甘志強,孫祥娥,夏 穎

(1.長江大學(xué) 電子信息學(xué)院,湖北 荊州 434023;2.中國石油集團東方地球物理公司 西安物探裝備分公司,陜西 西安 710077)

引 言

地震勘探利用人工地震波在遇到不同密度媒質(zhì)的分界面時會發(fā)生波的反射現(xiàn)象的基本原理獲取地下構(gòu)造特征信息,是當(dāng)前最為經(jīng)濟、有效的油氣資源勘探技術(shù)。隨著油氣勘探的不斷深入,埋藏淺、構(gòu)造容易落實、儲集性能較好的油氣藏分布情況已經(jīng)基本掌握,而對于埋藏深、構(gòu)造復(fù)雜的油氣資源需要應(yīng)用高精度的地震勘探方法才能更加清楚的認識,從而以“寬頻帶、寬方位、高密度、高效率、大道數(shù)”為特征的高精度地震勘探方法逐步得到規(guī)?；瘧?yīng)用。傳統(tǒng)地震勘探作業(yè)時,單位時間內(nèi)只采集單個激發(fā)源的反射波,已不能滿足當(dāng)前勘探作業(yè)的需求。混疊采集是近年來新發(fā)展起來的一種地震勘探高效作業(yè)新方法[1],主要特征是在極小的時間間隔內(nèi)同時激發(fā)多個震源,并接收、記錄來自多個激發(fā)源的混疊反射波。因此,混疊采集數(shù)據(jù)中不同激發(fā)源產(chǎn)生的反射波分離效果將直接影響描述地下構(gòu)造特征的地震剖面品質(zhì)[2-3]。

地震勘探過程中,為了提升混疊數(shù)據(jù)分離的效果,對激發(fā)控制有著特殊的要求,一方面要求激發(fā)時間具有較強的隨機分布特征,另外一方面還要求按設(shè)計規(guī)則輸出的激發(fā)時間能夠在某一小的時間窗口內(nèi)抖動。為了克服這些難題,本文提出一種混疊激發(fā)時間產(chǎn)生算法,并選用ST公司的STM32L475作為微控制器,ublox公司的MAX-7Q作為衛(wèi)星接收模塊,TI公司低功耗、高精度的ADS1292作為隨機數(shù)種子數(shù)據(jù)的采集芯片設(shè)計了混疊激發(fā)控制系統(tǒng)[4-6],用于地震勘探高效混疊采集時2個或2個以上激發(fā)源同時激發(fā)。這套系統(tǒng)基于衛(wèi)星授時技術(shù),以當(dāng)前炮的上一炮激發(fā)時間的整秒部分為基礎(chǔ),基于位置坐標(biāo)、先后順序、時距控制等參數(shù),以地震檢波器拾取的振動數(shù)據(jù)作為種子,隨機產(chǎn)生一個指定窗口內(nèi)小抖動的隨機數(shù)作為炮點激發(fā)的顫動時間,以提高激發(fā)抖動激發(fā)時間的隨機性,為混疊數(shù)據(jù)有效分離奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)基于復(fù)雜的軟硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)混疊激發(fā)控制時間生成和炮點的高精度啟爆控制,需要解決的問題包括：(1)低功耗、高精度衛(wèi)星時鐘同步的實現(xiàn);(2)符合正態(tài)隨機分布特征的地震勘探激發(fā)控制時間的生成;(3)基于生成時間序列的高精度啟爆控制。整個系統(tǒng)分為主控端和受控端兩部分(圖1)。

主控端和受控端內(nèi)置的衛(wèi)星接收模塊按照設(shè)定的時間周期啟動,在接收并解析衛(wèi)星信號后輸出秒脈沖信號和對應(yīng)歷元信息到STM32L475;STM32L475根據(jù)接收到的信息計算本地時鐘與衛(wèi)星時鐘間的偏差,并輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)電壓牽引壓控晶振的頻率,使工作頻率靠近晶振的中心頻率,實現(xiàn)衛(wèi)星時間同步和本地時鐘的校準(zhǔn)。

在完成本地時鐘校準(zhǔn)后,即可進入激發(fā)控制工作流程,步驟如下：

(1)主控端的STM32L475可根據(jù)待激發(fā)炮點的位置、時距控制參數(shù)以及振動傳感數(shù)據(jù)生成隨機性較強的混疊激發(fā)控制時間傳輸?shù)娇刂浦鳈C;

(2)控制主機顯示記錄該信息并通過無線傳輸電臺發(fā)送給受控端;

(3)受控端接收到來自主控端的含有激發(fā)控制時間信息的啟爆指令后,啟動激發(fā)控制中斷程序,進入激發(fā)倒計時,控制炮點在激發(fā)控制時間啟爆,最大控制誤差不大于20 μs;

圖1 混疊激發(fā)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of aliasing excitation control system

(4)在炮點激發(fā)完成后,受控制端記錄、顯示遙爆系統(tǒng)的啟爆中斷信號的時間,并將炮點激發(fā)位置、激發(fā)組號、實際激發(fā)時間等編碼形成激發(fā)完成信息通過無線傳輸模塊發(fā)送給主控端;

(5)主控端解碼并顯示來自受控端的激發(fā)完成信息,并校對實際激發(fā)信息是否與生成信息相符(誤差不大于20 μs)。

2 軟硬件設(shè)計

由于野外地震勘探環(huán)境的復(fù)雜性和混疊采集作業(yè)的特殊需求,時鐘精度、控制精度、功耗和激發(fā)的隨機性是系統(tǒng)設(shè)計時需要關(guān)注的重點內(nèi)容。系統(tǒng)使用GPS/BDS時鐘作為混疊激發(fā)控制的基準(zhǔn)時鐘,以解決系統(tǒng)時鐘精度、激發(fā)控制精度的問題。同時,通過基于MAX-7Q、STM32L475、SDINBDG4-16G-XI1等器件的低功耗設(shè)計技術(shù),結(jié)合周期性啟動MAX-7Q模塊進行時鐘同步的算法,降低系統(tǒng)的整體功耗[7-8]。基于前述設(shè)計,以當(dāng)前炮的上一炮激發(fā)時間的整秒部分為基礎(chǔ),根據(jù)激發(fā)源所處位置、準(zhǔn)備好的順序、時-距規(guī)則參數(shù)等信息,以低功耗、高精度的ADS1292芯片和地震檢波器拾取的振動數(shù)據(jù)作為種子,隨機產(chǎn)生一個指定窗口內(nèi)小抖動的隨機數(shù)作為炮點激發(fā)的顫動時間,用于控制炮點的啟爆時間,以提高激發(fā)時間的隨機性[9-11]。針對壓控晶體振蕩器(Voltage Controlled Crystal Oscillator,以下簡稱VCXO)的頻率校準(zhǔn)參數(shù)選擇、周期性時鐘同步算法和小窗口隨機數(shù)生成是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點。

2.1 晶振頻率控制

壓控晶振是通過控制電壓“牽引”輸出振蕩信號的頻率,選用的壓控晶振的輸出頻率會隨著控制電壓升高而升高,但是由于制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)批次不同等多方面原因,同一型號的壓控晶振的電壓-頻率曲線都會有差異[12-13]。因此,牽引電壓和壓控晶振頻率變化關(guān)系的獲取是衛(wèi)星時鐘同步需要解決的關(guān)鍵問題。一般條件下,野外施工現(xiàn)場環(huán)境溫度在短期內(nèi)不會劇烈變化,使得晶振頻率也不會發(fā)生大幅度變化,可以將這個較短時間段內(nèi)控制電壓和輸出頻率關(guān)系曲線近似看作線性曲線,如圖2所示。圖2中Vc表示中心頻率fc(即16.384 MHz)對應(yīng)的控制電壓;ΔfL為晶振輸出頻率波動下限,ΔVL為對應(yīng)控制電壓調(diào)整量;ΔfH為晶振輸出頻率波動上限,ΔVH為對應(yīng)控制電壓調(diào)整量。(Vc-ΔVL,Vc+ΔVH)為用于晶振頻率控制的控制電壓微調(diào)區(qū)間,(fc-ΔfL,fc+ΔfH)為頻率變化范圍。

圖2 VCXO電壓-頻率特性曲線Fig.2 VCXO voltage-frequency characteristic curve

結(jié)合圖1的硬件架構(gòu),壓控晶振輸出頻率調(diào)節(jié)模型建立步驟描述如下：

(1)STM32L475根據(jù)選用壓控晶振的性能參數(shù),輸出對應(yīng)Vc,作為初始控制量C1,控制VCXO輸出振蕩信號頻率在其標(biāo)稱輸出頻率附近;

(2)初始化STM32L475內(nèi)置Timer1、Timer2、Timer5的時鐘頻率為F。將Timer1設(shè)置為上升沿捕獲工作模式,Timer2設(shè)置為PWM脈沖輸出模式,產(chǎn)生周期為1 s的脈沖信號;Timer5設(shè)置為向上計數(shù)工作模式;

(3)當(dāng)Timer1捕獲到來自衛(wèi)星接收模塊的第一個PPS信號時,立即啟動Timer2輸出周期為1 s的脈沖信號,并同時開啟Timer5開始計數(shù);

(4)在STM32L475輸出初始控制量C1的同時,Timer5對連續(xù)k(k≥1)個PPS上升沿進行計數(shù),記為N1。

(5)STM32L475將控制量增加至C2并輸出,Timer5對連續(xù)k(k≥1)個PPS上升沿進行計數(shù),記為N2。

(6) 根據(jù)2次Timer5的計數(shù)N1、N2,計算STM32L475輸出控制量每變化1個單位對應(yīng)Timer5的計數(shù)值c0：

(1)

2.2 周期性時鐘同步

一般情況下,地震勘探作業(yè)要求地震勘探數(shù)據(jù)采集和炮點激發(fā)時刻的時間誤差不大于20 μs。如圖3所示,STM32L475收到衛(wèi)星接收模塊輸出的授時信息后,在PPS到來時刻對板載RTC時鐘進行配置,實現(xiàn)衛(wèi)星時間同步。之后,按照預(yù)置的時間間隔啟動衛(wèi)星接收模塊,計算本地時鐘與衛(wèi)星時鐘的偏差,并利用晶振的壓控-頻率特性進行調(diào)節(jié),確保本地RTC時鐘的準(zhǔn)確度。為確保本地時鐘的調(diào)節(jié)精度,使用增量PID算法調(diào)整壓控晶振的輸出信號頻率。

設(shè)u(k)是第k次根據(jù)PID算法計算得到的控制量。由PID算法可知,u(k)和Timer5計數(shù)值的關(guān)系：

(2)

式中：e(k)為第k次PID預(yù)計輸出值與待調(diào)節(jié)Timer5計數(shù)值間的誤差;Kp為PID控制的比例放大系數(shù);Ki和Kd分別為積分、微分參數(shù)。由公式(2)可知,如果某次計算溢出等原因輸出錯誤的控制量u(k),會引起晶振頻率發(fā)生大幅度變化,影響調(diào)節(jié)精度。這個問題可通過只輸出控制量增量的方法解決：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)。

(3)

式中：Δu(k)為當(dāng)前、上一次PID算法輸出控制量的差值。式(2)代入式(3)可得：

Δu(k)=Kp·Δe(k)+Ki·e(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)]。

(4)

式中：Δe(k)=e(k)-e(k-1),為第k、k-1次待調(diào)節(jié)的晶振計數(shù)值的差值。再由式(1)和式(4)計算可得STM32L475輸出控制量的變化量ΔC(k)：

(5)

2.3 小窗口隨機數(shù)生成

正態(tài)分布是一種常見的概率密度分布函數(shù),在人們的生產(chǎn)、生活中廣泛應(yīng)用。在地震勘探領(lǐng)域,也有用于濾除或衰減符合正態(tài)分布隨機噪聲的成熟數(shù)據(jù)處理方法和流程。因此,本文提出使用高精度ADC芯片采集振動傳感器的數(shù)據(jù)作為產(chǎn)生符合正態(tài)分布抖動時間的種子,再擴展成所需的隨機數(shù)[14-16]。

假設(shè)地震檢波器采集的數(shù)據(jù)t0作為產(chǎn)生隨機數(shù)的種子,生成小窗口隨機數(shù)過程如下：

首先使用種子t0生成n個符合(0,1)區(qū)間均勻分布的隨機序列x1,x2,…,xn：

(6)

式中：a、b、base為常數(shù);ti為計算過程參數(shù),t0表示地震檢波器采集的數(shù)據(jù),是產(chǎn)生隨機序列的種子;xi為符合(0,1)區(qū)間均勻分布的隨機數(shù);“?」”表示向下取整。

再使用由公式(6)生成的隨機序列x1,x2,…,xn,分別代入下式,得到正態(tài)分布隨機數(shù)y：

(7)

式中：μ、σ分別是正態(tài)分布隨機數(shù)的數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)差。在用于生成源激發(fā)控制時間時,μ用于表征根據(jù)相應(yīng)規(guī)則計算得到的兩次激發(fā)之間的時間間隔;σ用于控制在μ基礎(chǔ)上的時間抖動范圍。

3 測試驗證

為了驗證提出方法的有效性,微控制器選用內(nèi)置有溫度傳感器的STM32L475,衛(wèi)星接收模塊選用ublox公司的MAX-7Q,使用TI公司低功耗、高精度的ADS1292作為ADC模塊,振動傳感器選用地震勘探常見的動圈式檢波器,按照圖1所示硬件架構(gòu)進行電路設(shè)計,主控端電路板實物圖如圖3所示,受控端硬件實物圖如圖4所示。

圖3 主控端電路板實物圖Fig.3 Physical picture of circuit board at main control terminal

圖4 受控端硬件實物圖Fig.4 Physical picture of hardware at controlled terminal

3.1 時鐘同步精度

MAX-7Q的工作功耗約50 mW,待機功耗約11 mW。圖5給出了24 h不同GPS同步周期的時鐘偏差曲線,可見同步周期越小,時鐘偏移值越小,但功耗會隨之升高?？紤]到系統(tǒng)低功耗的設(shè)計需求,最終選擇GPS時鐘同步周期為5 min,使得系統(tǒng)平均工作功耗大約維持在50 mW。

圖5 不同GPS同步周期的時鐘偏移曲線Fig.5 Clock offset curves of different GPS synchronization cycles

使用2塊主控端電路板,即主控板A和主控板B,工作在開闊地,確保其處于衛(wèi)星信號良好的條件下。主控板A每5 min記錄一次本地時鐘相對BDS/GPS時鐘的偏差,并使用如前所述的校準(zhǔn)算法校正本地時鐘的相對偏差;主控板B每5 min記錄一次本地時鐘相對GPS時鐘的偏差,但不使用校準(zhǔn)算法。由圖6可知,未進行時鐘偏差校正的主控板B 1 h的時鐘偏差近100 μs,而進行時鐘偏差校正的主控板A的時間偏差始終不大于5 μs。

圖6 1 h時鐘偏差曲線Fig.6 1h clock deviation curve

3.2 激發(fā)時間隨機性

主控端電路板使用ADS1292芯片、地震檢波器拾取的數(shù)據(jù)作為產(chǎn)生混疊激發(fā)控制時間的種子,生成2 000個抖動范圍為300 ms、間隔時間為8 s的混疊激發(fā)控制時間序列,并逐個發(fā)送到受控端進行模擬激發(fā)控制。記錄的激發(fā)時間數(shù)據(jù)的抖動值符合正態(tài)分布特征(圖7),顫動情況如圖8所示,達到了設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié) 語

激發(fā)源啟動的隨機性對于混疊采集作業(yè)方法具有重要意義。本文提出了一種基于振動傳感和衛(wèi)星授時的混疊激發(fā)控制時間產(chǎn)生算法及相應(yīng)系統(tǒng),用于混疊采集作業(yè)時的激發(fā)源啟動控制,并驗證了該技術(shù)方法的正確性、可靠性和工業(yè)應(yīng)用的可行性。測試結(jié)果表明,按照5 min的衛(wèi)星時鐘同步周期,能夠在大幅節(jié)約功率損耗的前提下,確保本地時鐘誤差不大于5 μs。今后,本文提出的算法和相應(yīng)系統(tǒng)將應(yīng)用于實際的地震勘探項目,而野外生產(chǎn)采集的振動數(shù)據(jù)更具有隨機性,使得產(chǎn)生的混疊激發(fā)控制時間隨機程度更高。但是,野外生產(chǎn)時多變的溫度環(huán)境也會對本文提出系統(tǒng)的應(yīng)用效果,特別是時鐘同步精度帶來巨大考驗。因此,如何選擇自適應(yīng)衛(wèi)星同步周期以及壓控晶振調(diào)節(jié)參數(shù)就成為了確保生成混疊激發(fā)時間序列質(zhì)量的關(guān)鍵。

圖7 生成隨機激發(fā)時間數(shù)據(jù)的分布圖Fig.7 Distribution of generating random excitation time data

圖8 生成隨機激發(fā)時間的顫動情況Fig.8 Flutter of generating random excitation time