礦用無纜存儲式地震儀的數據存儲方法探究

吳 海

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安，710077)

礦用無纜存儲式地震儀的數據存儲方法探究

吳 海

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安，710077)

介紹了我們自主研發的礦用無纜存儲式地震儀。該儀器無主機、無大線、連續采集、連續存儲，并已取得防爆證和MA認證。該儀器可實現連續10小時的井下地震數據采集，其數據量非常大，傳統的地震數據存儲格式根本無法滿足需要。為此，我們設計了一種針對該儀器的地震數據存儲格式，實現了數據的連續實時存儲，具有數據存儲穩定、可靠、傳輸效率高的特點。

無纜存儲式；礦用地震儀；連續采集；連續存儲

從探測效果而言，槽波透視在解決大型工作面的構造探測上，是一種極為有效的方法。大量實踐證明，在煤層中人工激發的地震波中，槽波能量最強，穿透距離遠，且對工作面內的斷層、陷落柱、煤層厚度變化等異常很敏感。為了滿足煤礦井下槽波勘探的需要，中煤科工集團西安研究院自主研制了一套礦用無纜存儲式地震儀，該儀器無需主機和大線，儀器便攜，施工簡單。

礦用無纜存儲式地震儀需要實現長時間采集地震數據并實現快速、連續、可靠存儲。傳統的地震儀基本上都是將現場采集的數據實時回傳給主機，由高性能主機完成數據的存儲功能。其每次采樣的時間短，數據量小，一般是按照SEGY或者SEG2格式進行存儲。由于這種數據存儲格式具有固定的數據長度，不能適用于礦用存儲式地震儀連續長時間采樣的需要。

針對礦用存儲式地震儀沒有大線、沒有主機的特點，我們設計一種可靠的地震數據實時存儲方案。為了確保數據的安全，我們沒有采用傳統的文件格式進行保存，而是采用了RAW格式進行數據存儲，并設計了一套針對該類地震數據的存儲格式。

1 礦用地震儀

1.1 系統設計

圖1 礦用地震儀原理框圖

該地震儀采用32位ARM芯片、結合24位A/D、SD卡海量

存儲技術等構件嵌入式硬件平臺，利用開源嵌入式Linux操作系統，完成系統功能配置、數據采集以及數據回收等功能。該儀器可實現單站三道信號采集。儀器原理框圖如圖1所示。

其中ARM中央控制單元組成系統主控部分，實現對整個系統的時序控制、采集控制、數據存儲、對時以及數據傳輸等；電源模塊為系統提供數字和模擬電源。三個采集通道可實現三路獨立采集，可實現三分量震動傳感器的信號采集。采集通道分別對震動信號進行放大、A/D轉換、濾波處理。控制部分實現對系統各個工作模式的管理，將采集數據實時存入板載存儲設備中，同時可以實現數據的網絡化傳輸。數據存儲部分按照我們自行設計的數據存儲格式實現采集數據的實時、可靠存儲。

1.2 性能指標

圖2 礦用地震儀樣機

我們自主研發的礦用無纜存儲式地震儀樣機如圖2所示，其主要技術指標如下：

（1）工作時間：不小于10 h（連續采集情況下）；

（2）存儲能力：連續記錄不小于48 h的數據（采樣率4 ksps）；

（3）采樣間隔：1/4 ms，1/2 ms，1 ms，2 ms，4 ms；

（4）本底噪聲：不大于1 μV（RMS@1 ms）；

動態范圍：不小于120 dB（采樣率1 ksps）；

（6）防爆型式：礦用本質安全型；

防爆標志：“ExibI Mb”；

儀器重量：2.7 kg。

2 數據存儲

傳統的地震儀基本上都是將現場采集的數據實時回傳給主機，由高性能主機完成數據的存儲功能。其每次采樣的時間短，數據量小，一般是按照SEGY或者SEG2格式進行存儲。由于這種數據存儲格式具有固定的數據長度，不能適用于礦用存儲式地震儀連續長時間采樣的需要。為此，我們需要自行設計并實現一種適合該地震儀的快速、可靠、連續存儲的數據存儲方案。

2.1 存儲格式設計

該礦用存儲式地震儀采用SD卡進行大容量數據的存儲。為了確保數據的安全，SD卡采用RAW格式進行數據存儲，即在SD卡上不建立文件系統，只是將SD卡作為一個連續的存儲器進行讀寫，這樣可實現數據的快速、連續存儲。礦用存儲式地震儀的數據包括儀器的配置信息和實際的采樣信息兩部分，為此我們將SD卡內的數據分為配置信息和采樣信息兩部分進行存儲。我們對SD卡按數據塊進行管理，每個塊占512字節。

配置信息是設置儀器的采樣參數、儀器工作時間等信息，根據這些設置進行采樣。配置信息每組為512字節，具體格式如表1所示。

表1 配置信息數據格式

采樣信息是儀器在采集時得到的采樣數據，每一秒采樣的數據對應一組采樣信息。因此根據不同的采樣率，每組大小不同，具體格式如表2所示。

表2 采樣信息數據格式

同時考慮到SD卡在長期使用后可能出現個別位壞死的情況，我們對配置信息和采樣信息均做了冗余處理，如果其中一份數據出現CRC校驗錯誤，可以使用備份數據。

2.2 存儲格式實現

（1）對SD卡按數據塊進行管理，每個塊占512字節；

（2）配置信息保存在SD卡的塊0到塊3；

（3）SD卡的塊4保存了儀器開始啟動采樣的時間信息；

（4）SD卡的塊5保存儀器的采樣狀態信息，采樣狀態用于記錄每一采樣時段所對應數據的狀態，占1字節，0xff表示尚未開始；0x00表示按時開始但未正常結束；0x01表示未按時開始或中斷后重新開始且未正常結束；0x02表示按時開始正常結束；0x03表示未按時開始或中斷后重新開始但正常結束；

（5）從SD卡的第6塊開始存儲采樣信息，每一秒采樣到的數據對應一組采樣信息，根據采樣率不同，每組大小為采樣率乘以64字節，數據總長度根據采樣時間不同而變化。

2.3 實際效果

按照我們設計的數據存儲格式，在采樣率為4000SPS時，每GB的SD卡可以存儲約90分鐘的連續采樣數據。

與現有的數據存儲技術相比，本設計具有以下優點：

（1）實現了儀器的配置信息和采集信息的同時存儲；

（2）增加了數據的CRC校驗碼；

（3）為了確保數據的可靠性，增加了數據備份。

采樣率為1000SPS，采樣時間1min，地震儀存儲數據具體格式如圖3所示。

圖3 實測存儲的數據

3 結語

我們自主研制的礦用無纜存儲式地震儀采用無纜遙測的設計理念，先進的32位嵌入式處理器，性能優良的器件，降低了系統的功耗，減輕了儀器的重量，便于井下槽波勘探。該存儲式地震儀需要實現長時間連續采集并實現連續、可靠存儲。傳統地震儀的數據存儲方式無法滿足其需要。為此，我們設計了一種可靠的地震數據連續存儲方法。目前，我們已經生產了80臺該地震儀，并已在9個礦區完成了槽波施工，從現場使用效果來看，儀器可實現快速、可靠存儲，達到了我們預期的目標。

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A research on a data storage method of a no-cable storage seismograph.

Wu Hai
(Xi’an Branch Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp,Xi’an,Shanxi,710077)

A self-developed no-cable storage seismograph is introduced in this paper.This seismograph has no host engine and cable,can collect and store the data continuously,and has already achieved the explosionproof certification and MA certification.A 10-hours continuous underground data acquisition can be realized with this instrument.However,the data amount is very huge,so a traditional data storage format can’t meet the requirement.Therefore,an especial data storage format which aims at the instrument is designed. It realized a data real-time continuous storage.And the data storage is characterized by stability, reliability and high transmission efficiency.

no-cable storage;seismograph;continuous acquisition;continuous storage.

TD76

A