數字式海洋物探氣槍震源控制系統

邱永成++郭軼++朱耀強

摘 要：設計一種用于海洋物探的數字式氣槍震源控制系統，該系統由水上、水下兩部分組成。水上部分負責控制指令的發送和數據的處理顯示；水下系統設計成一種分布式架構，利用前端電路直接對采集波形進行數字化處理，從而完成對于海洋物探氣槍震源的實時控制。該系統結構簡單、易于實現，并且能夠支持多震源的同步控制和延遲控制。

關鍵詞：地震勘探 氣槍震源 同步控制 立體震源

中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（a）-0016-04

氣槍震源是1960年代發明的，經過近半個世紀的發展，氣槍震源逐漸成為一種重要的人工震源。海洋地震勘探一般使用氣槍作為震源，其是利用高壓空氣迅速釋放，由氣泡的膨脹與收縮而產生地震波的一種工具。氣槍震源系統具有穩定性好、子波一致性好、頻帶寬、野外作業方便等特點[1，2]。

氣槍震源控制系統是氣槍震源系統的關鍵組成部分，主要功能是完成對氣槍震源的激發控制，實時采集氣槍同步信號、近場子波信號、壓力和深度數據，從而對氣槍震源的激發質量進行監控。氣槍震源控制系統分為模擬和數字兩種。數字式氣槍震源控制系統的主要特點是在氣槍震源附近完成采集信號的數字化處理，縮短了模擬信號傳輸的長度，減小炮纜的芯線數量，能夠允許更小的偏移距。高質量的3D、4D地震勘探，需要高度重復的、寬頻震源的信號，然而，目前許多勘探船舶仍使用傳統的模擬震源控制系統，控制器所需采集的模擬控制和監測信號，通過又長又昂貴的炮纜傳遞，而炮纜在復雜的海上作業環境中，極易出現漏電的情況，從而導致模擬的震源信號不能滿足高精度3D、高重復4D 勘探的需要。數字式氣槍震源控制系統彌補了模擬氣槍震源控制系統的不足。

目前，氣槍震源主要有Sleeve槍、BOLT槍、G槍等，氣槍震源控制系統由國外壟斷，這制約了我國海洋地震勘探技術的發展。該文提出一種用于海洋物探的數字式氣槍震源控制系統，該系統能夠完成對海洋氣槍震源的同步控制和延遲控制，對于立體震源的研究、氣槍陣列組合及氣槍震源控制方式的研究具有實際的應用意義。

1 系統結構

數字式氣槍震源控制系統主要分為硬件平臺與操作控制軟件兩部分，硬件平臺包括水下及室內硬件；軟件部分主要至系統控制軟件，運行于水上工作站。系統的具體設計目標如下。

（1）水下單元。

①同步控制精度0.1ms；

②點火電壓60/90VDC；

③近場采樣率0.25、0.5、1、2、4ms；

④近場采樣分辨率24bit；

⑤壓力深度采樣分辨率16bit。

（2）室內單元。

①可控制陣列數 12個；

②支持震源數 4個；

③一個陣列可控制子槍數 12個；

④近場記錄格式SEG-D；

⑤最小內部循環時間小于3 s。

數字式氣槍震源控制系統總體結構如圖1所示。水下硬件包括近場采集、同步信號采集、點火控制以及數據傳輸板；室內硬件包括數據接收板和控制板。

近場信號采集采用專用地震信號采集套片，同步信號和壓力深度信號的采集采用高精度采集芯片[3，4]，采集數據的處理采用FGPA完成，高壓485傳輸機制對數字化的信號進行長距離傳輸，在室內對點火控制以及采集數據的處理通過百兆網絡與操作軟件實現互聯，并實現導航和槍控觸發信號的接收功能；控制軟件部分完成系統整體控制功能，包括參數配置、命令發送、操作控制、數據記錄、實時顯示等。

整個水下系統被設計成一種分布式架構，可分為多個陣列，每個陣列支持多個采集傳輸單元模塊。該架構使得該系統能夠支持多氣槍陣列的同時點火控制、數字化處理等（圖1）。

水下單元是整個系統的關鍵部分，位于水下每個子槍的附近，包括采集包和傳輸包。采集包主要是實現對每個氣槍的點火進行控制，并把同步信號、近場和壓力深度數據進行數字化，傳輸包主要實現把每個槍陣所有采集包的數據傳輸到室內系統。

室內控制單元主要實現對水下各單元的控制，把接收的數據處理后發送給工作站，包括室內控制箱體和電源箱體兩部分。

2 水下單元設計

水下單元包括采集模塊、傳輸模塊和連接線，如圖2所示，位于水下氣槍附近1 m左右，與傳感器一起安裝在槍架上，其兩端共有兩個8芯AG插座，分別用于供電、命令和數據的發送、連接近場檢波器、連接外部的壓力或者深度傳感器以及連接氣槍震源的電磁閥和線圈。由于采集模塊安裝與水下與氣槍距離約1m左右，氣槍激發時振動比較大，因此采集模塊的制作需要采取防水和防振措施。

每個采集模塊負責的工作有如下幾項。

（1）命令的接收與發送：接收室內控制單元傳來的命令，根據命令字和命令號進行解析，控制采集及傳輸部分的工作，同時控制電磁閥的點火。

（2）數據采集：采集近場檢波器、壓力和深度傳感器的數據，按照一定的格式打包發給室內控制單元。

（3）供電：采集模塊把輸入的DC48V電源轉換成數據采集板和本級壓力深度傳感器需要的電源。

水下單元的數據傳輸通過RS485完成，各個級聯傳輸包之間通過RS485總線方式實現水下單元的數據傳輸。該單元需要完成與室內控制單元通訊、控制氣槍震源的點火、采集氣槍線圈數據、采集近場傳感器數據、采集壓力深度傳感器的數據、采集輔助數據、點火檢測及狀態判斷等功能。

數據采集部分則采用專門的高精度AD采集氣槍震源線圈以及近場傳感器的數據；采用單片機來對電磁閥點火及數據的采集進行控制，利用單片機的內部AD來采集壓力、深度以及輔助數據。命令和數據的接收與發送采用RS485總線傳輸，由于炮纜的長度一般在四五百米左右，每個槍陣的第一個采集模塊與室內系統的傳輸距離應該要達到600 m，因此485傳輸距離要大于600 m。

3 室內控制箱體設計

控制箱體位于室內，與上位機通過網絡進行連接，與導航和采集系統通過同軸電纜進行連接，與水下單元通過RS485總線進行相連，與電源箱體通過RS485總線相連，如圖3所示。主要完成如下功能。

（1）通過百兆網口接收控制工作站的控制命令和配置參數，并通過RS485總線轉發給12個水下單元陣列以控制其工作狀態。

（2）接收12個水下單元陣列傳來的數據，分離出線圈數據、近場檢波器數據、壓力和深度傳感器數據以及狀態數據，并通過百兆網口發送給控制工作站。

（3）實現對電源箱體以及12條炮纜供電的控制功能。

（4）接收導航傳來的Nav_start，產生TB信號，控制水下單元的工作方式。

（5）接受控制工作站傳來的報警信息，進行相應的報警。

4 系統工作協議

根據整個系統的設計結構，需要建立如圖4所示的通訊通道。其中，通道①為系統控制單元（SCU）與工作站之間的通道為上行數據通道，通道②為SCU與工作站之間的通道為下行的命令通道，通道③為SCU與采集板之間的命令數據通道。其中①、②為網絡通信，③為RS485總線通信方式。

系統的總體流程包括兩條主鏈路流程：一是命令流程，二是數據流程。

（1）命令流程：由工作站或者SCU發起，按通信協議進行系統的初始化配置、工作模式設置、正常放炮、QC監控、數據存儲控制等所有命令的封裝、發送，并由SCU箱體內的板卡進行命令的解析、轉發，一部分命令由SCU箱體內的板卡進行處理，一部分命令轉發至水下單元執行。命令流程中還包括SCU箱體內同步指令的處理流程與命令反饋信息處理流程。

（2）數據流程：由水下單元采集電磁閥線圈、近場、壓力和深度傳感器以及各種輔助的數據，進行封裝后通過485總線通信方式發送給SCU箱體內的CPU板，按通信協議進行數據的解析和處理，再進行封裝后傳給工作站完成數據的存儲與監控等。

5 測試與驗證

氣槍震源控制系統的主要功能是完成對氣槍震源的點火控制，實時采集氣槍同步信號、近場子波信號、壓力和深度數據，從而對氣槍震源的點火質量進行監控。為驗證該文所提設計方法和系統結構，利用Altera公司的Stratix系列芯片以及ST公司基于ARM Cortex-M3核的STM32F103R8處理器作為主要實現芯片，設計實現一套數字化震源控制系統，并對該系統進行一系列實驗室和海上現場測試，包括系統通信測試、系統監控測試、系統性能測試等方面。2015年3月，該系統在物探船上進行野外實驗，圖5為進行水下單元固定安裝的現場圖；圖6為響炮時一個陣列的氣槍同步波形及近場檢波器的采集波形；圖7為隨機響炮時近場檢波器連續采集的3炮波形圖。

野外試驗進行了兩天，連續響炮約4 000炮，整個試驗過程中整個系統運行穩定，氣槍的延遲誤差在0～0.02 ms左右，與模擬氣槍震源控制系統的零點幾毫秒相比，該套系統的同步控制精度提高了一個數量級，達到了與國外數字槍控相同的指標；另外，野外還進行了氣槍震源延遲控制試驗，該系統可以實現3種方式的延遲控制：（1）陣列與陣列間固定延遲響炮；（2）每一條槍固定延遲響炮；（3）所有槍隨機響炮。氣槍震源延遲控制的實現對于立體震源的研究、氣槍陣列組合及氣槍震源控制方式的研究具有實際的應用意義，可以拓展平面震源的低頻端能量、補償高頻端的陷波點，有利于深海油氣地震勘探的中深部目的層成像[5]。

6 結語

氣槍震源控制系統直接關系著海洋物探震源工作的穩定性、可靠性以及震源性能，該文提出一種數字式氣槍震源控制系統，由水上、水下兩部分組成，分別用于完成系統監控以及近場地震波形數字化采集。水下系統設計成一種分布式架構，利用前置高品質數字化電路直接對近場波形進行數字化處理。在水下采集和傳輸模塊的共同配合下，數字化信號直接送至水上系統進行相應的處理，從而完成對于海洋物探氣槍震源系統的實時控制。該系統結構簡潔、易于實現，并且具備良好的擴展能力。實驗室及海上試驗表明，該系統除了能夠滿足海洋物探對于氣槍震源控制系統的同步控制要求外，還能夠實現氣槍震源的多種延遲控制方式，對于立體震源的研究、氣槍陣列組合及氣槍震源控制方式的研究具有實際的應用意義，可以拓展平面震源的低頻端能量、補償高頻端的陷波點，有利于深海油氣地震勘探的中深部目的層成像。

參考文獻

[1] 陳浩林，全海燕，於國平.氣槍震源理論與技術綜述（上）[J].物探裝備，2008，18（4）：211-217.

[2] 陳浩林，全海燕，於國平.氣槍震源理論與技術綜述（下）[J].物探裝備，2008，18（5）：300-308.

[3] 何正淼，宋克柱，湯家駿，等.24位ADC在地震數據采集中的應用[J].數據采集與處理，2005，20（2）：244-248.

[4] 王超，宋克柱，唐進.高性能水下地震數據采集系統設計與實現[J].吉林大學學報：工學版，2007，37（1）：168-172.

[5] 韋成龍，楊蜀冀，關曉春，等，立體延遲氣槍震源分析[J].石油地球物理勘探，2016，7（6）：1027-1033.