一种应用于海洋地震勘探拖缆系统中的水下数据传输装置

摘要

本发明涉及一种应用于海洋地震勘探拖缆系统中的水下数据传输装置，包括：电源转换模块、FPGA和采集板接口；FPGA包括接收模块、采集模块、发送模块、中央处理模块。在之前的海洋地震勘探拖缆系统中，水下数据传输装置集成度不高、体积偏大，不方便安装，同时功耗较大，受限于海洋勘探作业中的供电方式，不利于对系统中的拖缆长度进行拓展，难以进行深海地质结构的勘探。本发明高集成、低功耗，具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋地震勘探设备的技术领域，具体涉及一种应用于海洋地震勘探拖缆系统中的水下数据传输装置。

背景技术

海洋地震勘探拖缆系统主要应用于海洋资源勘探领域，拖缆上每隔一段距离拖挂一个数字包。该系统作业时，人工激发地震波信号，每级数字包采集海底反射的地震数据，并逐级传输到船载分析系统进行分析处理，从而解析出海底地质结构。

在之前的海洋地震勘探拖缆系统中，水下数据传输装置主要包括均衡器、串并转换、并串转换、预加重等芯片功能模块，以及一块FPGA构成的中央处理模块，从而实现高速数据的长距离传输。这样的传输装置集成度不高，体积大，不方便安装，同时功耗较大，受限于海洋勘探作业中的供电方式，不利于对系统中的拖缆长度进行拓展，难以进行深海地质结构的勘探。

随着海洋地震勘探的深海化，现有的拖缆系统挂载能力不足，需要降低水下拖缆传输包的集成度和功耗，以增强拖缆挂载能力，从而增加拖缆长度。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种应用于海洋地震勘探拖缆系统中的水下数据传输装置，解决水下数据传输装置的集成度和功耗问题。

为了解决上述技术问题，本发明设计一个拖挂在海洋地震勘探系统水下拖缆上的新型高集成、低功耗传输包，在总功率不变的情况下，增强水下拖缆系统挂载传输包的数量，增加拖缆长度，实现对深海的地质勘探。

传输包包括一个电源转换模块，把船上逐级传下来的高压直流电源转换成低压直流电源给传输包上芯片供电。

传输包上的采集板接口和另一个采集板相连，接收采集板上采集到的地震波数据。

传输包上的FPGA使用Altera的Cyclone V系列，用来接收处理上级传输包传来的数据，整理好后传输给下一级传输包，同时可以接收船上发出的命令并返回实时工作状态给船载系统。

FPGA内部对数据的处理分为采集、发送、接收、中央处理四个模块。

采集模块负责对采集板接口传来的本地传感器、ADC采集到的数字信号进行协议编码，数据压缩，8B/10B编码，处理好的数据发送到中央处理模块等待处理。

发送模块对中央处理模块发送过来的并行数据进行串行化处理，在FPGA内部实现对串行信号的预加重，减少长距离信道传输中信号的失真。

接收模块用来接收上一级传输包发送的数据，采用Serdes方式传输，首先利用FPGA实现基于LMS算法的自适应均衡器，降低码间干扰，降低误码率。对处理好的串行数据并行化处理，再发送至中央处理模块。为了实现时钟同步，需要在串并转换的同时从串行数据中解析出同步时钟，可以通过FPGA内置PLL实现也可以外接压控振荡器实现，满足不同数据率的要求。

中央处理模块主要用来对接收模块和采集模块传输至的数据根据协议进行判选，判断无误的数据继续发往发送模块，如果采集模块传至的数据出现误码则对采集模块发出重传指令，对采集模块缓存的数据进行重新传输，如果接收模块传至的数据出现误码则直接丢弃。

本发明区别于传统设计，把接收模块和发送模块集成在FPGA内部，而不需要在外围添加均衡、串并并串转换、预加重芯片，从而降低功率，提高集成度。接收模块基于最小均方算法实现自适应均衡，提高传输装置接收到数据的可靠性，降低误码率，同时利用锁相环从均衡后的串行数据中解析出时钟，与本地时钟进行比较，从而实现本级传输装置和上级传输装置的时钟同步。

FPGA内部的中央处理模块可以对采集模块和接收模块传至的数据进行区分处理。如果经采集模块传至的数据出现误码，中央处理模块可以发送重传指令，对采集模块缓存的数据进行重传处理，直至最终数据正确，采集模块清除缓存，确保采集到的数据准确可靠。如果经接收模块传送至的数据出现误码，为了减少协议开销，直接舍弃错误数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)在之前的海洋地震勘探拖缆系统中，水下数据传输装置集成度不高、体积偏大，不方便安装，同时功耗较大，受限于海洋勘探作业中的供电方式，不利于对系统中的拖缆长度进行拓展，难以进行深海地质结构的勘探。本发明高集成、低功耗，具有广阔的应用前景。

(2)本发明和旧系统相比省去了外部的预加重芯片、均衡芯片、串并转换芯片、并串转换芯片，通过在FPGA内部实现了这些功能，满足实现传输功能降低误码率要求的同时，大大简化了传输包的硬件设计。

(3)本发明由于设计的简化，把功能都集中在FPGA内部，提高了集成度，缩小了传输包的体积，方便实际工程中的配置安装。

(4)本发明省略了外围芯片的设计，每个传输包降低总功率减少60％左右，极大的增强了海洋地震勘探系统水下拖缆的挂载能力，实现对拖缆长度的升级换代。

附图说明

图1为本发明组成框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：电源转换模块、FPGA和采集板接口；FPGA包括接收模块、发送模块、中央处理模块。

电源转换模块，把高压的直流电源转换成低压的直流电源给传出包供电。

FPGA内接收模块，接收上级传输包传送到的串行数据。

采集模块，接收本地采集板的数据，并进行处理。

发送模块，把处理好的数据发送到下一级的传输包。

中央处理模块，对数据进行处理，同时具备检错纠错功能，提高稳定性。

如图1所示，上级传输包传到本地传输包的数据，直接进入FPGA内部接收模块。经过长距离的传输进入接收模块的数据与上一级传输包发送的数据相比有所衰减，在接收模块中首先对这些数据进行基于LMS算法的自适应均衡，以便降低误码率。借助锁相环从均衡处理后得到的串行数据中恢复出时钟，同时利用该时钟把均衡后得到的串行数据转换成并行数据，处理好后的并行数据发往中央处理模块。

采集板接口与外围的采集板相连，传输包内部的采集模块通过采集板接口接收到外围采集板采集到的数据。在采集模块中对这些无序的数据进行缓存，缓存好后按照设定好的协议进行编码，并对协议编码后的数据进行压缩。为了防止数据流中0或1过于集中，最后在采集模块中对压缩好的数据再进行8B/10B编码，处理好后的数据发往中央处理模块。

在中央处理模块中对所接收到的数据按照协议进行检错，为了保证传输的实时性，如果是接收模块传输至的数据出现了部分误码，因为并不影响最终分析，直接舍弃。如果是采集模块传输至的数据出现了误码，中央处理模块给采集模块发出重传指令，采集模块把之前缓存好的数据处理后重新发往中央处理模块，直至数据准确可靠。中央处理模块最后把综合好的可靠数据发往发送模块。

发送模块接收来自中央处理模块的并行数据，根据接收模块从串行数据中解析出的时钟调整本地时钟，利用调整后的时钟把并行数据转换成串行数据，最后为了尽可能减少长距离传输过程中的信号衰弱，对串行数据进行预加重处理，处理好的数据发往下一级传输包。

以上就是每一级传输包的工作流程，大部分的工作都集成在FPGA内部实现，提高了集成度，同时降低了传输包的功耗，为海洋地震勘探拖缆系统的升级提供了技术支持。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此凡本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。