（物理电子学专业论文）海上拖缆地震采集系统质量控制与记录软件设计与实现.pdf

摘要 摘要 石油和天然气是不可再生资源，是重要的能源矿产和战略性资源，关系到 国家经济和社会发展，关系国家安全。各国对石油进行了激烈的争夺，国际油价 对国内油价的影响逐渐增大。随着我国经济的迅猛发展，我国的石油天然气缺口 将会越来越大。为了缓解油气资源紧缺，我国加进了对国内油气的勘探和开发。 我国海域宽阔，具有丰富的石油天然气资源。自“八五 以来，海洋石油增量成 为中国油气产量增加的主力。 由于起步较晚，海上石油勘探技术的远落后于国外，设备主要依靠进口， 严重制约我国油气产业的发展。为此，2 0 0 1 年，“十五 “8 6 3 确立了“资源与 环境”领域的重大立项：渤海大油田勘探开发关键技术主题重大专项海上时移地 震油藏监测技术，我们快电子学实验室承担了“时移地震采集关键设备研制”子课 题“时移地震数据采集与记录系统”的研究任务。在该课题顺利完成之后，作为该 课题的延续，我们实验室又承担了“十一五 “8 6 3 ”子课题“高精度地震拖缆 采集系统工程化样机研制”的研究任务。本文的选题就是基于这样的背景。 海上拖缆地震采集系统主要分为水下采集部分和室内记录部分。本文主要 围绕着室内记录系统的终端部分质量控制与记录工作站软件设计与实现进行了 深入研究。本文共分为七章，每章主要内容如下： 第一章是本文的绪论部分。首先介绍了本课题的选题背景，接着简述了地 震勘探的方法。最后给出了本论文的课题意义和主要研究内容。 第二章重点介绍海上拖缆地震采集系统的结构，分别从总体结构和系统指 标上给出一个系统结构具体的整体概念，再对与本论题有关的室内记录系统的各 个部分( d p m 机箱系统、主控工作站软件和质量控制与记录工作站软件) 进行 比较详细的介绍。 第三章进入本论题的主体部分，重点论述质量控制与记录工作站软件的总 体设计。首先进行需求分析，包括功能分析和性能分析，得出软件设计的具体要 求，再根据需求进行软件架构的设计，设计成环形分层式结构，包括系统内核、 总线、数据层、应用层、网络层，为软件的实现提供理论基础。最后介绍软件的 总体实现，包括软件实现的软硬件平台和主要运行的三种模式。 第四章是讨论了质量控制与记录工作站软件的具体实现细节。软件模块包 括总线接口设计，网络通信，数据处理部分，数据显示，数据存储，数据绘制以 摘要 及各个q c 测试算法。通过对细节的详细论述，给出一个完整详细的实现过程。 第五章是对软件性能的评估部分。分别是实验室的模拟测试和具体的海试 两个方面来验证软件的可行性和可靠性。对软件关键模块进行了测试，以论证其 设计的正确性和可取性。对海试的介绍更进一步说明了本软件达到了设计指标， 是一个可行的可靠的地震记录软件。 第六章对质量控制与记录软件在多缆系统的实现进行了展望。本章对在数 据率比较大的多缆系统中，软件结构的改进问题进行了讨论，并对瓶颈模块进行 了改进方案的展望，为软件的进一步升级提出一些参考建议。 第七章是总结与展望部分。本章对本人的工作做了详细介绍，并归纳了本 论文的亮点。最后在第六章展望的基础上，再提出一些对软件修改的看法和意见。 关键词：环形分层式结构，s e g d 格式，地震数据存储，质量控制 a b s t r a c t a b s t r a c t o i la n dg a sa r en o n r e n e w a b l er e s o u r c ea n da l s ot h ei m p o r t a n ts t r a t e g i cm i n e r a l r e s o u r c e t h e ya r er e l a t e dt ot h es t a t ee n c o n o m y , t h es o c i a ld e v e l o p m e n ta n de v e nt h e n a t i o n a ls e c u r i t y t h e r ea r es om a n yc o u n t r i e ss c r a m b l i n gf o rt h eo i l ，s ot h ep r i c eo f t h en a t u r a lo i li n f l u e n c e st h ed o m e s t i co i lp r i c em o r et h a nb e f o r e a st h ed e v e l o p m e n t o fs t a t ee n c o n o m y , t h ed o m e s t i co i lp r o d u c t i o nc a n tm e e tt h ed e m a n d a n do i li m p o r t h a st om a k eu pt h es h o r t a g e s oo u rc o u n t r yw i l lq u i c k e nt h ep a c eo fs e i s m i c e x p l o r a t i o nf o ro i la n dg a s f u r t h e r em o r e0 1 1 1 c o u n t r yh a saw i d eo f f s h o r es t r i p a n di t h a sr i c hr e s o u r c eo fo i la n dg a s ，s ot h eo f f s h o r eo i lw i l lb et h ei m p o r t a n tp a r to ft h eo i l i n c r e a s e m e n t b e c a u s eo fo u ro f f s h o r ee x p l o r a t i o nt e c h n o l o g y sw e a k n e s s o u rm a r i n es e i s m i c e q u i p m e n t sa r em a i n l yi m p o r t e d ，w h i c hc o n s t r a i n t st h ed e v e l o p m e n to fo i li n d u s t r y t o om u c h t h e r e f o r e8 6 3 ，t h en a t i o n a lh i t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m b e g a ni n2 0 0 1ap r o j e c to fr e s e a r c ho nd e v e l o p m e n to fo f f s h o r ee x p l o r a t i o n e q u i p m e n t s o u rl a b i s r e s p o n s i b l e f o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e t i m e l a p s em a r i n es e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o na n dr e c o r d i n gs y s t e m ，w h i c hi sas u b t a s ko ft h ep r o j e c t a t i e rt h ec o m p l e t eo ft h i st a s k ，a st h ec o n t i n u e dt a s ko ft h ep r o j e c t ， o u r1 a bt a k e st h ec h a r g eo ft h ed e v e l o p m e n to fh i g hr e s o l u t i o nm a r i n ec a b l e b a s e d s e i s m i cd a t aa c q u i s i t o ns y s t e m m yt h e s i si sb a s e do nt h i sr e s e a r c hb a c k g r o u n d t h eh i g hr e s o l u t i o nc a b l e - b a s e dm a r i n es e i s m i cd a t aa c q u i s i t o ns y s t e mi sm a d eu p b ym a r i n ea c q u i s i t i o np a r ta n di n s i d er e c o r d i n gp a r t m yt h e s i sd e m o s t r a t st h ed e s i g n o fq u a l i f yc o n t r o l la n dd a t ar e c o r d i n gw o r k s t a t i o ns o f t w a r e ，w h i c hi st h et e r m i n a l u n i to ft h ei n s i d er e c o r d i n gs y s t e m t h i st h e s i si sc o m p o s e db y8c h a r p t e r s ，w h o s e a b s t r a c t sa r el i s t e db e l o w ： c h a p t e r1 i st h ei n t r o d u c t i o no ft h et h e s i s i ti ss t a r t e dw i t ht h eb a c k g r o u n do ft h e p r o j e c t t h e ni ti n t r o d u c e st h es e i s m i ce x p l o r a t i o nm e t h o d a tl a s t ，t h et h e s i sm e a n i n g a n dm a i nc o n t e n t sa r ep r e s e n t e d c h a p t e r2m a i n l yi n t r o d u c e st h eh i g hr e s o l u t i o nc a b l e b a s e dm a r i n es e i s m i cd a t a a c q u i s i t o ns y s t e m f i r s t ，i td e s c r i b e st h es y s t e m sc o n s t r u c t u r ea n ds u m m a r i z e st h e i n d e xr e q u i r e m e n t so fm a r i n ea c q u i s i t i o np a r ta n di n s i d er e c o r d i n gp a r t f i n a l l y , m o r e d e t a i l sa b o u tt h ee a c hp a r to fi n s i d er e c o r d i n gs y s t e ma r ed e m o n s t r a t e d c h a p t e r3b e g i n e st h eq u a l i f yc o n t r o l la n dd a t ar e c o r d i n g ( q r ) s o f t w a r e sm a i n b o d yd e s i g n i n g f i r s t ，t h ed e m a n da n a l y s i si sl i s t e d t h e na c c o r d i n gt ot h ed e m a n d ， t h es o f t w a r e sa r c h i t e c t u r ei sd e m o n s t r a t e d a tl a s t ，t h et h e s i sd e s c r i b e st h eq r s o f t w a r e sr e a l i z a t i o n ，w h i c hi n c l u d e ss o f t w a r e & h a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h er u n n i n g m o d e s c h a p t e r 4p o i n t so u tt h ed e t a i l so ft h es o f t w a r e sm o d u l e s ，w h i c hc a ns h o wr e a d e r st h e i i i a b s 仃a c t p r o c e s so fr e a l i z i n g t h i ss o f t w a r e t h em o d u l e sa r eb u si n t e r f a c e ，e t h e m e t c o m m u n i c a t i o n , d a t ap r o c e s s i n g ，d i s p l a y , s t o r i n ga n dq u a l i f yc o n t r o l lt e s ta l g o r i t h m c h a p t e r5i st h es o f t w a r e se v a l u t i o n t h ee v a l u t i o ni n c l u d e sl a bt e s t i n ga n dm a r i n e e x p e r i m e n tt e s t i n g t h ef o r m e ro n et e s t st h em o d u l e s a v a i l a b i l i t ya n dt h el a t t e ro n e t e s t st h es o f t w a r e sh i g hr e l i a b i l i t y c h a p t e r6p r e s e n t st h ef o r e c a s to ft h eq rs o f t w a r e sd e s i g ni nm u l t i c a b l e b a s e d s y s t e m t h i sc h a p t e rp r o v i d e ss o m ea d v i s e so nt h es o f t w a r e si m p r o v e m e n ti nh i g h d a t ar a t es y s t e m t h i sp a r tw i l lh e l pt h es o f t w a r e sf u t u r ed e s i g n c h a p t e r7i st h es u m m a r i z a t i o no ft h et h e s i s i tp o i n t so u tt h ea u t h o r sw o r ka n dt h e t h e s i s h i g hl i g h t s t h e ni tp r e s e n t st h ep o s s i b l ed i r e c t i o no ff u t u r ea m e n d m e n t k e yw o r d ：r i n gh i e r a r c h i c a la r c h i t e c t u r e ，s e g df o r m a t ，s e i s m i cd a t ar e c o r d i n g ， q u a l i t yc o n t r o l l i v 图表目录 图表目录 图表2 1 系统总体结构图6 图表2 2 室内系统总体结构图8 图表2 3系统数据流程流量图1 1 图表3 1 软件总体架构1 7 图表3 2 服务总线结构1 8 图表3 3 表示层内部结构18 图表3 4 应用层结构图1 9 图表3 5 网络层结构图2 0 图表3 6 数据层结构图2 0 图表3 7 应用程序与xw m d o w 及m o t i f 库函数的关系。2 3 图表3 8 正常采集模式软件工作流程图2 5 图表3 9q c 测试示意图。2 6 图表4 1 主界面布局图2 7 图表4 2v i e w 数据显示界面2 8 图表4 3p l a y b a c k 回放操作界面2 9 图表4 4q c 测试选项界面2 9 图表4 5q c 测试结果显示界面。3 0 图表4 6 总线设计示意图3 1 图表4 7 通讯结构图3 3 图表4 8 数据缓冲图3 6 图表4 9 数据接收线程管理3 7 图表4 1 0 大小端数据存储表3 8 图表4 1 l 内存地址示意图3 9 图表4 1 22 4 b i t 大端数据4 0 图表4 1 33 2 b i t 小端格式数据4 0 图表4 1 44 b i t o l 2 b i t 数据大小端对比图4 2 图表4 1 5 磁带格式。4 3 图表4 1 6m o d e l2 4 0 0 r 绘图仪主要参数4 4 图表4 1 7 状态获取4 5 图表4 1 8 状态设置与动作操作4 5 图表4 1 9 磁带记录状态查询4 9 图表4 2 0 磁带记录状态设置与控制操作4 9 图表4 2 l 磁带位置设置查询5 0 图表4 2 2 模拟信号回路5l 图表4 2 3 前端接地信号回路5 1 图表4 2 4 正常采集信号回路5 2 图表4 2 5 共模信号回路5 2 图表4 2 6 接检波器r c 网络模拟信号回路一5 2 图表4 2 7 电容测试等效电路图5 7 图表5 1q r 工作站绘制的地震数据图6 2 图表5 2 海试原始单炮记录6 3 v i i 图表目录 v i 图表5 3 本拖缆采集系统与s t ra _ t a v i e wr x 系统的叠加剖面比较图6 3 图表5 4 海试地震仪器系统参数6 5 图表5 5 南海北部湾海试数据6 5 图表5 6 海试噪声图。6 6 图表6 1 分布式软件架构6 7 图表6 21 6 缆室内系统结构设计图6 8 图表6 3 分布式通信软件接口结构7 0 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者虢喇j j 签字日期：丝! 拿：厶：墨 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 玉开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 、 聊虢粗 导师签名：二拦垡虫 解醐：江严u 荡饼r 一 出一趾岛生 n 埠 坚篮趣 致谢 首先感谢我的导师宋克柱副教授和王砚方教授，本论文全部工作是在他们 的悉心指导下完成，他们严谨的治学态度、渊博的学识、一丝不苟和精益求精的 工作作风对我产生了很大的影响，将使我终生受益。感谢宋老师一直以来对我的 关心和信任，让我在工作中能够很好的展现自己，他总是严格地要求学生，这样 让我们得到进步。感谢王老师对我的工作、学习、生活乃至思维方式上的悉心指 导和帮助，每每看到这样一位7 0 多岁的老师用这样敏捷、开放和创新的思想来 开展工作，与老师学生们讨论，总让我受益匪浅。 感谢在快电子学实验室一起工作和学习并给予我启发和帮助的老师们，他 们是：安琪教授，王永刚教授，刘树彬副教授，武杰老师、杨俊峰老师和程 伊敏老师。特别感谢安老师在生活和学习上给我的帮助，他谦虚、严谨的治学作 风让人看到学术家的风采。感谢程老师，给实验室带来新鲜的事物，让大家的实 验室生活丰富多彩。感谢杨老师，在工作学习上总是与我们进行精彩的讨论。 特别感谢师兄曹平博士，是他带我进入了l i n u x 这样一个美好的世界，在 项目、学习和生活，他都给予我特别多的帮助和指导。感谢实验室的兄弟姐妹们， 他们在工作和生活中给了我非常多的帮助、包容和理解，他们是马灵、张嗣峰、 王东旅，张可立、周杰、程宏才、曹桂平、吴增海、商林峰、姚麟、安建飞、 毛迪、董磊以及已经毕业的程敬原、王超、吴义华、程涛、曾翔、陈佳、 杜挺克、刘翔。 感谢项目合作方中国海洋石油服务公司的领导和工程师们，与大家一起联 合调试的日子是愉快和融洽的。 感谢我的男友郁专这一年来对我的关心和鼓励。 最后，衷心感谢我最亲爱的父母，他们是我最坚实的后盾，默默地给予我 无私的关怀和支持。没有他们的含辛茹苦，就没有我的今天。 第1 章绪论 1 1背景意义 第1 章绪论 石油天然气是重要的能源矿产和战略性资源，关系国家经济和社会发展， 关系国家安全。近年来，国际原油价格频频攀升或者回落，波动厉害，从侧面反 映出各国对石油进行了激烈的争夺。国际油价的波动对国内油价的影响越来越 大。随着我国经济的迅猛发展，我国的石油天然气缺口越来越大。据统计，到 2 0 2 0 年基本实现工业化，我国石油、天然气需求缺口均将超过5 0 。为了缓解 我国油气资源的紧缺，我国在积极到国外寻求石油的同时，也加进了国内油气的 勘探和开发。 中国海包括渤海、黄海、东海和南海，面积近3 0 0 万平方千米，是祖国的 神圣国土，关系到国家的主权和权益。当前我们面临着为维护国家海域主权和权 益的斗争，其核心问题是海底的矿产资源，特别是油气。中国海横跨4 2 个维度， 具有丰富的石油天然气资源1 。仅近海大陆架1 3 0 1 0 4 平方千米范围内，就有1 0 个大型新生代油气盆地，如渤海、北黄海、南黄海、东海陆架、台西、台西南、 珠江口、琼东南、莺歌海和北部湾。初步估算其资源量，石油为2 4 6 亿吨，天然 气为1 5 7 x 1 0 1 2 m 3 。自“八五”以来，海洋石油增量成为中国油气产量增加的主力。 虽然我国的海域非常辽阔，但是由于海上的环境比较复杂，给海上石油勘 探和开采带来了极大的不便。由于起步比较晚，海上石油勘探技术的累计不够， 所以我国的海上石油勘探技术远落后与国外，也造成了我国海上石油勘探设备主 要依靠进口的现状。一方面进口设备的价格比较昂贵，而且不易维护；另一方面 与外国公司合作，用部分市场换取外国公司的技术，损失比较大。 为此，2 0 0 1 年，“十五8 6 3 确立了“资源与环境”领域的重要立项：渤海 大油田勘探开发关键技术主题重大专项海上时移地震油藏监测技术，快电子学 实验室承担了“时移地震采集关键设备研制”子课题“时移地震数据采集与记录系 统”的研究任务2 3 。在该课题顺利完成之后，作为该课题的延续，快电子学实验室 又承担了“十一五”“8 6 3 子课题“海上高精度地震采集设备研制”的研究任务。 本文的选题就是基于这样的背景。 1 2 地震勘探方法简介 地震勘探( s e i s m i ce x p l o r a t i o n ) 是通过人工激发震源形成人造地震，此地 i 第1 章绪论 震波在向地层深处传播的过程中在阻抗不连续处发生反射，而反射信号被放置在 地表的检波器接收并记录，地震数据经过信号处理等得到所勘探区域地质构造图 像。地震勘探通常是寻找有经济价值的石油、天然气或矿物的沉积物的一种手段， 也可以作为工程、考古和科学研究等方面的手段。勘探地震学所研究的地表深度 一般为1 5 0 k i n ，但是从勘探角度上讲，具有明显使用价值的深度一般为l o k m 。 又因为在这些深度上，地震手段能够探测的解析数十米空间尺度。在这样的尺度 上，地震方法的解析能力明显地优于其他遥测地球物理学方法。也正事由于地球 上几乎所有的油、气都存在于这样的尺度范围内，所以勘探地震学在能源领域起 着及其重要的最用。 地震勘探可分为三个阶段：野外数据采集、室内资料处理和地震资料解释。 其一野外数据采集是在野外通过人工震源产生地震波，采集反射的地震波，将其 数字化并记录；其二室内资料处理是指将记录的地震数据通过一定的变化和滤 波，形成地质剖面；其三地震资料解释是通过地质剖面解析，得到实际的地质构 造和油藏分布情况。本文的研究处于地震勘探的第一阶段，野外数据采集。 海上时移地震按电缆状态一般分为海上拖缆和海底电缆这两种方式。 海上拖缆技术在过去2 0 多年里发展得越来越成熟，现在大概9 0 的海上石 油勘探都运用拖缆技术，海上拖缆技术比较适合深海大面积作业。起初，海上拖 缆采用的是单缆，其作业效率比陆地要快得多，随着技术的发展，到2 0 世纪9 0 年代，开始出现多缆采集系统，其作业效率大幅提高，极大地减小了作业成本， 现在海上拖缆勘探系统支持的缆数达到了1 6 缆或更多。 海底电缆成本较高，是拖缆的几倍，主要运用在拖缆不能工作的区域，在 浅水区，在采油平台的周围要使用海底电缆，如采油平台固定海底电缆，每过一 段时间就进行一次地震数据采集，以确定油藏界面的变化和发现残留的油气带， 达到采油的目的。同时由于海底电缆安放在海底，相比工作在海平面的海上拖缆， 其噪声相对较小，所以在分辨率和信噪比等方面有一定的优势。 本论文所涉及的“海上高精度地震采集设备研制”就是海上拖缆技术，适 合深海大面积作业。 1 3 课题研究意义和内容 1 3 1 课题研究的意义 海上高精度地震采集设备研制是个复杂的系统工程，很难由一个人或一个 单位单独进行，我们实验室和中海油田服务有限公司中心合作，共同研究完成这 样一个复杂的系统，可以将我们实验室负责研制的拖缆系统称为“海上拖缆地震 2 第1 章绪论 采集系统”。 海上拖缆地震采集系统系统主要包括两个部分，水下采集系统和室内记录 系统。其中水下采集系统包括采集部分和数字传输部分，负责采集地震信号，并 将其转换成数字信号传输到室内；室内记录系统包括室内数据传输和室内控制记 录部分，主要负责地震数据汇总，命令控制，和数据记录。 在这样一个庞大的系统里，每个部分都是非常重要的，可以作为关键技术 或课题进行研究。本论文所要论述的质量控制与记录工作站软件，作为海上拖缆 地震采集系统的终端部分，主要任务是数据的实时处理和记录，数据的质量控制， 在系统中起到至关重要的作用，数据记录的完整性直接影响着离线的数据分析可 靠性。本工作站软件是操作人员了解底层设备工作的直观接口，质量控制的可靠 性和准确度直接影响着工作人员对下层设备，特别是水下设备工作指标的判断。 工作站的稳定性，软件的稳定性是在实际海上测试中要经得住考验的，每次海试 的成本都非常大，倘若数据不能被准确完整的记录下来，损失是比较大的，所以 软件是否稳定可靠的运行严重影响着系统的工作效率。 理论的分析软件结构和各个模块，可以使其充分得到重用，对以后的软件 开发有思维上的启示和借鉴作用。 1 3 2 课题研究的主要内容 本论文所要研究的是海上拖缆地震采集系统质量控制与记录软件的设计与 实现，这是一个复杂的软件系统，所牵涉的设备和数据量都比较多，需要实现的 功能也比较繁琐，所以对软件的理论分析和实际操作分析都是十分重要的。本论 文主要针对下面几个方面进行论述。 软件的总体设计 这一部分内容包括对软件的需求分析、体系结构分析和运行平台及模式。 主要是从软件指标和功能方面做需求分析，尽可能将软件中所牵涉到的需求进行 归类和模块化，有利于软件的建模。根据需求分析的结果，对软件的体系结构进 行分析，寻求一种合理的，可靠的，可扩展的结构来构造软件，便于代码模块的 统一编写以及升级。除此之外软件运行的平台和模式也必须在软件整体规划时加 以考虑，因为这关系到软件实现具体要求。 令 软件详细设计 主要对软件的各个具体的模块进行详细的说明，包括数据处理，存储，测 试等，尽可能得把设计者的思想和实现过程论述清楚，给读者一个直观的清晰的 设计路线。 测试与试验 第l 章绪论 这部分对软件进行的评估。分别从实验室的模块测试，模拟联调和海上实 际试验两个方面来证明软件的可用性和可靠性。其中海试进行了两次，都得到了 可靠数据，为地震数据分析提供了保证。 夺 多缆软件的展望 这一部分是针对数据量比较大的记录部分而言的。当接收和存储的数据量 比较大的时候，一台工作站不能实时的对这些数据进行处理，包括数据格式转换， 缓冲，数据显示，磁带机存储。需要新的软件结构和处理手段来提高数据处理能 力。在笔者长期的调试和测试过程中，积攒了很多这类软件的开发经验，对软件 在升级过程中的瓶颈部分有一定自己的看法。 4 第2 章海上拖缆地震采集系统结构 第2 章海上拖缆地震采集系统结构 本章主要对海上拖缆地震采集系统结构进行介绍，以给读者一个系统的整 体概念，更方便与理解本文的重点质量控制与记录软件在整个系统中的位置和作 用。分别从总体结构和技术指标介绍系统的总体情况，了解系统作业的流程和所 要完成的任务。室内系统是海上拖缆地震采集系统的数据记录和控制部分，完成 数据的重组、汇总以及记录。这是与质量控制与记录软件关系密切的部分，更能 体现出本软件的功能需求和任务。 2 1系统总体结构 地震勘探仪器的任务是在地表激发地震波并把返回地表的地震波接收和记 录下来。从这个意义上来讲，地震勘探仪器应包括震源，检波器，地震仪三个部 分。其中震源激发地震波，检波器接收地震波把它转换成电信号，地震波对地震 电信号进行放大滤波并把它记录下来成为野外地震记录，并且在海上要完成这些 工作需要一个导航系统来定位。因而一个完整的海上地震勘探仪器系统的组成可 以为以下几个部分：导航系统，震源以及同步系统，地震检波器，水下数据采集 系统，数据传输系统，数据记录系统。 完整的地震仪由下面几个部分组成： 导航系统，主要完成系统的定位以系统启动同步等功能； 枪控系统，主要是实现对震源( 空气枪) 的控制，以及震源同步等功能： 水下数据采集系统，即水下电缆，主要功能是将震源激发的地震波信号 接收转化为电信号，进一步放大滤波并转换为数字信号； 声学定位系统，主要是用来定位水下电缆的具体形状，以便推算出各个 声学传感器的精确位置，这对后续的地震数据的解释精度有比较明显的影响。 数据传输平台，即c p c i 机箱，主要通过光纤接收水下数字包的数据并 将数据时序转成道序，高速可靠地传送到室内记录系统； 室内记录系统，主要功能是数据的收集，实现可靠稳定的实时记录和监 控： 其中，导航、枪控和声学定位系统是安装在物探船上的现有的仪器，水下 数据采集、数据传输和室内记录系统这三个部分是由我们项目组承担完成的。我 们将这样三个部分组成的数据流传输记录部分称为“海上拖缆地震采集系统”。 第2 章海上拖缆地震采集系统结构 系统结构如下图所示： 图表2 1 系统总体结构图 图表2 1 是系统的总体结构图，数据获取系统主要分为两部分，水下采集 传输部分和室内记录部分。数据获取流程是采集包采集检波器得到的数据，经过 传输线，集中到传输包，再由传输包将数据传输到室内系统的数据采集处理机， 经过汇总，最终将数据传输到负责记录的工作站里进行数据记录。 系统的水下采集传输部分包括拖缆和数字包，数字包分为采集包和传输包。 采集包实现检波器的地震数据a d 采集，数字滤波，传输包实现地震数据的传输 室内记录系统，也即船上记录系统主要由主控工作站、质量控制与记录工 作站、数据采集处理机以及一台绘图仪以及磁带机组组成。数据采集处理机采用 标准的c o m p a e t p c i ( c p c i ) 总线嵌入式计算机，在c p c i 机箱内插入功能模板， 主要负责数据的汇总和顺序转换。主控工作站是系统的控制中心和人机界面中 心，质量控制与记录工作站是实现地震数据的显示、记录与质量控制。 水下拖缆采集到的地震数据经过数字包传输到数据采集处理机，4 条拖缆的 地震数据在数据处理机内经过汇总、处理之后，通过千兆以太网传到质量控制与 记录工作站，由此工作站驱动磁带机实现双记录。 6 第2 章海上拖缆地震采集系统结构 2 2 设计目标 2 2 1 室内记录系统技术指标 令 接收四路水下光缆上传的数据，每路光纤传输速度不小于1 0 0 m b i t s ， 采样时间间隔可调； 夺 将地震数据和导航数据合并后转换成s e g d 格式，无丢失、实时存 储到磁带机，两组磁带机同时记录，互为备份。 可选择显示任意一条光缆、任意一炮采集到的完全数据图形，对要 显示的某一炮数据，可以总览也可以细看某一局部图形。 令 可以选择将图形显示器的图形数据通过绘图仪作图，将选定的光缆 的某一炮所采集到的全部数据绘出来； 令 具有完善的日、月检功能( 自检水下传感器及数字包工作是否正常) 。 夺 通过主控工作站配置整个系统、显示系统工作的各个状态。 令 具有3 2 道辅助道数据采集功能，可以将辅助道采集的数据记录到磁 带，并可通过绘图仪绘出辅助道数据的图形。 令实时显示全部道数的采集数据变化示意图。由于人眼睛可分辨的刷 新频率的限制，必须进行数据抽取，即按时间抽取；如果道数太多 显示屏放不下，也可选择按道抽取，即显示部分道数，如奇数道或 偶数道。 令 一炮数据采集时间s 1 8 秒。 2 2 2 水下采集设备技术指标 动态范围： 前放增益： 输入短路噪音： 谐波畸变： 串音抑制： 道间增益精度： 共模抑制比： 采样间隔： 感兴趣信号频宽： 芝1 1 5d b 0 ，6 ，1 2 ，2 4d b 2 5 州r m s ； g e n e r a lh e a d e r l 是s e g d 结构中的一个头段信息，在这个数据结构中，结 构元素都是无符号的数据，没有具体的数据类型，只是指定了其相应数据占据的 位数，4 b i t ，8 b i t ，1 2 b i t ，2 4 b i t 或者3 2 b i t ，如上数据结构所示。由于这样一个数 据结构是无符号，无类型的数据，所以在数据结构中的排列是紧密排列的，不用 考虑内存地址对齐。严格遵循前面提到的数据存取要求，大端机认为它最先读到 的字节就是数值上最大的那个数。 对于8 b i t 的数据，大端机接收到读取8 b i t 一个字节的任务是，直接读取一 个字节，认定这个字节即所得，所以不需要转换。 对于1 6 b i t 的数据，大端机直接读取两个字节，地址小的是高位，地址大的 是地位，恰好与小端机顺序相反，所以只用将两个字节的顺序交换一下，便可从 小端数据变成大端数据。 对于2 4 b i t 的数据，根据前面的讨论，将首尾两个字节进行交换，中间字节 不动即可。 对于3 2 b i t 的数据，也可根据前面的讨论，将首尾两个字节进行交换，中间 两个字节进行交换，转换成为低地址为最高位，依次到最高地址为最低位。 对于4 b i t 和1 2 b i t 的数据，情况与上面几种类型的不一样，需要详细说明一 下。为了让内存保持访问的一致性，在s e g d 头段中，都似乎4 b i t 和1 2 b i t 先后 出现，呈现出两个字节1 6 b i t 的形式。因此我们只针对这样的1 6 b i t 数据进行小端 转大端。看这样一个数据结构： s t r u c te n d i a n u n s i g n e da ：4 ；0 x 4 u n s i g n e db ：1 2 ；0 x 1 2 3 如果对应上述数据结构的数据a 为0 x 4 ，b 为0 x 1 2 3 ，分别观察一下内存的 存储情况。假设内存从0 x 0 0 0 0 开始存储，具体存储情况参见图表4 1 4 。 4 l 第4 章软件模块详细设计与实现 0 x o o o l o x 0 0 0 0 小端 o x 0 0 0 10 x 0 0 0 0 大端 图表4 1 44 b i t - 1 2 b i t 数据大小端对比图 这样一个大小端对比的数据存储分别在小端机( x 8 6 ) 和大端机( s u n ) 得 到的验证。对于小端机，低地址存储小的数据，首先读取一个4 b i t 的数据，从内 存地址0 x 0 0 0 0 读，机器会认为一个字节中的低四位为读到的数据，是a 的值， 所以0 x 4 在0 x 0 0 0 0 的低位。接着机器要读取三个字节，0 x 0 0 0 0 读取剩下的字节， 低地址为小数据，所以0 x 3 是在0 x 0 0 0 0 这个地址的高位，又从0 x 0 0 0 1 读取两个 字节，这两个字节是个整体，所以顺序不变以0 x 1 2 存在。对于大端数据，高地 址存低位数，首先读取一个4 b i t 的数据，从内存0 x 0 0 0 0 读，机器会认为一个字 节中的高四位为读到的数据，是a 的值，所以0 x 4 在0 x 0 0 0 0 的高位。同理，大 端机在读取三个字节的数据，0 x 0 0 0 0 剩下的低位数据最先读到，所以为最高位 数据，所以0 x l 在0 x 0 0 0 0 地址的低位，接着又从0 x 0 0 0 l 读取两个字节，作为一 个整体，以0 x 2 3 的形式存在于内存中。 根据这样一个原则，在做4 b i t 到1 2 b i t 的小端到大端的转换时，将小端中的 低地址低位，存在低地址高位，小端中的高地址高位，存在低地址低位，剩下两 位按正常大d , j i r 页序存在高地址里面。 4 4 6s e g d 地震数据格式 地震数据采集和传输的发展，促进了数据记录技术的发展。1 9 7 5 年，在 s e g - a ，b ，c 和y 的标准上成功定义了一种新的记录数据标准s e g d 标 准( 现称之为r e v 0 ) 。为了适应新的地震数据采集环境，1 9 9 4 年s e g 磁带记 录标准委员会组织修改了s e g d 标准，即s e g dr e v l 。接着，1 9 9 6 年，s e g - d 磁带记录标准委员会再次组织修改s e g - d 标准，成为现在的s e g - dr e v 2 1 4 。 本系统采用的地震记录格式就为s e g dr e v 2 ，简称s e g d 。 一盘以s e g dr e v 2 为标准的磁带，其数据基本格式如下： 4 2 b o t s t o r a g eu n i tl a b e l ； ：磁盘分区，必须 第4 章软件模块详细设计与实现 s e i s m i cr e c o r df i l e1 e o f 。 s e i s m i cr e c o r df i l e2 e o f s e i s m i cr e c o r df i l e1 1 e o f e o f e o t t i 面l e r 一个更为细致的说明，如下图所示。 ；记录文件1 ；记录文件2 ；记录文件n ：结束标志 ；后缀说明，可选 i 甲 s t o r - a f lg 利 乜m d l s e t 蔓 1 ： s e t n 童s k 酴虹1 _ 一= = ? i 戳翻黜咖惫阁喜 蠢d s t o r