氣槍震源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉夢(mèng)雅

關(guān)鍵詞：氣槍震源；STM32單片機(jī)；滑動(dòng)相關(guān)求時(shí)差；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣槍震源是20世紀(jì)60年代發(fā)明的， 經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展， 氣槍震源逐漸成為一種重要的人工震源。海洋地震勘探一般使用氣槍作為震源， 其是利用高壓空氣迅速釋放， 由氣泡的膨脹與收縮而產(chǎn)生地震波的一種工具。氣槍震源系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、子波一致性好、頻帶寬、野外作業(yè)方便等特點(diǎn)[1-4]。氣槍震源有多種， 但其基本原理一致。氣槍通常有兩個(gè)氣室：控制氣室和起爆氣室?？諝鈮嚎s機(jī)將高壓空氣注入這兩個(gè)氣室中， 梭閥將排氣口封住， 并達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。當(dāng)點(diǎn)火激發(fā)時(shí)， 電磁閥自動(dòng)打開， 梭閥失去平衡將排氣口打開， 起爆氣室的高壓空氣瞬間釋放到水里產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力， 然后電磁閥自動(dòng)關(guān)閉， 梭閥再次將排氣口封住， 高壓空氣繼續(xù)注入起爆氣室， 進(jìn)入到下一次點(diǎn)火激發(fā)狀態(tài)[5-9]。

我國(guó)地震局在河北、云南和新疆等地的內(nèi)陸水庫(kù)和人工水體等不同環(huán)境建立的氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)，主要使用的是美國(guó)的SmartSource[10]氣槍震源控制系統(tǒng)， 這制約了我國(guó)地震勘探技術(shù)的發(fā)展。本文提出一種用于內(nèi)陸水庫(kù)、人工水體的數(shù)字式氣槍震源控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)20000k的采樣頻率和采樣時(shí)間，完成對(duì)氣槍震源的同步控制和延遲控制， 通過算法修正氣槍激發(fā)的人工延時(shí)，控制氣槍在同一時(shí)刻激發(fā)，遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)，對(duì)于立體震源的研究、氣槍陣列組合及氣槍震源控制方式的研究具有實(shí)際的應(yīng)用意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣槍震源控制系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)采集效率以及數(shù)據(jù)處理速度要求較高，此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)核心功能。一是控制氣槍，二是系統(tǒng)時(shí)間處理精度要達(dá)到0.1ms，三是實(shí)現(xiàn)氣槍激發(fā)的編碼控制，四是數(shù)據(jù)的保存和圖表展示。

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)生產(chǎn)活動(dòng)中的實(shí)際需要，本方案將控制箱、氣槍、GPS北斗模塊、上位機(jī)程序相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效的氣槍震源控制系統(tǒng)。氣槍震源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，上位機(jī)氣槍震源控制軟件通過RJ45接口與控制箱正面連接，氣槍震源控制軟件通過IP和端口配置實(shí)現(xiàn)與控制箱數(shù)據(jù)雙向通信，控制箱背面有兩組8針公母接口，每臺(tái)控制箱最多可以控制8條氣槍，控制箱采用RS232接口與GPS北斗模塊連接，GPS北斗模塊所提供的高精度授時(shí)模塊是本系統(tǒng)處理精度達(dá)到0.1ms的重要保證。

上位機(jī)氣槍震源控制程序通過精美界面，實(shí)現(xiàn)氣槍控制的核心功能，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的主要邏輯處理、關(guān)鍵計(jì)算、結(jié)果圖表展示、數(shù)據(jù)保存?？刂葡渖厦嫱ㄟ^少量必要的按鈕，實(shí)現(xiàn)基本的人工手動(dòng)氣槍激發(fā)功能，其內(nèi)部通過一塊STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)承上啟下的功能，接受來自氣槍震源控制軟件的指令，向下傳遞給氣槍內(nèi)部的數(shù)字電磁閥、壓力傳感器及GPS北斗模塊，向上把傳感器采集的各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給氣槍震源控制軟件。

1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)氣槍震源控制系統(tǒng)目的是為地震科研工作者提供一種更好用的氣槍震源控制工具，提升科研效率，系統(tǒng)主要功能模塊包含參數(shù)設(shè)置、激發(fā)模式、氣槍激發(fā)、質(zhì)量控制，詳細(xì)的系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

參數(shù)設(shè)置模塊分為設(shè)備連接設(shè)置、槍控參數(shù)設(shè)置和采樣參數(shù)設(shè)置等功能。設(shè)備連接使用設(shè)置IP地址和端口實(shí)現(xiàn)與控制箱的連接；槍控參數(shù)主要包含氣槍的起爆時(shí)間、脈沖寬度、延時(shí)時(shí)間、編碼時(shí)間、激發(fā)電壓、容量等參數(shù)設(shè)置；采樣參數(shù)包含對(duì)氣槍內(nèi)部壓力傳感器的量程、采樣頻率和采樣長(zhǎng)度等參數(shù)設(shè)置。

激發(fā)模式總共包含時(shí)間激發(fā)、軟件激發(fā)及硬件激發(fā)。時(shí)間激發(fā)分為有限時(shí)間激發(fā)和無限時(shí)間激發(fā)，有限時(shí)間激發(fā)通過激發(fā)起始時(shí)間、循環(huán)間隔和循環(huán)次數(shù)設(shè)置，在循環(huán)次數(shù)到達(dá)之后自動(dòng)結(jié)束激發(fā)狀態(tài)，無限時(shí)間激發(fā)通過激發(fā)起始時(shí)間和循環(huán)間隔設(shè)置，一直無限循環(huán)激發(fā)氣槍，只有通過結(jié)束工作按鈕才會(huì)結(jié)束激發(fā)狀態(tài)。軟件激發(fā)模式下，點(diǎn)擊開始工作按鈕，氣槍就會(huì)立刻激發(fā)。硬件激發(fā)的觸發(fā)按鈕位于控制箱正面，紅色觸發(fā)按鈕被按下，氣槍立刻激發(fā)。時(shí)間激發(fā)是氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)實(shí)際經(jīng)常使用的模式，軟件激發(fā)多為軟件調(diào)試和測(cè)試狀態(tài)下使用，硬件激發(fā)保證在緊急情況下，人工手動(dòng)激發(fā)氣槍。

氣槍激發(fā)模塊包含激發(fā)數(shù)據(jù)采集功能、激發(fā)延時(shí)計(jì)算功能及結(jié)果圖表展示功能。激發(fā)數(shù)據(jù)采集時(shí)刻監(jiān)聽接受傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)驗(yàn)證采集數(shù)據(jù)是否完整；激發(fā)延時(shí)的數(shù)值采用滑動(dòng)相關(guān)求時(shí)差算法[11-13]計(jì)算；結(jié)果圖表展示采用精美圖表生動(dòng)、直觀地展示氣槍激發(fā)結(jié)果。

質(zhì)量控制模塊包括氣槍激發(fā)延時(shí)自動(dòng)校正功能、氣槍激發(fā)質(zhì)量分析功能及數(shù)據(jù)保存功能。氣槍激發(fā)延時(shí)自動(dòng)校正精度通過最大誤差參數(shù)來控制；氣槍激發(fā)質(zhì)量分析通過每臺(tái)控制箱控制氣槍的激發(fā)誤差值來評(píng)價(jià)氣槍激發(fā)的質(zhì)量；數(shù)據(jù)保存分為上位機(jī)本地保存和控制箱內(nèi)部SD卡備份保存。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 編碼延時(shí)控制

氣槍是氣槍震源控制系統(tǒng)中的核心部件，本系統(tǒng)中使用的氣槍是美國(guó)Bolt公司生產(chǎn)的長(zhǎng)命氣槍，型號(hào)是1900-LLXT， 單槍容積從70立方英寸到2 000立方英寸， 是一種穩(wěn)定、無故障的能源，能產(chǎn)生較高的輸出，另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是工作壽命很長(zhǎng)。

長(zhǎng)命氣槍的電磁閥采用數(shù)字電磁閥，每條氣槍數(shù)字電磁閥物理性質(zhì)存在差異，每條氣槍的機(jī)械延時(shí)在20～30ms，由于所有氣槍的機(jī)械延時(shí)不一致導(dǎo)致無法在同一時(shí)刻激發(fā)，形成一個(gè)最大能量的人工地震。通過為每條氣槍加上一個(gè)可修改的編碼延時(shí)，實(shí)現(xiàn)所有氣槍在設(shè)定起爆時(shí)刻激發(fā)，如圖3所示。

2.2 編碼延時(shí)自動(dòng)校正

氣槍編碼延時(shí)自動(dòng)校正流程如圖4所示，氣槍激發(fā)后，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)處理，利用滑動(dòng)相關(guān)求時(shí)差算法得到激發(fā)時(shí)刻距離設(shè)定起爆時(shí)刻的差值，差值為正表示氣槍實(shí)際激發(fā)時(shí)刻過早，為負(fù)值表示氣槍實(shí)際激發(fā)時(shí)刻過晚，通過計(jì)算得到的差值校正編碼延時(shí)的值，實(shí)現(xiàn)氣槍編碼延時(shí)自動(dòng)校正。最大誤差這一閾值參數(shù)控制氣槍編碼延時(shí)自動(dòng)校正的精度范圍，最小為0.1ms。

2.3 多線程技術(shù)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程通過采樣頻率和采樣長(zhǎng)度的設(shè)置最高可以達(dá)到100S的數(shù)據(jù)采集耗時(shí)，在經(jīng)常使用的時(shí)間激發(fā)模式下，可能需要數(shù)小時(shí)或者無限循環(huán)一直執(zhí)行氣槍激發(fā)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)值計(jì)算、結(jié)果圖表展示等操作，必須通過多線程技術(shù)防止程序在阻塞狀態(tài)下假死，通過線程內(nèi)部執(zhí)行高耗時(shí)操作，不會(huì)影響程序其他功能的使用，帶給使用者更好的體驗(yàn)。

2.4 FTP 服務(wù)數(shù)據(jù)備份

本系統(tǒng)通過控制箱內(nèi)部的STM32單片機(jī)讀取一張64G容量的SD卡，控制箱利用SD卡建立FTP服務(wù)，上位機(jī)的氣槍震源控制軟件通過IP地址、FTP默認(rèn)端口、賬戶名及密碼連接FTP服務(wù)，程序關(guān)閉前使用多線程把程序沒有備份的調(diào)試日志、操作日志、氣槍激發(fā)采集數(shù)據(jù)、氣槍激發(fā)結(jié)果等數(shù)據(jù)備份到控制箱的SD中。使用FTP服務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份有效增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的一致性，當(dāng)控制箱在若干個(gè)氣槍信號(hào)發(fā)射站輪流使用，地震科研工作者通過控制箱的SD卡可以獲得完整的數(shù)據(jù)，極大地提高了科研效率。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)在2019年11月份去新疆維吾爾自治區(qū)呼圖壁縣人工水體氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)，在那里完成系統(tǒng)的第1次實(shí)地測(cè)試，為期5天，平均每15分鐘可以完成一次氣槍激發(fā)，總共完成了120余次氣槍激發(fā)，記錄了系統(tǒng)的一些問題，對(duì)系統(tǒng)完成了優(yōu)化，在2021年3月份去了云南省賓川縣大銀甸水庫(kù)的氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)測(cè)試，到目前為止本系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。控制箱如圖5 所示。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的氣槍震源控制軟件如圖6所示，圖6 左側(cè)是日志，圖7右側(cè)是氣槍激發(fā)效果圖，四條氣槍與設(shè)定起爆激發(fā)時(shí)刻差值分別為0ms、0ms、0ms、-0.1ms，達(dá)到了所有氣槍全部在50±1ms激發(fā)的精度要求。把所有氣槍編碼延時(shí)都設(shè)置為0ms，最少只需要2次氣槍激發(fā)，編碼延時(shí)自動(dòng)校正功能就可以實(shí)現(xiàn)所有氣槍激發(fā)時(shí)刻在50±1ms的要求。

氣槍實(shí)際激發(fā)效果如圖7所示，這是在云南省賓川縣大銀甸水庫(kù)的氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)測(cè)試時(shí)拍攝的畫面，使用一臺(tái)控制箱和四條氣槍在時(shí)間激發(fā)模式下，氣槍順利激發(fā)在水面濺起波浪的畫面。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于氣槍震源控制實(shí)際需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了氣槍震源控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)成本只有同類型產(chǎn)品的三分之一，中文界面，能夠穩(wěn)定高效地運(yùn)行，極大地提升了科研工作者的研究效率，它的性能對(duì)比同類型產(chǎn)品性能優(yōu)越，可以滿足地震科研工作人員實(shí)際使用需要。

對(duì)于下一步的展望，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存分別是本地保存和FTP保存，下一步考慮接入阿里云數(shù)據(jù)庫(kù)，通過Web服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程氣槍數(shù)據(jù)查看功能。氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)一般都在比較偏僻的位置，地震科研工作人員需要每周開車到氣槍信號(hào)發(fā)射臺(tái)，在本地查看數(shù)據(jù)或者通過U盤拷貝數(shù)據(jù)回地震研究所分析數(shù)據(jù)，而遠(yuǎn)程氣槍數(shù)據(jù)查看功能，能夠極大地增強(qiáng)地震科研工作者的效率，非常方便。