易碧金 穆群英 王蘇華 李 萍

(1.東方地球物理公司儀器服務(wù)中心 河北 涿州 072751;2.東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

隨著電子、通信、制造工藝等技術(shù)的發(fā)展以及物探技術(shù)快速發(fā)展對(duì)裝備的需求，集先進(jìn)技術(shù)于一體的地震儀器發(fā)展迅速。特別是地球物理勘探技術(shù)和無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展，把地球物理勘探開(kāi)發(fā)儀器帶入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，有線地震儀、無(wú)線地震儀、節(jié)點(diǎn)式地震儀、一體化地震儀、混合式地震儀等層出不窮。近年來(lái)，隨著物探技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)采集道數(shù)需求的進(jìn)一步提高、有線地震儀器的進(jìn)一步完善以及節(jié)點(diǎn)式地震儀應(yīng)用的成功嘗試，無(wú)線地震儀器的概念似乎在逐步淡出人們的視野。然而，無(wú)線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)注定了地球物理勘探開(kāi)發(fā)市場(chǎng)離不開(kāi) 無(wú) 線，GPS、BD、WiFi、TSCH (Time Synchronized Channel Hopping)、Bluetooth、RFID、4G、5G 以及MIMO、TDMA、CDMA、FDD - LTE、LTE FDD、C - RAN(Centralized，Cooperative and Cloud Radio Access Network)、SDR(軟件定義的無(wú)線電)、SDN(Software - Defined Networking)/NFV(Network Functions Virtualization)、UDN(Ultra-Dense Network)、multi - RAT、D2D(Device - to - Device)、SON(Self Organizing Network)、SE(Spectral Efficiency)、EE(Energy Efficiency)等無(wú)線及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的詞匯卻在物探裝備行業(yè)愈來(lái)愈引人矚目，與物探裝備的關(guān)系也越來(lái)越密切，正確認(rèn)知無(wú)線及其相關(guān)的技術(shù)對(duì)物探裝備的開(kāi)發(fā)、制造、測(cè)試與應(yīng)用越來(lái)越重要。

1 無(wú)線儀器發(fā)展概況

1.1 傳統(tǒng)無(wú)線遙測(cè)地震儀

自地球物理勘探開(kāi)發(fā)開(kāi)始至今，國(guó)內(nèi)外地球物理儀器生產(chǎn)商幾十年來(lái)就一直致力于無(wú)線地震儀器的探索與研究。無(wú)線遙測(cè)地震儀利用無(wú)線系統(tǒng)發(fā)送指令和傳輸采集數(shù)據(jù)，地震儀器的中央控制系統(tǒng)與地震數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)之間直接采用電臺(tái)進(jìn)行通信，省去了重型地震電纜的連接和運(yùn)輸，這不僅增加了儀器應(yīng)用的靈活性，排列部署更方便快捷，并且降低了數(shù)據(jù)采集作業(yè)對(duì)環(huán)境的影響，更適應(yīng)于地表通過(guò)較為困難的復(fù)雜地形以及海上勘探。具有代表性的是美國(guó)FairFiled 公司的BOX 和法國(guó)Sercel 公司的Eagle88 儀器等。BOX 以最大道能力8 000、傳輸距離達(dá)十公里而影響較大。

傳統(tǒng)的無(wú)線遙測(cè)地震儀均采用窄帶無(wú)線通訊方式實(shí)時(shí)傳輸采集的地震數(shù)據(jù)，其無(wú)線系統(tǒng)使用射頻通訊技術(shù)，而不是真正意義上的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)［1］。例如BOX 儀器采用了頻率合成、站內(nèi)疊加、軟件相關(guān)、QPSK 調(diào)制、多頻道回收等技術(shù)，可以同時(shí)以數(shù)十個(gè)頻道接收采集數(shù)據(jù)［2］。采用這種無(wú)線技術(shù)的儀器，主要受頻率資源的限制，使其在實(shí)時(shí)采集道數(shù)上難以擴(kuò)充，不能滿足如今大道數(shù)、大范圍數(shù)據(jù)采集的勘探作業(yè)需求，加之功耗較大，已難適應(yīng)物探對(duì)裝備的需求。

1.2 無(wú)纜節(jié)點(diǎn)儀器

無(wú)線地震儀和自主節(jié)點(diǎn)式地震儀也統(tǒng)稱無(wú)纜地震儀。近年來(lái)國(guó)際高端物探市場(chǎng)出現(xiàn)了以“兩寬一高”為代表的物探技術(shù)，而支撐該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的最大瓶頸是大型、經(jīng)濟(jì)、可靠的采集裝備系統(tǒng)?，F(xiàn)有的有線采集系統(tǒng)進(jìn)行高密度數(shù)據(jù)的采集，在成本和施工組織上已經(jīng)不能很好地適應(yīng)，因此催生了無(wú)纜節(jié)點(diǎn)儀器。近年來(lái)，無(wú)纜節(jié)點(diǎn)儀器在勘探儀器市場(chǎng)占據(jù)的份額在逐步增加。節(jié)點(diǎn)儀器不使用無(wú)線技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸采集的地震數(shù)據(jù)，只是在必要時(shí)應(yīng)用低功耗的無(wú)線技術(shù)(例如藍(lán)牙)來(lái)進(jìn)行采集點(diǎn)參數(shù)的配置、狀態(tài)信息的監(jiān)控，甚至完全不使用無(wú)線傳輸技術(shù)，所以這些儀器稱不上完全意義上的無(wú)線儀器。

最早提出并且應(yīng)用于地球物理勘探的節(jié)點(diǎn)儀器是東方地球物理公司研發(fā)的3S 儀器、日本JGI 公司的MS-2000 等。目前國(guó)內(nèi)、外有許多設(shè)備研發(fā)和生產(chǎn)制造廠家進(jìn)行無(wú)纜節(jié)點(diǎn)儀器的研究和生產(chǎn)服務(wù)，具有代表性的有INOVA 公司的HAWK，GEOSPACE 公司的GSX/GSR，F(xiàn)airfield 公司的Z_LAND 以及AutoSeis 公司的HDR 等。這些儀器的共同特點(diǎn)是:

1)無(wú)電纜，獨(dú)立式的采集站自主記錄數(shù)據(jù)，本地存儲(chǔ);

2)采集站內(nèi)置高靈敏度GPS 模塊和高精度時(shí)鐘源，實(shí)現(xiàn)精確的系統(tǒng)級(jí)同步采集;

3)低功耗設(shè)計(jì)，內(nèi)置高容量鋰電池或外接電池滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作;

4)通過(guò)激發(fā)點(diǎn)激發(fā)的GPS 時(shí)間提取出每道有用記錄數(shù)據(jù);

5)通過(guò)有線或無(wú)線串行接口，例如RS485、WiFi、Zigbee 或藍(lán)牙等近距離通信技術(shù)，輔助配置采集站的參數(shù)、回收站體狀態(tài)信息和采集數(shù)據(jù)狀況。

這些儀器的不足之處是不能在主機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控地震采集數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，只能通過(guò)手持設(shè)備以無(wú)線方式近距離回收;對(duì)地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析一般都要等到把采集站收到室內(nèi)后，連接到專用機(jī)架上下載每個(gè)采集站存儲(chǔ)的地震數(shù)據(jù)，并進(jìn)行道集合成后才能進(jìn)行。所以，不利于在野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制采集質(zhì)量。

1.3 新一代無(wú)線地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

人們習(xí)慣于把采用無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)采集(傳輸)的儀器稱為無(wú)線儀器。物探裝備行業(yè)也熟知最晚退出物探市場(chǎng)的BOX 無(wú)線地震儀器，我們暫且稱采用新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、性能(主要指實(shí)時(shí)采集道數(shù)、功耗等)大幅提高、能夠?qū)崟r(shí)集中紀(jì)錄地震數(shù)據(jù)的無(wú)線地震儀器系統(tǒng)為新一代的無(wú)線地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其最大的區(qū)別在于采用了新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)(有別于傳統(tǒng)的射頻傳輸)，使實(shí)時(shí)采集道數(shù)可以達(dá)到萬(wàn)道以上，并且功耗顯著降低。最早被認(rèn)為是新一代無(wú)線地震儀器的有美國(guó)iSeis?公司推出的SigmaTM、Wireless Seismic 2012 年推出的RT2、Sercel 公司的Unite 儀器等。

1)SigmaTM，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置GPS，連續(xù)記錄30 d的數(shù)據(jù)。總道數(shù)大于5 萬(wàn)道。采用Wi -Fi 技術(shù)傳輸采集的地震數(shù)據(jù)，采用MRN 技術(shù)進(jìn)行QC 監(jiān)控及地面站單元的遠(yuǎn)程控制。并且具有多種時(shí)間選項(xiàng)、多種數(shù)據(jù)回收選項(xiàng)［3］。

2)RT2 具有地震數(shù)據(jù)的連續(xù)同步采集和無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸功能，能實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境噪音。其采集站有數(shù)據(jù)壓縮和疊加功能。除了傳輸是無(wú)線外，放炮類似于有線儀器。每個(gè)采集站既是采集站也是中繼站，以逐個(gè)接力方式回傳到線接口單元，實(shí)現(xiàn)一個(gè)排列的數(shù)據(jù)傳輸。在連續(xù)記錄模式下，單線實(shí)時(shí)在2 ms 采樣率帶道能力為400道;具有5 萬(wàn)道的實(shí)時(shí)傳輸采集能力［4］。

2 不同無(wú)線技術(shù)在無(wú)線地震儀器中的功用

2.1 VHF

甚高頻(VHF)，這一30 MHz ～300 MHz 的無(wú)線電頻帶，包含了大家熟知的石油行業(yè)專用通信頻率。因?yàn)樗稍谝暰喾秶鷥?nèi)進(jìn)行通信，早期的無(wú)線遙測(cè)地震儀大多使用VHF 通信技術(shù)。例如Fairfield 公司的BOX 儀器，其工作頻率在214 MHz ～234 MHz 通頻帶，每個(gè)頻道帶寬20 kHz，最大可提供1 000 個(gè)無(wú)線通道，可以實(shí)現(xiàn)4 000道或8 000 道的實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)采集(每個(gè)采集站設(shè)計(jì)為四道或八道)。但由于VHF 通信方式提供的通道數(shù)有限(不適合當(dāng)前的高密度大道數(shù)施工需求)，通信距離限制在視線距離內(nèi)且受制于主機(jī)發(fā)射功率，傳輸質(zhì)量易受電視臺(tái)等其它空間電磁干擾以及地形地物的影響等原因，VHF 傳輸技術(shù)正逐步淡出地震數(shù)據(jù)傳輸舞臺(tái)。但相對(duì)而言，這種傳統(tǒng)技術(shù)的傳輸距離較遠(yuǎn)，作為一種集中的同步方式仍然具有研發(fā)的價(jià)值和潛在的應(yīng)用市場(chǎng)。

2.2 藍(lán)牙(Bluetooth)

藍(lán)牙(Bluetooth)是一種工作在2.4 GHz ISM 頻段、比較老但仍活力十足的短距離無(wú)線通信技術(shù)。它使用簡(jiǎn)單，能確保多種設(shè)備連接的互操作性，能以最低耗能提供持久的無(wú)線連接。它采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信;采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。能為固定與移動(dòng)設(shè)備之間提供低成本的近距離無(wú)線連接，這也是最早用于地震儀器的一種近場(chǎng)通信技術(shù)。但由于通信距離短，速率也不高，在地震節(jié)點(diǎn)儀器中，主要用于手持設(shè)備對(duì)采集節(jié)點(diǎn)的近距離控制與數(shù)據(jù)回收。

藍(lán)牙已經(jīng)發(fā)布從1.1 至4.2 共8 個(gè)版本，傳輸速率分別為748 kbps ～810 kbps(1.1 版)、748 kbps ～810 kbps、1.8 Mbps ～2.1 Mbps(2.0 版)、24 Mbps(4.0 版)、60 Mpbs(4.2 版)。有效覆蓋范圍從10 m(4.0 之前的版本)擴(kuò)大到100 m。4.0 版的低功耗;4.1 版提升了連接質(zhì)量，重連時(shí)間間隔靈活、可變，同時(shí)改善了與LTE 等最新一代蜂窩技術(shù)的無(wú)縫協(xié)作，降低了近帶干擾;4.2 版本除提高數(shù)據(jù)傳輸速度和安全性外，還增添了IPv6 協(xié)議下的“設(shè)備直接聯(lián)網(wǎng)”，允許多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備通過(guò)一個(gè)終端接入局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng);更值得關(guān)注的是SIG(Bluetooth Special Interest Group)在2015 年正式宣布成立Bluetooth?Smart Mesh 工作組。這一工作組將構(gòu)建架構(gòu)，助力Bluetooth Smart 技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的mesh 網(wǎng)絡(luò)功能，而這一技術(shù)也同樣認(rèn)為是適合于大規(guī)模地震數(shù)據(jù)采集的無(wú)線監(jiān)控技術(shù)。藍(lán)牙的小巧、省電，非常適用于地震儀器采集節(jié)點(diǎn)這些體積較小、運(yùn)行功率很低、通信距離不長(zhǎng)的設(shè)備的無(wú)線連接應(yīng)用。特別是低功耗藍(lán)牙(LE)采用了一種簡(jiǎn)單的協(xié)議棧，在減少待機(jī)功耗、降低峰值功率和實(shí)現(xiàn)高速連接三個(gè)方面具有優(yōu)勢(shì)，正在獲得越來(lái)越多元件與模塊供應(yīng)商的支持。隨著其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善，這一技術(shù)在地震中的應(yīng)用將日趨廣泛。

2.3 RFID、NFC

RFID(射頻識(shí)別)是一種利用射頻信號(hào)來(lái)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)、而識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間無(wú)需建立機(jī)械或光學(xué)接觸的近距離無(wú)線通信技術(shù)。RFID 技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展最為關(guān)鍵技術(shù)。與條形碼不同，射頻標(biāo)簽可以嵌入被追蹤物體內(nèi)部而無(wú)需處于識(shí)別器視線之內(nèi);另外這種非接觸識(shí)別能穿透冰、雪、霧、涂料、塵垢和條形碼無(wú)法使用的惡劣環(huán)境閱讀標(biāo)簽，并且閱讀速度極快(小于100 ms)。RFID 產(chǎn)品可以采用許多種載波頻率，見(jiàn)表1，涵蓋了低頻、高頻、超高頻及微波，通信的距離從幾厘米至十多米，由于其具有讀取方便快捷、識(shí)別速度快、數(shù)據(jù)的記憶容量大、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)更改、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)通信(50 次/s ～100 次/s)、安全性好、使用壽命長(zhǎng)、應(yīng)用范圍廣等特性而越來(lái)越受矚目。隨著高效、高精度勘探發(fā)展對(duì)物體裝備數(shù)量的急劇增加，設(shè)備數(shù)字化、精細(xì)化管理的需求，在物探市場(chǎng)，RFID 技術(shù)作為條碼技術(shù)的替代已逐步成為物探設(shè)備物資管理的手段，并且成功應(yīng)用到了地震儀器中。特別是半有源RFID 技術(shù)(近距離激活定位、遠(yuǎn)距離識(shí)別及上傳數(shù)據(jù)的低頻激活觸發(fā)技術(shù))，在電池供電的無(wú)線地震儀器中將會(huì)有廣闊的應(yīng)用空間。

表1 RFID 頻段及應(yīng)用

NFC(Near Field Communication)是2002 年發(fā)明的一項(xiàng)無(wú)線技術(shù)。NFC 技術(shù)RFID 及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來(lái)，在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功能，具有雙向連接和識(shí)別的特點(diǎn)，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。NFC 工作在13.56 MHz;具有卡片模擬(無(wú)源模式)、讀/寫(有源模式)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)三種工作模式;傳輸速率從106 kbps 到424 kbps。雖然NFC 是RFID 技術(shù)的一個(gè)子集，但它具有一些獨(dú)特的增強(qiáng)性能:更短距離(＜10 cm)、直觀的鏈接過(guò)程、能夠與無(wú)源的RFID 產(chǎn)品進(jìn)行通信、與藍(lán)牙和Wi - Fi 協(xié)作。這個(gè)開(kāi)放的接口平臺(tái)，可以對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速、主動(dòng)設(shè)置，也是虛擬連接器，服務(wù)于現(xiàn)有蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙和無(wú)線802.11 設(shè)備。

2.4 Zigbee

ZigBee 是一種基于IEEE802.15.4 規(guī)范、工作在2.4 GHz 和868 MHz/915 MHz 頻段的無(wú)線技術(shù)。由于它低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)率、自組網(wǎng)的特點(diǎn)，在自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域應(yīng)用愈來(lái)愈廣。這種適用于近距離控制與數(shù)據(jù)回收的無(wú)線通信技術(shù)，目前已經(jīng)應(yīng)用于地球物理重、磁、電等非地震勘探領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備中。理論上ZigBee 通訊的覆蓋面積可無(wú)限擴(kuò)展，其低數(shù)據(jù)速率無(wú)法應(yīng)對(duì)高精度勘探中大數(shù)據(jù)量的傳輸，但其帶路由的自組網(wǎng)功能正被物探裝備技術(shù)開(kāi)發(fā)人員嘗試應(yīng)用于超大規(guī)模節(jié)點(diǎn)采集應(yīng)用場(chǎng)合的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。

2.5 WiFi、MeshWiFi、TSCH

除了以上例舉的幾種短距離場(chǎng)通信技術(shù)之外，還有一種大家較為熟悉的短距離場(chǎng)通信技術(shù)—WiFi，與藍(lán)牙等不同，WiFi 可以應(yīng)用于較大數(shù)據(jù)傳輸、傳輸速率可以達(dá)到300 Mbps 到1 Gbps。目前成功應(yīng)用于地震儀器中小范圍區(qū)域控制與數(shù)據(jù)回收。

由于Wi -Fi 的一些局限性，近年來(lái)出現(xiàn)了針對(duì)Wi-Fi 技術(shù)改進(jìn)或完善的先進(jìn)技術(shù)，例如無(wú)需額外的發(fā)射功率和頻譜資源就可以極大地提高無(wú)線通信系統(tǒng)容量的MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)，兼容Wi -Fi、增加傳輸距離和移動(dòng)性、擴(kuò)展Wi-Fi 應(yīng)用的Mesh (無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng))網(wǎng)絡(luò)。Mesh 網(wǎng)基于多跳路由、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有移動(dòng)寬帶的特性，自組網(wǎng)、自管理，自動(dòng)修復(fù)、自我平衡以及能夠利用功率相對(duì)低的無(wú)線電設(shè)備在節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)信息等功能而得到了越來(lái)越廣泛的采用。特別是TSCH(時(shí)間同步通道跳頻)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)在一些最嚴(yán)苛的環(huán)境中得到證實(shí)。TSCH 已經(jīng)成為 WirelessHART(IEC62591)等現(xiàn)有工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件。如今，SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到廣泛使用。

3 無(wú)線儀器面臨的機(jī)遇、挑戰(zhàn)與解決方案

3.1 無(wú)線儀器發(fā)展的機(jī)遇

無(wú)線通信技術(shù)、物探技術(shù)的發(fā)展，給無(wú)線地震儀器的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。一方面，隨著地球物理勘探區(qū)域向城市、沙漠、丘陵、江湖、山地、黃土塬、沼澤、海洋等復(fù)雜地區(qū)延伸;“兩寬一高”以及環(huán)保和高效勘探的需求，推動(dòng)對(duì)具有靈活特點(diǎn)的大型無(wú)線地震儀器的需求。另一方面，大數(shù)據(jù)時(shí)代，特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，極大地推動(dòng)了無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展。無(wú)線技術(shù)的完善、標(biāo)準(zhǔn)化，各種特色傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相互融合，給無(wú)線地震儀器的研發(fā)提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力。

1)移動(dòng)通信技術(shù)。移動(dòng)終端可連接地面網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)，可移動(dòng)使用和固定使用，可與衛(wèi)星業(yè)務(wù)共存和互連;移動(dòng)通信從1G、2G、3G、4G、再到正在討論的5G 通信技術(shù);在任何地方用寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)、提供定位定時(shí)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制。無(wú)線技術(shù)的每次進(jìn)展都會(huì)給物探地震儀器帶來(lái)很大的影響。

2)無(wú)線通信協(xié)議。通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的推出是一種技術(shù)或產(chǎn)品成熟的標(biāo)志，近年來(lái)基于802.15 的無(wú)線通信新標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議不斷公布，使得LOT(物聯(lián)網(wǎng))、智能家居系統(tǒng)、低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)等采用不同無(wú)線傳輸技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)形成，兼容性、接入性愈來(lái)愈完善，網(wǎng)絡(luò)帶寬大大增加。例如，許多LoT 技術(shù)就是以IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)物理層為基礎(chǔ)構(gòu)建的，包括ZigBee 和WirelessHART。WSN 采用IEEE 802.15.4 定義的2.4 GHz、16 通道擴(kuò)頻低功率物理層，與單通道802.15.4 WSN 相比，TSCH 網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬擴(kuò)大到15 倍。

3)無(wú)線傳輸芯片。LOT、智能家居等的巨大商機(jī)推動(dòng)了無(wú)線芯片開(kāi)發(fā)廠商不斷推出新型功能強(qiáng)大、兼容多種協(xié)議、功耗低的“微控制器+無(wú)線通信”器件，全面滿足不同聯(lián)網(wǎng)需求。無(wú)線技術(shù)集成一體化已成為一種趨勢(shì)，未來(lái)會(huì)出現(xiàn)類似藍(lán)牙+WiFi +NFC 等集成產(chǎn)品。例如802.15.4 收發(fā)器在休眠、接收和發(fā)送等方式的功耗一直穩(wěn)步下降，LTC5800 -IPM 比前一代802.15.4 收發(fā)器低3 至5 倍。NFC 器件MLX90130/32 單顆芯片支持多種協(xié)議、芯片功耗低(休眠模式1 μA，睡眠模式20 μA，工作模式100 mA，標(biāo)簽探測(cè)模式22 μA)。整合TSCH 與低功率硬件將在地震儀器的節(jié)點(diǎn)采集聯(lián)網(wǎng)中可產(chǎn)生巨大威力。

3.2 無(wú)線儀器發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)

地震儀器最為關(guān)鍵的技術(shù)之一是通信。在有線地震儀器中，通信信號(hào)在有限的電纜中傳播，通信通過(guò)電纜系統(tǒng)與外界隔離，是一個(gè)相對(duì)封閉的傳輸環(huán)境，因此有線地震儀器具有排列穩(wěn)定、抗干擾等優(yōu)越性。與此不同，無(wú)線儀器的核心是無(wú)線通信技術(shù)，RF 信號(hào)是在一個(gè)開(kāi)放的空間傳播，是一種不可預(yù)測(cè)的通信介質(zhì)，與周圍環(huán)境相互影響。其它RF 信號(hào)傳輸源會(huì)對(duì)有用RF 信號(hào)引起有源干擾。較常見(jiàn)的是多徑衰落的影響，而更為嚴(yán)峻的是多徑衰落是不可預(yù)測(cè)的。無(wú)線傳輸在無(wú)線性能增強(qiáng)技術(shù)、功率控制與管理、抗干擾和穩(wěn)定性方面得到提高，在不可預(yù)測(cè)的通信介質(zhì)上建立起可預(yù)測(cè)的通信網(wǎng)絡(luò)，一直是無(wú)線地震儀器要挑戰(zhàn)的內(nèi)容。

無(wú)線儀器的另外一個(gè)更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是面對(duì)幾十萬(wàn)道乃至百萬(wàn)道的地震數(shù)據(jù)采集時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率和頻率資源的利用。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，采用通道跳頻實(shí)現(xiàn)頻率多樣性，可以最大限度減小多徑衰落的負(fù)面影響。但要在復(fù)雜區(qū)域下進(jìn)行高效益、高分辨率勘探時(shí)，滿足大道數(shù)、大數(shù)據(jù)、大動(dòng)態(tài)、低成本的需求，無(wú)線地震儀器同樣面臨同步、采集數(shù)據(jù)傳輸管理、系統(tǒng)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。為滿足“兩寬一高”的大道數(shù)地震數(shù)據(jù)采集作業(yè)需求，能否在大型多跳網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)用通道跳頻技術(shù)，并且滿足時(shí)間(同步)、速率(數(shù)據(jù)傳輸率和數(shù)據(jù)傳輸效率)和可靠性的需求成為新的挑戰(zhàn)。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)必須能夠滿足規(guī)模非常大的網(wǎng)絡(luò)需求，按照期望的時(shí)間間隔發(fā)布數(shù)據(jù)，并在不犧牲可靠性或網(wǎng)絡(luò)可用性的前提下實(shí)現(xiàn)低功率。

3.3 無(wú)線儀器的解決方案

地震儀器的關(guān)鍵技術(shù)離不開(kāi)采集節(jié)點(diǎn)的控制與采集數(shù)據(jù)的傳輸，無(wú)線地震儀器在此基礎(chǔ)上還需要重點(diǎn)考慮整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性、采集與傳輸設(shè)備的功耗、排列部署及附屬設(shè)備(例如電池與充電)的管理。無(wú)線技術(shù)都是為特定的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出來(lái)的，目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的各種不同通信方式都是服務(wù)于特定的應(yīng)用場(chǎng)景。由于地球物理勘探數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，單一地采用或移植目前其它領(lǐng)域成熟的無(wú)線技術(shù)，很難滿足物探行業(yè)的實(shí)際需求，需要針對(duì)物探數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的無(wú)線傳輸技術(shù)，但這需要巨大的投入。一個(gè)折中的方法是充分利用市場(chǎng)現(xiàn)有技術(shù)及新的技術(shù)進(jìn)行裁剪與優(yōu)化的個(gè)性化改造，最有效的方法之一是對(duì)目前各種特定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行集成化改造，不同通訊或傳輸技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，針對(duì)具體的數(shù)據(jù)采集作業(yè)項(xiàng)目，靈活選擇與之相匹配的技術(shù)來(lái)達(dá)到高效、高質(zhì)、低成本的勘探開(kāi)發(fā)的需求［5］。

lot、WSN 的發(fā)展和完善為無(wú)線地震儀器的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)采集提供了很好的技術(shù)支持。尤其是采用TSCH 技術(shù)的網(wǎng)格架構(gòu)，跨整個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)間同步，嚴(yán)密協(xié)調(diào)通信及頻道使用，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度在幾十微妙以內(nèi);TSCH 網(wǎng)絡(luò)的流量傳送可以動(dòng)態(tài)地安排在各個(gè)時(shí)隙中，既實(shí)現(xiàn)了配對(duì)的通道跳頻、完整路徑和頻率多樣性，如圖1［1］所示，也實(shí)現(xiàn)了低功耗數(shù)據(jù)包交換和高可用性動(dòng)態(tài)占空比。這些特點(diǎn)可較好地滿足節(jié)點(diǎn)式自主采集的遠(yuǎn)程監(jiān)控需求。時(shí)間同步化網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的推出及成功應(yīng)用，說(shuō)明低功耗無(wú)線系統(tǒng)的應(yīng)用變成了現(xiàn)實(shí)。

圖1 路徑和頻率多樣性—節(jié)點(diǎn)D 連接B 失敗時(shí)，會(huì)利用通路多樣性和頻率多樣性嘗試連接C 通道。

4 結(jié)論與建議

無(wú)線地震儀器，特別是無(wú)線與存儲(chǔ)相結(jié)合的新型無(wú)線地震儀器提供了很有誘惑力的前景，隨著集成一體化技術(shù)的發(fā)展、無(wú)線通訊技術(shù)的整合和彼此協(xié)作，無(wú)線通信的未來(lái)必然是各種無(wú)線技術(shù)互補(bǔ)發(fā)展，向網(wǎng)絡(luò)一體化、接入多元化、應(yīng)用綜合化的寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。Bluetooth、Wi -Fi、Mesh、TSCH 等技術(shù)在HAWK、RT2 等地震儀器或其它無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。隨著無(wú)線技術(shù)本身的發(fā)展和進(jìn)一步優(yōu)化，LTE、Wi-MAX、TSCH 和Zigbee 等新型互補(bǔ)性接入技術(shù)的應(yīng)用，使得在任何復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下，采用無(wú)線路由和多點(diǎn)無(wú)縫接入傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙傳輸通信，滿足大道數(shù)、全數(shù)字的實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)采集在不久的將來(lái)將成為現(xiàn)實(shí)。無(wú)線系統(tǒng)可提供與有線系統(tǒng)相媲美的可靠性，代替有線系統(tǒng)而做到更輕便化簡(jiǎn)單化。

［1］吳海超，林 君，張林行.地震儀器中應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)研究［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27(4):1822 -1831.

［2］易碧金，穆群英，羅富龍.當(dāng)前地震勘探儀器的應(yīng)用技術(shù)分析［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2004，19(4):837 -846.

［3］iSeis?(International Seismic Co.，Seismic Source Co)公司.SigmaTM地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介.(資料)

［4］美國(guó)Wireless Seismic 技術(shù)公司.RT2 地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介.(資料)

［5］劉振武，撒利明，董世泰，等.地震數(shù)據(jù)采集核心裝備現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］，石油地球物理勘探，2013，48(4):663-675.