多通道地震勘探論文范文

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1實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)海上多通道地震勘探儀器一方面需要接受來(lái)自控制系統(tǒng)的控制、配置命令，另一方面還需要接受外界硬件觸發(fā)信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)和執(zhí)行。此外，由于該系統(tǒng)的分布式特性，控制系統(tǒng)還需要具備控制命令的分發(fā)能力。在具體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)架構(gòu)之前，需要設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，對(duì)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)及相互之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行定義，如圖1所示。由圖1可以看出，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程被設(shè)計(jì)成6種狀態(tài)：命令等待、命令識(shí)別和組裝、命令序列產(chǎn)生、命令傳輸、命令解析及命令執(zhí)行。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，首先進(jìn)入命令等待狀態(tài)，循環(huán)等待外界有效控制命令的輸入。為了提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，所有狀態(tài)中只有命令等待狀態(tài)需要軟件參與，其他狀態(tài)全部由硬件FPGA（Field－ProgramableGateArray）完成。這樣設(shè)計(jì)既可以保證軟件控制的靈活性，又能保證其對(duì)外界觸發(fā)信號(hào)的強(qiáng)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到有效的控制信號(hào)時(shí)，即刻轉(zhuǎn)入命令識(shí)別和組裝狀態(tài)。在該狀態(tài)中，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的識(shí)別規(guī)則判斷其所接受到的命令的有效性，并將有效的命令按照一定的格式進(jìn)行組裝，以適應(yīng)FPGA邏輯的處理。這種處理方式在保證軟件控制最大自由度和靈活性的前提下，又不會(huì)增加FPGA邏輯設(shè)計(jì)的難度。為了提高控制系統(tǒng)對(duì)外界控制信號(hào)的響應(yīng)能力，一旦完成命令的識(shí)別過(guò)程，控制系統(tǒng)在將所識(shí)別出的命令送入本地FIFO（FirstInFirstOut）進(jìn)行緩存等待組裝的同時(shí)激活命令接受狀態(tài)，以在最短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)外界控制信號(hào)，從而縮短該控制系統(tǒng)的死時(shí)間。由于海上多通道地震勘探系統(tǒng)的分布式特性，命令接受體與執(zhí)行器可以不在同一個(gè)地方，這就需要控制系統(tǒng)具備本地或遠(yuǎn)程執(zhí)行控制命令的能力，并根據(jù)所識(shí)別的命令性質(zhì)進(jìn)入命令執(zhí)行狀態(tài)或命令傳輸狀態(tài)。此外，控制系統(tǒng)中還存在內(nèi)循環(huán)觸發(fā)命令，為了提高循環(huán)定時(shí)的精度，需要硬件完成定時(shí)觸發(fā)和循環(huán)計(jì)數(shù)功能。為此，控制系統(tǒng)存在一個(gè)命令序列產(chǎn)生狀態(tài)（該狀態(tài)由軟件或特定命令觸發(fā)控制），當(dāng)進(jìn)入此狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)序列產(chǎn)生規(guī)則自動(dòng)產(chǎn)生命令序列，以供傳輸或執(zhí)行。為便于命令長(zhǎng)距離傳輸，傳輸前命令數(shù)據(jù)須經(jīng)過(guò)一定格式的編碼，故在進(jìn)入命令執(zhí)行狀態(tài)前，先經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的命令解析狀態(tài)，傳輸、解析和執(zhí)行過(guò)程共同組成一個(gè)流水線，從而最大化提高命令執(zhí)行效率和實(shí)時(shí)性。根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由控制主機(jī)、命令接收箱體、觸發(fā)處理卡、數(shù)據(jù)匯總卡、數(shù)字包和命令執(zhí)行器等6類模塊組成。為了支持分布式架構(gòu)，命令接收箱體采用CompactPCI［8］機(jī)箱構(gòu)成，其內(nèi)部安裝1塊控制器卡、1塊觸發(fā)處理卡和多塊數(shù)據(jù)匯總卡。控制器運(yùn)行VxWorks操作系統(tǒng)，其上運(yùn)行用于命令接收和識(shí)別的實(shí)時(shí)軟件模塊，用于接收控制主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的控制命令，并將這些命令通過(guò)串口發(fā)送觸發(fā)處理卡。觸發(fā)處理卡是一塊6UCompactPCI后插卡，其作用是接收控制器轉(zhuǎn)發(fā)的主機(jī)控制命令、導(dǎo)航或震源控制命令及外界觸發(fā)控制信號(hào)（需要經(jīng)過(guò)觸發(fā)匹配處理以消除無(wú)效觸發(fā)），經(jīng)過(guò)命令組裝后扇出至機(jī)箱內(nèi)的所有數(shù)據(jù)匯總卡（通過(guò)該卡的后插卡專用接口接入，并經(jīng)由CompactPCI機(jī)箱J3接口送至匯總卡）。數(shù)據(jù)匯總卡接收到控制命令后，首先進(jìn)行命令解析和識(shí)別，按照命令的性質(zhì)進(jìn)行本地執(zhí)行或轉(zhuǎn)發(fā)至與該匯總卡相連的數(shù)字包。海上多通道地震勘探系統(tǒng)的分布特性由多塊匯總卡及與之相連的多個(gè)數(shù)字包所呈現(xiàn)。根據(jù)勘探規(guī)模（二維或三維），命令接收機(jī)箱內(nèi)的每塊數(shù)據(jù)匯總卡都對(duì)應(yīng)于一條水下拖纜，數(shù)字包與匯總卡共同構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)木栈ㄦ湥滦袑?duì)應(yīng)于控制命令的發(fā)送，上行則對(duì)應(yīng)于地震采集數(shù)據(jù)的上傳。數(shù)據(jù)匯總卡接收來(lái)自控制主機(jī)或外界觸發(fā)信號(hào)的控制命令，它是控制系統(tǒng)中單條電纜的實(shí)際命令發(fā)起者，位于單纜菊花鏈的始端。數(shù)字包為水下拖纜的數(shù)據(jù)處理中心，它是控制系統(tǒng)命令在電纜上的中轉(zhuǎn)單元，接收前級(jí)數(shù)字包傳輸?shù)目刂泼睿D(zhuǎn)發(fā)給下級(jí)數(shù)字包或本地命令執(zhí)行單元。此外，數(shù)字包本身也會(huì)執(zhí)行一些控制或配置命令。海上分布式多通道地震勘探設(shè)備的每個(gè)數(shù)字包負(fù)責(zé)與本地命令執(zhí)行單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這些命令執(zhí)行單元是整個(gè)采集系統(tǒng)的模擬前端，負(fù)責(zé)對(duì)地震波形的數(shù)字化處理，每個(gè)命令執(zhí)行單元負(fù)責(zé)4個(gè)采集通道。前端采集模塊是整個(gè)勘探儀器的命令實(shí)際執(zhí)行者，通過(guò)該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模、分布式模擬數(shù)字化前端的實(shí)時(shí)控制，以使其能夠同步完成空間分布地震波形信號(hào)的數(shù)字化處理，從而保證高保真地重構(gòu)出地震波形信息。實(shí)現(xiàn)圖2所示的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，為了保證控制系統(tǒng)的靈活性和實(shí)時(shí)性，除控制器上的Vx－Works命令接收模塊外，其他全部交由FPGA實(shí)現(xiàn)。該軟件通過(guò)網(wǎng)口接收來(lái)自控制主機(jī)、震源系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等的控制命令，大大提高了系統(tǒng)的靈活性。為了保證該軟件對(duì)命令接收處理的實(shí)時(shí)性能，網(wǎng)口數(shù)據(jù)接收完成后隨即通過(guò)控制器串口轉(zhuǎn)發(fā)給觸發(fā)處理卡，并且網(wǎng)口模塊被設(shè)置成具有較高的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)該控制器串口控制的優(yōu)先級(jí)也被提高。從該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)來(lái)看，其并不依賴于特定的系統(tǒng)工作協(xié)議，這種協(xié)議設(shè)計(jì)與執(zhí)行系統(tǒng)相分離的方式有利于實(shí)現(xiàn)協(xié)議的多樣性，也有利于其升級(jí)和改進(jìn)。這種結(jié)構(gòu)既能很好地滿足海上分布式多通道地震勘探儀器實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、確定性和一致性，又不失靈活性，可以滿足靈活多樣的實(shí)現(xiàn)方式。

1.2觸發(fā)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)海上分布式多通道地震勘探觸發(fā)信號(hào)來(lái)自導(dǎo)航和震源系統(tǒng)，彼此之間有著嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，如圖3所示。作業(yè)時(shí)，水下拖纜被物探船拖拽前行，當(dāng)?shù)竭_(dá)地理上特定目標(biāo)點(diǎn)后，導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)出起始信號(hào)（start）給觸發(fā)處理卡，定義此點(diǎn)時(shí)刻為－250ms。當(dāng)接收到該信號(hào)時(shí)，處理卡將會(huì)停止響應(yīng)外界start信號(hào)以防止誤觸發(fā)，直到系統(tǒng)采集停止后恢復(fù)。導(dǎo)航系統(tǒng)在發(fā)出start信號(hào)后200ms時(shí)，發(fā)送點(diǎn)火信號(hào)（fire）至震源控制系統(tǒng)（氣槍陣列）使其準(zhǔn)備釋放激發(fā)信號(hào)［9］，真正的信號(hào)釋放時(shí)刻（TB）即為地震勘探儀器的觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)刻被定義為0時(shí)刻。由于氣槍陣列同步、控制等因素，實(shí)際的TB時(shí)刻會(huì)在0時(shí)刻附近擺動(dòng)。為解決此問(wèn)題，觸發(fā)處理卡具有一個(gè)TB有效檢測(cè)模塊，開(kāi)設(shè)一個(gè)時(shí)間窗口（－20～30ms，可調(diào)）用于TB探測(cè)。當(dāng)在該窗口內(nèi)檢測(cè)到有效TB觸發(fā)信號(hào)時(shí)，將該TB作為整個(gè)控制系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)，用以控制系統(tǒng)開(kāi)始采集記錄地震波形信息，并送標(biāo)志信息FTB（FieldTB）至數(shù)據(jù)匯總卡；如果在該窗口內(nèi)未檢測(cè)到有效TB信號(hào)，則在窗口結(jié)束位置（即30ms處）開(kāi)啟一個(gè)TB信號(hào)作為控制系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)觸發(fā)標(biāo)志信息為ITB（InterTB），即該TB是控制系統(tǒng)產(chǎn)生而非震源系統(tǒng)產(chǎn)生的有效觸發(fā)信號(hào)。地震勘探儀器數(shù)據(jù)記錄的開(kāi)始時(shí)刻由TB觸發(fā)信號(hào)控制，而記錄停止的時(shí)刻則由該系統(tǒng)的采樣時(shí)間所決定（可由控制主機(jī)配置）。當(dāng)一次記錄過(guò)程結(jié)束后，觸發(fā)處理模塊重新配置，以便能夠接收下一個(gè)導(dǎo)航發(fā)送的start信號(hào)，從而循環(huán)往復(fù)地運(yùn)行。圖4顯示了設(shè)計(jì)的觸發(fā)處理卡的結(jié)構(gòu)，本地計(jì)數(shù)器接收到有效start信號(hào)（為保護(hù)信號(hào)接口，可進(jìn)行光隔離）后開(kāi)啟計(jì)數(shù)，其工作時(shí)鐘頻率為33或66MHz，來(lái)自CompactPCI總線，從而保證所產(chǎn)生的TB輸出信號(hào)能夠在機(jī)箱系統(tǒng)級(jí)與各數(shù)據(jù)匯總卡的工作邏輯進(jìn)行同步對(duì)齊。計(jì)數(shù)器的輸出用來(lái)控制TB檢測(cè)窗的位置和大小，具體參數(shù)可由控制主機(jī)通過(guò)命令字進(jìn)行配置。TB檢測(cè)主要對(duì)輸入的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行去抖處理和寬度有效判斷，只有寬度達(dá)到5ms（可配置）的觸發(fā)信號(hào)才被視為有效觸發(fā)。但這引發(fā)另一問(wèn)題，即該控制系統(tǒng)產(chǎn)生的供勘探儀器實(shí)際工作使用的觸發(fā)信號(hào)相對(duì)于觸發(fā)信號(hào)的理想時(shí)刻存在5ms的延遲，這是影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)觸發(fā)信號(hào)的一個(gè)因素。另一個(gè)影響因素是命令傳輸至各分布式命令執(zhí)行單元時(shí)存在延遲，且延遲時(shí)間不一致（解決方法見(jiàn)后文）。為方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成，觸發(fā)處理卡與數(shù)據(jù)匯總后插卡在物理形式上設(shè)計(jì)為同一種卡，通過(guò)檢測(cè)start信號(hào)、命令輸入信號(hào)是否存在自動(dòng)判斷其工作模式。

1.3同步控制方案設(shè)計(jì)同步性能直接關(guān)系到實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)命令執(zhí)行步調(diào)的一致性，是海上分布式多通道地震勘探儀器實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)所特有的性能指標(biāo)。為了保證該系統(tǒng)各命令執(zhí)行單元響應(yīng)時(shí)刻的一致性，首先需要保證命令執(zhí)行單元執(zhí)行步調(diào)的一致性，其次是保證命令執(zhí)行時(shí)刻的一致性。對(duì)于時(shí)鐘同步，可以利用數(shù)據(jù)時(shí)鐘融合傳輸（LVDS信號(hào)電平［10］）、時(shí)鐘恢復(fù)及頻率合成等技術(shù)，保證整個(gè)控制系統(tǒng)各個(gè)命令執(zhí)行單元之間以同一頻率的時(shí)鐘運(yùn)行［9］。如圖4所示，觸發(fā)控制模塊的處理卡為系統(tǒng)的主卡，其板載時(shí)鐘被融合到扇出命令通道中分發(fā)到整個(gè)控制系統(tǒng)；所有的接收單元（從卡）一方面從接收到的命令（LVDS）流中恢復(fù)出命令和時(shí)鐘，另一方面將其轉(zhuǎn)發(fā)給下一級(jí)命令接收單元，同時(shí)還會(huì)生成幾路LVTTL電平的命令信號(hào)用于本地控制；觸發(fā)控制卡上的時(shí)鐘處理模塊同樣被移植到數(shù)據(jù)匯總卡及數(shù)字包中，從而最終保證系統(tǒng)級(jí)時(shí)鐘的同步分發(fā)以及所有命令執(zhí)行單元的同步運(yùn)行。海上分布式多通道地震勘探儀器分布范圍常常達(dá)到數(shù)平方千米，各單元的傳輸延遲將會(huì)影響控制單元的起始執(zhí)行時(shí)刻，可以采用延遲補(bǔ)償法［11］消除，即系統(tǒng)工作時(shí)，首先進(jìn)入自校準(zhǔn)狀態(tài)，通過(guò)控制單元內(nèi)部的高頻時(shí)鐘計(jì)算其與主觸發(fā)控制卡之間的傳輸延遲，再將所有執(zhí)行單元的命令執(zhí)行時(shí)刻統(tǒng)一延遲到同一時(shí)刻以達(dá)到同步執(zhí)行的目的。該方法雖然可以解決傳輸差異的影響，但會(huì)導(dǎo)致所有執(zhí)行單元的響應(yīng)執(zhí)行時(shí)刻與理想觸發(fā)命令時(shí)間之間存在一個(gè)固定的延遲，當(dāng)延遲值較大時(shí)甚至?xí)斐刹蓸狱c(diǎn)的丟失和錯(cuò)位，因而需要消除。由上述分析可知，命令執(zhí)行時(shí)刻的不一致包含兩部分，即因判斷觸發(fā)寬度而引入的相對(duì)于觸發(fā)TB的延遲和因分布距離不一致而引入的傳輸延遲。前者是固定的，后者是浮動(dòng)的，但無(wú)論哪種延遲，系統(tǒng)布局一旦確定都不會(huì)再改變。控制系統(tǒng)的最終命令執(zhí)行單元為分布于水下拖纜內(nèi)部的模擬采集前端，為了保證各采集前端的同步數(shù)據(jù)采集性能，在各前端均設(shè)置一個(gè)流水線緩存器［12］，前端數(shù)字化后的數(shù)據(jù)首先被送入流水線緩沖器，這是一個(gè)FIFO。根據(jù)TB觸發(fā)信號(hào)的寬度以及前端模數(shù)轉(zhuǎn)換的速率，可以設(shè)定固定緩沖器的深度，如監(jiān)測(cè)5ms寬度、采樣率為2kHz時(shí)的固定深度為10。浮動(dòng)緩存的大小由控制命令的傳輸和處理延遲決定，當(dāng)傳輸距離為6000m時(shí)，各命令執(zhí)行單元之間的延遲最大相差30μs左右。考慮到各級(jí)數(shù)字包轉(zhuǎn)發(fā)延遲（接收和發(fā)送各一個(gè)12MHz時(shí)鐘周期），在60個(gè)數(shù)字包工作的情況下，最大處理延遲大約為10μs。因此，在系統(tǒng)最高工作采樣時(shí)間間隔為250μs時(shí)，浮動(dòng)緩沖深度設(shè)置為1即可。最后設(shè)計(jì)的實(shí)際流水線緩沖器大小為32。當(dāng)控制系統(tǒng)的下傳控制命令速率較低時(shí)，浮動(dòng)延遲大小會(huì)因處理延遲的增加而增加，此時(shí)只需要對(duì)浮動(dòng)緩沖深度作相應(yīng)調(diào)整即可。ADC（Analog－to－DigitalConverter）輸出的數(shù)字化信息進(jìn)入FIFO后按照時(shí)鐘步調(diào)依次緩存，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)單元到達(dá)緩沖器頂端時(shí)，如果前端還沒(méi)有接收到觸發(fā)TB信號(hào)，則下一個(gè)時(shí)鐘沿到來(lái)時(shí)該數(shù)據(jù)即被丟棄；當(dāng)TB觸發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)，采樣緩沖前的開(kāi)關(guān)將2個(gè)緩沖器相連，流水線緩沖頂端的數(shù)據(jù)從FIFO移出送至該采樣緩沖等待數(shù)字包將數(shù)據(jù)讀出。利用這種同步控制方案，既可以保證各前端執(zhí)行單元工作時(shí)鐘的一致性，又可以保證不會(huì)因?yàn)橛|發(fā)檢測(cè)、傳輸和處理延遲而造成前端數(shù)據(jù)的丟失或錯(cuò)位。

2實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)測(cè)試

在海上分布式多通道地震勘探儀器研制過(guò)程中，對(duì)該實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)特性進(jìn)行了大量室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，主要集中在實(shí)時(shí)性和同步性2個(gè)方面。由于優(yōu)化設(shè)計(jì)了軟件處理模塊，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的系統(tǒng)控制命令，該控制系統(tǒng)可在100μs內(nèi)作出響應(yīng)；而命令的執(zhí)行由于全部交由硬件FPGA來(lái)完成，可以在確定的時(shí)刻（由命令執(zhí)行單元所處位置的傳輸和處理延遲決定）完成。為了進(jìn)一步降低命令通過(guò)網(wǎng)口傳輸?shù)牟淮_定性，將命令通道與系統(tǒng)的地震采集數(shù)據(jù)及狀態(tài)回顯上傳通道進(jìn)行隔離，從而保證了控制命令下傳通道的順暢。在對(duì)觸發(fā)控制信號(hào)響應(yīng)和執(zhí)行的強(qiáng)實(shí)時(shí)性方面，通過(guò)全硬件FPGA實(shí)現(xiàn)的觸發(fā)匹配、命令執(zhí)行時(shí)刻校準(zhǔn)等手段，保證了各執(zhí)行單元能在確定的時(shí)刻完成對(duì)觸發(fā)信號(hào)的響應(yīng)。同樣，具體執(zhí)行時(shí)刻由傳輸和處理延遲決定，但對(duì)于每一個(gè)執(zhí)行單元，其執(zhí)行時(shí)刻是固定不變的。在系統(tǒng)同步控制方面，通過(guò)前端流水線緩沖器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，保證了各個(gè)執(zhí)行單元不會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)于觸發(fā)控制信號(hào)的同步誤差而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)位的現(xiàn)象。控制系統(tǒng)的“可靠性”主要是指該實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)能夠?qū)⒖刂泼羁煽康胤职l(fā)到各個(gè)執(zhí)行器，而執(zhí)行器也能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成執(zhí)行動(dòng)作；而控制系統(tǒng)的“穩(wěn)定性”是指該實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)命令分發(fā)、接收、執(zhí)行等錯(cuò)誤，也不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)位。針對(duì)這2個(gè)特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的命令模式，對(duì)比發(fā)送和接收到的命令是否一致并長(zhǎng)期運(yùn)行，從而判斷和驗(yàn)證其“可靠性”和“穩(wěn)定性”。具體的做法是：控制主機(jī)在發(fā)出命令的同時(shí)生成一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，兩者同時(shí)發(fā)送給前端執(zhí)行器；執(zhí)行器在接收到命令后首先判斷校驗(yàn)位是否正確，然后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作（由于命令的多樣性和復(fù)雜性，為了簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程，實(shí)際測(cè)試是用一個(gè)模擬動(dòng)作來(lái)代替，即點(diǎn)亮LED燈的動(dòng)作；為了判斷命令是否被正確執(zhí)行，在執(zhí)行器中還設(shè)計(jì)了一個(gè)檢驗(yàn)?zāi)K，用來(lái)檢測(cè)該模擬動(dòng)作的次數(shù)）；最后比對(duì)發(fā)送命令的個(gè)數(shù)、正確接收命令的個(gè)數(shù)和命令正確執(zhí)行的次數(shù)，只有當(dāng)這三者完全一致時(shí)，才能證明控制系統(tǒng)的“可靠”和“穩(wěn)定”。通過(guò)室內(nèi)多次、長(zhǎng)期的測(cè)試，該控制系統(tǒng)能夠完全滿足實(shí)時(shí)、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行的要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的實(shí)際效果以及整個(gè)系統(tǒng)各方面指標(biāo)的可靠性和穩(wěn)定性等，開(kāi)展了多次海上二維和三維試驗(yàn)。圖5a顯示的是6000m單纜1920道的地震采集剖面，圖5b顯示的是用3條電纜（每條纜960通道）做的三維試驗(yàn)地震剖面圖。可以看出，本文所設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)能夠保證海上分布式多通道地震勘探儀器各前端執(zhí)行單元對(duì)系統(tǒng)控制、觸發(fā)的實(shí)時(shí)響應(yīng)和執(zhí)行，從而使得海上二維、三維試驗(yàn)得以順利完成。

3結(jié)束語(yǔ)

海上分布式多通道地震勘探儀器具有大覆蓋、高精度的優(yōu)勢(shì)，但隨之而來(lái)的是系統(tǒng)各命令和控制執(zhí)行單元在系統(tǒng)架構(gòu)及具體位置上的分離，這造成了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。本文提出的適用于海上分布式多通道地震勘探儀器的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)具有分布式、層次化、異構(gòu)的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，控制主機(jī)通過(guò)網(wǎng)口將控制命令經(jīng)由嵌入式軟件發(fā)送至觸發(fā)處理卡并進(jìn)入全硬件處理流程，從而保證了后續(xù)控制傳輸、響應(yīng)及執(zhí)行的實(shí)時(shí)性，而實(shí)時(shí)性要求極高的觸發(fā)信號(hào)則直接進(jìn)入硬件化的觸發(fā)處理卡，從而避免了軟件層面不確定性的影響。這種軟硬件處理相分離的方法，在保留軟件靈活性的同時(shí)，也保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的全局同步時(shí)鐘分發(fā)方法及同步觸發(fā)控制，保證了各執(zhí)行單元對(duì)于系統(tǒng)控制執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和一致性，前端流水線緩沖器的應(yīng)用也保證了所有采集數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)閭鬏敾蛱幚硌舆t而造成丟失或錯(cuò)位。此外，該系統(tǒng)架構(gòu)將協(xié)議設(shè)計(jì)與執(zhí)行系統(tǒng)分離，有利于實(shí)現(xiàn)協(xié)議的多樣性，也有利于其設(shè)計(jì)、升級(jí)和改進(jìn)。室內(nèi)和海上多次試驗(yàn)證明，本文提出的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)能夠滿足海上大型地震勘探儀器對(duì)于控制系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、一致性、可靠性和穩(wěn)定性等方面的要求，對(duì)其他相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

作者：朱耀強(qiáng)阮福明曾翔曹平楊俊峰宋克柱單位：中海油田服務(wù)股份有限公司物探研究院中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系