數(shù)字VSP系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、VSP系統(tǒng)是通過(guò)安置在井下的三分量檢波器記錄人工激發(fā)地震波在空間三維正交軸向上的投影，通過(guò)后續(xù)對(duì)三軸數(shù)據(jù)的綜合反演來(lái)了解目標(biāo)區(qū)域地層結(jié)構(gòu)信息。傳統(tǒng)VSP系統(tǒng)主要是由置于井下的分布式模擬傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合集總式信號(hào)采集主機(jī)構(gòu)成，主要應(yīng)用于深層油氣勘探領(lǐng)域。本研究所涉及的數(shù)字VSP系統(tǒng)主要目標(biāo)是為了滿足油氣勘探等領(lǐng)域中高精度淺層地表信息獲取需要，采用分布式采樣節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)合控制主機(jī)構(gòu)成井下地震信號(hào)獲取系統(tǒng)，以數(shù)字通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中的模擬信號(hào)傳輸，

2、提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，確保了數(shù)據(jù)采樣精度。
　　數(shù)字VSP系統(tǒng)主要有PC、采集站和采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，本論文旨在對(duì)數(shù)字VSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)討論分析，論文首先從采集節(jié)點(diǎn)、采集站、電源系統(tǒng)及通信系統(tǒng)角度對(duì)系統(tǒng)硬件具體設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)述，并對(duì)嵌入式系統(tǒng)底層軟件功能構(gòu)成及部分設(shè)計(jì)思路進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，對(duì)系統(tǒng)控制軟件的文件系統(tǒng)、軟件濾波器及信號(hào)譜分析中所涉及的要點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路進(jìn)行闡述，隨后在此基礎(chǔ)上對(duì)VSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，并

3、針對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)中存在的不足提出科學(xué)的優(yōu)化方案，最后是對(duì)本課題成果的一個(gè)簡(jiǎn)單展示。
　　數(shù)字VSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)主要包括硬件設(shè)計(jì)部分系統(tǒng)參數(shù)分析及軟件部分的設(shè)計(jì)邏輯，其中論文從系統(tǒng)功耗和效率、系統(tǒng)供電方案和電源紋波控制三個(gè)方面對(duì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開(kāi)論述，主要從電機(jī)參數(shù)選擇方面來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)功耗，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)供電方案建模分析，確定了只有通過(guò)增大電纜纖芯直徑才能有效地解決當(dāng)前系統(tǒng)的供電問(wèn)題，為了盡可能提高采集信號(hào)質(zhì)量，采用了CLC濾波器結(jié)合有源

4、濾波器再跟線性穩(wěn)壓器來(lái)降低電源紋波，其代價(jià)是降低了系統(tǒng)電源效率。對(duì)于軟件部分的論述，論文從系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)入手，首先介紹了以太網(wǎng)通信中uIP協(xié)議棧的移植，以及485通信協(xié)議中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議和具有應(yīng)答環(huán)節(jié)的廣播通信協(xié)議設(shè)計(jì)思路，在此基礎(chǔ)上結(jié)合系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)地址配置協(xié)議，并通過(guò)二次同步協(xié)議在保證系統(tǒng)同步過(guò)程可靠性的同時(shí)將震源與采集進(jìn)程之間的同步精度控制在數(shù)個(gè)微秒之內(nèi)，確保了系統(tǒng)同步精度。利用FPGA設(shè)計(jì)過(guò)程中的串并轉(zhuǎn)換思想

5、，通過(guò)合理協(xié)調(diào)微控制器內(nèi)DMA和CUP之間的工作配置，基本實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的高速無(wú)間斷傳輸。系統(tǒng)軟件濾波器設(shè)計(jì)時(shí)采用FFT計(jì)算周期卷積來(lái)代替線性卷積，同時(shí)利用了實(shí)序列DFT的共軛對(duì)稱特性用一個(gè)2N點(diǎn)FFT同時(shí)計(jì)算N點(diǎn)采樣序列和濾波因子的2N點(diǎn)DFT來(lái)提高計(jì)算速度，確保計(jì)算的實(shí)時(shí)性。信號(hào)采樣系統(tǒng)通過(guò)傳感器自檢功能來(lái)判定其是性能是否正常，并通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)采樣數(shù)據(jù)的分析來(lái)對(duì)自身的通道一致性進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)通信系統(tǒng)將自檢測(cè)結(jié)果反饋至用戶。系統(tǒng)底

6、層軟件設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)開(kāi)辟內(nèi)存池來(lái)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行統(tǒng)一管理，避免了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生較多內(nèi)存碎片，確保了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
　　通過(guò)對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)整體測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)單節(jié)點(diǎn)存在功耗較高、體積較大設(shè)備較重等缺點(diǎn)，為了解決該問(wèn)題，受數(shù)字信號(hào)處理中采樣率變換算法啟發(fā)，將數(shù)字信號(hào)插值理論應(yīng)用于簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，提出以時(shí)分采樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三分量地震數(shù)據(jù)的并行同步采集，具體操作過(guò)程包括時(shí)分采樣數(shù)據(jù)的三倍插值及對(duì)其結(jié)果做采樣率變換，并通過(guò)優(yōu)化該過(guò)程中各濾波器參數(shù)，使采

7、樣數(shù)據(jù)估計(jì)誤差低于系統(tǒng)硬件分辨率，在降低系統(tǒng)功耗、優(yōu)化設(shè)備體積及重量的同時(shí)確保了采樣數(shù)據(jù)精度。為了提高系統(tǒng)通信速率，減少采樣數(shù)據(jù)上傳過(guò)程所需時(shí)間，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際特征提出以以太網(wǎng)通信硬件為基礎(chǔ)構(gòu)建整個(gè)設(shè)備的通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信速率的大幅提升，該方法的缺點(diǎn)是開(kāi)發(fā)難度大，硬件線路規(guī)劃方面具體細(xì)節(jié)問(wèn)題有待測(cè)試。為了盡量減小電源紋波對(duì)信號(hào)采樣系統(tǒng)的影響，需盡量避免大功率DC-DC的使用，同時(shí)盡可能從電源總線和電源輸出電壓角度來(lái)解決問(wèn)題。針對(duì)當(dāng)前系