海上拖纜多傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸控制技術(shù)研究

劉建軍

（中海油服物探事業(yè)部，天津 300452）

1 海上拖纜采集系統(tǒng)總體設(shè)計

對于海洋油氣勘探來說，海上拖纜采集是獲取地震資料的重要基礎(chǔ)。依托地震采集設(shè)備獲取原始地震數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理、解釋后得到海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖[1]。如圖1所示，海上拖纜采集系統(tǒng)由船上設(shè)備和海上設(shè)備兩大系統(tǒng)構(gòu)成，其中前者包括勘探船、絞車、導(dǎo)航系統(tǒng)以及采集控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成，后者包括氣槍震源、拖纜、水聽器以及水鳥等。海上地震拖纜采集的工作原理是高壓氣槍震源激發(fā)地震波后向下傳播，經(jīng)海底地層反射后被拖纜系統(tǒng)的水聽器接收，經(jīng)系統(tǒng)調(diào)理并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后上傳至船上系統(tǒng)進(jìn)行存儲和處理分析[2]。

拖纜采集系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)采集傳輸工作段，主要包括數(shù)據(jù)包、水聽器線陣列、雙絞線和接插件等。數(shù)據(jù)包是數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點，由采集模塊、傳輸模塊以及電源供給模塊等構(gòu)成，能夠保證各道數(shù)據(jù)的有序傳輸。數(shù)據(jù)包采用級聯(lián)的方式形成了完整的拖纜系統(tǒng)。地震數(shù)據(jù)由最后一個數(shù)字包逐級上傳至頭包，頭包將地震信息轉(zhuǎn)化成光信號傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，最終轉(zhuǎn)換為電信號下載。

水聽器也被稱為檢波器，是一種能將地震波振動信息轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，是整個系統(tǒng)的重要組成部分。目前，常用的水聽器分為壓電和光纖兩大類，其中以壓電檢波器最為常見[3]。地震氣槍震源激發(fā)的地震波會引導(dǎo)檢波器周邊的水壓發(fā)生變化。受此影響，壓電檢波器內(nèi)部的壓電晶體發(fā)生物理形變并產(chǎn)生電動勢。為避免壓電晶體受到水深壓力的影響，檢波器內(nèi)部通常配備有壓力補償裝置。

在開展海上地震采集作業(yè)時，受海流、自身重力等因素的影響，拖纜會偏離預(yù)定的深度和位置，因此需要定位裝置對拖纜的陣型和姿態(tài)進(jìn)行控制，即水鳥。水鳥一般有多只水翼，能夠產(chǎn)生垂直于其翼面的可控升力，從而控制拖纜的位置。目前，水鳥與上位機(jī)之間的信息通信多采用串口方式，在傳輸距離和傳輸速率方面存在一定的局限性。

2 海上拖纜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

對于海上拖拉采集系統(tǒng)來說，各個數(shù)據(jù)包之間的數(shù)據(jù)傳輸是整個系統(tǒng)運行的核心。每級數(shù)據(jù)包接收后級傳來的數(shù)據(jù)幀，并將其上傳至相鄰的前級數(shù)據(jù)包，然后最前級的頭包將接收到的數(shù)據(jù)幀發(fā)送至船上系統(tǒng)。數(shù)據(jù)包之間的數(shù)據(jù)傳輸是拖纜系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容。

2.1 傳輸系統(tǒng)設(shè)計方面

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接決定著數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。所謂的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指的是將系統(tǒng)中各個節(jié)點之間的關(guān)系用幾何學(xué)的方式抽象地表現(xiàn)出來，如總線型、星型、環(huán)型以及樹型等。實際中需要根據(jù)系統(tǒng)特點和應(yīng)用環(huán)境選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。對于海上拖纜系統(tǒng)來說，不同數(shù)據(jù)包在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出串行的直線結(jié)構(gòu)，上行數(shù)據(jù)通道和下行命令通道相互獨立，總線型、星型結(jié)構(gòu)物理層負(fù)擔(dān)較大，環(huán)型、樹型結(jié)構(gòu)需要為傳輸增加新的開銷，混合型結(jié)構(gòu)配置難度大，因此可以選用串行連接方式，級聯(lián)形成流水線結(jié)構(gòu)，減小相互之間的傳輸距離。為了避免某一級的節(jié)點出現(xiàn)故障對其他節(jié)點造成影響，在數(shù)據(jù)包內(nèi)采用采集模塊和傳輸模塊兩級獨立的工作模式，以降低故障出現(xiàn)的概率。數(shù)據(jù)包的傳輸包括下行的命令、上行的數(shù)據(jù)以及同步傳輸。綜合考慮傳輸距離和速率，可以設(shè)計兩種級聯(lián)方式。一種是3條傳輸鏈路，即命令信號、同步信號與數(shù)據(jù)信號分別傳輸。這種方式速率高，功耗低，噪聲低。另一種是命令信號、同步信號采用內(nèi)同步的方式同時傳輸。這種方式減少了傳輸線的數(shù)量，包間采用網(wǎng)絡(luò)變壓器進(jìn)行隔離，大大增強(qiáng)了抗干擾能力。

從傳輸方式來看，水下拖纜系統(tǒng)之間采用電傳輸方式，其與船上系統(tǒng)之間為光傳輸方式。拖纜系統(tǒng)的數(shù)字包之間為雙絞線傳輸，成本低，容易實現(xiàn)且抗噪能力強(qiáng)，但是當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時，需要對信號進(jìn)行放大和補償[5]。頭包與船上系統(tǒng)之間的通信為光纖傳輸，優(yōu)勢在于帶寬大、受電磁場影響小、保密性強(qiáng)、可適用于各種危險環(huán)境以及能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?。遠(yuǎn)距離光纖傳輸?shù)娜秉c在于光纖機(jī)械強(qiáng)度差、維修難度大和成本高。

2.2 傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計方面

數(shù)據(jù)包是拖纜的基本單元，其內(nèi)部模塊通過板級接插件連接，密封于圓柱形的電子艙。一般內(nèi)徑為80 mm，長度為250 mm。電子艙左右與拖纜相對應(yīng)的接口連接。數(shù)字包及接口水密性高，以避免拖纜進(jìn)水帶來的電源短路等問題。前文已經(jīng)提及，數(shù)據(jù)包主要構(gòu)成模塊分為采集模塊、傳輸模塊以及電源模塊3部分，分別內(nèi)置于電路板。由于電路板長時間工作容易發(fā)熱，因此電子艙散熱問題尤為嚴(yán)重。

傳輸板是海上拖纜系統(tǒng)的關(guān)鍵，分為頭包中的傳輸板和數(shù)字包中的傳輸板兩種。二者尺寸相同，但是功能和硬件電路存在一定的區(qū)別。通常情況下，傳輸板硬件電路的設(shè)計應(yīng)該滿足可靠性要求、傳輸速率要求、傳輸距離要求以及系統(tǒng)功耗和體積要求。海上電纜數(shù)據(jù)包呈直線型排列，系統(tǒng)封裝水密性要求高，其組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境決定了系統(tǒng)必須滿足其高可靠性的要求。數(shù)字包的流水線級聯(lián)方式?jīng)Q定了越靠前的數(shù)字包對傳輸速率的要求越高，通常情況下要求在100 m的距離上能夠達(dá)到10 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率。系統(tǒng)設(shè)計時，必須保證數(shù)據(jù)能夠在較遠(yuǎn)距離下實現(xiàn)可靠傳輸。除此以外，海上拖纜具有結(jié)構(gòu)長的特點。為了保證地震采集作業(yè)的正常運行，系統(tǒng)的體積和重量應(yīng)該盡可能小。

2.3 傳輸系統(tǒng)邏輯設(shè)計方面

傳輸模塊的控制和協(xié)議由現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）完成。傳輸模塊接收到命令信號時，通過串并轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿行盘枺π盘栠M(jìn)行處理。命令解析模塊主要完成命令信號的識別。同步提取模塊的功能在于完成同步信號的提取。設(shè)計中，命令信號與同步信號同步傳輸，需要提取同步信號供系統(tǒng)使用?；贔PGA中的IP核，傳輸模塊能夠完成數(shù)據(jù)的串化與解串，進(jìn)而避免系統(tǒng)最低傳輸速率的約束。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計完成后，需要搭建硬件電路實驗平臺，對數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)姆€(wěn)定性、傳輸速率的可調(diào)節(jié)范圍、信號的驅(qū)動和均衡、數(shù)據(jù)的發(fā)送和恢復(fù)等進(jìn)行測試，確保其能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

3 海上拖纜陣列傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸控制技術(shù)

海上拖纜在采集作業(yè)時要求拖纜系統(tǒng)的水聽器在同一時刻接收地震信號，即實現(xiàn)傳感器的同步。這種同步體現(xiàn)在下行命令同時接收和傳感器之間同步采集兩個方面。制約陣列傳感器同步采集的因素主要有數(shù)字包之間通信傳輸延遲和不同模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）同時采樣兩個方面。

3.1 同步技術(shù)的實現(xiàn)方式

在海上地震采集作業(yè)中，不同采集節(jié)點之間的通信傳輸延遲大。不同傳感器采集信號的同步精度直接影響后續(xù)地震資料的品質(zhì)和應(yīng)用效果。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計直接關(guān)系著同步實現(xiàn)的方式。在現(xiàn)有系統(tǒng)陣列系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計合適的同步實現(xiàn)方案，才能為后續(xù)處理分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。從物理同步的角度看，船上控制系統(tǒng)發(fā)出的命令傳輸?shù)礁鱾€節(jié)點的時間是相同的，原理相對簡單，即確保命令發(fā)出后到各個節(jié)點的時間相同，因此重點在于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳輸通道的設(shè)計，其中FPGA內(nèi)部全局時鐘的分配就是通過該同步方式實現(xiàn)的。該分配方式能夠保證時鐘信號到芯片各個區(qū)域的延遲盡量相等。事實上，時鐘分配樹的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，實現(xiàn)難度大且不易拓展，在海上地震采集方面應(yīng)用較少。在這樣的背景下，人們開始應(yīng)用邏輯同步方式。該方式通過加入延遲或控制模塊來完成每個節(jié)點的同步，常見的邏輯同步方式有全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）同步、圖片傳輸協(xié)議（Picture Transfer Protoco，PTP）同步（IEEE 1588精密時鐘協(xié)議）以及硬件邏輯同步等。

3.2 數(shù)字包內(nèi)同步技術(shù)的實現(xiàn)

依托高精度的鎖相環(huán)電路模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字包內(nèi)不同ADC通道的同步。鎖相環(huán)是一個非線性電路，依托其線性相位模型能夠分析出環(huán)路的相位噪聲特性。減小低通型噪聲輸出，應(yīng)盡量減小環(huán)路帶寬的取值。為了保證鎖相環(huán)路的穩(wěn)定性，應(yīng)重點關(guān)注鑒相器、環(huán)路濾波器的類型以及參考時鐘源的相位噪聲等。為提升采集模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片同步采集的精度，建議選擇?-∑型ADC芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.3 數(shù)字包間同步技術(shù)的實現(xiàn)

對于海上拖纜來說，其長度多為幾千米，因此主時鐘信號在數(shù)據(jù)包之間傳輸時不可避免地會產(chǎn)生延遲，可通過硬件邏輯同步方法解決傳輸同步問題。比如，在每個數(shù)字包中設(shè)置延時補償模塊對參考時鐘進(jìn)行延遲處理，以實現(xiàn)不同數(shù)字包間信號的采集同步。

4 結(jié)語

海上拖纜采集系統(tǒng)是海洋石油勘探的重要基礎(chǔ)。結(jié)合海上拖纜系統(tǒng)的技術(shù)難點和作業(yè)環(huán)境，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集傳輸控制技術(shù)，實現(xiàn)速率可調(diào)節(jié)的遠(yuǎn)距離傳輸，提升同步信號的精度，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析奠定基礎(chǔ)，能夠更好地滿足海洋地震勘探的需求。