節(jié)點地震勘探儀器eSeis 1.0性能探討*

封召鵬，曾慶平，蔡敏貴，焦保森，嚴 皓，張 迪

(東方地球物理公司地震儀器研發(fā)項目組 河北 涿州 072750)

0 引 言

地球物理勘探離不開高精度、高性能的地震勘探儀器。在過去的三十年，地球物理勘探技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化，中國也在該領(lǐng)域取得了很多成果。很多物探承包商開始從國內(nèi)勘探市場走向了國際，有些甚至引領(lǐng)全球。在國際化的道路上，由于國外物探裝備制造商長期把持市場，國內(nèi)物探公司想在海外取得新的地震勘探項目，不得不購買并使用國外的地震勘探儀器[1]。

近幾年，持續(xù)低迷的油價，高額的項目運作成本，加之國外地震勘探儀器的高昂價格，使得研發(fā)一款性價比高、穩(wěn)定可靠的地震勘探儀器勢在必行。傳統(tǒng)的有線儀器一直占主導(dǎo)地位。但是隨著節(jié)點儀器技術(shù)的發(fā)展，節(jié)點儀器本身具有的投入勞動力少、采集高效等優(yōu)勢，倍受物探承包商的青睞。目前節(jié)點儀器市場琳瑯滿目，有GSR、Unite、Hawk、ZLAND等型號。雖然這些產(chǎn)品性能相對有線儀器優(yōu)勢明顯，但是價格昂貴。BGP(中石油東方公司)是世界上最大的陸地勘探承包商，為了打破這一僵局，從2015年開始研發(fā)新一代國產(chǎn)地震勘探節(jié)點儀器eSeis。該儀器價格低廉，功能以及采集數(shù)據(jù)的品質(zhì)均達到國際水平。

1 eSeis1.0節(jié)點地震勘探儀器的研發(fā)思路

節(jié)點地震勘探儀器的工作特點是將一段時間內(nèi)所采集的地震數(shù)據(jù)存儲在采集單元或者采集鏈本地內(nèi)部存儲器上[2]。由于不涉及地震數(shù)據(jù)的傳輸，所以節(jié)點儀器大多數(shù)屬于無纜。目前比較流行節(jié)點儀器有Geospace公司[1]的GSX、OBX(shallow),Firefield公司的 ZLAND、 Z100、Z700(可以在水下700 m內(nèi)工作)，這些海陸的節(jié)點儀器都選擇“盲采”的工作模式，質(zhì)控信息不能實現(xiàn)實時監(jiān)控。但是也有采用節(jié)點技術(shù)的有線系統(tǒng)，如Sercel的508XT[3]，不但采集的工作效率高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控。因此根據(jù)這些需求拓展思路，研發(fā)的節(jié)點儀器應(yīng)該具備以下7個特征：能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點單元的質(zhì)控信息的實時監(jiān)控；節(jié)點單元有足夠大的存儲空間；節(jié)點電池能夠快速充電，容量大體積小；節(jié)點單元在野外采集能夠持續(xù)50d以上；節(jié)點單元的GPS同步誤差小；節(jié)點單元的功耗小；可以適應(yīng)各種不同的野外環(huán)境，能夠兼容各種檢波器串。

新一代eSeis1.0節(jié)點儀器除了具有實時質(zhì)控功能，在保證GPS同步方面還開發(fā)了GPS訓(xùn)鐘技術(shù)、快速充電技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈編碼技術(shù)和低功耗GPS模塊技術(shù)等。

1.1 eSeis1.0節(jié)點儀器的基本構(gòu)架和工作流程

研發(fā)團隊從數(shù)學(xué)建模開始，借鑒國際領(lǐng)先節(jié)點儀器的經(jīng)驗，研發(fā)出自己的eSeis1.0節(jié)點儀器軟硬件構(gòu)架，如圖1所示。

圖1 eSeis節(jié)點單元軟件框架與eSeis節(jié)點儀器的硬件組成

eSeis1.0節(jié)點采集站的 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換是按照準確預(yù)定時刻(一般為2的冪次方數(shù)為計時線)采集數(shù)據(jù)，而不是其它 廠家(如Geospace的GSR)通常采用的對采集數(shù)據(jù)流打當(dāng)前時間戳；該算法得到TB(Time Break)時間更精確，適合高精度要求，與我們的高效采集激發(fā)管理系統(tǒng)相匹配，精確同步。 同時在設(shè)計之初就考慮實現(xiàn)節(jié)點單元的質(zhì)控信息的實時監(jiān)控。這些實時監(jiān)控的信息包括GPS狀態(tài)、節(jié)點單元的存儲容量、電池電量、采集參數(shù)等。同時也可對超標的監(jiān)控項提出預(yù)警。自動測試功能包括對采集站技術(shù)指標檢測(出廠技術(shù)指標、日月檢等)，及對檢波器性能和埋置狀態(tài)檢測。

模數(shù)轉(zhuǎn)換單元包含高精度超低噪音可編程前置放大、真32位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換、去假頻濾波等功能。多功能下載柜中的精密測試信號單元包含32位高精度可編程數(shù)模轉(zhuǎn)換、高精度超低噪音可編程驅(qū)動/緩沖等。

在野外進行地震數(shù)據(jù)采集時，地震信號經(jīng)過A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)存儲在eSeis節(jié)點采集站的16 GB內(nèi)存中。同時在采集的過程中，通過實時監(jiān)控的電臺鏈路對采集站的質(zhì)控信息進行實時監(jiān)控。生產(chǎn)完成之后，跟其他節(jié)點一樣，所有參與生產(chǎn)的eSeis節(jié)點被收回營地，通過在eSeis服務(wù)器上運行的Harvester Manager軟件完成地震數(shù)據(jù)的下載。eSeis節(jié)點采集站中的地震數(shù)據(jù)通過下載機柜被下載到服務(wù)器的盤陣當(dāng)中。但是這個時候下載的只是原始數(shù)據(jù)，通過第三方采集系統(tǒng)或者編碼器得到激發(fā)的GPS TB信息，在服務(wù)器上運行Data Manager軟件，利用GPSTB信息完成共炮點集或者共檢波點集數(shù)據(jù)的切分、信號的相關(guān)和疊加等運算。生成的SEG-D或者SEG-Y格式數(shù)據(jù)才能被送至解釋組或上交給甲方(如圖2所示)，這樣才是一個完整的數(shù)據(jù)流。

圖2 eSeis1.0系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流

2 eSeis1.0節(jié)點儀器的四種技術(shù)

2.1 GPS訓(xùn)鐘校準技術(shù)

保證整個系統(tǒng)的時鐘同步是所有的地震采集系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵問題。在以往的有線系統(tǒng)中，整個采集系統(tǒng)內(nèi)部的野外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備的同步是通過大線的同步信號傳輸來完成的[4]。eSeis1.0節(jié)點儀器由于沒有有線傳輸，所以同步的方式有很大的不同。eSeis1.0采用GPS訓(xùn)鐘的技術(shù)保證采集系統(tǒng)的同步。

目前大多數(shù)節(jié)點儀器和部分有線儀器是在激發(fā)源和數(shù)據(jù)采集端均按照采樣間隔對激發(fā)時刻和數(shù)據(jù)采集時刻打GPS精確時間標記的被動方法來實現(xiàn)TB(Time Break)時間同步的，按照精確指定時刻(以GPS時間為基準)來啟動數(shù)據(jù)采集和激發(fā)同步，由于A/D主時鐘隨著時間推移會產(chǎn)生累積誤差，造成單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集點數(shù)發(fā)生變化。這樣會影響地震勘探儀器的采集數(shù)據(jù)的精度，往往由于采樣時鐘的誤差的累積，可以達到半個采樣點的誤差[5]。eSeis1.0節(jié)點采集站所采用的訓(xùn)鐘校準技術(shù)，是基于精密有源晶振、高精度GPS模塊和MCU(Micro Control Unit)完成的。在采集開始之前，GPS模塊接收衛(wèi)星信號，采集站進行訓(xùn)鐘校準。eSeis1.0節(jié)點上的MCU開始檢測自身時鐘與GPS時鐘的誤差，并把這一誤差反饋給MCU，MCU根據(jù)這一誤差動態(tài)調(diào)整PWM(Pulse-Width Modulation)模塊輸出的脈沖，這一脈沖輸入A/D模塊的主時鐘，以此方法達到精確的同步(如圖3所示)。這樣的GPS訓(xùn)鐘過程在采集中每半小時一次。

圖3 eSeis1.0節(jié)點采集站內(nèi)部的GPS訓(xùn)鐘校準原理圖

在訓(xùn)鐘校準的基礎(chǔ)上，eSeis1.0節(jié)點采集站內(nèi)部的A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片)按照準確預(yù)定時間開始采集(一般為2的冪次方數(shù)為計時線)這樣避免了TB同步半個采集樣點的誤差。

2.2 電池快速充電技術(shù)

目前很多地震勘探項目進行高密度、大帶道數(shù)采集(節(jié)點單元本身不受帶道能力的限制)，每天有很多采集設(shè)備被回收或者放置到野外。作為節(jié)點儀器每天除了面對大量節(jié)點數(shù)據(jù)要回收下載，而且要面對大量節(jié)點電池充電的問題。如果節(jié)點電池需要充電時間長或者充電不飽和將嚴重影響生產(chǎn)能力。eSeis1.0節(jié)點儀器考慮到這一點開發(fā)了可實現(xiàn)快速充電的eSeis磷酸鋰鐵電池，該電池包額定輸出12 V，容量20 AH。可保證eSies節(jié)點連續(xù)采集30天以上。最關(guān)鍵的是該電池充電只需要3 h即可充滿。eSeis1.0電池和節(jié)點單元如圖4所示。

2.3 節(jié)點采集站低功耗技術(shù)

多數(shù)節(jié)點儀器目前使用單站單個供電單元，由于地震勘探面臨的地形復(fù)雜多變，如城區(qū)、沙漠、山地、灘涂等。這些區(qū)域由于地形或者社區(qū)因素施工緩慢，需要排列長時間滯留野外。如果電池容量較小或者采集站功耗大，將直接影響節(jié)點在野外的“生存周期”。eSeis1.0節(jié)點儀器使用了低功耗的硬件，在采集站MCU運作固件上也考慮到了功耗。如GPS模塊分時段訓(xùn)鐘模式，在采集過程中，MCU每隔半個小時與GPS模塊做一次訓(xùn)鐘校準，在平時GPS模塊處于休眠狀態(tài)，藍牙模塊只有在和Node hunter手縛通訊時才啟用，這樣保證整個采集站的低功耗。如果用戶不需要實時監(jiān)控節(jié)點質(zhì)量狀態(tài)，那么無線電模塊也可以關(guān)閉，這樣節(jié)點功耗更低。

圖4 eSeis電池和節(jié)點單元

2.4 穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)

eSeis1.0節(jié)點采集站狀態(tài)的實時回傳，通過低功耗的通訊數(shù)字鏈接技術(shù)完成。針對節(jié)點數(shù)量極其龐大的特點，eSeis1.0數(shù)據(jù)鏈由多種嵌入不同設(shè)備的通訊模塊組成。主要特點有：

1)提供高速節(jié)點狀態(tài)獲取機制。生產(chǎn)管理中心嵌入多信道高速通訊鏈路模塊，與野外檢波線通訊單元遠程鏈接，高速獲取節(jié)點的實時狀態(tài)及歷史狀態(tài)。

2)提供超低功耗節(jié)點狀態(tài)通訊機制。為了保證節(jié)點一次充電后的長時間數(shù)據(jù)采集，節(jié)點模塊中內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)鏈模塊采用超低功耗設(shè)計，使得節(jié)點采集工作時依然可以隨時傳輸工作狀態(tài)及異常狀態(tài)，確保生產(chǎn)順利進行。

3)提供靈活動態(tài)的監(jiān)控通訊鏈路。檢波線通訊單元中內(nèi)嵌高低速一體eSeis通訊模塊，可以根據(jù)觀測系統(tǒng)及地形情況，靈活動態(tài)地部署在所負責(zé)區(qū)域中，通過低速通道獲取節(jié)點狀態(tài)，并利用高速信道將信息快速遞傳輸給指揮中心。

3 eSeis1.0節(jié)點儀器的性能指標

eSeis1.0節(jié)點儀器二期研發(fā)完成后，新的eSeis1.0節(jié)點的技術(shù)指標的得到了提高，技術(shù)性能指標更加穩(wěn)定,相對GSR、RT2具有明顯優(yōu)勢，見表1。eSeis1.0節(jié)點采集站的突出特點是具有32位真模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、GPS訓(xùn)鐘技術(shù)、獨有的低功耗技術(shù)和價格低廉。

表1 eSeis1.0、GSR、RT2 3種地震勘探儀器的對比

4 eSeis1.0節(jié)點儀器的應(yīng)用

eSeis1.0節(jié)點儀器在2015年12月產(chǎn)品成型，2016年1月至2017年12月之間做了3次對比試驗，分別與428XL、G3i和Hawk等采集系統(tǒng)做了對比。這3次試驗驗證了eSeis1.0節(jié)點儀器在邏輯上的正確，系統(tǒng)穩(wěn)定。通過分析采集到地震資料，eSeis1.0節(jié)點儀器資料品質(zhì)達到了國際同等水平。

4.1 與Sercel 428XL儀器的對比試驗

為了驗證eSeis1.0節(jié)點儀器邏輯的正確性，2016年1月6日～8日，在華北某探區(qū)與428XL地震勘探儀器做了對比試驗。試驗投入eSeis1.0第一代無線節(jié)點50道，包括可抗低溫的快速充電電池50塊，3個排列助手。檢波器串20DX-10，每道兩串。通過三通線將檢波器串輸出的地震信號分別引入到428XL的FDU和eSeis1.0節(jié)點采集站中,兩種采集系統(tǒng)使用相同的采集參數(shù)。

經(jīng)過分析對比428XL和eSeis1.0節(jié)點切分后的資料，得出eSeis1.0節(jié)點邏輯正確，系統(tǒng)的PGA(programmable gain amplifier)、A/D轉(zhuǎn)換算法正確，GPS授時準確，數(shù)據(jù)格式、下載、切分、抽取和道分選正確。eSeis 1.0信號的相位與428XL一致，見圖5(a)；極性符合SEG規(guī)定，見圖5(b)。

圖5 eSeis與428XL數(shù)據(jù)1 ms采樣的相位極性對比

4.2 與G3i儀器的試驗對比

2016年8月，為了進一步驗證eSeis1.0系統(tǒng)的實用性、和穩(wěn)定性，在國內(nèi)某地震隊與INOVA G3i儀器進行了1 880道共檢波串二維對比試驗。共采集321個炮點，eSeis1.0和G3i儀器選擇同一采集參數(shù)，采用共激發(fā)點和接收點采集的對比方式，保障試驗結(jié)果的可對比性，如圖6所示。

通過對eSeis1.0和G3i資料的對比分析得出以下結(jié)論(見圖7)：

圖7 eSeis1.0與G3i儀器1ms采樣的全頻單炮記錄對比

1)從單道、炮集、剖面分析結(jié)果來看，eSeis1.0采集地震數(shù)據(jù)從波形、能量、頻率、相位上，都與G3i采集的地震數(shù)據(jù)整體一致。

2) 通過綜合分析，eSeis1.0采集地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)與G3i相當(dāng)，所采集的地震數(shù)據(jù)質(zhì)量是可靠的。

3)eSies1.0無線節(jié)點儀器整體工作穩(wěn)定達到工業(yè)生產(chǎn)的水平。

同時通過這次試驗也發(fā)現(xiàn)了一些問題：

1)狀態(tài)信息回傳不穩(wěn)定。需要在硬件和軟件上做改進調(diào)整，將接收靈敏度增加，天線采用外置辦法。現(xiàn)已通過改進實驗。

2)數(shù)據(jù)下載機柜和充電柜接頭連接繁瑣、不易操作。需要簡化數(shù)據(jù)下載時的插頭連接方法。去掉插頭外套，操作時不必要螺紋擰緊,以簡化拔插操作。

3)采集站重量輕，受粗插頭和環(huán)境影響大，站體野外容易翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致GPS天線接收不到信號。計劃在下一步電池和采集站合并后，采取扁平化結(jié)構(gòu)方案加尾椎解決。

4)采集站采集數(shù)據(jù)零飄消除算法須完善。

4.3 與Hawk儀器的對比試驗

為了進一步對比eSeis1.0節(jié)點儀器跟國際其他物探儀器的性能，在國內(nèi)某探區(qū)地震隊跟Hawk節(jié)點儀器做了二維對比試驗。跟之前的兩次試驗類似，eSeis1.0和Hawk使用同樣的采集參數(shù)。前方增益位12DB，采樣率1 ms,記錄長度5 s,井炮激發(fā)。兩種節(jié)點接收來自同一串檢波器串的地震信號。同時記錄井炮激發(fā)的GPS TB時間作后期數(shù)據(jù)切分的依據(jù)。

對兩者采集到的地震數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：

1)從單道均衡、固定增益、分頻掃描結(jié)果來看，肉眼無法分辨出差異，eSeis1.0單炮與Hawk面貌一致(圖8)；

2)從頻譜上看，eSeis1.0單炮與Hawk頻譜的整體趨勢一致，在0～150 Hz，一致性非常好，在150 Hz以上雖有差異，但差異很小；

3)從連續(xù)相位上看，200 Hz以上eSeis1.0單炮與Hawk連續(xù)相位有一定差異，隨著頻率升高差異有所增加(圖9)。

圖8 eSeis1.0與Hawk儀器的單道對比

4)從疊加剖面及分頻分析結(jié)果來看，eSeis1.0與Hawk整體面貌一致(圖10)，肉眼無法分辨出差異，從二者相減結(jié)果來看，差異也很小；

5)從頻譜分析結(jié)果來看，eSeis1.0粗疊加與Hawk頻譜的整體趨勢一致，在0～150 Hz，一致性非常好，但在150 Hz以上有一定的差異，但差異很小;

6)通過互相關(guān)分析，兩者數(shù)據(jù)存在差異，但是差異遠小于半個采樣間隔。

通過綜合分析，證明eSeis1.0所采集地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)與Hawk相當(dāng)，獲取的地震數(shù)據(jù)質(zhì)量是可靠的。

圖10 eSeis1.0節(jié)點與Hawk節(jié)點采集剖面相減

5 現(xiàn)狀分析與結(jié)論

目前物探裝備市場節(jié)點地震勘探儀器種類繁多，很多產(chǎn)品因為電池容量小、節(jié)點采集站內(nèi)存小、不能夠?qū)崟r監(jiān)控節(jié)點狀態(tài)等原因，以及 GPS時間漂移等問題成為提供優(yōu)質(zhì)資料的短板。針對以上問題，eSeis1.0節(jié)點研發(fā)工作，通過降低功耗、開發(fā)高性能的磷酸鋰鐵電池提高eSeis1.0野外節(jié)點的待機時間；核心的GPS訓(xùn)鐘技術(shù)改變了以往通過在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中打時間戳的做法，以預(yù)定時間的方式開始采集，精確地實現(xiàn)和激發(fā)源的同步，進而避免了采樣時間漂移[7]。

任何物探裝備一問世都不是一蹴而就的，后期不斷改進以及對客戶負責(zé)的態(tài)度決定該產(chǎn)品能夠走多遠。eSeis1.0節(jié)點儀器的應(yīng)用過程證明系統(tǒng)本身的邏輯是正確的，數(shù)據(jù)品質(zhì)達到了國際水平，儀器性能穩(wěn)定。為了滿足高密度采集，充電設(shè)備需要改進，現(xiàn)有的便攜式充電柜，不能滿足萬道級施工的需要；數(shù)據(jù)下載柜的插頭和外形都應(yīng)該針對現(xiàn)有的實際需要而改進。這些都需要研發(fā)團隊進一步緊密貼合用戶，不斷完善。