多通道地震勘探论文范文

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1实时控制系统设计

1.1系统架构设计海上多通道地震勘探仪器一方面需要接受来自控制系统的控制、配置命令，另一方面还需要接受外界硬件触发信号并对其进行实时响应和执行。此外，由于该系统的分布式特性，控制系统还需要具备控制命令的分发能力。在具体设计控制系统架构之前，需要设计该系统的状态转移图，对控制系统的工作状态及相互之间的转换关系进行定义，如图1所示。由图1可以看出，实时控制系统的工作过程被设计成6种状态：命令等待、命令识别和组装、命令序列产生、命令传输、命令解析及命令执行。当系统开始工作时，首先进入命令等待状态，循环等待外界有效控制命令的输入。为了提高控制系统的实时性，所有状态中只有命令等待状态需要软件参与，其他状态全部由硬件FPGA（Field－ProgramableGateArray）完成。这样设计既可以保证软件控制的灵活性，又能保证其对外界触发信号的强实时响应能力。当控制系统接收到有效的控制信号时，即刻转入命令识别和组装状态。在该状态中，控制系统根据预设的识别规则判断其所接受到的命令的有效性，并将有效的命令按照一定的格式进行组装，以适应FPGA逻辑的处理。这种处理方式在保证软件控制最大自由度和灵活性的前提下，又不会增加FPGA逻辑设计的难度。为了提高控制系统对外界控制信号的响应能力，一旦完成命令的识别过程，控制系统在将所识别出的命令送入本地FIFO（FirstInFirstOut）进行缓存等待组装的同时激活命令接受状态，以在最短的时间内响应外界控制信号，从而缩短该控制系统的死时间。由于海上多通道地震勘探系统的分布式特性，命令接受体与执行器可以不在同一个地方，这就需要控制系统具备本地或远程执行控制命令的能力，并根据所识别的命令性质进入命令执行状态或命令传输状态。此外，控制系统中还存在内循环触发命令，为了提高循环定时的精度，需要硬件完成定时触发和循环计数功能。为此，控制系统存在一个命令序列产生状态（该状态由软件或特定命令触发控制），当进入此状态时，系统会根据序列产生规则自动产生命令序列，以供传输或执行。为便于命令长距离传输，传输前命令数据须经过一定格式的编码，故在进入命令执行状态前，先经过一个短暂的命令解析状态，传输、解析和执行过程共同组成一个流水线，从而最大化提高命令执行效率和实时性。根据系统状态转移规则，设计的实时控制系统架构如图2所示，整个系统由控制主机、命令接收箱体、触发处理卡、数据汇总卡、数字包和命令执行器等6类模块组成。为了支持分布式架构，命令接收箱体采用CompactPCI［8］机箱构成，其内部安装1块控制器卡、1块触发处理卡和多块数据汇总卡。控制器运行VxWorks操作系统，其上运行用于命令接收和识别的实时软件模块，用于接收控制主机通过网络发送的控制命令，并将这些命令通过串口发送触发处理卡。触发处理卡是一块6UCompactPCI后插卡，其作用是接收控制器转发的主机控制命令、导航或震源控制命令及外界触发控制信号（需要经过触发匹配处理以消除无效触发），经过命令组装后扇出至机箱内的所有数据汇总卡（通过该卡的后插卡专用接口接入，并经由CompactPCI机箱J3接口送至汇总卡）。数据汇总卡接收到控制命令后，首先进行命令解析和识别，按照命令的性质进行本地执行或转发至与该汇总卡相连的数字包。海上多通道地震勘探系统的分布特性由多块汇总卡及与之相连的多个数字包所呈现。根据勘探规模（二维或三维），命令接收机箱内的每块数据汇总卡都对应于一条水下拖缆，数字包与汇总卡共同构成一个数据双向传输的菊花链，下行对应于控制命令的发送，上行则对应于地震采集数据的上传。数据汇总卡接收来自控制主机或外界触发信号的控制命令，它是控制系统中单条电缆的实际命令发起者，位于单缆菊花链的始端。数字包为水下拖缆的数据处理中心，它是控制系统命令在电缆上的中转单元，接收前级数字包传输的控制命令，转发给下级数字包或本地命令执行单元。此外，数字包本身也会执行一些控制或配置命令。海上分布式多通道地震勘探设备的每个数字包负责与本地命令执行单元进行数据通信，这些命令执行单元是整个采集系统的模拟前端，负责对地震波形的数字化处理，每个命令执行单元负责4个采集通道。前端采集模块是整个勘探仪器的命令实际执行者，通过该控制系统实现对大规模、分布式模拟数字化前端的实时控制，以使其能够同步完成空间分布地震波形信号的数字化处理，从而保证高保真地重构出地震波形信息。实现图2所示的实时控制系统架构时，为了保证控制系统的灵活性和实时性，除控制器上的Vx－Works命令接收模块外，其他全部交由FPGA实现。该软件通过网口接收来自控制主机、震源系统、导航系统等的控制命令，大大提高了系统的灵活性。为了保证该软件对命令接收处理的实时性能，网口数据接收完成后随即通过控制器串口转发给触发处理卡，并且网口模块被设置成具有较高的优先级，同时该控制器串口控制的优先级也被提高。从该系统实现架构来看，其并不依赖于特定的系统工作协议，这种协议设计与执行系统相分离的方式有利于实现协议的多样性，也有利于其升级和改进。这种结构既能很好地满足海上分布式多通道地震勘探仪器实时控制系统的实时性、确定性和一致性，又不失灵活性，可以满足灵活多样的实现方式。

1.2触发控制系统设计海上分布式多通道地震勘探触发信号来自导航和震源系统，彼此之间有着严格的时序关系，如图3所示。作业时，水下拖缆被物探船拖拽前行，当到达地理上特定目标点后，导航系统发出起始信号（start）给触发处理卡，定义此点时刻为－250ms。当接收到该信号时，处理卡将会停止响应外界start信号以防止误触发，直到系统采集停止后恢复。导航系统在发出start信号后200ms时，发送点火信号（fire）至震源控制系统（气枪阵列）使其准备释放激发信号［9］，真正的信号释放时刻（TB）即为地震勘探仪器的触发信号，此时刻被定义为0时刻。由于气枪阵列同步、控制等因素，实际的TB时刻会在0时刻附近摆动。为解决此问题，触发处理卡具有一个TB有效检测模块，开设一个时间窗口（－20～30ms，可调）用于TB探测。当在该窗口内检测到有效TB触发信号时，将该TB作为整个控制系统的触发信号，用以控制系统开始采集记录地震波形信息，并送标志信息FTB（FieldTB）至数据汇总卡；如果在该窗口内未检测到有效TB信号，则在窗口结束位置（即30ms处）开启一个TB信号作为控制系统的触发信号，此时系统触发标志信息为ITB（InterTB），即该TB是控制系统产生而非震源系统产生的有效触发信号。地震勘探仪器数据记录的开始时刻由TB触发信号控制，而记录停止的时刻则由该系统的采样时间所决定（可由控制主机配置）。当一次记录过程结束后，触发处理模块重新配置，以便能够接收下一个导航发送的start信号，从而循环往复地运行。图4显示了设计的触发处理卡的结构，本地计数器接收到有效start信号（为保护信号接口，可进行光隔离）后开启计数，其工作时钟频率为33或66MHz，来自CompactPCI总线，从而保证所产生的TB输出信号能够在机箱系统级与各数据汇总卡的工作逻辑进行同步对齐。计数器的输出用来控制TB检测窗的位置和大小，具体参数可由控制主机通过命令字进行配置。TB检测主要对输入的触发信号进行去抖处理和宽度有效判断，只有宽度达到5ms（可配置）的触发信号才被视为有效触发。但这引发另一问题，即该控制系统产生的供勘探仪器实际工作使用的触发信号相对于触发信号的理想时刻存在5ms的延迟，这是影响系统实时响应触发信号的一个因素。另一个影响因素是命令传输至各分布式命令执行单元时存在延迟，且延迟时间不一致（解决方法见后文）。为方便系统设计和集成，触发处理卡与数据汇总后插卡在物理形式上设计为同一种卡，通过检测start信号、命令输入信号是否存在自动判断其工作模式。

1.3同步控制方案设计同步性能直接关系到实时控制系统命令执行步调的一致性，是海上分布式多通道地震勘探仪器实时控制系统所特有的性能指标。为了保证该系统各命令执行单元响应时刻的一致性，首先需要保证命令执行单元执行步调的一致性，其次是保证命令执行时刻的一致性。对于时钟同步，可以利用数据时钟融合传输（LVDS信号电平［10］）、时钟恢复及频率合成等技术，保证整个控制系统各个命令执行单元之间以同一频率的时钟运行［9］。如图4所示，触发控制模块的处理卡为系统的主卡，其板载时钟被融合到扇出命令通道中分发到整个控制系统；所有的接收单元（从卡）一方面从接收到的命令（LVDS）流中恢复出命令和时钟，另一方面将其转发给下一级命令接收单元，同时还会生成几路LVTTL电平的命令信号用于本地控制；触发控制卡上的时钟处理模块同样被移植到数据汇总卡及数字包中，从而最终保证系统级时钟的同步分发以及所有命令执行单元的同步运行。海上分布式多通道地震勘探仪器分布范围常常达到数平方千米，各单元的传输延迟将会影响控制单元的起始执行时刻，可以采用延迟补偿法［11］消除，即系统工作时，首先进入自校准状态，通过控制单元内部的高频时钟计算其与主触发控制卡之间的传输延迟，再将所有执行单元的命令执行时刻统一延迟到同一时刻以达到同步执行的目的。该方法虽然可以解决传输差异的影响，但会导致所有执行单元的响应执行时刻与理想触发命令时间之间存在一个固定的延迟，当延迟值较大时甚至会造成采样点的丢失和错位，因而需要消除。由上述分析可知，命令执行时刻的不一致包含两部分，即因判断触发宽度而引入的相对于触发TB的延迟和因分布距离不一致而引入的传输延迟。前者是固定的，后者是浮动的，但无论哪种延迟，系统布局一旦确定都不会再改变。控制系统的最终命令执行单元为分布于水下拖缆内部的模拟采集前端，为了保证各采集前端的同步数据采集性能，在各前端均设置一个流水线缓存器［12］，前端数字化后的数据首先被送入流水线缓冲器，这是一个FIFO。根据TB触发信号的宽度以及前端模数转换的速率，可以设定固定缓冲器的深度，如监测5ms宽度、采样率为2kHz时的固定深度为10。浮动缓存的大小由控制命令的传输和处理延迟决定，当传输距离为6000m时，各命令执行单元之间的延迟最大相差30μs左右。考虑到各级数字包转发延迟（接收和发送各一个12MHz时钟周期），在60个数字包工作的情况下，最大处理延迟大约为10μs。因此，在系统最高工作采样时间间隔为250μs时，浮动缓冲深度设置为1即可。最后设计的实际流水线缓冲器大小为32。当控制系统的下传控制命令速率较低时，浮动延迟大小会因处理延迟的增加而增加，此时只需要对浮动缓冲深度作相应调整即可。ADC（Analog－to－DigitalConverter）输出的数字化信息进入FIFO后按照时钟步调依次缓存，当第一个数据单元到达缓冲器顶端时，如果前端还没有接收到触发TB信号，则下一个时钟沿到来时该数据即被丢弃；当TB触发信号到达时，采样缓冲前的开关将2个缓冲器相连，流水线缓冲顶端的数据从FIFO移出送至该采样缓冲等待数字包将数据读出。利用这种同步控制方案，既可以保证各前端执行单元工作时钟的一致性，又可以保证不会因为触发检测、传输和处理延迟而造成前端数据的丢失或错位。

2实时控制系统测试

在海上分布式多通道地震勘探仪器研制过程中，对该实时控制系统特性进行了大量室内和现场试验，主要集中在实时性和同步性2个方面。由于优化设计了软件处理模块，对于实时性要求相对较低的系统控制命令，该控制系统可在100μs内作出响应；而命令的执行由于全部交由硬件FPGA来完成，可以在确定的时刻（由命令执行单元所处位置的传输和处理延迟决定）完成。为了进一步降低命令通过网口传输的不确定性，将命令通道与系统的地震采集数据及状态回显上传通道进行隔离，从而保证了控制命令下传通道的顺畅。在对触发控制信号响应和执行的强实时性方面，通过全硬件FPGA实现的触发匹配、命令执行时刻校准等手段，保证了各执行单元能在确定的时刻完成对触发信号的响应。同样，具体执行时刻由传输和处理延迟决定，但对于每一个执行单元，其执行时刻是固定不变的。在系统同步控制方面，通过前端流水线缓冲器的设计和应用，保证了各个执行单元不会因为相对于触发控制信号的同步误差而出现数据丢失或错位的现象。控制系统的“可靠性”主要是指该实时控制系统能够将控制命令可靠地分发到各个执行器，而执行器也能够在规定的时间内完成执行动作；而控制系统的“稳定性”是指该实时控制系统长期运行过程中不会出现命令分发、接收、执行等错误，也不会出现数据错位。针对这2个特点，通过设计特定的命令模式，对比发送和接收到的命令是否一致并长期运行，从而判断和验证其“可靠性”和“稳定性”。具体的做法是：控制主机在发出命令的同时生成一个奇偶校验位，两者同时发送给前端执行器；执行器在接收到命令后首先判断校验位是否正确，然后执行相应的动作（由于命令的多样性和复杂性，为了简化测试过程，实际测试是用一个模拟动作来代替，即点亮LED灯的动作；为了判断命令是否被正确执行，在执行器中还设计了一个检验模块，用来检测该模拟动作的次数）；最后比对发送命令的个数、正确接收命令的个数和命令正确执行的次数，只有当这三者完全一致时，才能证明控制系统的“可靠”和“稳定”。通过室内多次、长期的测试，该控制系统能够完全满足实时、可靠和稳定运行的要求。为了进一步验证该实时控制系统的实际效果以及整个系统各方面指标的可靠性和稳定性等，开展了多次海上二维和三维试验。图5a显示的是6000m单缆1920道的地震采集剖面，图5b显示的是用3条电缆（每条缆960通道）做的三维试验地震剖面图。可以看出，本文所设计的实时控制系统能够保证海上分布式多通道地震勘探仪器各前端执行单元对系统控制、触发的实时响应和执行，从而使得海上二维、三维试验得以顺利完成。

3结束语

海上分布式多通道地震勘探仪器具有大覆盖、高精度的优势，但随之而来的是系统各命令和控制执行单元在系统架构及具体位置上的分离，这造成了控制系统设计的复杂性和挑战性。本文提出的适用于海上分布式多通道地震勘探仪器的实时控制系统具有分布式、层次化、异构的树状结构，控制主机通过网口将控制命令经由嵌入式软件发送至触发处理卡并进入全硬件处理流程，从而保证了后续控制传输、响应及执行的实时性，而实时性要求极高的触发信号则直接进入硬件化的触发处理卡，从而避免了软件层面不确定性的影响。这种软硬件处理相分离的方法，在保留软件灵活性的同时，也保证了系统的实时性。本文优化设计的全局同步时钟分发方法及同步触发控制，保证了各执行单元对于系统控制执行的实时性和一致性，前端流水线缓冲器的应用也保证了所有采集数据不会因为传输或处理延迟而造成丢失或错位。此外，该系统架构将协议设计与执行系统分离，有利于实现协议的多样性，也有利于其设计、升级和改进。室内和海上多次试验证明，本文提出的实时控制系统能够满足海上大型地震勘探仪器对于控制系统在实时性、一致性、可靠性和稳定性等方面的要求，对其他相关控制系统的设计具有一定的参考价值。

作者：朱耀强阮福明曾翔曹平杨俊峰宋克柱单位：中海油田服务股份有限公司物探研究院中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室中国科学技术大学近代物理系