無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)在電火花震源地震勘探中的應(yīng)用

閆妤婧, 王軍民, 呂志杰

(長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，武漢 430100)

地震勘探是中國石油勘探中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)[1]。目前，常用的震源可以分為炸藥震源和非炸藥震源，在中國陸地石油地震勘探中，所用的震源多為炸藥震源[2]。電火花震源作為非炸藥震源最初應(yīng)用于海洋勘探[3]，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了陸地電火花震源，該技術(shù)在地面、井下、江河湖海、灘涂等條件下都有廣泛的應(yīng)用[4]，改變了傳統(tǒng)炸藥爆破等高危險(xiǎn)不易操作的勘探方法。

中國領(lǐng)土幅員遼闊，東西方相距5 000多千米，山川、平原、懸崖、峭壁等復(fù)雜地形一應(yīng)俱全；中國的石油分布廣泛，油田施工場(chǎng)環(huán)境往往處于交通不便利的地區(qū)，使得許多大型車輛無法行駛到施工現(xiàn)場(chǎng)，施工線纜自身體積大，無法被及時(shí)送到施工現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致的施工延期時(shí)有發(fā)生。而且在使用過程中電纜故障頻發(fā)，測(cè)量?jī)x器的故障多由線纜故障造成，同時(shí)因地形復(fù)雜也給排線、布線帶來了困難，造成的嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失不可估量。

基于上述問題，開展對(duì)電火花作為震源的地震勘探系統(tǒng)的研究，提出新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)通過無線模塊傳輸?shù)降孛?，以減少線纜的使用，同時(shí)提高地質(zhì)勘探的數(shù)據(jù)傳輸效率，進(jìn)而使配合電火花震源能更好地適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。

1 系統(tǒng)整體方案

采用STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的總控制器，相比于STC89C51等單片機(jī)，STM32F103ZET6具有以下優(yōu)點(diǎn)：在保證采樣精度的前提下，還兼并內(nèi)存大，速率高等特點(diǎn)[5]；串口通信技術(shù)成熟，可以將收集到的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)絇C端，在數(shù)據(jù)傳輸方面采用XL-01數(shù)字音頻模塊作為核心，該產(chǎn)品體積小、抗干擾性強(qiáng)，模擬信號(hào)接入，模擬信號(hào)接出，最大的傳輸距離可以達(dá)到150 m[6]。該無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 電火花震源與無線音頻模塊接線設(shè)計(jì)

電火花激發(fā)地震波時(shí)所使用的裝置包括主控箱、功率箱、開關(guān)箱、電容器和用來監(jiān)視的高壓電表，其工作原理為首先利用外接發(fā)電機(jī)為其供電，再經(jīng)過充電回路對(duì)電容器充電，充到指定電壓后，啟動(dòng)開關(guān)程序，電容器內(nèi)聚集的電荷通過放電電流短時(shí)間快速釋放，釋放的電荷形成高溫電弧，在放電探頭附近產(chǎn)生高壓高溫的環(huán)境，將放電頭附近的水氣化，產(chǎn)生沖擊波[7]。

在被測(cè)井附近的測(cè)量區(qū)域埋置檢波器，無線音頻發(fā)送模塊和檢波器相連，接收模塊與ADC連接，接通電源，按下音頻模塊上的對(duì)碼按鍵，通信正常后就可以開始進(jìn)行工作[8]。電火花震源與無線音頻模塊的配合如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，以32位微處理器STM32作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，加上ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器配合[9-10]。電路如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)電路

2.2 2.4G無線通訊模塊設(shè)計(jì)

在2.4G無線通訊模塊設(shè)計(jì)中，將使用兩個(gè)2.4G無線傳輸模塊，最遠(yuǎn)傳輸零距離為150 m，可實(shí)現(xiàn)一發(fā)多收，多組并行工作，應(yīng)用廣泛，無線傳輸模塊如圖4所示。

圖4 無線傳輸模塊

2.2.1 發(fā)射、接收端電路設(shè)計(jì)

使用前，先將發(fā)射端和接收端的+5 V引腳與電源模塊連接，將電線接地端(GND)與電源模塊地線連接，使音頻模塊通電；再將輸入端口(R-IN)引腳和對(duì)應(yīng)的GND與地震檢波器連接，再將輸出端口(R-OUT)與STM32PA0引腳連接，對(duì)應(yīng)的GND與是STM32的地線鏈接。XL-01的引腳示意圖如圖5所示。

圖5 引腳示意圖

2.2.2 模塊與上位機(jī)配置方法

電源模塊接電，按下對(duì)碼按鍵，看到發(fā)射端的指示燈閃爍一下，接收端的指示燈閃爍兩下，對(duì)碼成功，說明其通訊功能正常，可以繼續(xù)使用。

將STM32串口與電腦鏈接。打開電腦設(shè)備管理，會(huì)看到STM32的串口已被識(shí)別，串口為CH340。打開兩個(gè)串口調(diào)試工具，將兩個(gè)模塊的波特率設(shè)置成9 600(該模塊只能在9 600波特率下進(jìn)入AT模式)后，點(diǎn)擊打開串口按鈕。

首先，使用示波器發(fā)射模擬信號(hào)配合完成實(shí)驗(yàn)步驟：使用示波器給音頻模塊發(fā)射一組模擬信號(hào)，發(fā)射端接收到模擬信號(hào)后自動(dòng)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后發(fā)射給接收端模塊，接收端模塊接收到數(shù)字信號(hào)后在轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)發(fā)送給STM32的ADC模塊，ADC模塊完成轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給電腦[11-12]，將電腦接收到的波形與示波器的波形比較發(fā)現(xiàn)存在不可避免的延時(shí)，延時(shí)時(shí)間為0.4 ms，而且再多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)該延時(shí)會(huì)隨距離的增加而變長(zhǎng)。

其次，使用檢波器完成模擬聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)：將地震檢波器放置于桌面，將檢波器與發(fā)射端模塊連接，設(shè)置完成后，將兩個(gè)2.4G模塊分別置于檢波器旁和STM32旁邊間距1 m，用小錘敲擊地面，得到聲波信號(hào)，然后通過兩個(gè)模塊傳到上位機(jī)，對(duì)比波形，發(fā)現(xiàn)依然會(huì)存在不可避免的延時(shí)。

2.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)部分由STM32F103ZET6處理器為核心，STM32F103ZET6是一款高新能的32位ARM微控制器，其內(nèi)核位Cortex-M3，芯片集成ADC、SPI等多種功能，芯片集成的ADC采樣率為12位，存儲(chǔ)器容量為16～32 KB，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs。作為采集使用，集成的ADC可以在實(shí)驗(yàn)中使用[13]。具體程序設(shè)計(jì)如下。

初始化ADC用到的GPIO：

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; //設(shè)置為推挽輸出模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; //設(shè)置傳輸速度為50MHZ

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN; //設(shè)置為模擬輸入模式

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_All);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;

GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);

配置ADC的工作參數(shù)并初始化：

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=ENABLE; //連續(xù)轉(zhuǎn)換模式

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right; //右對(duì)齊

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None; //禁止觸發(fā)檢測(cè)，使用軟件觸發(fā)

ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent; //獨(dú)立工作模式

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1;//只轉(zhuǎn)換規(guī)則序列1

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=ENABLE; //使用連續(xù)掃描模式

ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);

ADC_Cmd(ADC1,ENABLE); //使能ADC1

ADC_ResetCalibration(ADC1);//ADC校準(zhǔn)

while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));

ADC_StartCalibration(ADC1);

while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);

設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換通道順序及采樣時(shí)間：

u16 Get_ADC_Value(u8 ch,u8 times)

{

u32 temp_val;

u8 t; //設(shè)置指定ADC的規(guī)則組通道，一個(gè)序列，采樣時(shí)間

ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ch,1,ADC_SampleTime_1Cycles5);//ADC1,ADC通道1,1.5個(gè)周期

for(t=0;t

{

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

temp_val=ADC_GetConversionValue(ADC1);

}

return temp_val;

}

系統(tǒng)主函數(shù)如下：

float date[5]={0};

int main()

{

u8 i=0;

SysTick_Init(72);

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

LED_Init();

USART1_Init(9600);

ADCx_Init();

while(1)

{

i++;

if(i%20==0)

{

led1=!led1;

}

value=Get_ADC_Value(ADC_Channel_1,1);

*(date+4)=*(date+3);

*(date+3)=*(date+2);

*(date+2)=*(date+1);

*(date+1)=*(date+0);

*(date+0)=value;

OutData[0] =(*(date+0)+*(date+1))/2;

OutPut_Data();

}

}

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，用錘子代替電火花震源，用敲擊代替放點(diǎn)過程，利用小錘子的敲擊產(chǎn)生地震波完成實(shí)驗(yàn)。距離敲擊點(diǎn)1 m的位置，將檢波器尖端朝下放置在地面上，2.4G無線音頻模塊之間的間距為1.5 m，在敲擊點(diǎn)連續(xù)多次敲擊地面，模擬地震信號(hào)，完成敲擊后，先拿起放置于地面上的檢波器，測(cè)試人員方可走動(dòng)，因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)為表征現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，由圖6中峰值表現(xiàn)可以清晰地看出敲擊點(diǎn)，無法確切定量其數(shù)據(jù)，因此沒有橫縱坐標(biāo)單位。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過2.4G無線音頻模塊傳輸?shù)絇C端記錄數(shù)據(jù)。

敲擊實(shí)驗(yàn)在測(cè)量時(shí)應(yīng)避免人員走動(dòng)，測(cè)量結(jié)束后應(yīng)及時(shí)將檢波器離開地面，以免造成因人員走動(dòng)而產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

由圖6、圖7數(shù)據(jù)可知，敲擊時(shí)的數(shù)據(jù)峰值較高，但是由于沒有濾波，導(dǎo)致系統(tǒng)采集的噪聲較多，因此采用軟件濾波的方式進(jìn)行濾波操作，濾波的程序如下。

value=Get_ADC_Value(ADC_Channel_1,1);

*(date+4)=*(date+3);

*(date+3)=*(date+2);

*(date+2)=*(date+1);

*(date+1)=*(date+0);

*(date+0)=value;

OutData[0] =(*(date+0)+*(date+1))/2;

OutPut_Data();

圖6 敲擊地面2次記錄數(shù)據(jù)

圖7 敲擊地面5次數(shù)據(jù)

使用軟件濾波后，再次將檢波器垂放在地面，距離敲擊點(diǎn)1 m，2.4G無線音頻模塊的接受與發(fā)送模塊之間的間距為1.5 m，連續(xù)兩次在敲擊點(diǎn)進(jìn)行敲擊，得到的數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 濾波后得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用軟件濾波后，所采集數(shù)據(jù)的噪音信號(hào)明顯降低，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性更高，說明使用軟件濾波的效果還是非常明顯的。

為驗(yàn)證無線音頻模塊可以應(yīng)用在電火花震源下的石油勘探系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室外的模擬場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖9、圖10所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)被測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)

圖10 被測(cè)井井口現(xiàn)場(chǎng)

該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地模擬了一種惡劣的地震環(huán)境，由圖10可知，井口附近的淤泥較多，土質(zhì)含水量極高，施工環(huán)境較差，無法將大型作業(yè)車輛駛?cè)胧┕がF(xiàn)場(chǎng)，在此環(huán)境下，難以使用傳統(tǒng)的炸藥震源和電纜采集地震數(shù)據(jù)。操作現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

圖11 電火花震源操作平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

如圖10所示，電火花震源已經(jīng)放置于被測(cè)井內(nèi)；電火花的操作平臺(tái)如圖11 所示，其中電火花震源的能量固定在50 000 J，震源與操作平臺(tái)直線距離3 m，操作平臺(tái)環(huán)境相對(duì)干凈整潔，在距離井口1 m的地方埋置檢波器，記錄長(zhǎng)度為6 s。

根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，分別從延時(shí)時(shí)間、峰值、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖12 電火花做震源得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)電火花地震勘探的基礎(chǔ)上，使用無線音頻模塊作為地震數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕ぞ?，以模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)線纜，以期為無纜勘探、無纜采集的實(shí)現(xiàn)提供新思路。得到結(jié)論如下。

(1)使用XL-01無線數(shù)字音頻模塊作為地震數(shù)據(jù)傳輸模塊，結(jié)果表明該實(shí)驗(yàn)的接收端可以通過無線的方式正常接收到地震數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)對(duì)比傳統(tǒng)的線纜數(shù)據(jù)傳輸采集到的信號(hào)，可以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，但是會(huì)出現(xiàn)不可避免的時(shí)間延遲。

(2)該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不僅可以應(yīng)用于石油工程領(lǐng)域，還可在橋梁、隧道、公路等工程物探領(lǐng)域中推廣應(yīng)用，針對(duì)不同領(lǐng)域，需要配合不同的震源便可以快速搭載一套采集系統(tǒng)，具有較好的應(yīng)用前景。