CN105158793A - 基于高速现场数据收集的无缆地震数据采集系统 - Google Patents
基于高速现场数据收集的无缆地震数据采集系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于高速现场数据收集的无缆地震数据采集系统，包括分布式无缆地震数据采集卡或采集站，高速现场数据收集设备，无线状态监测网络和高精度GPS定位系统，监控中心和/或中央控制记录设备等，其特征在于：现场数据收集设备利用近场通讯transferjet技术实现与无缆采集卡或采集站的高速无线通讯，完成无缆采集卡或采集站地震数据的现场高速收集和对无缆采集卡或采集站的配置和控制。因为本发明采用的transferjet近场通讯是超过400Mbps的高速通讯，现场数据收集耗时很少，解决了大型地震数据采集系统海量数据的传输困难，同时可以使无缆采集卡或采集站实现低功耗设计。
Description
技术领域
本发明涉及地震勘探仪器领域，特别是涉及无缆地震勘探仪器技术。
背景技术
因为无线传输的速度有限，目前无缆地震系统利用无线网络只能传输状态数据和部分地震数据，需要定期将无缆采集卡/站收回营地利用有线接口下载地震数据，对于大型无缆仪器系统，这样的方法需要浪费很大的人力物力，对于大型监测系统和采集卡/站埋置的情况特别不适应，甚至不可能。
发明一种可以不收回采集卡/站，甚至不接触采集卡/站就能快速收集地震数据的技术显得非常必要。
发明内容
为了克服上述现有无缆地震系统的不足，本发明提供了一种基于现场快速数据收集的方法和技术，利用特殊的现场数据收集器靠近无缆采集卡/站，可以快速下载地震数据。
本发明所采用的技术方案是：将监测数据和地震数据用不同的通讯方式传输。监测数据（包含状态数据，定位数据和小部分地震数据）通过无线网络（局域网或广域网）传输到监控中心，由于这部分数据量不大，现有的无线通讯技术可以做到实时或准实时的监测要求。海量的地震数据通过现场数据收集设备靠近无缆采集卡/站，利用近场通讯transferjet技术，现场高速下载，因为transferjet技术的数据通讯速度很高（大于400Mbps），使用一定数量的现场数据收集器可以快速完成大型无缆地震勘探系统或大型无缆长期监测系统的数据收集。
Transferjet技术是一种点对点的近场通讯，2个transferjet的搭载设备相互靠近时就能实现高速数据通讯。将无缆采集卡/站和现场数据收集设备分别搭载transferjet，就可以将地震数据从采集卡/站高速收集，或者将现场数据收集设备中将配置参数和控制命令传输到采集卡/站。
现场数据收集设备收集的地震数据可以通过2种方案发送或下载到中央记录设备：1）经过有线高速下载，现场数据收集设备具有高速数据接口，例如USB2.0，USB3.0,100M或1000M以太网接口；2）通过无线网络发送到数据中心，例如局域网通讯，广域网通讯或者蜂窝移动通讯网；但一般以有线下载方式为主。
现场数据收集设备需要快速收集众多无缆采集卡/站的海量数据，实现方案是连接CPU高速接口的大容量固态存储器，选择稳定，可靠，读写寿命长的固态flash存储介质，如SSD，emmc，容量可以做到TB级。
现场数据收集设备是个完整的嵌入式系统，配备高速CPU或GPU，除了完成高速数据通讯以外，可以实现部分地震数据处理，例如原始地震数据转换成标准地震数据格式，数据滤波，数据叠加处理，数据动静校正等；同时现场数据收集器还配备高清晰显示屏，显示地震子波，实现现场地震数据的监控。
为了实时监控无缆采集卡/站的工作状态，无缆采集卡/站设计有无线通讯终端器件，这些无线终端设备通过其他无线中继设备与监控中心，中央记录设备组成无线局域网或广域网，实现本地或远程实时状态监控，使用的无线通讯技术包括：基于802.11类协议的WIFI通讯，蓝牙通讯，ZigBee通讯，UWB，各种蜂窝移动通讯技术等。
无缆采集卡/站的高精度定位采用GPS差分定位，有3种方案。
方案1：GPS定位系统由基站流动站以及数据通讯系统组成，基站通过专用的数据通讯系统向流动站传输差分改正数据，这个专用通讯系统可以采用数传通讯电台，只要将流动站置于无缆采集卡/站位置，就可以实现伪距差分定位或实时动态载波相位差分定位（RTK），定位坐标数据通过无线短距离通讯存入无缆采集卡/站或现场数据收集设备。
方案2：定位系统由GPS基站和无缆采集卡/站内嵌的GPS模块组成，基站的无线终端设备接入权利要求1和10所述的无线监测网络并向无缆采集卡/站发送差分改正数据，无缆采集卡/站的微处理器将GPS模块观察记录的星历数据与该差分改正数据进行差分定位解算获得伪距差分定位或实时动态载波相位差分定位（RTK）数据并记录在无缆采集卡/站。
方案3：定位系统由GPS基站和无缆采集卡/站内嵌的GPS模块以及监测中心的计算机组成，基站的无线终端设备向监测中心发送差分改正数据，无缆采集卡/站内嵌的GPS模块将观察记录的星历数据通过权利要求1和10所述的无线监测网络传输到监测中心的计算机，计算机将基站差分改正数据分别与每个无缆采集卡/站GPS模块的星历数据进行差分定位解算获得该无缆采集卡/站的伪距差分定位或实时动态载波相位差分定位（RTK）数据，实现准实时的高精度定位，定位数据存储在监测中心的计算机内。对于大型地震数据采集系统，采集道数很多，差分解算计算量大，监控中心可以配备多个CPU并行处理完成差分定位解算。
本发明解决了大型无缆地震采集系统数据传输速度的瓶颈问题，可以不通过收回无缆采集卡/站而快速下载地震数据，同时因为可以不通过无线网络传输数据或者仅需要通过无线网络传输很少的状态数据，可以采用智能电源管理使无缆采集卡/站的功耗做得很小，极大增加电池的续航时间。
附图说明
图1为本发明的结构原理图，整个无缆地震勘探系统的数据传输被分成2个渠道：通过无线网络传输的状态监测数据和通过现场数据收集设备下载的有效地震数据；系统则由无缆采集卡/站，无线监测网络，现场数据收集设备，监控中心/中央记录设备，GPS定位系统等组成。
图2为嵌入了transferjet器件的设备以及近场通讯示意图，在本发明的无缆地震数据采集系统中，所有无缆采集卡/站和现场数据收集器嵌入了transferjet模块或芯片。
图3是无缆采集卡/站是无缆采集卡/站的一种实现方案，是我们根据本发明开发的一款产品。
图4是现场数据收集器的一种实现方案，是我们根据本发明开发的一款产品。
图5是对应的外形结构示意图。
图6是一种数据下载和录入存储设备的方案，可以同时从多个现场数据收集设备以1000Mbps的速度下载地震数据并录入存储设备。
图7是无线监控网络。
图8是GPS定位系统。
具体实施方式
下面结合附图以及我们开发的一款无缆地震数据采集系统产品，对本发明进一步说明。
整个无缆地震数据采集系统的组成和工作流程：无缆地震数据采集卡/站通过检波器实现地震信号的采集，数字化和本地存储，WIFI无线网络将状态监测数据传输到监控中心实现实时质量监控，现场数据收集设备定期在现场收集有效地震数据，完成现场数据收集后将现场数据收集设备带回营地使用有线高速下载设备将数据录入存储设备，GPS定位系统（基站，流动站和无线数传网络）实现无缆采集卡/站的实时差分高精度定位。
无缆采集卡/站的硬件结构如图3，是一个嵌入式系统，处理器采用Atmel的ARM9产品AT9SAM9X35，嵌入式软件平台是LINUX，AD转换和滤波以后的地震数据存入本地EMMC大容量flash，考虑到高速采集和长期采集的需要，选用32GB的大容量EMMC，EMMC的高速读写速度可以匹配transferjet的通讯速度，与9X35的接口采用SDIOV2.0，接口速度可达200Mbps以上；transferjet器件选用东芝的TJM35420XLQ模块，同轴电缆外接专用耦合器，通讯速度最高可达522Mbps，东芝提供完整的LINUX平台下transferjet通讯底层驱动程序可以直接移植到9X35上；传输状态监测数据的无线终端器件是Gainspan的GS2011M，符合802.11b/g/nWIFI协议，低功耗，最大速度可达72Mbps，当高宽带传输干扰严重时自动降低传输带宽，抗干扰性能好，与9X35通过SPI接口；同步采集需要的UTC时间标准采用GPS模块u-blox的Neo-M8提供；10M/100M/1000M以太网接口预留为需要直接从无缆采集卡/站有线下载数据时使用；整个采集卡/站系统设计了智能电源管理系统，保证无缆采集卡/站的低功耗工作模式。
现场数据收集器的实现框图如图4，是根据本发明开发的一款产品方案。嵌入式系统采用Freescale的Cortex-A94核处理器I.Mx6Q，主频高达1G，加上8GB的emmcFLASH和2G的DDR3，可以实现高速的数据处理和图形处理；I.Mx6Q具有OTG功能的SDIO接口搭载transferjet模块TJM35420XLQ，通过0.5米-1米的同轴电缆外接耦合器，实现与无缆采集卡/站的数据通讯；SATAII硬盘接口连接SSD模块，支持高达1TGB的大容量，SSD读写速度极高（实际速度取决于SATAII的传输速度，极限300MB/S），读写寿命长（具有平衡存储管理，基本无限制），超大存储能力适应收集更多无缆地震采集卡/站的海量数据；3个无线终端设备：SPI接口WIFI无线模块GS2011M，符合802.11b/g/nWIFI协议，低功耗，最大速度可达72Mbps，当高宽带传输干扰严重时自动降低传输带宽，抗干扰性能好，可以（通过中继设备）将现场数据收集设备与监控中心组成无线局域网，实现地震数据部分或全部无线传输，USB口接口3G/4G通讯模块，利用蜂窝无线通讯网络实现现场数据收集设备与监控中心的数据传输，蓝牙通讯模块实现近距离无线通讯，用于与GPS流动站通讯获得无缆采集卡/站的高精度实时定位数据；现场数据收集器APP软件具有现场地震数据处理能力，强大的4核A9处理器可以保证高速数据处理和图像显示，这些数据处理包括原始数据转换成地震数据专用格式，地震子波波形显示，数字滤波等所有地震数据前期处理能力；图5是现场数据收集器的外形示意图，0.5米到1米的操作杆是为了方便人工操作（对于埋置在地面的无缆采集卡/站，操作人员不必弯腰去接近），杆头部安装了transferjet耦合器，通过同轴电缆与transferjet模块相连，PDA部分设计有防逆光反射的显示屏，通过显示屏操作人员可以回放地震数据，现场监测地震数据质量，也可以查看无缆采集卡/站的其他状态数据，通过键盘可以完成对无缆采集卡/站的各种配置和操作。
如图7所示是地震状态监测无线网络，局部WIFI的AP设备与无缆采集卡/站组成AD-HOL子网，这些子网通过网桥（或者如果距离远，网桥多，需要再增加一级或几级中继/数据汇聚）与监控中心通讯，AP与无缆采集卡/站的通讯是2.4G频段，网桥与监控中心的通讯采用5.8G频段。
如图6所示是现场数据采集设备数据下载设备，当现场数据收集完成后，现场数据收集器集中到勘探营地，通过收集器上的以太网接口，集中将其中的地震数据下载并录入存储设备，这个数据下载设备的速度是1000Mbps，可以使用多个下载设备并行工作快速完成数据下载。
GPS高精度定位的一个方案如图8所示，基站采用双频（GPSL1，L2）接收机，例如我们产品采用的HemesphereP306基站板卡是三星七频的（GPS的L1，L2，北斗的B1,B2,B3，GLONASS的G1,G2）；流动站采用单频或双频，例如我们产品采用的Hemesphere的P206板卡。基站串口信号通过GPS专用数传电台将差分改正数据传输给流动站，流动站是电台接收和GPS接收一体机，流动站放置在无缆采集卡/站位置就可以实现实时差分定位，并通过蓝牙短距离通讯将定位数据保存在现场数据收集器或无缆采集卡/站中。
Claims (12)
1.基于高速现场数据收集的无缆地震数据采集系统，包括分布式无缆地震数据采集卡或采集站，高速现场数据收集设备，无线状态监测网络和高精度GPS定位系统，监控中心和/或中央控制记录设备等，其特征在于：现场数据收集设备利用近场通讯transferjet技术实现与无缆采集卡或采集站的近距离高速无线通讯。
2.根据权利要求1所述的现场数据收集设备是一个嵌入式系统，搭载transferjet近场通讯模块，当接近无缆采集卡或采集站时完成采集卡或采集站数据的高速收集，或者传输配置命令或其他控制命令给采集卡或采集站。
3.根据权利要求1所述的现场数据收集设备具有高速大容量存储器件，实现多道无缆采集卡或采集站海量数据的快速收集和存储，现场数据收集设备具有数据处理能力，可以完成部分地震数据处理，例如转换地震专用数据格式，数据叠加，数据校正等，现场数据收集设备具有显示功能，实现无缆采集卡或采集站各种状态的显示，具有显示界面，通过地震数据波形显示完成采集数据的监测。
4.根据权利要求1所述的现场数据收集设备，其特征是使用各种无线网络通讯将收集的无缆采集卡或采集站的数据和信息传输到其他现场数据收集设备，或者监控中心或者中央控制记录设备，也可以反向接受其他现场数据收集设备或中央控制记录设备的信息和命令，这些无线网络通讯包括：基于802.11类协议的WIFI通讯，蓝牙通讯，ZigBee通讯，UWB，各种蜂窝移动通讯技术，卫星移动通讯等。
5.根据权利要求1所述的现场数据收集设备和权利要求4所述的无线通讯网络，其特征在于：无缆地震数据采集系统的所有现场数据收集设备，监控中心和/或中央记录设备组成无线局域网，实现网络内数据共享，或者连接到广域网成为广域网的一部分，实现与系统外更多网络终端的数据共享和远程监控。
6.根据权利要求1所述的现场数据收集设备和权利要求4所述的无线通讯网络，其特征在于：无缆地震数据采集系统的所有现场数据收集设备，监控中心和/或中央记录设备通过基于单移动基站或多移动基站覆盖勘探区域的蜂窝通讯网络进行通讯，或者将这些设备接入公用蜂窝移动通讯网络，实现无缆地震数据采集系统内设备之间，或者与系统外移动通讯设备之间的数据共享和远程监控。
7.根据权利要求1所述的现场数据收集设备，其特征在于利用无线通讯方式接收高精度GPS定位系统的流动站设备的定位信息，实现无缆采集卡或采集站的高精度实时定位以及定位数据的存储。
8.根据权利要求1所述的现场数据收集设备具有快速有线数据接口，可以将其中收集的数据和信息快速下载到电脑主机和/或录入存储介质保存，这些接口包括USB2.0，USB3.0接口，以太网接口等。
9.根据权利要求1所述的无缆地震数据采集卡或采集站是一个嵌入式系统，其特征在于搭载transferjet近场通讯模块，实现与现场数据收集设备的近距离高速双向数据通讯，无缆采集卡或采集站具有无线网络通讯设备，可以将采集卡或采集站的状态数据和部分或全部地震数据通过无线网络传输到监控中心和/或中央控制记录设备，也可以将监控中心的配置信息和控制命令通过无线网络传输到所有的采集卡或采集站，无线网络由采集卡或采集站的无线网络终端设备或器件，监控中心和/或中央控制记录设备的无线网终端设备，以及网络中继和传输设备组成，使用的无线通讯技术包括：基于802.11类协议的WIFI通讯，蓝牙通讯，ZigBee通讯，UWB，各种蜂窝移动通讯技术等。
10.根据权利要求1所述的高精度GPS定位系统，其特征在于：定位系统由GPS基站和流动站组成，基站通过专用的数据通讯系统向流动站传输差分改正数据，实现伪距差分定位或实时动态载波相位差分定位（RTK），定位坐标数据通过无线短距离通讯存入无缆采集卡/站或现场数据收集设备。
11.根据权利要求1所述的高精度GPS定位系统，其特征在于：定位系统由GPS基站和无缆采集卡/站内嵌的GPS模块组成，基站的无线终端设备接入权利要求1和9所述的无线监测网络并向无缆采集卡/站发送差分改正数据，将GPS模块观测的星历数据与该差分改正数据进行差分定位解算获得伪距差分定位或实时动态载波相位差分定位（RTK）数据并记录在无缆采集卡/站。
12.根据权利要求1所述的高精度GPS定位系统，其特征在于：定位系统由GPS基站和无缆采集卡/站内嵌的GPS模块以及监测中心的计算机组成，基站的无线终端设备向监测中心发送差分改正数据，无缆采集卡/站内嵌的GPS模块将观察记录的星历数据通过权利要求1和9所述的无线监测网络传输到监测中心的计算机，计算机将基站差分改正数据分别与每个无缆采集卡/站GPS模块的星历数据进行差分定位解算获得该无缆采集卡/站的伪距差分定位或实时动态载波相位差分定位（RTK）数据，实现准实时的高精度定位，定位数据存储在监测中心的计算机内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151216 |