地震勘探传感节点的同步数据采集及传输技术研究

摘要

页岩气和煤层气是存储在岩层或者煤层中的非常规天然气,页岩气和煤层气作为高效洁净能源,是能源行业中巨大的新兴产业,这些清洁能源的有效利用,可大幅减少空气污染,改善环境.而这些资源的前期勘探方法类似石油勘探,首先进行地面勘探,其原理是利用可控震源产生相关震源信号,再由高精度的传感阵列(万道甚至百万道)采集地震反射信号,采集的数据通过特定的地质模型分析,构造出岩层的三维结构;第二步通过测井勘探,把传感阵列放入深井(一般在3000米到6000米)下,再通过超长测井线缆传回采集数据,进一步分析资源储量. 在大规模地震勘探传感阵列的数据传输中,测线节点的传输速度都要求在几十兆以上,传输方式一般采用有线和无线相结合,有线传输为主,无线为辅.近年来,虽然通信和网络技术发展迅速,并在民用领域得到了广泛应用,但在资源勘探这一特定领域,用于超大规模(百万道级)节点的采集及数据传输技术,并没有现成的标准和规范.由于勘探系统一般在野外工作,需要电池供电,传输时要极低功耗,而根据相关文献表明,如果用以太网技术进行数据传输,每传输1bit的数据就会消耗1Hz的CPU,在高速率下采用此技术,必然需要高速CPU,从而会带来可怕的功耗增长,从功耗角度考虑,传统的以太网技术不适用地震勘探传感节点的数据传输;而工业上RS485等接口传输技术,虽然简单实用,但由于传输速度低,达不到万道传感节点的实时传输要求,所以研究适应于此大型系统的数据传输方法,是一个非常有实际意义的课题.另外,在测井勘探中,高密度的传感阵列通过超长铜缆进行供电和数据传输时,其上行数据(传感器采集的数据)远大于下行数据(控制命令),这也正好和传统电信传输系统相反,电信技术一般用于上网,要求下行速度高,上行速度低,所以研究适用于测井勘探的超长缆数据传输系统,也是勘探仪器的重要组成部分. 为适应地震勘探海量节点同步采集且低功耗的要求,从线缆传输模型和传输理论分析了信号传输特性,在物理层上,提出了新的BLVDS接口的信道数据传送方式,针对带宽受限信道的数据传输抖动,提出了硬件上易于实现的PWM前向预加重模型,理论对比了FIR预加重和PWM预加重的传输函数,为节点之间的低功耗数据时钟恢复提供了理论基础.为提高系统的传输速度,提出了多进制传输方式,同时根据FIR的原理,推导出了多阶PWM预加重的传输函数.在编解码部分,在深入分析RS编码原理基础上,从伽罗华域、生成多项式和功耗方面进行了分析,提出了适应此系统传输的RS(31-27)编码方法,大幅降低了系统功耗.在超长缆测井数据传输部分,针对信号衰弱,提出了信号双均衡模型和反正切快速收敛算法,解决了复杂信道下超长线缆的信号失真问题.在此基础上,研制了1000道级的传感节点和超长缆数据传输系统,分别在新疆的塔克拉玛干沙漠和西安的秦岭进行了测试. 主要创新点: (1)在LPSDA测线信道传输上,在信道建模基础上,提出了前向PWM预加重方法,在奈奎斯特采样频率下,最高可获得30dB的信道衰减补偿,相对两阶FIR前向滤波器的20dB增益,简化了传输函数,便于用FPGA等硬件实现. (2)从伽罗华域、生成多项式和乘法器方面,仿真了地震仪中RS编码复杂度的几个关键问题,提出了一种适应于地震仪的RS(31,27)编码方案. (3)针对超长缆中影响OFDM正交性的信道衰落问题,提出了双均衡模型结构和快速反正切收敛算法,通过仿真和实验验证了模型的正确性. (4)进行了相关实物制作,并分别在新疆沙漠和西安的秦岭下进行了测试. 本论文共分为七章: 第一章为绪论,阐述了地震勘探的研究背景,课题研究来源,国内外研究现状,分析了LPSDA大规模传输系统的技术要求,最后介绍了本论文的主要研究内容. 第二章详细阐述了LPSDA系统的通信方式,提出了测线方向的同步和异步的传输方式,针对测线数据时钟恢复技术,分析了带宽受限信道对数据传输抖动的影响,给出了传输抖动的评价标准. 第三章针对LPSDA系统中的测线信道及其信号衰弱进行了建模分析,通过Kronig-Kramers方程分析了线缆的分布式参数,在时域给出了测线信道介电损耗和趋附效应对数据传输信号的衰弱影响. 第四章在建模分析基础上,提出了PWM预加重模型,对比了PWM预加重和传统FIR预加重的功率补偿模型,在此基础上推导了多阶PWM预加重函数,仿真并测试了多进制在LPSDA系统中的传输方案. 第五章针对LPSDA系统中编码层和解码层,用matlab仿真分析了RS编解码的有限域、生成多项式及乘法器等关键问题,在此基础上提出了低功耗RS编解码方法. 第六章在传输汇聚层部分,针对长缆传输的衰弱,在分析FFE和DFE基础上,提出了组合均衡模型和反正切快速收敛算法,减少了均衡中的错误扩散问题,通过matlab仿真给出了优化的抽头数,提升了系统的带宽. 第七章总结了地震勘探的技术要求,展示了已经完成的实物样机.在此基础后,对系统以后的扩展和改进提出了参考建议.

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