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

1、VSP系統(tǒng)是通過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，通過后續(xù)對三軸數(shù)據(jù)的綜合反演來了解目標(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)合集總式信號采集主機構(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)點系統(tǒng)結(jié)合控制主機構(gòu)成井下地震信號獲取系統(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)點構(gòu)成，本論文旨在對數(shù)字VSP系統(tǒng)設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)展開討論分析，論文首先從采集節(jié)點、采集站、電源系統(tǒng)及通信系統(tǒng)角度對系統(tǒng)硬件具體設(shè)計進行簡述，并對嵌入式系統(tǒng)底層軟件功能構(gòu)成及部分設(shè)計思路進行簡要介紹，對系統(tǒng)控制軟件的文件系統(tǒng)、軟件濾波器及信號譜分析中所涉及的要點及設(shè)計思路進行闡述，隨后在此基礎(chǔ)上對VSP系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細(xì)論述，并

3、針對當(dāng)前設(shè)計中存在的不足提出科學(xué)的優(yōu)化方案，最后是對本課題成果的一個簡單展示。
　　數(shù)字VSP系統(tǒng)設(shè)計中關(guān)鍵技術(shù)主要包括硬件設(shè)計部分系統(tǒng)參數(shù)分析及軟件部分的設(shè)計邏輯，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方面對硬件系統(tǒng)設(shè)計展開論述，主要從電機參數(shù)選擇方面來優(yōu)化系統(tǒng)功耗，通過對系統(tǒng)供電方案建模分析，確定了只有通過增大電纜纖芯直徑才能有效地解決當(dāng)前系統(tǒng)的供電問題，為了盡可能提高采集信號質(zhì)量，采用了CLC濾波器結(jié)合有源

4、濾波器再跟線性穩(wěn)壓器來降低電源紋波，其代價是降低了系統(tǒng)電源效率。對于軟件部分的論述，論文從系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計入手，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)議中的點對點通信協(xié)議和具有應(yīng)答環(huán)節(jié)的廣播通信協(xié)議設(shè)計思路，在此基礎(chǔ)上結(jié)合系統(tǒng)硬件設(shè)計了系統(tǒng)節(jié)點的自適應(yīng)地址配置協(xié)議，并通過二次同步協(xié)議在保證系統(tǒng)同步過程可靠性的同時將震源與采集進程之間的同步精度控制在數(shù)個微秒之內(nèi)，確保了系統(tǒng)同步精度。利用FPGA設(shè)計過程中的串并轉(zhuǎn)換思想

5、，通過合理協(xié)調(diào)微控制器內(nèi)DMA和CUP之間的工作配置，基本實現(xiàn)系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的高速無間斷傳輸。系統(tǒng)軟件濾波器設(shè)計時采用FFT計算周期卷積來代替線性卷積，同時利用了實序列DFT的共軛對稱特性用一個2N點FFT同時計算N點采樣序列和濾波因子的2N點DFT來提高計算速度，確保計算的實時性。信號采樣系統(tǒng)通過傳感器自檢功能來判定其是性能是否正常，并通過對標(biāo)準(zhǔn)信號采樣數(shù)據(jù)的分析來對自身的通道一致性進行評估，并通過通信系統(tǒng)將自檢測結(jié)果反饋至用戶。系統(tǒng)底

6、層軟件設(shè)計時通過開辟內(nèi)存池來對內(nèi)存進行統(tǒng)一管理，避免了系統(tǒng)運行過程產(chǎn)生較多內(nèi)存碎片，確保了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
　　通過對當(dāng)前系統(tǒng)整體測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)單節(jié)點存在功耗較高、體積較大設(shè)備較重等缺點，為了解決該問題，受數(shù)字信號處理中采樣率變換算法啟發(fā)，將數(shù)字信號插值理論應(yīng)用于簡化系統(tǒng)硬件設(shè)計，提出以時分采樣系統(tǒng)實現(xiàn)三分量地震數(shù)據(jù)的并行同步采集，具體操作過程包括時分采樣數(shù)據(jù)的三倍插值及對其結(jié)果做采樣率變換，并通過優(yōu)化該過程中各濾波器參數(shù)，使采

7、樣數(shù)據(jù)估計誤差低于系統(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)上傳過程所需時間，結(jié)合系統(tǒng)實際特征提出以以太網(wǎng)通信硬件為基礎(chǔ)構(gòu)建整個設(shè)備的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)通信速率的大幅提升，該方法的缺點是開發(fā)難度大，硬件線路規(guī)劃方面具體細(xì)節(jié)問題有待測試。為了盡量減小電源紋波對信號采樣系統(tǒng)的影響，需盡量避免大功率DC-DC的使用，同時盡可能從電源總線和電源輸出電壓角度來解決問題。針對當(dāng)前系