处于工作状态的交叉站和采集站循环检测主控制记录设备是否发出命令，在接收到命令之后，交叉站或采集站的命令管理单元在对命令进行处理的同时，根据命令的类型和发送范围确定是否向其临近的下一个交叉站或采集站转发，以完成用户通过主记录控制设备配置的各种任务；

步骤4：当交叉站或采集站收到来自主控制记录设备的停止执行的命令后，返回步骤二，等待其它命令，否则，待命令执行完成后，进行数据传送；

步骤5：完成下级数据的临时存储和转发；

步骤6：任务完成，返回步骤2，等待下次任务的命令。

所述步骤4中的数据传送具体包括：采集站采用单次采集，单次传输的工作方式，也就是说每次任务获取的数据在下次任务开始执行之前完成上传，以某次采集为例，采集站接收来自地震检波器的模拟信号，经模数转换后得到数字地震信号，再发送给数据传输单元。数据传输单元对该数字地震信号编码、压缩并按协议格式写入本地数据缓存器，启动数据发送，首先发送本地数据缓存器中的数据，待收到上一级采集站或交叉站数据校验成功信息后，释放本地数据缓存器数据；

所述步骤5具体包括：优先发送本地数据缓存器数据的同时，数据传输单元接收来自下一级采集站或交叉站的数据，并存入下级数据缓存器。待本地数据缓存器中的数据发送完毕后，数据传输单元切换本地数据缓存器至下级数据缓存器，启动数据发送，同时数据传输单元接收来自下一级的数据并存入另外一个下级数据缓存器，采用交替方式完成下一级数据的转发工作。在每一次数据转发完成并收到上一级采集站或交叉站数据校验成功信息后，释放对应的数据缓存器数据。数据缓存器之间的切换由控制逻辑电路控制；

所述本地数据缓存器、下级数据缓存器均是FIFO缓存器；

所述数据校验方式是循环冗余校验，即CRC校验；

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

1、由于不再采用集中供电，内置电源有线地震仪器数传电缆的线芯直径有所减小，并不再采用笨重的铅酸电池供电，使得地面设备总重量与同类仪器相比，有了一定的降低；

2、不再使用数据传输线为采集设备供电，从而实现了电源和数据线路隔离，抗干扰能力明显提高；

3、不再采用数据和能量传输复用线对的方式，随着科学技术的发展，可以考虑采用光纤作为数据传输介质，这必将大幅度减小野外地面设备总重量，提高整个采集系统的抗干扰能力；

4、采用分布式供电，避免了野外施工时，采用集中式供电的电缆功率损耗现象；

5、采用新型电池作为内置电源，环境友好；

6、相对于传统集中供电的有线地震仪器，系统结构简单、轻便灵活、适合复杂地表环境下的施工；

7、采集站和交叉站内置临时FIFO缓存，在数据传输路径出现提高了采集数据的可靠性和安全性。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1是二维地震勘探数据采集系统示意图。

图2是三维地震勘探数据采集系统示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：如图1、图2所示，一种轻便的、低功耗的，能够长时间可靠稳定工作的、单站单道内置电源有线地震数据采集仪器。

本发明提出的内置电源有线地震数据采集系统由一套主控制记录设备、若干交叉站、若干交叉传输线以及若干由采集站和数传电缆构成的串联排列组成。

本发明的设计思路为：采用内置供电方式对采集站或交叉站分布供电，不再使用数据线对为野外电子设备供电，使得电源和信号传输线路隔离，整个采集系统的抗干扰能力提高；对数据传输线的要求也大大降低，并不再使用传统的铅酸电瓶作为采集站的供电电源，减轻了野外采集设备的重量；随着光纤技术的发展，可采用光纤替代目前的双绞线作为数据传输媒质，这必将进一步提高系统的抗干扰能力，增加其实时采集道数，降低野外采集设备的总重量。采用当前在地震勘探领域已广泛使用，并且非常成熟的以太网控制、管理和数据传输技术，每个采集站都有唯一的IP地址，传输速度快，带道能力强；采用数字信号传输技术，避免传输过程中的能力损耗和高频衰减；

二维地震勘探数据采集系统的具体实现方法，请参阅图1所示；

从图中可以看出，100为采集站，由数传电缆200将采集站串联组成第一串联排列110，第一串联排列110连接至第一交叉站300的低端排列接口的输入端，另第二串联排列111连接至第一交叉站300的高端排列接口的输入端；第一交叉站300通过第六交叉传输线400连接至主控制记录设备90，完成对来自主控制记录设备90的命令的转发，并将下级回传的地震数据输入至主控制记录设备90；主控制记录设备90将采集到的二维地震勘探数据进行处理、存储和输出显示。

上述数传电缆200完成采集站100之间以及采集站100和第一交叉站300之间的数据传输，越靠近顶层数据传输率需求越高，顶层方向就是主控制记录设备90的方向；

上述交叉传输线用于交叉站300和主控制记录设备90之间的连接；

三维地震勘探数据采集系统的具体实现方法，请参阅图2所示；

从图中可以看出，第一串联排列110、第二串联排列111、第三串联排列112、第四串联排列113、第五串联排列114、第六串联排列115、第七串联排列116、第八串联排列117、第九串联排列118、第十串联排列120、第十一串联排列121、第十二串联排列122、第十三串联排列119连接到第一交叉站300、第二交叉站301、第三交叉站302、第四交叉站303、第五交叉站304、第六交叉站305、第七交叉站306排列接口的输入端，交叉站通过第一交叉传输线401、第二交叉传输线402、第四交叉传输线404、第五交叉传输线405与第十二串联排列122相互连接，最后通过第六交叉传输线400、第三交叉传输线403连接到主控制记录设备90构成三维地震勘探数据采集系统，其中第一串联排列110连接到第一交叉站300的低端排列接口，第二串联排列111连接到第一交叉站300的高端排列接口，第三串联排列112连接到第二交叉站301的低端排列接口，第四串联排列113连接到第二交叉站301的高端排列接口，

第五串联排列114连接到第三交叉站302的低端排列接口，第六串联排列115连接到第三交叉站302的高端排列接口，第一交叉站300、第二交叉站301、第三交叉站302之间通过交叉传输线连接，第一交叉站300通过交叉传输线与主控制记录设备90相连，

第七串联排列116连接到第四交叉站303的低端排列接口，第八串联排列117连接到第四交叉站303的高端排列接口，第九串联排列118连接到第六交叉站305的低端排列接口，第十三串联排列119连接到第五交叉站304的高端排列接口，第十串联排列120连接到第七交叉站306的低端排列接口，第十一串联排列121连接到第七交叉站306的高端排列接口，第十二串联排列122的两端分别连接到第六交叉站305的高端排列接口、第五交叉站306的低端排列接口，第六交叉站305、第七交叉站306之间使用交叉传输线连接，第五交叉站304、第六交叉站305之间使用第十二串联排列122连接，第四交叉站303、第五交叉站304之间使用交叉传输线连接，第四交叉站303通过交叉传输线与主控制记录设备90连接。第一交叉站300、第四交叉站303将采集到的三维地震数据输入到主控制记录设备，并向下级采集设备转发主控制记录设备的命令；主控制记录设备90将采集到的三维地震勘探数据进行处理、存储和输出显示。

上述每个采集站采用内置电源供电，设置有高速数据传输电路，该高速数据传输电路包括两个通路：上行数据传输通路以及下行命令传输通路，具备数据转发和缓存能力；

上述每个交叉站可选用内置或外接电源供电，设置有高速数据传输电路，该高速数据传输电路包括两个通路：上行数据传输通路以及下行命令传输通路，具备数据转发和缓存能力；

上述第一串联排列110、第二串联排列111、第三串联排列112、第四串联排列113、第五串联排列114、第六串联排列115、第七串联排列116、第八串联排列117、第九串联排列118、第十串联排列120、第十一串联排列121、第十二串联排列122、第十三串联排列119采集到的数据最终汇聚到对应的第一交叉站300、第二交叉站301、第三交叉站302、第四交叉站303、第五交叉站304、第六交叉站305、第七交叉站306，越靠近顶层的数据传输率需求越高，顶层同样是指主控制记录设备90的方向，最靠近主控制记录设备90的第一交叉站300、第四交叉站303和主控制记录设备90之间的数据传输速率最高；

上述第三串联排列112分布于两条三维地震数据接收线中，其采集的地震数据传输到第二交叉站301，再经由第一交叉传输线401、第一交叉站300、第六交叉传输线400传输至主控制记录设备90；主控制记录设备90对接收到的数据进行处理，最终输出符合野外实际布设位置的地震数据；

上述第五交叉站304、第六交叉站305之间由于地形原因无法使用交叉传输线连接，使用第十二串联排列122连接，实现数据传输。

作为具体实施的例子，数传电缆200采用非屏蔽双绞线，第一交叉站300、第二交叉站301、第三交叉站302、第四交叉站303、第五交叉站304、第六交叉站305、第七交叉站306采用单模光纤线缆（全部光缆应采用同种材料）。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种内置电源有线地震仪器，其特征在于包括：

主控制记录设备，由服务器、绘图仪、磁带机以及大容量磁盘阵列组成，用于野外采集排列的管理和控制，对接收到的地震勘探数据进行处理、存储、显示和输出；

交叉站，用于完成采集大线的管理、采集数据传输以及测试的管理；

采集站，用于根据系统主机发送的命令，完成模拟地震勘探数据的接收、A/D转换、传输以及采集站的内部和外部测试；

交叉传输线，用于交叉站之间的连接，以完成采集数据和命令的传输；

数传电缆，用于采集站之间的连接，以完成采集数据和命令的传输；

交叉站由交叉站电源管理单元、交叉站数据传输单元、测试管理单元、交叉站命令管理单元、大线接口单元组成；可使用内置电源或外置电源供电，交叉站站体具有良好的防水密封性能；在网络中，每个交叉站具有唯一的序列号和IP地址；具有数据缓存能力，在传输线路出现故障时，可暂时保存数据，待故障排除后，重新发送本地数据或转发下级数据，防止采集数据丢失；

采集站由采集站电源管理单元、模数转换单元、采集站数据传输单元、采集站命令管理单元组成；使用内置电池供电，采集站站体具有良好的防水密封性能；在网络中，每个采集站具有唯一的序列号和IP地址；具有数据缓存能力，在传输线路出现故障时，可暂时保存数据，待故障排除后，重新发送本地数据或转发下级数据，防止采集数据丢失；

交叉站内置电源采用可重复充电、能量密度大、重量轻的电池，安装于交叉站站体内部；电池与电路板采取隔离安装措施；电池的正负极分别与交叉站电源管理单元的内置电源接口的正、负极相连；

采集站内置电源采用可重复充电使用、能量密度大、重量轻的电池，安装于采集站站体内部；电池与电路板采取隔离安装措施；电池的正负极分别与采集站电源管理单元的电源接口的正、负极相连。

2.根据权利要求1所述的一种内置电源有线地震仪器，其特征在于数传电缆将采集站串联组成第一串联排列，第一串联排列连接至第一交叉站的低端排列接口的输入端，另第二串联排列连接至第一交叉站的高端排列接口的输入端；第一交叉站通过第六交叉传输线连接至主控制记录设备，完成对来自主控制记录设备的命令的转发，并将下级回传的地震勘探数据输入至主控制记录设备；主控制记录设备将采集到的二维地震勘探数据进行处理、存储和输出显示。

3.根据权利要求1所述的一种内置电源有线地震仪器，其特征在于第一串联排列、第二串联排列、第三串联排列、第四串联排列、第五串联排列、第六串联排列、第七串联排列、第八串联排列、第九串联排列、第十串联排列、第十一串联排列、第十二串联排列、第十三串联排列连接到第一交叉站、第二交叉站、第三交叉站、第四交叉站、第五交叉站、第六交叉站、第七交叉站排列接口的输入端，交叉站通过第一交叉传输线、第二交叉传输线、第四交叉传输线、第五交叉传输线与第十二串联排列相互连接，最后通过第六交叉传输线、第三交叉传输线连接到主控制记录设备构成三维地震勘探数据采集系统，其中第一串联排列连接到第一交叉站的低端排列接口，第二串联排列连接到第一交叉站的高端排列接口，第三串联排列连接到第二交叉站的低端排列接口，第四串联排列连接到第二交叉站的高端排列接口，

第五串联排列连接到第三交叉站的低端排列接口，第六串联排列连接到第三交叉站的高端排列接口，第一交叉站、第二交叉站、第三交叉站之间通过交叉传输线连接，第一交叉站通过第六交叉传输线与主控制记录设备相连，第七串联排列连接到第四交叉站的低端排列接口，第八串联排列连接到第四交叉站的高端排列接口，第九串联排列连接到第六交叉站的低端排列接口，第十三串联排列连接到第五交叉站的高端排列接口，第十串联排列连接到第七交叉站的低端排列接口，第十一串联排列连接到第七交叉站的高端排列接口，第十二串联排列的两端分别连接到第六交叉站的高端排列接口、第五交叉站的低端排列接口，第十三串联排列连接到第五交叉站的高端排列接口，第六交叉站、第七交叉站之间使用第五交叉传输线连接，第五交叉站、第六交叉站之间使用第十二串联排列连接，第四交叉站、第五交叉站之间使用第四交叉传输线连接，第四交叉站通过第三交叉传输线与主控制记录设备连接；第一交叉站、第四交叉站将采集到的三维地震勘探数据输入到主控制记录设备，并向下级采集站转发主控制记录设备的命令；主控制记录设备将采集到的三维地震勘探数据进行处理、存储和输出显示。

4.一种使用如权利要求1所述的地震仪器进行高传输速率、低传输误码率的数据传输方法,包括下述步骤：

步骤1：交叉站和采集站接收到采集系统的上电指令后，其内部电源管理单元开始供电；采集系统上电后进行初始化工作，在初始化过程中，完成整个采集系统的命令时间同步校准；同步校准完成后，每个采集站和交叉站内部延迟寄存器均保存了命令执行的延迟时间；

步骤2：初始化完成后，采集站和交叉站进入工作状态，等待执行来自主控制记录设备的各种任务；

步骤3：处于工作状态的交叉站和采集站循环检测主控制记录设备是否发出命令，在接收到命令之后，交叉站或采集站的命令管理单元在对命令进行处理的同时，根据命令的类型和发送范围确定是否向其临近的下一个交叉站或采集站转发，以完成用户通过主记录控制设备配置的各种任务；

步骤4：当交叉站或采集站收到来自主控制记录设备的停止执行的命令后，返回步骤2，等待其它命令，否则，待命令执行完成后，进行数据传送；

步骤5：完成下级数据的临时存储和转发；

步骤6：任务完成，返回步骤2，等待下次任务的命令；

所述步骤4中的数据传送具体包括：采集站采用单次采集，单次传输的工作方式，也就是说每次任务获取的数据在下次任务开始执行之前完成上传，每次进行采集时，采集站接收来自地震检波器的模拟信号，经模数转换后得到数字地震信号，再发送给数据传输单元；数据传输单元对该数字地震信号编码、压缩并按协议格式写入本地数据缓存器，启动数据发送，首先发送本地数据缓存器中的数据，待收到上一级采集站或交叉站数据校验成功信息后，释放本地数据缓存器数据；

所述步骤5具体包括：优先发送本地数据缓存器数据的同时，数据传输单元接收来自下一级采集站或交叉站的数据，并存入下级数据缓存器；待本地数据缓存器中的数据发送完毕后，数据传输单元切换本地数据缓存器至下级数据缓存器，启动数据发送，同时数据传输单元接收来自下一级的数据并存入另外一个下级数据缓存器，采用交替方式完成下一级数据的转发工作；在每一次数据转发完成并收到上一级采集站或交叉站数据校验成功信息后，释放对应的数据缓存器数据；数据缓存器之间的切换由控制逻辑电路控制；

所述本地数据缓存器、下级数据缓存器均是FIFO缓存器；

所述数据校验方式是循环冗余校验，即CRC校验。