可控震源高效采集在地震儀器中的實現(xiàn)方法分析*

羅蘭兵 張 潔 程虎軍 顏 良

(英洛瓦物探裝備有限責(zé)任公司 天津 072751)

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·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

可控震源高效采集在地震儀器中的實現(xiàn)方法分析*

羅蘭兵 張 潔 程虎軍 顏 良

(英洛瓦物探裝備有限責(zé)任公司 天津 072751)

可控震源高效采集技術(shù)已逐步成為勘探市場所關(guān)注、推廣的一項核心技術(shù)。文章從地震儀器的角度，介紹可控震源高效采集技術(shù)的實現(xiàn)機理，分析實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，并探討了當(dāng)前存在的問題。

可控震源；高效采集；地震儀器；海量數(shù)據(jù)

0 引 言

20世紀50年代，前蘇聯(lián)及美國Conoco石油公司首次將可控震源技術(shù)應(yīng)用于地震勘探[1]?？煽卣鹪磻{借其激發(fā)信號可控、安全環(huán)保的優(yōu)勢，逐漸成為主要的施工震源[2、3]。為了提高施工效率，人們首先應(yīng)用類似井炮的交替掃描技術(shù)(Flip-Flop)，日效最高可達2000炮[1]；1996年，Rozemond率先應(yīng)用滑動掃描技術(shù)(Slip-sweep)，生產(chǎn)效率提高2倍多[4]，但這種施工方式會在記錄中產(chǎn)生交疊部分，形成諧波干擾；隨著可控震源控制技術(shù)及地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，各種諧波壓制技術(shù)的廣泛應(yīng)用推動了高效采集技術(shù)的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，接連出現(xiàn)V1、DS3、ISS等高效采集技術(shù)[5～7]。本文從地震儀器的角度，介紹可控震源高效采集技術(shù)的實現(xiàn)機理，分析實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，并探討當(dāng)前存在的問題。

1 可控震源高效采集實現(xiàn)機理

目前，在勘探生產(chǎn)中常用的可控震源高效采集技術(shù)有：交替掃描、滑動掃描、DSSS和ISS。其中，交替掃描是兩組或多組震源交替施工[3]；滑動掃描是多組震源以滑動時間為間隔依次施工[4]；DSSS是多組震源按一定距離間隔分布、同步滑動施工[5]；ISS是多組震源分別在指定施工區(qū)域獨立施工[7]。

不論采集何種施工方式，其實現(xiàn)機理是相通的。均是通過地震儀器按一定的時距規(guī)則激發(fā)管理可控震源，可控震源完成掃描作業(yè)后返回放炮信息，然后由地震儀器從記錄數(shù)據(jù)中根據(jù)放炮信息提取單炮記錄。不同的高效采集技術(shù)的主要差異就在時距規(guī)則的制定：交替掃描下震源的激發(fā)必須保證在上一炮記錄完成時才能進行；滑動掃描下震源間必須確保指定的滑動時間間隔；DSSS中同步激發(fā)的震源必須保障不小于12 km的間隔，同時還需要保障滑動時間；ISS則需要確保分區(qū)的獨立，相鄰震源間使用弱相關(guān)性的掃描信號。

通過對比分析，匯總不同高效采集模式下地震儀器的技術(shù)需求，見表1。

表1 不同高效采集模式下的技術(shù)特點

由此可見，對地震儀器而言，要實現(xiàn)可控震源高效采集必須解決以下四項關(guān)鍵技術(shù)：

1)源通信控制技術(shù)。震源的激發(fā)、放炮信息的回收均是通過儀器與震源間的通訊控制實現(xiàn)的。通信能力決定著震源管理數(shù)量，控制技術(shù)決定著施工效率。隨著高效采集下震源組數(shù)成倍增長，對該技術(shù)提出了更高要求。

2)全網(wǎng)GPS同步技術(shù)。震源和地震儀器是兩個分立的設(shè)備，震源的每炮激發(fā)都以GPS時刻標識。地震儀器只有實現(xiàn)全網(wǎng)GPS同步才能保證激發(fā)與記錄的同步，使數(shù)據(jù)統(tǒng)一在GPS時刻下。

3)超級排列連續(xù)采集技術(shù)。在高效采集下，炮與炮之間沒有明確的時間間隔，同時震源間距要求地面排列保證足夠大的施工覆蓋。因此超級排列連續(xù)采集技術(shù)是實現(xiàn)高效采集技術(shù)的基礎(chǔ)。

4)海量炮數(shù)據(jù)分離技術(shù)。高效采集下，超級排列、連續(xù)采集的應(yīng)用，使得地震數(shù)據(jù)幾何級增長，而且需要保障數(shù)據(jù)接收的同時完成多個炮數(shù)據(jù)的分離處理。處理的延時將制約效率的提升。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 源通信控制技術(shù)

源通信控制技術(shù)中，通信能力的實現(xiàn)基于儀器所使用的編碼掃描發(fā)生器及所配置的通信電臺；控制技術(shù)的實現(xiàn)基于編碼器的通信協(xié)議及電臺的帶寬及調(diào)制方式。目前在野外施工中常用兩類技術(shù)方案：TDMA電臺方案和UHF/VHF模擬電臺方案。

TDMA電臺是利用TDMA(Time Division Multiple Access) 時分多址技術(shù)，如圖1所示。把時間分割成周期性的幀(frame)，每一個幀再分割成若干個時隙，每個時隙分配給一個震源組；由震源組上的從電臺向儀器上的主電臺發(fā)送信號；在GPS提供定時和同步的條件下，儀器上的主電臺可以分別在各時隙中接收到各震源組的信號而不混淆；同時，儀器向多個震源發(fā)送的信號，也都按順序安排在預(yù)定的時隙中傳輸，各震源組只要在指定的時隙內(nèi)接收，就能在合路的信號中把發(fā)給它的信息區(qū)分并接收下來，從而實現(xiàn)儀器對多組震源的通信控制。

圖1 源通信TDMA方案示意圖

VHF/UHF模擬電臺，相比普通模擬電臺使用了更高的通訊頻率，使用了高頻載波的負載能力更強，能有效提高通訊帶寬，滿足數(shù)據(jù)通訊要求。普通模擬電臺只需要滿足基本的語音通訊要求，波特率一般為12 K Baud/s；VHF/UHF模擬電臺可工作在50 K Baud/s下，最高可達80 K Baud/s；因此同樣的數(shù)據(jù)量，VHF/UHF模擬電臺可用更短的時間完成交互，從而保證在一個放炮間隔內(nèi)完成對所有震源組的狀態(tài)輪詢，確保地震儀器對多組震源的實時管理。

綜上，TDMA電臺利用并發(fā)功能管理更多的震源組，而VHF/UHF模擬電臺通過提高傳輸帶寬輪詢管理更多的震源組，從不同的角度解決了高效采集下震源組增加的問題，保障了地震儀器與震源組之間的信息交互。然而隨著施工范圍的進一步擴大，從傳統(tǒng)的15 km擴展至25 km～30 km，現(xiàn)有的通信技術(shù)在通信距離、覆蓋范圍上又迎來新的挑戰(zhàn)。目前人們正通過電臺中繼的方式提高通信距離，同時也在探討3G、4G等最新通信技術(shù)的可行性。

2.2 全網(wǎng)GPS同步技術(shù)

對于節(jié)點地震儀器，通過給所有站體設(shè)備配備GPS模塊實現(xiàn)全網(wǎng)GPS同步。而對于有線地震儀器，考慮到設(shè)備成本和站體功耗，通常只在儀器主機上安裝GPS，然后通過時鐘鎖定、延遲標定等方式實現(xiàn)全網(wǎng)GPS同步，同步過程如圖2所示。

圖2 全網(wǎng)GPS同步示意圖

全網(wǎng)時鐘包含三個部分：GPS時鐘、儀器主機系統(tǒng)時鐘、站體時鐘。其中GPS時鐘由外接的GPS模塊提供；儀器主機系統(tǒng)時鐘由主機里的CPU提供；地面站體時鐘由站體內(nèi)置的高精度晶振提供。地面站體通過延遲測試可以得到每個站體與儀器系統(tǒng)時鐘的時間，通過時鐘恢復(fù)技術(shù)對站體時鐘做補償，從而保證與儀器主機系統(tǒng)時鐘同步，但此時的站體時鐘還不包含GPS時刻信息；GPS模塊提供秒脈沖和TimeMark時刻信息，儀器主機通過時鐘鎖定將秒脈沖的脈沖沿與系統(tǒng)時鐘的時鐘沿對齊，并將TimeMark信息GPS時刻與秒脈沖綁定，從而實現(xiàn) GPS時刻與儀器主機系統(tǒng)時鐘以及站體時鐘的同步標定。

然而在實際施工生產(chǎn)中，由于復(fù)雜地形或惡劣環(huán)境，可能出現(xiàn)沒有GPS信號或信號較弱的情況。人們正在探討應(yīng)用差分GPS參考站，完善全網(wǎng)GPS同步技術(shù)。

2.3 超級排列連續(xù)采集技術(shù)

相對于常規(guī)施工方式，可控震源高效采集是多個炮點同時采集或激發(fā)，因此需要更多的排列進行采集，通常是常規(guī)施工單炮記錄道數(shù)的3至4倍以上，如果是DS3方式則需要的道數(shù)更多，因此要實現(xiàn)單炮2至3萬道記錄的可控震源高效采集施工，地震儀器的實時帶道能力將需要10萬道以上。因此，超級排列連續(xù)采集技術(shù)需要支持更高的系統(tǒng)實時道能力和排列實時道能力。

對于排列實時道能力，隨著光纖技術(shù)的廣泛運用，光纜交叉線的實時道能力已經(jīng)達到萬道以上。通過多組交叉線的使用，野外排列的布設(shè)已經(jīng)可以達到數(shù)十萬道以上。而對于系統(tǒng)實時道能力，隨著IT技術(shù)的發(fā)展，儀器主機應(yīng)用萬兆網(wǎng)絡(luò)提高系統(tǒng)的接入流量；應(yīng)用磁盤陣列擴展系統(tǒng)的存儲容量；使用高性能服務(wù)器提升系統(tǒng)處理能力；從接入、處理、存儲等方面保障數(shù)十萬道超級排列實時的連續(xù)采集施工。

目前，儀器主機已經(jīng)達到每天TB級的數(shù)據(jù)處理能力，管理數(shù)十萬道甚至百萬道的野外排列。隨著排列道數(shù)的增長，超級排列連續(xù)采集技術(shù)的研究重點逐步由擴展道能力過渡到保障排列穩(wěn)定性、可靠性，縮短異常處理時間，保障高效采集的穩(wěn)定運行。

2.4 海量炮數(shù)據(jù)分離技術(shù)

海量炮數(shù)據(jù)分離技術(shù)通過搭建多核多任務(wù)主機系統(tǒng)實現(xiàn)，通過合理調(diào)配計算資源，充分利用高性能服務(wù)器的多核多線程能力，并發(fā)處理海量炮數(shù)據(jù)，縮短數(shù)據(jù)處理耗時，提高施工效率。

多核多任務(wù)主機系統(tǒng)如圖3所示，在應(yīng)用層，將數(shù)據(jù)采集、處理等業(yè)務(wù)劃分為多個相互獨立的任務(wù)；在操作系統(tǒng)層，通過CPU資源調(diào)配，為每項任務(wù)配備進程管理，對于子任務(wù)還可分配獨立線程；在物理層，為每項進程合理分配CPU計算資源。在超級排列連續(xù)采集工作狀態(tài)下，地震數(shù)據(jù)不斷涌入，但對于單炮數(shù)據(jù)的處理可以相對獨立，因此在從連續(xù)記錄中抽取炮數(shù)據(jù)的過程中，可以為每個單炮數(shù)據(jù)分配一個處理線程，提高并發(fā)數(shù)和處理效率，縮短處理周期，避免因為處理滯后導(dǎo)致的接入數(shù)據(jù)阻塞。

圖3 海量炮數(shù)據(jù)分離示意圖

隨著高效采集技術(shù)的發(fā)展，人們提出了更高的要求，如現(xiàn)場實時的質(zhì)量監(jiān)控。功能的增加要求海量炮數(shù)據(jù)分離技術(shù)不但要提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，還需要系統(tǒng)模塊更加靈活從而應(yīng)對不同的施工要求。

3 結(jié) 論

隨著可控震源高效采集廣泛應(yīng)用，該項技術(shù)已經(jīng)成為勘探市場所關(guān)注、推廣的一項核心技術(shù)。通過對高效采集流程機理的分析，只有確保地震儀器采集與震源激發(fā)的同步、儀器對多組可控震源的管理、超級排列的數(shù)據(jù)連續(xù)記錄及處理，才能保障高效采集技術(shù)的順利實施。

通過對關(guān)鍵技術(shù)的分析，地震儀器在源通信控制技術(shù)、全網(wǎng)GPS同步技術(shù)、超級排列連續(xù)采集技術(shù)和海量炮數(shù)據(jù)分離技術(shù)上仍有提升的空間，從施工效率和數(shù)據(jù)品質(zhì)上支撐可控震源高效采集技術(shù)的進一步發(fā)展。

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Realization of HPVS in Seismic Data Acquisition System

LUO Lanbing ZHANG Jie CHENG Hujun YAN Liang

(INOVAGeophysical，Tianjing072751,China)

High-productivity vibroseis is becoming a core technique in seismic market. From the view of instrument tech, the paper reviews realization mechanism of different high-productivity vibroseis modes, analyzes the key techniques and discusses the remained problems.

vibrator， high-productivity vibroseis， seismic instrument， mass data

“十二五”國家重大科技專項項目：新一代一體化全數(shù)字地震儀器。課題編號：2011ZX05019-002。

羅蘭兵，男，1970年生，高級工程師，1991年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院地震儀器及測量技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)為東方地球物理公司科技帶頭人，長期從事地震儀器應(yīng)用及研發(fā)工作。E-mail:Luo.Lanbing@inovagen.com

P631.4+37

B

2096-0077(2015)01-0087-03

2014-12-15 編輯：韓德林)