CN106772567A - 一种用于地震勘探仪的数据传输无损压缩算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于地震勘探仪的数据传输无损压缩算法，压缩的实现分两个方面。第一方面是根据前两个采样点对本采样点的预测值与本采样点的真实值之差求得预测差值ΔV，用ΔV替代本采样点24位原始数据。最后在中央处理单元，通过前两个采样点真实值对本采样点的预测值和本采样点的ΔV还原本采样点24位原始数据；第二方面是根据数据特点，采用游程编码和霍夫曼编码两次压缩指示预测差值ΔV数据位数的指示数据位数段，显著减少一帧中指示数据位数段的长度。本发明在算法的实际效果方面，由于采用了多次压缩，压缩能力强，所需上传数据量减少50％以上；在算法的复杂度和时效性方面，计算和实现简单，不改变采集站微处理器实时性。

Description

一种用于地震勘探仪的数据传输无损压缩算法

技术领域

本发明涉及采集大量波形并实时传输的仪器设备，特别是石油地震勘探仪的数据传输无损压缩算法。

背景技术

地震勘探仪是对地震波进行采集、传输并记录的仪器，可用于陆地、海洋和井中地震勘探。以陆地地震勘探仪为例其组成结构如图1所示，包括：1)中央处理单元，由主机、显示器、电源、磁盘、打印机等组成；2)交叉站单元M个，管理M条大线；3)采集站单元M*N，组成阵列，每个采集站可采集1～4个通道地震波数据。系统工作时，成千上万个采集通道的地震波数据由各个采集站向本条大线的交叉站发送，经过交叉站上传给中央处理单元。目前地震波采样均选用24位高精度AD，采样频率逐步提高，道间距逐渐缩小，所需传输的数据量巨大且呈增加态势。

地震勘探仪面临的问题：不管是放炮方式还是连续监测采集方式，所有的数据必须在规定时间内上传到中央处理单元进行分析和记录，以保证数据的正确性和安全性，否则会造成巨大损失。面对大数据量的实时数据传输，带宽的瓶颈直接制约着单条大线的带道能力和道间距、整个系统的带道能力，从而影响施工效率、勘探分辨能力等。压缩可以从传输的源头减少数据量，提升系统能力。

发明内容

本发明旨在根据地震勘探波形的特点，在每个采集站内部采用一种特殊方法对AD采样的24位原始数据进行无损压缩，从而减小所需上传的数据量，最终在中央处理单元进行解压缩，完整还原每个采样点的24位原始数据。

算法的提出和实现。通过对大量地震波形的研究，发现波形是连续变化的，而且采样频率越高所显示的波形连续性越好，在大部分范围内相邻三个采样点的幅值越接近于线性。三个采样点间的幅值越接近线性，预测值与真实值的差值ΔV越小，所占用的有效位数也越少。因此提出了用预测差值的方法对采样点24位原始数据进行替换。设一帧包含多个采样点，构造指示数据位数段放在帧的前部，用以指示每个ΔV数据的有效位数，这在解压缩时是必要的。算法实现分两个步骤完成：

步骤1计算预测差值方法中的差值ΔV，确定差值ΔV的有效位数，将差值ΔV作为上传数据。

步骤2编制和处理指示数据位数段。求取一帧中每个采样点差值ΔV的有效数据位数作为指示数据位数段的基础数据。先对指示数据位数段的基础数据采用游程编码处理，然后再用霍夫曼编码做进一步压缩处理，以缩短指示数据位数段的长度。

本发明在算法的实际效果方面，由于根据数据特点采用了多次压缩处理，压缩能力强于通用压缩软件WinRAR，一般地震勘探波形压缩率可达到50％(一般WinRAR压缩率为75％)，在井中波形的压缩率可达到30％(一般WinRAR压缩率为50％)，大大减少了所需上传的数据量，相当于提高了系统的整体带宽和带道能力；在算法的复杂度和时效性方面，需要的信息量少、节省内存、方法简单，对采集单元的微处理器任务量或实时性没有显著影响；另外不需要额外硬件支持，造价低廉，易于实现。

附图说明

图1为地震勘探仪组成框图；图2为预测差值示意图：横轴为采样时刻，纵轴为采样点的幅值；图3为指示数据位数信息图；图4为游程编码示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例仅用于解释本发明，并非用于限定本专利。

预测差值定义。预测值就是采用当前采样点之前相邻的两个采样点真实值对本采样点进行预测所求得的值。预测差值就是预测值与当前采样点的真实值之差，用ΔV表示。因此在一帧采样数据中除了前2个采样点上传原始值，其他采样点上传ΔV即可。

预测差值方法中的差值ΔV计算。如图2所示，在系统正常采集状态下，设已获得相邻3个采样点的时刻和幅值分别是(t1,a)、(t2,b)、(t3,c)。由于均为等间隔采样，因此采样间隔为t3-t2＝t2-t1。依据采样点的幅值v与时间t的线性方程式v＝kt+C进行线性预测，将(t1,a)、(t2,b)代入，可求得在t3时刻对应的预测值是c＇＝2b-a。预测差值ΔV＝c-c＇＝c-2b+a。在解压缩时将求得原始值c＝ΔV+c＇。在压缩计算过程中，预测值的获得并不需要复杂的运算，甚至用加减法和移位就可以完成，这也是应用线性预测的好处之一。

预测差值方法中的差值ΔV有效位数的确定。本示例中采用以4位(半字节)为单位，以4位的整数倍作为有效位数。例如ΔV＝-2，二进制表示中只需1位符号位和2位数据位，位数n≤4，用4位有效位表示：二进制补码表示为1110b；又如ΔV＝18，位数4<n≤8用8位有效位表示：二进制补码表示为00010010b。依此类推。

编制指示数据位数段。如图3所示，本示例针对采样幅值为3字节(24位)精度的特点，根据预测差值ΔV的有效位数，只需用1～6作为指示数字。如果预测差值ΔV的有效位数为0.5字节，用4位表示，用数字1指示；如果预测差值ΔV的有效位数为1字节，用8位表示，用数字2指示；……；依此类推，如果预测差值ΔV的有效位数为3字节，用24位表示，用数字6指示。在解压缩还原原始数据的时候，系统需知道每个采集点的预测差值ΔV占用了几位，因此在打包上传时必须附加指示数据位数信息段，通常放置在一帧的前部。

用游程编码处理指示数据位数段。一个上传的数据帧通常包含几十甚至几百个采样点，而根据以上示例指示数字只有1～6，必然会有大量重复。可以用游程编码先处理指示数据位数段，用某些代码替代重复信息。如图4所示，连续出现5个2即连续5个ΔV的有效位数均为1字节(8位)有效位，用游程编码使位数指示立即减少了2个数字。这里用0表示重复(3个以上重复才处理)，0后面的数字表示需要重复的个数减3。如果需要重复的个数用6不足以表示，可重新做一次重复处理。

用霍夫曼编码处理指示数据位数段。经过游程编码处理过的指示数据位数段，由于数据位数指示信息只出现0～6等几个数字，所以不必用一个字节去表示，用三位二进制数表示法能有效减少数据位数，但这不是最优的压缩。考虑在0～6中出现频率最高的用最少的二进制位数表示，出现频率低的用稍长的二进制数表示。用霍夫曼编码比普通的三位二进制数表示法更能缩减指示数据位数段长度。用最小堆来构建霍夫曼二叉树，又可以极大地减少微处理器内存的需要。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明任何形式上的限制。凡本行业的普通技术人员，均可按照上述说明顺畅实施本专利，但凡熟悉本行业的专业技术人员在不脱离本专利的技术范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的变更、修饰、演变的等同变化，均属于本专利的等同实施；同时，凡根据本专利的实质技术对以上事实例所作的任何等同变化的变更、修饰和演变，均仍属于本专利的技术方案保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于地震勘探仪的数据传输无损压缩算法，其特征在于：地震勘探采集系统在工作时，各个采集站的微处理器对本站采集数据进行无损压缩后实时上传给中央处理单元。

2.根据权利要求1所述的用于地震勘探仪的数据传输无损压缩算法，其特征在于：采用前两个采样点真实值对本采样点的预测值与当前采样点的真实值之差ΔV代替原始采样点24位数据进行打包上传。

3.根据权利要求1所述的用于地震勘探仪的数据传输无损压缩算法，其特征在于：在中央处理单元，通过前两个采样点真实值对本采样点的预测值和当前采样点的ΔV还原当前采样点24位原始数据。

4.根据权利要求1所述的用于地震勘探仪的数据传输无损压缩算法，其特征在于：设相邻3个采样点的时刻和幅值为(t1,a)、(t2,b)、(t3,c)，可按照线性预测方法根据线性方程和等间隔采样，求得在t3时刻对应的预测值是c＇＝2b-a，从而得出权利要求2中的预测差值ΔV＝c-c＇＝c-2b+a。

5.根据权利要求1所述的用于地震勘探仪的数据传输无损压缩算法，其特征在于：在中央处理单元进行解压缩还原原始数据的时候，系统需知道每个采集点的预测差值ΔV占用了几位，在打包上传时必须编制指示数据位数段，放在一帧前面。

6.根据权利要求1所述的用于地震勘探仪的数据传输无损压缩算法，其特征在于：指示数据位数段的指示数字只有有限几个，在一帧中必然会有大量重复，用游程编码替代重复指示。

7.根据权利要求1所述的用于地震勘探仪的数据传输无损压缩算法，其特征在于：用霍夫曼编码处理指示数据位数段，使得出现频率最高的用最少的二进制位数表示，出现频率低的用稍长的二进制数表示，缩减指示数据位数段长度。