基于计算机网络的百万道级新型数字地震仪

摘要

本发明涉及一种基于计算机网络的百万道级新型数字地震仪，其硬件部分由七大单元组成：中央控制操作系统CCOS、根节点RU、网络节点NU、电源节点PU、采集链AS、光缆FL和网线NL：其中：中央控制操作系统CCOS是整个仪器的控制中心和数据回收中心、根节点RU是中央控制操作系统CCOS与野外设备的连接接口；多个网络节点NU通过光缆FL串接形成网络节点链NUS，根节点RU连接一条或多条网络节点链NUS；由电源节点PU和采集链AS任意串接形成采集线AL，采集线AL上的任何一个电源节点PU通过一条百兆网线NL连接到网络节点NU上；所述野外设备包括网络节点NU、电源节点PU、采集链AS、光缆FL。其充分考虑了百万道级数字地震仪的数据传输特点，充分利用了计算机网络实现了一种特有的百万道级的地震采集仪器构架，具有野外布设灵活，施工方便等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地震仪，特别是涉及一种基于计算机网络的百万道级新型数字地震仪。

技术背景

1、地震仪器现状

高精度数字地震仪是用来记录人工或天然地震信号，然后根据这些地震信号的记录来寻找油、气、煤和其他矿产资源的地质勘探仪器，并可用于探测地球内部结构、进行工程及地质灾害预测等。

地震勘探法目前仍然是在陆地和海洋勘探石油和天然气的主要手段，同时也是其他矿产资源的重要勘探方法，并广泛应用于研究地球内部结构、工程勘探和检测、地质灾害预测等等方面。其基本方法是在勘探靶区的地面上埋放数千乃至上万只地震波传感器(即地震检波器)，然后用炸药或可控震源激发人工地震。地震波向地下深处传播，遇到不同性质地层的分界面就会产生反射，地震检波器拾取到反射波并将其转换成模拟电信号，然后由高精度的数字地震仪把这些模拟电信号转换成数字信号记录下来。野外勘探接收到的大量数据通过室内用高速计算机进行复杂的信号处理和反演计算，才能得到清晰可靠的地下结构图像，最终确定矿产资源的位置和深度。

目前在石油和天然气勘探行业使用的仪器极大部分是从由法国和美国等国家生产的有线遥测地震仪。有线遥测地震仪的特征是完全由有线系统发送指令和传送采集数据。在目前的野外实际应用中占有主导地位，占据世界地震仪市场的绝大部分份额，常用的有Sercel公司的408/428系列、ION公司的Scorpion和Aries系统和美国WesternGeco公司的Uni Q系统等。

地震采集系统可分为地震信号的拾取(地震检波器)、地震信号的传输、地震信号的记录与存储三部分。国内外主要24位遥测地震仪可分为三类：有线遥测地震仪、无线遥测地震仪、存储式数据回收遥控地震仪。这三类遥测地震仪中，有线遥测地震仪仍占主导地位，占据世界市场的绝大部分份额。

法国Sercel公司是CGG控股从事地震仪器研制的专业公司，具有五十多年的地震仪器制造经验。典型的陆上地震仪器有：SN338、SN368、SN388和目前广泛使用的400系列。

408U是Sercel公司九十年代末期推向勘探市场的网络地震仪，采用采集链结构形式使采集站和电缆成为一体。408UL系统率先引入了地震区域网络的概念，其核心思想是把计算机网络节点概念引入到遥测地震仪系统中，从而将遥测仪器系统作为一个计算机网络。主机记录系统、LAUL、LAUX作为网络节点，配合系统软件完成控制和管理。408UL大线数传速率为8.192MHz，交叉线教传速率为16.384MHz，2ms采样率下大线实时传输1000道，交叉线实时传输2000道。与408UL相比，428XL的主机系统和数据传输结构有重大改进，主机结构采用服务器/客户机模式，其大线数传速率为16.384MHz，单线道能力达到了2000道/2ms，三维实时道能力为10000道/2ms。

美国ION公司也是国际知名的地震仪器、可控震源、地震检波器、激发源同步系统等地球物理装备制造商。上世纪八十年代开始涉足地震仪器制造，当时推出的系统-I和系统-II仪器深受用户欢迎。ION公司非常重视产品的超前研究，近年来率先推出24位A/D地震仪器，Vectorseis数字检波器(MEMS)，使地震仪器两次发生革命性的进步。ION公司生产的陆上地震仪器主要包括Scorpion和Aries系统。在2010年，ION公司的陆上仪器部分与中国石油东方地球物理公司(BGP)合并成立了一家新公司INOVA。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于计算机网络的百万道级新型数字地震仪。它应用在石油勘探、天然气勘探、煤田勘探、矿产勘探、地质灾害监测地球内部结构调查等方面，是一种检测人工或天然地震信号、将其转换成数字信号并记录下来的装置。

为实现上述目的，本发明基于计算机网络的百万道级新型数字地震仪的硬件部分由七大单元组成：中央控制操作系统CCOS(Central Control Operation System)、根节点RU(RootUnit)、网络节点NU(Network Unit)、电源节点PU(Power Unit)、采集链AS(AcquisitionString)、光缆FL(Fiber Line)和网线NL(Network Line)：其中：中央控制操作系统CCOS是整个仪器的控制中心和数据回收中心、根节点RU是中央控制操作系统CCOS与野外设备的连接接口；多个网络节点NU通过光缆FL串接形成网络节点链NUS(Network Unit String)，根节点RU连接一条或多条网络节点链NUS；由电源节点PU和采集链AS任意串接形成采集线AL((Acquisition Line)，采集线AL上的任何一个电源节点PU通过一条百兆网线NL连接到网络节点NU上；所述野外设备包括网络节点NU、电源节点PU、采集链AS、光缆FL。即：中央控制操作系统CCOS通过根节点RU连接多个网络节点NU通过光缆FL串联成的一条或多条网络节点链NUS，电源节点PU和采集链AS任意串接形成采集线AL上的任何一个电源节点PU再通过一条百兆网线NL连接到网络节点NU上。其是充分考虑了百万道级数字地震仪的数据传输特点，利用了不同的计算机网络满足不同的数据传输要求，达到了成本、功耗等的最佳配置，充分利用了计算机网络实现了特有的百万道级的地震采集仪器构架。采用网络节点NU和电源节点PU通过特制的网线NL连接这种方式，使得网络节点链NUS中的网络节点NU可以连接到采集线AL上的任一电源节点PU，可以大大提高野外采集设备布设的灵活性。中央控制操作系统CCOS一般置于仪器车上。

作为优化，中央控制操作系统CCOS(请见图2)是主要实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收、质量控制功能；中央控制操作系统CCOS(一般置于仪器车上)是整个数字地震仪的主要控制单元，硬件部分主要由计算机服务器Server、网络交换机Switch、客户计算机终端PC、存储设备Storage device、绘图设备Plotting equipment和GPS组成；其中网络交换机Switch连接存储设备Storage device、绘图设备Plotting equipment、连接GPS的计算机服务器Server和多个并列的客户计算机终端PC，计算机服务器Server再向外连接根节点RU；软件主要由操作系统软件和控制操作软件组成；根节点RU与中央控制操作系统CCOS通过一条万兆网线或多条绑定的千兆网线相连接。

作为优化，根节点RU由高速交换模块SM(Switch module)、控制模块CM(Controlmodule)、激发源控制接口模块ICES(Interface to control explosive source)、电源模块PM(Power module)、辅助道接口模块IAC(Interface for auxiliary channels)和GPS模块组成；根节点RU通过一条万兆网线或多条绑定的千兆网线与中央控制操作系统CCOS连接，并根据仪器容量的要求提供2-10个千兆光缆接口与网络节点链NUS等野外地面设备连接；高速交换模块SM(Switch module)提供数据交换功能；控制模块CM根据中央控制操作系统CCOS的指令实现对高速交换模块SM、激发源控制接口模块ICES和辅助道接口模块IAC的控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。(见图3)其中：控制模块CM分别与高速交换模块SM、激发源控制接口模块ICES、电源模块PM、辅助道接口模块IAC和GPS模块相连。

高速交换模块SM在不同道数情况下，选用不同的配置：如在100万道情况下，通过一条万兆网线与中央控制操作系统CCOS连接，并提供10个千兆光缆接口与网络节点链NUS等野外地面设备连接；在20万道情况下，通过2条绑定的千兆网线与中央控制操作系统CCOS连接，并提供2个千兆光缆接口与网络节点链NUS等野外地面设备连接，其余依次类推；控制模块CM根据中央控制操作系统CCOS的指令实现对高速交换模块SM、激发源控制接口模块ICES和辅助道接口模块IAC的控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。

地震仪器的数据流量由采集道数和采样率确定，我们按100万道和2ms采样率为例计算百万道级数字地震仪的实时数据流量。按2ms采样，每秒为500个采样点，每个数据按20位采样，100万道的数字地震仪每秒采集的数据流量为10Gb/s，即：

总数据量流量＝总道数×样点数/秒×位/样点＝1,000,000×500×20＝10,000,000,000。所以，根节点RU在通过一条万兆网线与中央控制操作系统CCOS连接和10个千兆光缆接口与网络节点链NUS等野外地面设备连接的情况下，可以基本满足100万道和2ms采样率采集时地震仪数据传送的需要。

作为优化，网络节点NU由高速交换模块SM、控制模块CM、电源模块PM和GPS模块等组成；数据交换模块SM为百兆/千兆交换机模块，千兆接口分别连接上一级网络节点NU和下一级网络节点NU，百兆接口连接电源节点PU；网络节点NU具有两种供电模式：一种为直接连接电池供电；另一种方式为通过网线NL连接由电源节点PU供电。(见图4)其中控制模块CM分别连接高速交换模块SM、电源模块PM和GPS模块。

作为优化，网络节点链NUS由若干个网络节点NU通过光缆FL串接形成，并与根节点RU相连接，并与根节点RU相连接；根节点RU连接一条或多条网络节点链NUS，形成百万道级数字地震仪系统数据传输主干网。

作为优化，电源节点PU由控制模块CM、电源模块PM和GPS模块等组成；控制模块CM具有一个百兆接口通过网线NL连接网络节点NU，并可以通过(特殊的)网线NL给网络节点NU供电；控制模块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集链AS。(见图5)其中；控制模块CM分别连接电源模块PM和GPS模块，并且控制模块CM还向外连接网络节点NU和采集链AS。

作为优化，采集线AL可以由电源节点PU和采集链AS、采集链AS和采集链AS任意串接形成；采集线AL上的电源节点PU给两边的采集站AU提供电源供给，电源节点PU的供电能力确定了二个电源节点PU之间的最多采集站个数。

电源节点PU把供电电瓶的12V电压提升到48-72V对采集站进行供电；由于线路损耗，采集站的供电电压范围在24-72V。即在本系统中，电源节点PU把供电电瓶的12V电压提升到48-72V对采集站进行供电。由于线路损耗，采集站的供电电压范围在24-72V。

作为优化，经过控制方式的优化还可以采用一条网络节点链NUS中的多个网络节点NU与一条采集线AL上的多个电源节点PU连接，或多条网络节点链NUS中的多个网络节点NU与一条采集线AL上的多个电源节点PU连接等方式增加野外采集设备布设的灵活性，并可以提高采集线AL数据流量从而增加采集线AL的连接长度。

作为优化，采集站AU主要由控制模块CM、电源模块PM和GPS模块组成；控制模块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集站AU，具有一个专用接口连接常规检波器或MEMS等传感器；电源由电源节点PU通过通信接口采用“鬼对”方式远供，电源模块PM把所供的24-72V转换成采集站AU所需的各种电压。

作为优化，新型数字地震仪中的采集站AU(图6)由控制模块CM、电源模块PM和GPS模块等组成。控制模块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集站AU，具有一个专用接口连接常规检波器或MEMS等传感器。电源由电源节点PU通过通信接口采用“鬼对”方式远供，电源模块PM把所供的24-72V(由于线路损耗供电电压会随着供电的距离而降低，采集站的最低供电电压设定为24V)转换成采集站AU所需的各种电压。

作为优化，采集链AS由若干个采集站AU(Acquisition Unit)通过电缆连接而成，采集站AU采集数字检波器的信号，并通过专用通信接口进行通信和数据传送。即地震仪中的采集链AS由若干个(为方便野外搬运一般为6个～12个)采集站AU(Acquisition Unit)通过电缆连接而成，采集站AU采集数字检波器的信号，并通过专用通信接口进行通信和数据传送。

采用上述技术方案后，本发明地震仪充分考虑了百万道级数字地震仪的数据传输特点，利用了不同的计算机网络满足不同的数据传输要求，采用万兆网络完成主机服务器与根节点RU之间的数据传送；采用千兆光纤完成野外部件数据主干网的数据传送；采用百兆电缆完成采集线AL与主干网网络节点NU之间的数据传送；采用类令牌网实现数据采集链的实时数据传送，达到了成本、功耗等的最佳配置。与国内外目前地震仪的不同之处是充分利用了计算机网络实现了一种特有的百万道级的地震采集仪器构架，具有野外布设灵活，施工方便等特点。

附图说明

图1是本发明基于计算机网络的百万道级新型数字地震仪的原理框图；

图2是本发明震仪中央控制操作系统(CCOS)的原理框图；

图3是本发明震仪根节点(RU)的原理框图；

图4是本发明震仪网络节点(NU)的原理框图；

图5是本发明震仪电源节点(PU)的原理框图；

图6是本发明震仪采集站(AU)的原理框图。

具体实施方式

本发明基于计算机网络的百万道级新型数字地震仪的特点是充分考虑了百万道级数字地震仪的数据传输特点，利用了不同的计算机网络满足不同的数据传输要求，采用千兆光纤完成数据主干网的数据传送，采用百兆电缆完成数据次干网的数据传送，采用专用的通信方式实现数据采集链的实时数据传送，达到了成本、功耗等的最佳配置。与国内外目前地震仪的不同之处是充分利用了计算机网络实现了一种特有的百万道级的地震采集仪器构架，并且具有野外布设灵活，施工方便等特点。具体如下：

本发明基于计算机网络的百万道级新型数字地震仪，其硬件部分由七大单元组成(见图1)：中央控制操作系统CCOS(Central Control Operation System)、根节点RU(Root Unit)、网络节点NU(Network Unit)、电源节点PU(Power Unit)、采集链AS(Acquisition String)、光缆FL(Fiber Line)和网线NL(Network Line)等。

本发明新型数字地震仪中根节点RU(见图1)是中央控制操作系统CCOS与野外设备(网络节点NU、电源节点PU、采集链AS、光缆FL等)的连接接口，与中央控制操作系统CCOS通过一条万兆网线或多条绑定的千兆网线相连接；多个网络节点NU可以通过光缆FL串接形成网络节点链NUS(Network Unit String)，并与根节点RU相连接，根节点RU可以连接一条或多条网络节点链NUS。由电源节点PU和采集链AS任意串接形成采集线AL((AcquisitionLine)，采集线AL上的任何一个电源节点PU通过一条百兆网线NL连接到网络节点NU上。

本发明新型数字地震仪中的中央控制操作系统CCOS(见图2)是整个仪器的控制中心和数据回收中心，实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收、质量控制等功能。中央控制操作系统CCOS一般置于仪器车上，是整个数字地震仪的主要控制单元，硬件部分由计算机服务器Server、网络交换机Switch、客户计算机终端PC、存储设备Storage device、绘图设备Plotting equipment和GPS等组成。软件由操作系统软件和控制操作软件等组成。中央控制操作系统CCOS通过一条万兆网线或多条绑定的千兆网线与根节点RU连接。计算机服务器Server可以采用曙光PHPC100高性能计算机两台，标配每台拥有PHPC100计算模块5套，10个多核CPU，160G内存，5块146G SAS硬盘，并可以实现3+1冗余电源配置。网络交换机Switch选用12口的高性能网络交换机，客户计算机终端PC选用工业控制级计算机，采用24时液晶屏。磁盘阵列采用10T的RAID5小型磁盘阵列，磁带机可以选用IBM3590磁带机。

本发明新型数字地震仪中的根节点RU(见图3)由高速交换模块SM(Switch module)、控制模块CM(Control module)、激发源控制接口模块ICES(Interface to control explosivesource)、电源模块PM(Power module)、辅助道接口模块IAC(Interface for auxiliarychannels)和GPS模块等组成。高速交换模块SM在不同道数情况下，选用不同的配置：如在100万道情况下，选用12口万兆交换模块，通过一条万兆网线与中央控制操作系统CCOS连接，并提供10个千兆光缆接口与网络节点链NUS等野外地面设备连接；在20万道情况下，选用4口以上千兆交换模块，通过2条绑定的千兆网线与中央控制操作系统CCOS连接，并提供2个千兆光缆接口与网络节点链NUS等野外地面设备连接，其余道数依次类推；控制模块CM可以选用PowerPC具有IEEE1588协议的CPU，根据中央控制操作系统CCOS的指令实现对高速交换模块SM、激发源控制接口模块ICES和辅助道接口模块IAC的控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。

地震仪器的数据流量由采集道数和采样率确定，我们按100万道和2ms采样率为例计算百万道级数字地震仪的实时数据流量。按2ms采样，每秒为500个采样点，每个数据按20位采样，100万道的数字地震仪每秒采集的数据流量为10Gb/s，即：

总数据量流量＝总道数×样点数/秒×位/样点＝1,000,000×500×20＝10,000,000,000。所以，根节点RU在通过一条万兆网线与中央控制操作系统CCOS连接和10个千兆光缆接口与网络节点链NUS等野外地面设备连接的情况下，可以基本满足100万道和2ms采样率采集时地震仪数据传送的需要。

本发明新型数字地震仪中的网络节点NU(图4)由高速交换模块SM、控制模块CM、电源模块PM和GPS模块等组成。数据交换模块SM为百兆/千兆交换机模块，千兆接口分别连接上一级网络节点NU和下一级网络节点NU，百兆接口连接电源节点PU。网络节点NU具有两种供电模式：一种为直接连接电池供电；另一种方式为通过特制的网线NL连接由电源节点PU供电。控制模块CM可以选用PowerPC具有IEEE1588协议的CPU如PowerPC 8313。

本发明新型数字地震仪中的网络节点链NUS(图1)由若干个网络节点NU通过光缆FL串接形成，并与根节点RU相连接。根节点RU可以连接一条或多条网络节点链NUS，形成百万道级数字地震仪系统数据传输主干网。

本发明新型数字地震仪中的电源节点PU(图5)由控制模块CM、电源模块PM和GPS模块等组成。控制模块CM具有一个百兆接口通过网线NL连接网络节点NU，并可以通过特殊的网线NL给网络节点NU供电。控制模块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集链AS。

本发明新型数字地震仪中的采集线AL(图1)可以由电源节点PU和采集链AS、采集链AS和采集链AS任意串接形成。采集线AL上的电源节点PU给两边的采集站AU提供电源供给，电源节点PU的供电能力确定了二个电源节点PU之间的最多采集站个数。在本系统中，电源节点PU把供电电瓶的12V电压提升到48-72V对采集站进行供电。由于线路损耗，采集站的供电电压范围在24-72V。在本系统中，两个电源站之间的采集站个数大约在60个到180个之间。

本发明新型数字地震仪中的采集链AS由若干个(为方便野外搬运一般为6个～12个)采集站AU(Acquisition Unit)通过电缆连接而成，采集站AU采集数字检波器的信号，并通过专用通信接口进行通信和数据传送。

本发明新型数字地震仪中的采集站AU(图6)由控制模块CM、电源模块PM和GPS模块等组成。控制模块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集站AU，具有一个专用接口连接常规检波器或MEMS等传感器。电源由电源节点PU通过通信接口采用“鬼对”方式远供，电源模块PM把所供的24-72V(由于线路损耗供电电压会随着供电的距离而降低，采集站的最低供电电压设定为24V)转换成采集站AU所需的各种电压。

本发明新型数字地震仪采用网络节点NU和电源节点PU通过特制的网线NL连接这种方式，使得网络节点链NUS中的网络节点NU可以连接到采集线AL上的任一电源节点PU，可以大大提高野外采集设备布设的灵活性。

经过控制方式的优化，还可以采用一条网络节点链NUS中的多个网络节点NU与一条采集线AL上的多个电源节点PU连接，或多条网络节点链NUS中的多个网络节点NU与一条采集线AL上的多个电源节点PU连接等方式增加野外采集设备布设的灵活性，并可以提高采集线AL数据流量从而增加采集线AL的连接长度。

由于充分考虑了百万道级数字地震仪的数据传输特点，利用了不同的计算机网络满足不同的数据传输要求，整个架构设计非常灵活，还可以设计出很多种三维地震勘探测线布设方案。下面以百万道布设为例描述一种完全平坦地貌的野外布设方法：

●每条采集线AL为2000个采集站，共计需要500条采集线AL(野外的测线)；

●根节点RU连接10条光缆，即10条网络节点链NUS。每条网络节点链NUS串接50个网络节点NU，连接50条采集线AL，每条网络节点链NUS的数据流量为1Gb/s：网络节点链的据量流量＝采集线数×道数/测线×样点数/秒×位/样点＝50×2000×500×20＝1,000,000,000(b/s)＝1Gb/s。

●设定每条采集链AS为10个采集站AU，2个电源节点PU之间可以连接10条采集链AS(100个采集站AU)，则每条采集线AL需要20个电源节点PU给2000个采集站AU提供电力。500条采集线AL需要1万个电源节点PU提供电力供应。

●设定采集站之间距离(野外称为道距)为10m，采集线之间距离(野外称为线距)为40m，上述布设大约可以覆盖20km×20km＝400km²的地表范围，一次激发可以覆盖大约10km×10km＝100km²的地下结构。