煤炭系統(tǒng)地震勘測節(jié)點儀器的開發(fā)與設(shè)計

張晨林 左衛(wèi)華

摘要：地震勘探野外數(shù)據(jù)采集是一項工程量龐大的野外作業(yè)，根據(jù)現(xiàn)階段煤礦地震勘探實際需要及存在的問題，把質(zhì)量管理的思想應(yīng)用到野外采集中，可以減少人為因素帶來的誤差，提高工作效率。結(jié)合目前勘探隊和煤礦管理人員的需求，研制并開發(fā)了煤礦地震勘探質(zhì)量管理信息系統(tǒng)，通過對節(jié)點儀器地震勘探設(shè)計的應(yīng)用，從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計與開發(fā)角度分析了節(jié)點儀器在煤炭系統(tǒng)地震勘探技術(shù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤炭系統(tǒng);地震勘探;節(jié)點儀器;硬軟件系統(tǒng)

引言

地震勘探作為煤炭系統(tǒng)勘探的重要手段長期以來一直受到人們的重視，而近年來開發(fā)地震的興起使得地震技術(shù)在煤炭系統(tǒng)開發(fā)中同樣起到了重要作用。地震勘探是一項硬件和軟件高度集成的高端技術(shù)手段，硬件和軟件技術(shù)的提高對其進步都有著重要的影響。

一、煤礦地震勘探質(zhì)量監(jiān)管難點

地震勘探是煤礦構(gòu)造勘探中精度最高的方法之一，自20世紀90年代推廣以來，在各礦區(qū)推廣應(yīng)用中取得了顯著的地質(zhì)效果。隨著煤礦生產(chǎn)開采的進行，對構(gòu)造控制精度的要求越來越高，提高勘探精度是煤礦生產(chǎn)設(shè)計首選之策。

對于地震勘探，前期野外數(shù)據(jù)采集尤為重要。考慮到施工過程中地表條件的復(fù)雜性，環(huán)境噪聲人為因素等影響，如何對野外數(shù)據(jù)采集進行科學、全面地質(zhì)量監(jiān)控，是保證地震勘探精度和繼續(xù)擴大地震勘探應(yīng)用范圍亟待解決的問題。煤礦地震勘探的質(zhì)量控制，特別是野外數(shù)據(jù)采集施工質(zhì)量，在現(xiàn)階段主要還是通過施工方的自律，業(yè)主方和監(jiān)理方的檢查和監(jiān)督來實現(xiàn)的，但從煤礦地震勘探的施工特點及現(xiàn)階段市場狀況看，有以下幾點已成為質(zhì)量監(jiān)管的難點：

（1）野外數(shù)據(jù)采集每天由數(shù)萬個檢波點和數(shù)百個炮點，采集數(shù)據(jù)量大，質(zhì)量控制范圍廣，難以做到全面管理;

（2）施工環(huán)節(jié)多，從招投標、設(shè)計、野外生產(chǎn)、數(shù)據(jù)處理、中間成果、提交報告等也為質(zhì)量控制帶來不便;

（3）采集質(zhì)量的監(jiān)控以及評價基本由手工來實現(xiàn)，煩瑣的工作耗費了大量人力物力，而且在整個施工過程中不可避免地包含了很多人為因素，很難保證數(shù)據(jù)管理的科學性和完整性，工作也很難按照統(tǒng)一的標準進行;

（4）對于國內(nèi)外采集質(zhì)量管理軟件，大多是在基于工作站的Un平臺下操作，其價格昂貴，而且使用不同于Window系統(tǒng)界面，使用難度較大。

因此，結(jié)合煤礦地震勘探施工的特點，研制與開發(fā)適合煤礦的煤礦地震勘探質(zhì)量管理信息系統(tǒng)具有重要的意義和廣泛的應(yīng)用前景。

二、節(jié)點地震勘探技術(shù)概述

隨著地震數(shù)據(jù)采集方法和裝備的改進、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的提高和解釋方法的發(fā)展，利用地震資料不僅能指示地下構(gòu)造形態(tài)、斷裂分布，而且能在一定程度上了解地層巖性、儲層厚度、儲層參數(shù)，甚至能直接確定油氣藏的位置。地震資料同測井、巖芯以及其他地質(zhì)資料相結(jié)合，能夠極大提高煤炭系統(tǒng)勘探的準確率。高精度地震技術(shù)的進步包括地震數(shù)據(jù)的采集、處理和解釋等幾個方面。

2.1 地震數(shù)據(jù)采集

地震數(shù)據(jù)的采集是獲得數(shù)據(jù)的第一步，因此尤為關(guān)鍵。當前地震采集采用干擾波定量分析、精確的淺表層結(jié)構(gòu)調(diào)查、多種震源施工、靈活的觀測系統(tǒng)設(shè)計等方法。隨著勘探領(lǐng)域的擴展，地震采集的地貌狀況也更為復(fù)雜。以中國石油天然氣集團公司為例，近年來圍繞復(fù)雜山地、黃土源等特殊地表和復(fù)雜陸相沉積地層進行地球物理勘探施工遇到的世界級難題，持續(xù)開展了提高信噪比、成像精度、層位預(yù)測準確率的一體化物探技術(shù)方法攻關(guān)，已經(jīng)逐步形成了復(fù)雜山地、沙漠、黃土塌、海陸過渡帶、大型城區(qū)、富油氣區(qū)帶、油藏地球物理、綜合物化探等8項具有中國石油特色的技術(shù)系列。

2.2地震數(shù)據(jù)處理

在高精度地震勘探中，高精度的數(shù)據(jù)處理技術(shù)有著十分重要的作用，在某種意義上是決定成功與失敗的關(guān)鍵因素。高精度數(shù)據(jù)處理技術(shù)，總的目標是追求高信噪比、高分辨率、高保真度，即我們常說的“三高”處理".

高精度的數(shù)據(jù)處理技術(shù)是建立在一定信噪比水平基礎(chǔ)之上的，沒有一定的信噪比也就無法討論成像信號的分辨率和保真度，更不能對成像精度水平進行衡量。有關(guān)方法很多，應(yīng)用效果十分顯著回。最近幾年，壓制噪聲從疊后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向了主要在疊前數(shù)據(jù)上進行，這不僅是認識觀念的轉(zhuǎn)變，也是提高數(shù)據(jù)處理精度的要求。疊前壓噪的目的也不再是單一為了改善疊加處理效果，而是多方位的。例如，改善疊前偏移成像的效果，提高疊前解釋性處理技術(shù)的準確度以及提高疊前數(shù)據(jù)屬性提取的保真度等。

2.3地震資料解釋

地震資料在解釋的工作流程、剖面對比方法以及資料的應(yīng)用及綜合分析方面與二維地震資料解釋有許多相同之處。但是，由于地震勘探在數(shù)據(jù)采集與處理過程中采用了與二維地震勘探不同的方法，因此地震資料解釋又與二維地震資料解釋存在著明顯的不同。此外，隨著地震數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)的不斷發(fā)展和解釋工作站功能的不斷增強、大型集成軟件的廣泛應(yīng)用以及面切片、相干體、可視化等解釋技術(shù)的發(fā)展，使地震資料解釋效率與精度顯著提高。

三、節(jié)點儀器的硬件與軟件部分開發(fā)

3.1硬件部分

地震波通過檢波器轉(zhuǎn)變成模擬信號，然后進入A/D轉(zhuǎn)換單元，采樣后變?yōu)閿?shù)字信號，中央控制單元從A/D轉(zhuǎn)換單元取回采樣后的數(shù)字信號并存儲到SD卡中。電臺單元和天線用于與手簿之間的通信。中控通過電源管理單元對鋰電池的狀態(tài)進行監(jiān)控，溫補晶振為系統(tǒng)提供時鐘信號，同時結(jié)合GPS授時完成節(jié)點系統(tǒng)的時間同步。

3.1.1中央控制模塊

（1）中控MCU

中央控制模塊主要負責整個系統(tǒng)有序、高效運行，控制對時、采集、存儲等功能。控制模塊選取主要考慮：（1）處理器的性能，處理器的內(nèi)部架構(gòu)和時鐘運行頻率等指標決定著處理器處理任務(wù)的速度。（2）處理器的外設(shè)資源，處理器豐富的外設(shè)資源將最大限度的和應(yīng)用需求匹配，并且增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。（3）處理器支持的開發(fā)工具，完善的開發(fā)環(huán)境可以使得調(diào)試更加方便，有效減少開發(fā)時間。

根據(jù)所需設(shè)計的節(jié)點儀器系統(tǒng)功能復(fù)雜程度以及結(jié)合芯片提供的外設(shè)資源和相應(yīng)功耗，本項目選擇STM32微控制器STM32L471VET6作為中央控制模塊的核心控制器，應(yīng)用Keil作為開發(fā)工具。

（2）時鐘

本項目采用溫補晶振給主芯片提供時鐘，確保在野外長時間采樣時，各節(jié)點的采樣時間同GPS時間對齊。由于晶體振蕩器的震蕩頻率會隨著溫度的變化而變化，溫補晶振即溫度補償晶體振蕩器（TCXO），是通過其附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產(chǎn)生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器。

3.1.2信號采集模塊

本次采用德州儀器生產(chǎn)的Δ-Σ型A/D轉(zhuǎn)換器ADS1284。ADS1284是一款32位高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，芯片內(nèi)部包括一個低噪聲可編程增益放大器（Programable Gain Amplifier，PGA），Δ-Σ調(diào)制器和數(shù)字濾波器。雙通道多路復(fù)用器（MUX）具有用于信號測量和A/D轉(zhuǎn)換器信號測試的輸入。具有使輸入電路短路和測試內(nèi)部噪聲的模式.PGA具有高輸入阻抗和低噪聲，可與地震檢波器直接連接，實現(xiàn)QC檢測。

3.1.3時間同步模塊

本項目采用u-blox公司的M8030芯片作為GPS接收機進行時鐘精準管理，是一種多用途的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位芯片，雙頻射頻前端可以同步接收 GPS （QZSS） 和 GLONASS 或北斗，或同步接收 GLONASS和北斗衛(wèi)星信號。它基于高性能的ublox m8位置引擎，使得這些接收器在不需要外部主機的情況下仍然可以提供行業(yè)領(lǐng)先的導(dǎo)航靈敏度和快速的捕獲時間。u-blox先進的射頻設(shè)計和干擾抑制，確保了芯片即使在惡劣的 GNSS 衛(wèi)星信號環(huán)境下（如在城市峽谷中）也能提供可靠的定位。

3.1.4短距離通信模塊

SX1262是Semtech公司最新推出的一款遠距離、低功耗的sub-GHz無線收發(fā)器。

SX1262內(nèi)部具有TCXO晶振，可保證頻率準確，支持的工作頻段覆蓋150–960MHz，具有兩種調(diào)試方式，LoRa以及傳統(tǒng)的（G）FSK，是一款高性能物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)器，其特殊的LoRa調(diào)制方式使通信距離在一定程度上可遠達5km。SX1262內(nèi)部集成了低噪聲放大器（LNA），LoRa調(diào)制下，最高接收靈敏度可達-148dBm，同時還集成了功率放大器（PA），其發(fā)射功率最大可達+22dBm。SX1262還具備兩種電壓調(diào)節(jié)方式，低壓差穩(wěn)壓器（LDO）以及高效率降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，采用高效率降壓DC-DC配電方式，其接收電流最低可小于4.2mA，真正意義上實現(xiàn)了低功耗。最后SX1262集成的數(shù)字接口通過SPI和外界進行數(shù)據(jù)交互。

3.1.5存儲模塊

本項目選用16G的SD卡完成地震采集數(shù)據(jù)的本地存儲。在存儲容量16GB、節(jié)點系統(tǒng)采樣率為1000SPS、采集精度為32bit的情況下，每個采樣點的數(shù)據(jù)大小為4字節(jié)，一天24小時連續(xù)采集的數(shù)據(jù)大小就是329.5898MB，采集計算得到存儲模塊理論上能夠存儲的采集數(shù)據(jù)為49.71天，充分滿足節(jié)點系統(tǒng)長時間野外采集工作的存儲要求。

基于STM32L471VE的GL823的讀卡功能，通過使用外部總線復(fù)用器TS3A27518EPWR信號分離器進行信號切換，當USB插入時選擇GL823與SD卡連接，進行讀卡操作，未插入時，STM32的SDIO接口與SD卡連接，主要用于讀卡器主要用于STM32讀寫卡和電腦USB讀卡。

3.1.6供電模塊

本項目采用內(nèi)置的18650鋰電池組為采集站供電，該型號電池重量輕，容量大，而且自放電率很低，使用壽命長，無記憶效應(yīng)，初步設(shè)計為兩串六并。18650型號表示電芯直徑為18mm，高度為65mm，每個單體電芯的電壓為3.7V，容量為2.25Ah，組合后每組電芯的電壓為7.4V，容量為13.5Ah。

3.1.7節(jié)點自檢和QC模塊

在儀器上線前和采集過程中要檢測檢波器自身、GPS、AD等模塊是否正常。此模塊由中央控制模塊、信號采集模塊、時間同步模塊、短距離通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和控制接收模塊來共同實現(xiàn)。

3.1.8充電下載一體柜

充電：上線之前要保證每個節(jié)點處于滿電狀態(tài)，要求采集站電壓≥8.4V。從虧電到滿電大約需要2.5到3個小時的充電時間，機柜上紅燈表示充電狀態(tài)，綠燈則表示充滿電狀態(tài)。

節(jié)點單元存儲的數(shù)據(jù)通過下載柜快速下載到客戶端，然后通過光纖交換機轉(zhuǎn)存到磁盤陣列上;服務(wù)器與多組機柜通過網(wǎng)絡(luò)的方式連接在一起，并支持多組機柜并行處理。

隨后根據(jù) SPS 對下載后數(shù)據(jù)做匹配，檢查野外節(jié)點回收的狀況，是否存在漏收或者多收的情況。

3.2軟件部分

本項目選擇Keil作為STM32微控制器的開發(fā)工具。

無線地震數(shù)據(jù)采集的節(jié)點系統(tǒng)按功能劃分了較多的模塊，系統(tǒng)上電后不僅要完成地震數(shù)據(jù)的采集和后續(xù)處理，還要在采集過程中保持時間同步，同時需要響應(yīng)上位機通過電臺傳輸?shù)目刂菩盘柣貍髯詸z狀態(tài)和QC數(shù)據(jù)。因此，我們采用移植嵌入式實時操作系統(tǒng)，并基于此進行后續(xù)的功能模塊軟件開發(fā)。

我們采用分模塊的設(shè)計思想，將各個功能部分劃分成為單獨的模塊后獨立地完成任務(wù)，然后通過中央控制模塊對其他模塊任務(wù)的調(diào)用，實現(xiàn)節(jié)點系統(tǒng)完整的工作流程。

3.2.1整體流程

具體的工作流程為：

（1）當?shù)卣饠?shù)據(jù)采集節(jié)點系統(tǒng)開始上電后，中控模塊關(guān)閉除了電臺模塊以外的其他模塊，并進入停止模式，將上位機連接節(jié)點系統(tǒng)的電臺后產(chǎn)生的中斷作為喚醒事件。

（2）當上位機連接后，節(jié)點系統(tǒng)退出停止模式，進入初始化，讀取配置文件，完成系統(tǒng)自身參數(shù)設(shè)置，初始化SD卡并掛載文件系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)接著進行自檢。

（4）QC測試結(jié)果合格后開啟GPS接收機進行時間同步。

（5）時間同步的精度達到預(yù)先設(shè)定的要求后啟動采集模塊，A/D轉(zhuǎn)換器完成每次采樣后，從數(shù)據(jù)緩存寄存器中取回地震數(shù)據(jù)并存儲到SD卡內(nèi)，系統(tǒng)持續(xù)運行。

（6）當系統(tǒng)接收到停止采集信號時，采集任務(wù)結(jié)束，只保留電臺模塊供電，并重新進入停止模式。

3.2.2時間同步方案設(shè)計

節(jié)點系統(tǒng)的時間同步過程即為通過授時設(shè)備產(chǎn)生標準時間t0完成對于節(jié)點系統(tǒng)本地實時時鐘RTC的校正過程。

通過系統(tǒng)時間與GPS時間對齊，采樣時間與系統(tǒng)時間對齊來實現(xiàn)時間同步。

3.2.3主要模塊驅(qū)動程序

（1）采集單元

（2）授時單元

當控制程序完成QC檢測后進入GPS同步狀態(tài)，在該狀態(tài)下節(jié)點系統(tǒng)進行時間同步。

（3）電臺模塊

作為中控MCU和上位機相互之間通信的橋梁，電臺模塊通過串口完成數(shù)據(jù)透傳。串口數(shù)據(jù)透傳是一種雙向的數(shù)據(jù)傳輸通道，中控MCU可以把設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)通過串口發(fā)給電臺模塊，電臺模塊再將這些數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議發(fā)給上位機，也可以將指令通過上位機發(fā)送給電臺模塊，電臺模塊再將指令通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給中控MCU。

結(jié)論

目前來看，軟件工程的發(fā)展已經(jīng)影響到了我們生產(chǎn)和生活的方方面面，對煤炭系統(tǒng)勘探領(lǐng)域的影響也是不容小視。煤炭系統(tǒng)地震勘探與開發(fā)正進入一個快速發(fā)展的時期，其中硬件和軟件技術(shù)的進步為其注入了發(fā)展的活力和持續(xù)的推動力，已經(jīng)取得了良好的經(jīng)濟和社會效益，為我國的能源安全和能源發(fā)展做出了巨大貢獻。

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