CN103792570B

CN103792570B - 一种地震采集数据的压缩及传输方法

Info

Publication number: CN103792570B
Application number: CN201210418513.5A
Authority: CN
Inventors: 李守才; 王跃; 梅有仁; 马国庆; 董健; 袁昊
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Geophysical Research Institute
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Geophysical Research Institute
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2016-11-23
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: CN103792570A

Abstract

本发明涉及地震采集数据的压缩及传输方法，实现无损数据压缩减少数据的传输量，保证数据不丢失。包括步骤：1）每帧数据内采样点数一定时，不同采集单元的数据长度是变化的；2）每帧采样点可变，但在同一个系统中所有采集单元在同一时刻对应的数据帧包含的采样点是一定的；3）每帧前六个字节固定，第七个字节为标志字节记录传输帧标志；采样输入保持电路保证了0和最大值不会相邻出现；4）标志字节：使用三个bit表示传输位数，对应的数据8~24bit；5）每个样点最少8bit，以4bit递进，最多24bit；6）采集单元内加非易失数据存储器，保证不能实时传输时采集数据不丢失；7）存储的每个采样点的最高位一定是符号位，确保进行压缩时采集数据的极性不会改变。

Description

一种地震采集数据的压缩及传输方法

技术领域

本发明涉及地震勘探领域，特别地涉及一种地震采集数据的压缩方法和传输方法。

背景技术

地震仪是地震勘探的关键设备，其技术水平、性能指标和应用效果均直接关系到地震采集数据的效果。随着微电子技术等多种技术的不断发展，地震仪信号的传输方式发生了很大的变化，由纯模拟信号到模拟、数字分段传输，再到如今的纯数字信号传输；道数也越来越多，从最初的十几道发展到几千、几万道。

随着地球物理相关技术的发展，对地震勘探仪器的要求越来越高，从最初的几道、几十道，发展到几千道、几万道，甚至几十万道。然而，随着地震道数的不断增加，不断增多的地震采集数据，使数据的存储和传输成为制约地球物理勘探装备中的一个瓶颈，研究如何解决地震采集数据的存储和传输成为研制地球物理勘探装备的一项关键技术。

通过分析各种地震仪的结构和采集数据的特点，我们设计了一种无损的地震数据压缩、存储和传输方法，解决地震数据传输中的问题，这样缩短数据传输和存储时间，提高工作效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明主要用于地震勘探、微地震监测、被动源勘探的采集装备中。本发明的目的在于：从地震仪诞生开始，接收信号的道数越来越多，已从最初的十几道发展到几千、几万道。由于地震勘探施工的特点，数据传输技术制约了地震勘探设备的发展。随着地震道数的不断增加，需要传输的数据量不断增加，而地震数据传输时，不允许使用有损压缩的方法。我们根据地震采集设备中使用24Bit的模数转换芯片(A/D) ，在没有人工激励信号或者偶然事件产生振动信号时，在一定时段内地震采集设备采集的数据中，部分高位信号相同的特点，在一帧存储或传输的数据中，对于相同的部分只处理一次，在采集单元中可以有效节省存储空间，存储更多数据；在数据传输中，减少数据量，提高传输效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种地震采集数据的压缩及传输方法，包括以下步骤：

(1)每帧数据内采样点数一定时，不同采集单元的数据长度是变化的；

(2)每帧采样点可变，但在同一个系统中，所有采集单元在同一时刻

对应的数据帧包含的采样点是一定的；

(3)每帧前六个字节固定，为0x00、0x00、0x00、0xff、0xff、0xff，第七个字节为标志字节，记录传输帧标志；采样输入保持电路保证了0和最大值不会相邻出现；

(4)标志字节：使用三个bit表示传输位数，对应的数据8～24bit；

(5)每个样点最少8bit，以4bit递进，最多24bit，编码和解编时避免复杂的计算；

(6)采集单元内加非易失数据存储器，保证不能实时传输时采集数据不丢失；

(7)存储的每个采样点的最高位一定是符号位，确保进行压缩时采集数据的极性不会改变。

所述的步骤(6)进一步包括：

(6.0)采集单元从接收到同步信号开始，对一定数值的采样数据进行比较，以4位为一单位；

(6.1)比较标志lb1为1，转步骤(6.6)；

(6.2)首先比较高4位，即采集数据中除符号位外，最高的四位,记为(D22～D19)，如果不全部相同，则设置标志lb1为1，按照24位进行记录，转步骤(6.6)；否则，在辅助信息中记录原最高的四位(D22～D19)，为便于说明，增加一个附表10，表示辅助信息中高位值数据结构，共两个字节，16位；

采集数据中除符号位外的最高四位(D22～D19),记录在辅助信息中的HD15～HD12，而在记录或传输数据时，将不再为最高四位(D22～D19)保留位置，也可以说压缩掉了四位；

采集单元在采集数据时，每个样点由二进制的24位组成，附表9所示，其中D23表示信号极性，信号为“+”时，该位为“0”，信号为“-”时，该位为“1”；D22、D21、……、D0是真值，表示信号的幅度大小，D22为最高位，D0为最低位；

附表9 24bit地震数据格式

附表10 辅助信息中高位值数据结构

HD15

HD14

HD13

HD12

HD11

HD10

HD9

HD8

HD7

HD6

HD5

HD4

HD3

HD2

HD1

HD0

(6.3)比较标志lb2为1，转步骤(6.6)；再比较次高4位，即D18～D15(除符号位外的次高四位)，如果不全部相同，则设置标志lb2为1，一个采样点按照20位进行存储，即D22～D19不存储，其中存储数据时D19用D23的值代替，每个样点占用2.5个字节，相邻两个采样点的D19～D16组合成一个字节，转步骤(6.6)；否则，在辅助信息中记录D18～D15；

D18～D15(采集数据中除符号位外的次高四位)，记录在辅助信息中的HD11～HD8，而在记录或传输数据时，将不再为D22～D15保留位置，也可以说压缩掉了八位；

(6.4)比较标志lb3为1，转步骤(6.6)；然后比较D14～D11，如果不全部相同，则设置标志lb3为1，按照16位进行存储，其中存储数据时D15用D23的值代替，每个样点占用两个字节，转步骤(6.6)；否则，在辅助信息中记录D14～D11，D14～D11，记录在辅助信息中的HD7～HD4，而在记录或传输数据时，将不再为D22～D11保留位置，也可以说压缩掉了十二位；

(6.5)比较标志lb4为1，转步骤(6.6)；再比较D10～D7，如果不全部相同，则设置标志lb4为1，每个样点按照12位进行存储，其中存储数据时D11用D23的值代替，每个样点占用1.5个字节，相邻两个采样点的D11～D8组合成一个字节，转步骤(6.6)；否则，在辅助信息中记录D10～D7，每个采样点用8位存储，其中存储数据时D7用D23的值代替，每个样点占用1个字节；而D10～D7，记录在辅助信息中的HD3～HD0，而在记录或传输数据时，将不再为D22～D7保留位置，也可以说压缩掉了十六位；

(6.6)比较的数据达到设定值，转(6.7)；否则，计数值加1，转步骤(6.2)，进行下一个数据比较；

(6.7)根据标志，对设定长度的数据，按照存储格式存储数据，清除比较标志；

(6.8)采集结束，返回主程序；否则，转步骤(6.1)，进行下一帧数据比较。所述的步骤(6.1)中所述的一定数值可以为200ms。

所述的步骤(7)进一步包括：

(7.0)采集单元从接收到同步信号开始，对一定数值的采样数据进行比较，以4位为一单位；

(7.1)比较标志lb1为1，转(7.6)；

(7.2)首先比较高4位，即D22～D19(采集数据中除符号位外的最高四位)，如果不全部相同，则设置标志lb1为1，按照24位进行记录，转步骤(7.6)；否则，在辅助信息中记录D22～D19，D22～D19(采集数据中除符号位外的最高四位)，记录在辅助信息中的HD15～HD12，而在记录或传输数据时，将不再为D22～D19保留位置，也可以说压缩掉了四位；

(7.3)比较标志lb2为1，转步骤(7.6)；再比较次高4位，采集数据中除符号位外的次高四位(D18～D15)，如果不全部相同，则设置标志lb2为1，一个采样点按照20位进行存储，即D22～D19不存储，其中存储数据时D19用D23的值代替，每个样点占用2.5个字节，相邻两个采样点的新次高四位(D19～D16)组合成一个字节，转步骤(7.6)；否则，存储在辅助信息中记录D18～D15，采集数据中除符号位外的次高四位(D18～D15)，记录在辅助信息中的HD11～HD8，而在记录或传输数据时，将不再为D22～D15保留位置，也可以说压缩掉了八位；

(7.4)比较标志lb3为1，转(7.6)；然后比较D14～D11，如果不全部相同，则设置标志lb3为1，按照16位进行存储，其中存储数据时D15用D23的值代替，每个样点占用两个字节，转步骤(7.6)；否则，在辅助信息中记录(D14～D11),并记录在辅助信息中的HD7～HD4，而在记录或传输数据时，将不再为D22～D11保留位置，也可以说压缩掉了十二位；

(7.5)比较标志lb4为1，转步骤(7.6)；再比较D10～D7，如果不全部相同，则设置标志lb4为1，每个样点按照12位进行存储，其中存储数据时D11用D23的值代替，每个样点占用1.5个字节，相邻两个采样点的D11～D8组合成一个字节，转步骤(7.6)；否则，在辅助信息中记录D10～D7，每个采样点用8位存储，其中存储数据时D7用D23的值代替，每个样点占用1个字节；而D10～D7，记录在辅助信息中的HD3～HD0，而在记录或传输数据时，将不再为D22～D7保留位置，也可以说压缩掉了十六位；

(7.6)比较的数据达到设定值，转(7.7)；否则，计数值加1，转步骤(7.2)，进行下一个数据比较；

(7.7)根据标志，对设定长度的数据，加入辅助信息；若能实时传输，则传输一帧数据，清除比较标志；否则，按照存储格式存储数据，清除比较标志；转步骤(7.1)；

(7.8)采集结束，返回主程序；否则，转步骤(7.1)。

所述的传输方法是读出一帧数据，加入采集单元号码、测线号、桩号，生成CRC检验码，进行重新组合，传输数据。

所述的比较标志lb1、lb2、lb3、lb4分别表示D22～D19、D18～D15、D14～D11、D10～D7是否相同，为1表示相应的位不完全相同，为0表示不同相应的位完全相同。

所述的步骤(7.7)加入辅助信息包括：采集单元号码、测线号、桩号，在帧结束增加校验码。

本发明的有益效果在于：本发明根据现在地震采集设备中使用24Bit的模数转换芯片(A/D)，在没有人工激励信号或者偶然事件产生振动信号时，在一定时段内地震采集设备采集的数据中，部分高位信号相同的特点，在一帧存储或传输的数据中，对于相同的部分只处理一次，在采集单元中可以有效节省存储空间，存储更多数据；在数据传输中，减少数据量，提高传输效率。对于一般的人工地震，数据压缩率可达20％，对于微地震监测和被动源勘探，可以达到60％以上。

附图说明

图1是采集单元存储数据方法的流程图。

图2是采集单元发送数据方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步描述本发明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。

本发明数据压缩和传输方法主要针对地震采集数据而设计，但它适用于与地震采集数据有相似特点的采集系统，数据格式见附表。

附表1 本地存储帧结构

名称	帧标志	状态	辅助信息	数据
					字节数	6	1	4	N

附表2 本地存储帧帧标志

附表3本地存储帧状态标志

附表4本地存储帧辅助信息

附表5 地震数据传输帧结构

附表6 帧标志

附表7 传输帧状态标志

附表8 帧辅助信息

附表9 24bit地震数据格式

D23

D22

D21

D20

D19

D18

D17

D16

D15

D14

D13

D12

D11

D10

D9

D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

附表1～4是采集单元内本地存储的结构与信息，附表5～8是采集单元向记录系统发送数据帧的结构及信息，附表9是一个采集点的数据格式。

附表1是在采集单元内本地存储帧结构示意图，包括帧标志、状态、辅助信息、数据。

附表2是本地存储帧帧标志。帧标志由6个字节组成，分别为0x00、0x00、0x00、0x7f、0xff、0xff。这是基于地震采集系统的特点选定的。由于地震检波器测量的是振动信号，由于自然界中没有绝对的安静，而检波器是灵敏度很高的敏感器件，这就使得检波器始终有一个信号输出；采集单元采用24bit的模数转换单元，电子线路本身的噪音，即使在没有震源的情况下，其读数也有3～4位在变化，因而，在24bit数据中，最后2到4位数据是无效的，因而，在实际采集数据中，即使偶尔采集到0，我们可以将其加1，也远远小于噪音值，对处理结果不会产生任何影响。

附表3本地存储帧状态标志，具体含义如下：

B7、B6、B5表示每个采样点存储位数，其值与存储位数如下：

B4、B3、B2、B1、B0暂且保留；

附表4是本地存储帧帧辅助信息，共4个字节，第1字节表示该帧中记录多少个采样点的数据，是200个采样点的整数倍；第2个字节记录采样率；第3、4字节表示共同的高位值。

附表5～8是采集单元向记录系统发送数据帧的结构及信息。

附表5是在采集单元内本地存储帧结构示意图，包括帧标志、状态、辅助信息、数据、校验码。

附表6是发送数据帧标志。帧标志由6个字节组成，分别为0x00、0x00、0x00、0x7f、0xff、0xff。

附表7发送数据帧状态标志，具体含义如下：

B7、B6、B5表示每个采样点存储位数，其值与存储位数如下：

B4、B3、B2、B1、B0暂且保留；

附表8是发送数据帧帧辅助信息，共11个字节，前3个字节表示采集单元的号码，第4、5个字节表示测线号，第6、7个字节表示桩号，第8、9个字节的值乘以200ms采样点的数据，表示该帧存储含有多少个样点的数据，第10、11个字节表示共同的高位值。

N代表采集的数据。

校验码由前面的数据生成CRC校验码。

附表9是一个采样点的数据格式，其中D23是符号位，D22～D0为二进制的真值，D22是最高位，D0是最低位。

根据工作区域的情况，优化数据帧结构，确定每帧采样点的个数。每帧采样点的数值有仪器主机设定。

采集单元存储数据方法，如附图1所示。

采集单元从接收到同步信号开始，对200ms(此数值可以根据实际情况和采样率进行修改)的采样数据进行比较，以4位为一单位。

首先比较高4位(D22～D19)，如果不全部相同，则设置标志为1，按照24位进行记录；否则，记录D22～D19(记录在辅助信息中)，再比较次高4位(D18～D15)，如果不全部相同，则设置标志为1，一个采样点按照20位进行存储，即D22～D19不存储，其中存储数据时D19用D23的值代替，每个样点占用2.5个字节，相邻两个采样点的D22～D19组合成一个字节；否则，记录D18～D15(存储在辅助信息中)；然后比较D14～D11，如果不全部相同，则设置标志为1，按照16位进行存储，其中存储数据时D15用D23的值代替，每个样点占用两个字节；否则，存储D14～D11(存储在辅助信息中)，再比较D10～D7，如果不全部相同，则设置标志为1，每个样点按照12位进行存储，其中存储数据时D11用D23的值代替，每个样点占用1.5个字节，相邻两个采样点的D11～D8组合成一个字节；否则，记录D10～D7(记录在辅助信息中)，每个采样点用8位存储，其中存储数据时D7用D23的值代替，每个样点占用1个字节。

采集单元发送数据与采集单元存储数据相似，如附图2所示，不同之处就是增加了辅助信息，加了采集单元号码、测线号、桩号，在帧结束增加校验码。

另外，当数据不能实时传输时，需要把存储的数据进行传输。传输方法是读出一帧数据，加入采集单元号码、测线号、桩号，生成CRC检验码，进行重新组合，传输数据。

以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims

1.一种地震采集数据的压缩及传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

(0.0)采集单元从接收到同步信号开始，对一定数值的采样数据进行比较，以4位为一单位；

(0.1)首先比较高4位，即采集数据中除符号位外，最高的四位，即D22～D19，如果不全部相同，则设置标志lb1为1，按照24位进行记录，转步骤(0.5)；否则，在辅助信息中记录原最高的四位，即D22～D19；

为便于说明，增加一个附表10，表示辅助信息中高位值数据结构，共两个字节，16位；

采集数据中除符号位外的最高四位，即D22～D19，记录在辅助信息中的HD15～HD12，而在记录或传输数据时，将不再为最高四位保留位置，即压缩掉了四位；

附表9 24bit地震数据格式

D23 D22 D21 D20 D19 D18 D17 D16 D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

附表10辅助信息中高位值数据结构

HD15 HD14 HD13 HD12 HD11 HD10 HD9 HD8 HD7 HD6 HD5 HD4 HD3 HD2 HD1 HD0

(0.2)再比较次高4位，即D18～D15，如果不全部相同，则设置标志lb2为1，一个采样点按照20位进行存储，即D22～D19不存储，其中存储数据时D19用D23的值代替，每个样点占用2.5个字节，相邻两个采样点的D19～D16组合成一个字节，转步骤(0.5)；否则，在辅助信息中记录D18～D15；D18～D15记录在辅助信息中的HD11～HD8，而在记录或传输数据时，将不再为D22～D15保留位置，即压缩掉了八位；

(0.3)然后比较D14～D11，如果不全部相同，则设置标志lb3为1，按照16位进行存储，其中存储数据时D15用D23的值代替，每个样点占用两个字节，转步骤(0.5)；否则，在辅助信息中记录D14～D11，D14～D11记录在辅助信息中的HD7～HD4，而在记录或传输数据时，将不再为D22～D11保留位置，即压缩掉了十二位；

(0.4)再比较D10～D7，如果不全部相同，则设置标志lb4为1，每个样点按照12位进行存储，其中存储数据时D11用D23的值代替，每个样点占用1.5个字节，相邻两个采样点的D11～D8组合成一个字节，转步骤(0.5)；否则，在辅助信息中记录D10～D7，每个采样点用8位存储，其中存储数据时D7用D23的值代替，每个样点占用1个字节；而D10～D7记录在辅助信息中的HD3～HD0，而在记录或传输数据时，将不再为D22～D7保留位置，即压缩掉了十六位；

(0.5)比较的数据达到设定值，转(0.6)；否则，计数值加1，转步骤(0.1)，进行下一个数据比较；

(0.6)根据标志，对设定长度的数据，若能实时传输，则加入辅助信息，传输一帧数据，清除比较标志；否则，按照存储格式存储数据，清除比较标志；转步骤(0.1)；

(0.7)采集结束，返回主程序；否则，转步骤(0.1)，进行下一帧数据比较；

所述方法还包括：

(2)每帧采样点可变，但在同一个系统中，所有采集单元在同一时刻对应的数据帧包含的采样点是一定的；

2.根据权利要求1所述的一种地震采集数据的压缩及传输方法，其特征在于，所述的步骤(0.0)中的一定数值为200ms。

3.根据权利要求1所述的一种地震采集数据的压缩及传输方法，其特征在于，当数据不能实时传输时，需要把存储的数据进行传输，传输方法是读出一帧数据，加入采集单元号码、测线号、桩号，生成CRC检验码，进行重新组合，传输数据。

4.根据权利要求1所述的一种地震采集数据的压缩及传输方法，其特征在于，所述的比较标志lb1、lb2、lb3、lb4分别表示D22～D19、D18～D15、D14～D11、D10～D7是否相同，为1表示相应的位不完全相同，为0表示不同相应的位完全相同。

5.根据权利要求1所述的一种地震采集数据的压缩及传输方法，其特征在于，所述的步骤(0.6)加入的辅助信息包括：采集单元号码、测线号、桩号，并且在帧结束增加校验码。