許冠慶 杜小龍 王豪 張帆

（東方地球物理公司西南物探分公司裝備制造與服務(wù)中心 四川省成都市 610200）

隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略部署逐漸落實(shí)，四川盆地油氣資源開(kāi)采力度逐年增大，勘探工作量逐年升高，相鄰工區(qū)多作業(yè)隊(duì)或同工區(qū)多作業(yè)隊(duì)同時(shí)進(jìn)行采集施工作業(yè)，逐漸成為常態(tài)。川渝采集區(qū)塊炮點(diǎn)密集，障礙和干擾眾多，協(xié)調(diào)難度大，采集時(shí)間窗口短、采集區(qū)域相互緊靠，這些因素嚴(yán)重制約了野外采集施工效率和質(zhì)量。為了消除作業(yè)隊(duì)之間同時(shí)施工相互干擾問(wèn)題，保證資料質(zhì)量，提出了井炮協(xié)同激發(fā)技術(shù)的解決方案。

1 現(xiàn)有施工方式存在的問(wèn)題

1.1 多作業(yè)隊(duì)同時(shí)施工現(xiàn)有施工方式

（1）分時(shí)段進(jìn)行采集施工作業(yè)方式，如：A 隊(duì)在20點(diǎn)‐21 點(diǎn)采集，B 隊(duì)在21 點(diǎn)‐22 點(diǎn)采集，以此類(lèi)推。

（2）實(shí)時(shí)溝通進(jìn)行采集施工作業(yè)方式，儀器操作員通過(guò)語(yǔ)音或者視頻等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)溝通，在一個(gè)作業(yè)隊(duì)采集間隙，另一個(gè)作業(yè)隊(duì)開(kāi)始采集。

1.2 多作業(yè)隊(duì)同時(shí)施工面臨的問(wèn)題

（1）施工時(shí)間浪費(fèi)，采集效率低。

（2）采集時(shí)間重疊，資料相互干擾。

2 解決方案

為了消除作業(yè)隊(duì)之間同時(shí)施工相互干擾問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率、保證資料質(zhì)量，我們提出了井炮協(xié)同激發(fā)技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)衛(wèi)星授時(shí)將多臺(tái)地震儀器的時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行同步，然后按時(shí)間片劃分激發(fā)窗口，控制在某一時(shí)間窗口內(nèi)只能有一臺(tái)地震儀器可以發(fā)送點(diǎn)火指令，實(shí)現(xiàn)井炮交替激發(fā)，實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖1。

圖1：地震儀交替激發(fā)流程

3 工作原理

3.1 系統(tǒng)組成

全部?jī)x器系統(tǒng)包含GPS 北斗衛(wèi)星、GPS/BD 授時(shí)器、數(shù)個(gè)控制器、428XL 地震儀器、編碼器和電臺(tái)等。GPS 北斗衛(wèi)星與GPS/BD 授時(shí)器的GPS 信號(hào)接收端無(wú)線(xiàn)連接，單個(gè)GPS/BD 授時(shí)器的信號(hào)輸出端與單個(gè)與之對(duì)應(yīng)的控制器的GPS 信號(hào)輸入端相連，數(shù)個(gè)控制器的時(shí)間基準(zhǔn)線(xiàn)通過(guò)接收GPS 北斗衛(wèi)星中的時(shí)鐘進(jìn)行同步。428XL 地震儀器的FO 信號(hào)輸出端通過(guò)控制器的FO 信號(hào)通用I/O 端口與數(shù)字信號(hào)處理模塊相連，數(shù)字信號(hào)處理模塊與時(shí)間分片處理模塊相連，時(shí)間分片處理模塊通過(guò)控制器的FO 信號(hào)輸出端與BOOMBOX 編碼器相連；BOOMBOX 編碼器與電臺(tái)相連，見(jiàn)圖2。

圖2：儀器系統(tǒng)組成

3.2 衛(wèi)星授時(shí)時(shí)間同步

隨著地震勘探技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)已逐漸應(yīng)用于地震儀器系統(tǒng)，它使得儀器系統(tǒng)內(nèi)分布于不同地點(diǎn)的設(shè)備可以相互獨(dú)立，但具有高精準(zhǔn)的同步時(shí)間基準(zhǔn)。井炮協(xié)同激發(fā)技術(shù)就是通過(guò)接收北斗或GPS 衛(wèi)星時(shí)鐘對(duì)多個(gè)控制器進(jìn)行時(shí)間基準(zhǔn)線(xiàn)同步，然后設(shè)置時(shí)間參數(shù)將時(shí)間進(jìn)行分片處理。每一個(gè)作業(yè)隊(duì)伍按照設(shè)置好的時(shí)間片依次輪流進(jìn)行采集作業(yè)。

3.3 控制地震儀器發(fā)出的點(diǎn)火指令

為了能夠控制儀器操作員放炮操作，通過(guò)在428XL 地震儀器與BOOMBOX 編碼器之間加入源驅(qū)中控器，將地震儀器與編碼器之間的點(diǎn)火指令FO 信息通道截?cái)?，分別連接到控制器的輸入與輸出端口，儀器將根據(jù)分配好的時(shí)間片自動(dòng)選擇接通或中斷指令的操作。只有當(dāng)輪到本作業(yè)隊(duì)采集的時(shí)間片時(shí)才允許點(diǎn)火指令FO 信號(hào)發(fā)送出去，以達(dá)到控制的目的。

4 系統(tǒng)主要功能

應(yīng)用井炮協(xié)同激發(fā)技術(shù)我們自主研發(fā)了一套井炮協(xié)同激發(fā)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種配套地震儀器的輔助激發(fā)設(shè)備，適用于428XL 地震儀器和BOOMBOX II 遙爆系統(tǒng)的井炮采集激發(fā)，該系統(tǒng)主要包含自主開(kāi)發(fā)的協(xié)同中控器和中控軟件兩個(gè)部分組成，有如下幾項(xiàng)功能：

4.1 時(shí)間片設(shè)置功能

作業(yè)隊(duì)可根據(jù)記錄長(zhǎng)度、排列激活時(shí)間、工區(qū)距離、目的層深度自主設(shè)置時(shí)間片的時(shí)間長(zhǎng)度。時(shí)間片長(zhǎng)度包括放炮時(shí)長(zhǎng)和等待時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)部分，設(shè)置等待時(shí)長(zhǎng)時(shí)間一般與資料記錄長(zhǎng)度時(shí)間一致，操作員只能在放炮時(shí)窗內(nèi)才能觸發(fā)點(diǎn)火指令。

4.2 工作模式選擇功能

井炮協(xié)同激發(fā)控制軟件有分時(shí)受控模式和直通模式兩種工作模式。當(dāng)采集隊(duì)伍之間不再相互干擾的時(shí)候，操作員可以在不改變外部連線(xiàn)的情況下通過(guò)軟件直接把系統(tǒng)設(shè)置為直通模式，控制器將不再對(duì)點(diǎn)火指令FO 信號(hào)進(jìn)行攔截，恢復(fù)到正常的采集模式中。

4.3 日志查看功能

協(xié)同激發(fā)控制軟件有完整的日志查看功能。該日志可以記錄操作員對(duì)協(xié)同系統(tǒng)軟件的所有操作，如登陸人員信息、開(kāi)機(jī)時(shí)間、模式切換時(shí)間、參數(shù)修改等情況，可供事后詢(xún)查。

5 協(xié)同中控器的硬件設(shè)計(jì)

協(xié)同中控器的系統(tǒng)框圖如圖3 所示。該系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：DSP 單片機(jī)、GPS 模塊、FO 檢測(cè)單元、信息存儲(chǔ)單元、電源管理模塊、人機(jī)接口模塊、與PC 機(jī)通信模塊等。

圖3：源驅(qū)中控器系統(tǒng)框圖

其中，F(xiàn)O 單元主要是用來(lái)檢測(cè)LCI 發(fā)送的FO 信號(hào)；電源管理模塊主要是給每個(gè)部分提供電源，USB 轉(zhuǎn)串口完成數(shù)據(jù)上傳，并通過(guò)PC 機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；GPS 模塊主要提供絕對(duì)時(shí)間和參考秒信號(hào)；單片機(jī)最小系統(tǒng)完成系統(tǒng)的管理和調(diào)度。下面介紹部分單元電路。

5.1 DSP控制電路

本系統(tǒng)采用TMS320F28335PGFA 芯片此芯片具有高性能的靜態(tài)CMOS 技術(shù)，指令周期為6.6ns，主頻達(dá)150MHz;高性能的32 位CPU，單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)，采用哈佛流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，能夠快速執(zhí)行中斷響應(yīng)，并具備有統(tǒng)一的內(nèi)存管理模式可以實(shí)現(xiàn)復(fù)制的算法，6 通道的DMA 控制器，片上256Kx16 的Flash 存儲(chǔ)器，34Kx16 的SARAM 存儲(chǔ)器。1Kk16OTPROM 和8Kx16 的BootROM，其中Flash,OTPROM, BootROM 均受密碼保護(hù)?？刂茣r(shí)鐘系統(tǒng)具有片上震蕩器，看門(mén)狗模塊，支持動(dòng)態(tài)PLL調(diào)節(jié)，內(nèi)部可編程鎖相環(huán)，通過(guò)軟件設(shè)置相應(yīng)寄存器的值改變CPU 的輸入時(shí)鐘頻率，故使用此CPU 作為系統(tǒng)的主控器件其電路。該電路由DSP最小系統(tǒng)組成。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意電源的去藕電容和數(shù)字地、模擬地的PCB 設(shè)計(jì)。為保存時(shí)鐘穩(wěn)定性，使用外部高精度晶振作為時(shí)鐘源。

5.2 GPS模塊

MAX‐M8 系列并行GNSS 模塊建立在高性能的u‐blox M8 GNSS 引擎上，模塊可以同時(shí)接收多達(dá)三個(gè)GNSS 系統(tǒng)(GPS/伽利略)和北斗或GLONASS)。MAX‐M8 模塊可同時(shí)識(shí)別多個(gè)星座，在城市峽谷或微弱信號(hào)場(chǎng)景下提供卓越的時(shí)間精度。即使在低功耗的情況下也能提供高性能的時(shí)間數(shù)據(jù)。為了更好更快地改進(jìn)定位計(jì)時(shí)，MAX‐M8 模塊支持增強(qiáng)QZSS 和IMES 以及WAAS，MAX‐M8 模塊支持消息完整性保護(hù)、地理圍欄和欺騙檢測(cè)，具有可配置的接口設(shè)置。為防止GPS 出現(xiàn)一次和不可用時(shí)，還設(shè)計(jì)了GPS 維持芯片，此芯片采用GPS 馴服晶振輸出10MHz 信號(hào)經(jīng)過(guò)10,000,000 次分頻后得到1pps 信號(hào)，是UTC 時(shí)間基準(zhǔn)的“復(fù)現(xiàn)”，同時(shí)正弦波信號(hào)相位嚴(yán)格同步于時(shí)鐘頻率信號(hào)，不受GPS 秒脈沖短時(shí)間隨機(jī)跳變帶來(lái)的影響，且具有智能學(xué)習(xí)算法，在馴服晶振過(guò)程中能夠不斷“學(xué)習(xí)”高穩(wěn)晶振的漂移等特性，并將這些參數(shù)存入板載存儲(chǔ)器中，當(dāng)GPS 出現(xiàn)異?；虿豢捎脮r(shí)，該產(chǎn)品能夠自動(dòng)切換到保持模式（Holdover mode），利用高效的智能保持算法，繼續(xù)提供高可靠性的時(shí)間和頻率基準(zhǔn)信息輸出，在短時(shí)間內(nèi)保持較高的精度GPS 模塊電路。GPS 模塊主要是得到絕對(duì)時(shí)間信息，同時(shí)提供PPS 同步信號(hào)，PPS 對(duì)異地信號(hào)進(jìn)行同步。

5.3 FO檢測(cè)單元

FO 檢測(cè)電路主要完成LCI 輸出的FO 信號(hào)的檢測(cè)，為保證FO 檢測(cè)的準(zhǔn)確性，設(shè)置使用主CPU 的外部中斷IO 口進(jìn)行檢測(cè)，并使用最高中斷優(yōu)先級(jí)，保證檢測(cè)的準(zhǔn)確，為保護(hù)CPU 的檢測(cè)IO 的安全，使用U11 光藕起隔離作用，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。FO 檢測(cè)電路如圖4 所示。

圖4：FO 檢測(cè)電路

5.4 電源管理模塊

電源管理模塊如圖5 所示。電源管理芯片采用的是Techcode 的TD6821M，它的主要特點(diǎn)有：高效的1.5MHz同步降壓DC‐DC 穩(wěn)壓器，可分別提供高達(dá)1.5A 的輸出電流。 TD6821M 工作在3V 到5.5V 的寬輸入電壓范圍內(nèi)，集成了RDS 極低（ON）的主開(kāi)關(guān)與同步開(kāi)關(guān)，以極大限度地減少導(dǎo)通損耗。電腦USB 能夠輸出5V 的穩(wěn)定電源，故采用USB 供電。

圖5：電源管理電路

6 協(xié)同中控軟件設(shè)計(jì)

6.1 軟件構(gòu)成

協(xié)同系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含協(xié)同中控器、協(xié)同激發(fā)系統(tǒng)二部分，如圖6 所示，協(xié)同中控器開(kāi)發(fā)包括，通用串行協(xié)議開(kāi)發(fā)，GPS 驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，F(xiàn)O 控制驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)，由于協(xié)同控制器CPU系統(tǒng)資源有限，不宜采用基于操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)模式，采用經(jīng)典的基于前后臺(tái)程序設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)模式。協(xié)同激發(fā)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)包括時(shí)隙驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、通用串行協(xié)議開(kāi)發(fā)、施工參數(shù)管理、以及界面開(kāi)發(fā)。

圖6：系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

6.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)行環(huán)境：win10；

架構(gòu)：C/S；

協(xié)同激發(fā)系統(tǒng)主要完成時(shí)隙控制，F(xiàn)O 狀態(tài)控制功能，采集本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)模式，構(gòu)建協(xié)同激發(fā)系統(tǒng)框架。

6.3 系統(tǒng)功能模塊介紹及產(chǎn)品展示

6.3.1 系統(tǒng)主界面

如圖7 所示。

圖7：控制軟件主界面

（1）界面上方為操作按鈕選項(xiàng)，下方為當(dāng)前系統(tǒng)信息。

（2）五個(gè)綠色按鈕選項(xiàng)依次為：

啟動(dòng)系統(tǒng)、系統(tǒng)設(shè)置、用戶(hù)管理、模式管理、瀏覽日志。

（3）主界面：包括工作狀態(tài)（當(dāng)前管理系統(tǒng)的狀態(tài)）、北京時(shí)間以及工作模式。

6.3.2 系施工參數(shù)管理

項(xiàng)目設(shè)置：進(jìn)行項(xiàng)目的添加、修改和刪除的操作。

上方為操作項(xiàng)目，下方為項(xiàng)目列表界面。

（1）添加項(xiàng)目：點(diǎn)擊綠色按鈕即可進(jìn)行項(xiàng)目的添加。在方框內(nèi)輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)后點(diǎn)擊“確定”即創(chuàng)建成功。

（2）更新項(xiàng)目：在項(xiàng)目列表界面中選中需要修改的項(xiàng)目后點(diǎn)擊藍(lán)色按鈕，會(huì)彈出一個(gè)界面，在界面中將需要修改的數(shù)據(jù)修正后，點(diǎn)擊“確定”即可。

（3）刪除項(xiàng)目：在項(xiàng)目列表界面中選中需要?jiǎng)h除的項(xiàng)目后點(diǎn)擊紅色按鈕，即可完成刪除操作。注意：點(diǎn)擊刪除按鈕后所刪項(xiàng)目依舊在項(xiàng)目列表中展示（實(shí)際已經(jīng)被刪除了），需要關(guān)閉當(dāng)前“項(xiàng)目管理”界面，在主界面中再次進(jìn)入“系統(tǒng)設(shè)置”，此時(shí)被刪除的項(xiàng)目就不在項(xiàng)目列列表中了。

6.3.3 模式管理

進(jìn)行不同模式之間的切換，在彈窗中選擇對(duì)應(yīng)所需的模式即可。

模式分為分時(shí)受控模式和直通模式。

分時(shí)受控模式：指不同的操作員在不同時(shí)間片中對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，同一時(shí)間片僅允許一名操作員進(jìn)行控制操作。

直通模式：對(duì)設(shè)備不進(jìn)行分時(shí)控制，對(duì)操作員不進(jìn)行約束。

7 推廣應(yīng)用

2020 年度四川盆地川中金堂—三臺(tái)地區(qū)三維地震勘探項(xiàng)目南區(qū)、北區(qū)之間首次投入使用，用時(shí)22 天 ，兩隊(duì)平均一小時(shí)能分別采集150 炮左右。北區(qū)比計(jì)劃提前5 天竣工，南區(qū)比計(jì)劃提前2 天竣工。

2020 年度四川盆地蜀南地區(qū)觀音場(chǎng)‐牟家坪二維潛伏構(gòu)造地震勘探項(xiàng)目，一個(gè)隊(duì)伍雙儀器施工模式比計(jì)劃提前2 天竣工。

2020 年度四川盆地川中金堂—三臺(tái)三維項(xiàng)目南區(qū)、北區(qū)和秋林三維項(xiàng)目工區(qū)相鄰，通過(guò)合理分配時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)作業(yè)隊(duì)同時(shí)施工，互不影響。秋林項(xiàng)目施工接近金堂‐三臺(tái)項(xiàng)目時(shí)，255、213 隊(duì)采用同步激發(fā)，中間位置的211 隊(duì)采用異步激發(fā)，通過(guò)時(shí)間和空間雙重分離，保證了三個(gè)作業(yè)隊(duì)之間所有的井炮相互不受影響。三個(gè)項(xiàng)目同時(shí)施工共計(jì)39 天，北區(qū)比計(jì)劃提前27 天竣工，南區(qū)比計(jì)劃提前12 天竣工，秋林項(xiàng)目比計(jì)劃提前22 天竣工。

通過(guò)以上項(xiàng)目使用，井炮協(xié)同激發(fā)控制系統(tǒng)得到充分驗(yàn)證，解決了作業(yè)隊(duì)之間同時(shí)施工相互干擾問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率、保證資料質(zhì)量，可全面推廣使用。

8 結(jié)束語(yǔ)

井炮協(xié)同激發(fā)技術(shù)的推廣應(yīng)用，提高了勘探施工效率、避免了相互干擾、提高了資料品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了地震探勘的提速增效。下一步我們將開(kāi)展可控震源協(xié)同激發(fā)技術(shù)的研究，使協(xié)同激發(fā)技術(shù)在地震勘探施工中得到更加全面的應(yīng)用。