用于海洋地震勘探系統的數據變采樣率采集及自檢控制模塊*

李彥超，段發階，蔣佳佳，袁建富，薛俊，王憲全

（天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072）

用于海洋地震勘探系統的數據變采樣率采集及自檢控制模塊*

李彥超，段發階*，蔣佳佳，袁建富，薛俊，王憲全

（天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072）

針對傳統海洋地震勘探系統的不足之處，本文提出了一種用于海洋地震勘探系統的數據變采樣率采集及自檢控制模塊。該模塊采用一種基于鎖相環的變采樣率采集節點同步設計方法，實現了采樣率可調節的數據采集功能，同時，該模塊還實現了基于奇、偶通道控制模塊的自檢功能，完成了變道數采集以及系統自檢測。試驗現場的測試結果表明，系統的同步精度為4.86 ns，可靈活實現海洋地震勘探系統4 ksample/s（sample per second，每秒采樣次數）、2 ksample/s、1 ksample/s、500 sample/s、250 sample/s 5種采樣率可調的功能，同時能夠進行包括奇、偶通道串擾，通道一致性，諧波失真，噪聲、直流偏置六項系統自檢功能，從而驗證了本文所提出的海洋地震勘探系統的可行性。

海上油氣田地質與勘探；采樣率可調；系統自檢；奇、偶通道控制模塊；數據抽取器

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.014

作為獲取海洋資源信息的重要手段之一，海洋地震勘探技術［1-6］正在往高精度、高分辨率、高可靠性的方向飛速發展。然而，隨著勘探難度［7-11］的增加，傳統的海洋地震勘探系統已無法在高分辨率、多頻帶以及實時自檢等方面做到完全兼顧；同時，對于海洋環境噪聲，以及不同采集通道之間的相互干擾也無法及時收集，大大降低了海洋地震勘探系統的實用性和可靠性［12-13］。

常見的海洋地震勘探系統主要分為軍用系統與民用系統兩種［14-15］。其中，軍用系統主要用于海洋預警及監測，其要求系統具有較高的數據采樣率，一般為每秒3 000至100 000個數據采樣點（3 ksample/s～100 ksample/s），典型系統的數據采樣率為每秒16 000個數據采樣點（16 ksample/s）；民用系統則主要用于探測海底地質地貌，海底油氣藏資源等，其對于采樣率的要求較低，常見的系統采樣率為每秒四千個采樣點（4 ksample/s）。由此可見，海洋地震勘探系統在不同條件下對其數據采樣率［16］有著不同的頻帶要求。

一般地，根據奈奎斯特采樣定理，為保證原始信號在經過采樣后能夠不失真地還原，采樣電路的數據采樣率必須至少兩倍于原始信號的最高頻率，即Ωs＞2Ωh，其中Ωs為數據采樣率，Ωh為原始信號的最高頻率。但是，在實際操作工程中，數據采樣率一般需要達到原始信號最高頻率的10倍以上，即Ωs＞10Ωh。

目前，傳統的海洋地震勘探系統，均采用基于過采樣技術的24 bit Δ-Σ模數轉換器（ADC）作為地震信號采集單元的核心部件，這種過采樣技術能夠保證采樣信號不失真；同時，Δ-Σ ADC還具有超寬的動態范圍，優良的線性度，超低的諧波失真以及靈活的串行接口等優點，因此能夠滿足海洋地震勘探系統在復雜水下環境中高信噪比地震信號進行采集的嚴苛需求。

然而，傳統的海洋地震勘探系統往往只具有單一的數據采樣率，其能夠分析的水聲信號頻帶是固定的、有限的，不能根據實際需求做出改變，因而制約了海洋地震勘探系統的靈活性及功能性，其單一的數據采樣率已不能夠滿足用戶對于寬帶水聲信號分析的需求。

同時，海洋地震勘探系統成本較高且維修困難，對系統進行實時自檢測是十分必要的。常規的自檢測參數主要包括通道間串擾、系統本底噪聲、通道一致性、直流偏置、諧波失真等。當系統工作在異常狀態時，對以上參數的實時自檢測可以使其能夠及時對故障進行分析、定位。因此，實時自檢測對于海洋地震勘探系統也具有重要意義。

為克服上述缺陷，本文提出了一種用于海洋地震勘探系統的數據變采樣率采集及自檢控制模塊。該模塊可靈活實現不同數據采樣率的地震信號采集，且具有良好的信號采集同步精度；同時，該模塊能夠實現多種自檢信息的采集與顯示。現場的實驗結果也進一步驗證了該模塊的靈活性與可靠性。

1　海洋地震勘探系統拓撲結構

海洋地震勘探系統的拓撲結構如圖1所示，主要由船上系統、數據采集卡，M級數字包以及水聽器陣列纜段組成。其中，每段水聽器陣列包含16路水聽器，1路命令同步采集鏈路以及1路數據鏈路，鏈路介質均為超5類非屏蔽雙絞線。船上系統與數據采集卡之間采用光纖介質進行連接；數據采集卡與各級數字包之間均采用水聽器陣列纜段進行連接。命令同步鏈路向下一級數字包傳輸控制命令以及同步時鐘，數據鏈路負責完成采集數據的上傳。

各級數字包由采集節點和傳輸節點組成，采集節點負責接收左右各8路，共16路地震信號，并將其轉換成數字信號后，上傳至對應的傳輸節點；同時，完成變采樣率數據同步采集以及系統自檢。傳輸節點的作用是通過命令同步鏈路與數據鏈路分別完成命令解析、同步時鐘的轉發以及數據上傳。數據采集卡負責將傳輸節點上傳的數據整合，并通過光纖收發模塊上傳至上位機系統；同時轉發上位機系統下發的命令。上位機系統的主要功能是接收與存儲數據，實時顯示采集信號波形，并對整個海洋地震勘探系統進行控制。

圖1　海洋地震勘探系統拓撲結構

2　采集節點工作原理

本海洋地震勘探系統中，數據采樣率可調以及系統自檢功能主要是通過采集節點來完成的。采集節點的拓撲結構如圖2所示，主要由現場可編程邏輯門陣列（FPGA）、鎖相環、16路采集模塊、16路水聽器、自檢模塊以及電源模塊組成。

采集節點中各模塊功能如下所示：

①FPGA。FPGA主要負責接收并識別傳輸節點下發的命令與同步時鐘，一方面根據命令內容控制不同模塊進行相應處理，另一方面將同步時鐘轉發給鎖相環，以實現各級數字包同步采集數據的功能。同時，接收本地采集節點16路采集模塊轉換的數字信號，組成系統所需的數據幀格式，并上傳至傳輸節點。

②鎖相環。用于控制采集模塊的同步采集、自檢模塊各測試信號的同步產生。

③采集模塊與自檢模塊。各采集節點包含16路采集模塊和1路自檢模塊。采集節點中采集模塊的內部拓撲結構如圖3所示，由數據抽取器、Δ-ΣADC、程控放大器以及模擬開關組成。其中，模擬開關的輸入端分別連接水聽器濾波網絡、自檢模塊、以及公共地，完成地震信號的采集，自檢信號測試等不同功能。自檢模塊主要由Δ-Σ數模轉換器（DAC）組成，通過FPGA對Δ-ΣDAC進行相應的配置，即可產生系統自檢功能所需的正弦信號、直流偏置信號與脈沖信號，最終用于進行通道一致性、直流偏置、奇偶通道間串擾等系統自檢信息的測試。

圖2　海洋地震勘探系統采集節點拓撲結構

圖3　采集模塊內部拓撲結構

3　系統采樣率可調及自檢功能的實現

3.1基于鎖相環的變采樣率采集節點同步設計方法

海洋地震勘探系統的同步，主要取決于各級數字包中16路采集模塊的采集同步，自檢模塊測試信號同步以及數字包之間的時鐘同步。由于各級數字包均源于同一系統同步時鐘，在采樣率變化的情況下，各級數字包之間，亦能夠實現包間同步。為保證本系統在采樣率可調的情況下仍然能夠同步采集，系統同步時鐘頻率應與采樣率保持一致。目前，本系統已實現了4 ksample/s、2 ksample/s、 1 ksample/s、500 sample/s、250 sample/s 5種采樣率可調的功能，對應的系統同步時鐘頻率分別為4 kHz、2 k Hz、1 k Hz、500 Hz、250 Hz。

采集節點中的采集同步與自檢模塊測試信號同步主要通過鎖相環電路實現（如圖4所示）。鎖相環由鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器、分頻器、ΔΣADC以及數據抽取器組成。其中，壓控振蕩器的時鐘頻率為16.384 MHz，分頻器的分頻數設為4，ΔΣADC的主時鐘頻率為4.096 MHz，其數據采樣率為固定的4 ksample/s，這里可將ADC看作一個分頻數為1 024的偽分頻器。這樣，分頻器與ADC共同組成了一個分頻數為4×1 024=4 096的分頻環節。

假設當前系統的采樣率為4 ksample/s，則系統同步時鐘為4 kHz，將ADC的數據經過數據抽取器進行數據抽取，利用其產生的數據就緒位（DRDY）可以實現對系統同步時鐘的跟蹤與鎖定。由于DRDY與系統同步時鐘是同頻率的，當系統需要改變采樣率時，系統同步采集時鐘與DRDY將同時改變，并最終完成同步。這里，同一采集節點的所有ADC與DAC的主時鐘均為同一主時鐘。通過上述環節，海洋地震勘探系統的變采樣率同步采集即可實現。

圖4　鎖相環電路的內部組成

3.2數據抽取器

數據抽取器（如圖5）由計數器和數據緩存構成。數據緩存模塊用于緩存ADC產生的轉換數據，計數器用于控制數據緩存模塊進行數據抽取，實現信號的變采樣率采集。

圖5　數據抽取器原理框圖

數據抽取器的原理（如圖6）如下：

Δ-ΣADC在對采集到的信號完成轉換之后對其進行相應抽取，即可完成變采樣率的數據采集。每兩個數字信號抽取一次，則系統的采樣率變為2 ksample/s，每3個抽取1次，采樣率變為1.333 ksample/s，以此類推。最終，本系統可以實現4 ksample/s、2 ksample/s、1 ksample/s、500 sample/s、250 sample/s 5種采樣率的信號采集通道。

圖6　變采樣率數據采集示意圖

3.3基于奇、偶通道控制模塊的自檢功能設計與實現

如圖7所示，FPGA由奇、偶通道控制模塊以及同步控制模塊組成，其中，奇通道控制模塊控制奇數通道采集模塊，偶通道控制模塊控制偶數通道采集模塊，同步控制模塊負責轉發傳輸節點下傳的系統同步時鐘。

圖7　奇、偶通道控制模塊示意圖

采集節點可根據傳輸節點下發的命令，來實現以下功能：當采集系統需要正常采集所有通道的地震信號時，奇、偶通道控制模塊將會同步控制各個通道進行數據采集；當采集系統只需要采集奇通道或者偶通道的數據時，采集節點可以做出相應的處理，控制采集模塊中的模擬開關，采集奇通道或者偶通道的數據，從而改變采集系統的傳感器道數，滿足不同場合對大道數、小道數采集節點的不同要求；當系統需要進行自檢測試時，采集節點可以分別測量奇通道串擾（奇通道接入公共地，偶通道接入自檢模塊產生的標準測試信號時，奇通道所采集到的干擾信號即為奇通道串擾）及偶通道串擾（偶通道接入公共地，奇通道接入自檢模塊產生的標準測試信號時，偶通道所采集到的干擾信號），或者分別測量系統的通道一致性，噪聲，直流偏置以及諧波畸變。

3.4數據采樣率可調以及系統自檢功能的實現

最終，采集節點的內部功能流程圖如圖8所示。

圖8　采集節點的內部功能流程圖

首先系統需要對采集節點進行上電初始化，待初始化完成之后，采集節點將會通過鎖相環對各個信號采集通道進行同步，只有當所有信號采集通道完成同步之后，采集節點才會進行下一步驟，否則采集節點會再次進行同步，直到各個采集通道完成同步。

然后，采集節點將會等待上位機的命令，當采集節點接收到上位機下發的自檢命令后，自檢模塊將會產生自檢需要的標準參考信號，同時奇、偶通道控制模塊將配置模擬開關轉換至自檢通道，系統進入自檢模式；若采集節點不需要進行自檢，則系統進入正常的數據采集工作，并配置信號采集模塊進入正常采集模式。

最后，系統將采集到的數據上傳至傳輸節點。

4　實驗

基于本文提出的系統模型，課題組搭建了一套具有16路水聽器的海洋地震勘探系統，如圖9所示，其中數字包2與數字包3之間是由一長度為100 m的水聽器陣列連接，該段陣列內共含有16路的水聽器。在試驗現場，課題組共進行了3組實驗，分別測試了本文設計模塊的采樣率可調功能，采集節點的同步精度以及系統自檢的功能。

圖9　海洋地震勘探系統試驗現場

在第一組實驗中，課題組驗證了設計模塊的采樣率可調功能。實驗以4 ksample/s與1 ksample/s兩種采樣率模式為代表，采用示波器來驗證采樣率可調的功能。系統在工作狀態下，采集節點中數據就緒位（DRDY）與數據讀取時鐘（SCLK）的波形情況如圖10、圖11所示。

圖10 4 ksample/s采樣率模式

圖10為4 ksample/s采樣率模式下的情形，在該模式下，采集節點的DRDY頻率為4 kHz，SCLK與DRDY信號保持同步。

圖11 1 ksample/s采樣率模式

圖11為1 ksample/s采樣率模式下的情形，該模式下采集節點的DRDY為1 kHz，SCLK仍可以與DRDY信號保持同步。該實驗結果表明，系統能夠靈活實現采樣率可調的功能。

在第2組實驗中，課題組選取4 ksample/s采樣率下的系統同步時鐘（Sync-CLK）與采集模塊DRDY進行比較，來測量采集節點的同步精度，系統同步精度即為DRDY信號與Sync-CLK信號之間的相位差（時間差），實驗結果如圖12所示，可以看出系統同步精度為4.86 ns，說明系統具有良好的同步性。

圖12　系統同步精度為4.86 ns

在第3組實驗中，課題組分別驗證了奇通道串擾自檢測及噪聲檢測的功能。如圖13所示為系統上位機軟件的顯示界面，其中偶數通道接收的信號是由自檢模塊產生的頻率為31.25 Hz，幅值為1.25 V的標準正弦波信號，而奇數通道直接與公共地相連，此時上位機接收到的奇通道數據即為串擾檢測信號。接下來可以通過對奇數通道上的數據進行處理，得出其串擾的大小。

課題組又對系統噪聲自檢功能進行了測試，如圖14所示。將所有通道的信號輸入端接入公共地，其接收到的數據即為系統噪聲，再對采集到的數據進行后續處理，即可完成噪聲的測算。

圖13　系統配置為串擾奇通道自檢模式時的信號波形圖

圖14　系統配置為噪聲自檢模式時的信號波形圖

5　結束語

本文提出了一種用于海洋地震勘探系統的數據變采樣率采集及自檢控制模塊，針對水聽器陣列系統的特點，設計了基于鎖相環的變采樣率采集節點同步設計方法，通過對數據抽取器的同步控制，靈活地實現了變采樣率的數據采集功能；同時，本文介紹了基于奇、偶通道控制模塊的自檢功能，通過對奇、偶通道的同步控制，實現可變道數的數據采集功能。從現場試驗結果可以看出，本系統具有良好的同步性，且能夠完成采樣率可調的數據采集以及系統自檢。

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李彥超（1989-），男，博士研究生，天津大學精儀學院精儀系，主要從事水聲陣列信號采集及處理、海洋數據遠距離傳輸等方面的研究；

段發階（1968-），男，博士，教授，博士生導師，天津大學精儀學院精儀系主任。中國光學學會光電測試技術專業委員會委員，中國儀器儀表學會光機電技術與系統集成分會理事。主要從事測試計量技術及儀器、激光及光電測試技術、計算機視覺檢測技術、光纖傳感技術、自動控制技術等方面研究；

蔣佳佳（1986-），男，博士，講師，天津大學精儀學院精儀系。中國儀器儀表學會青年工作委員會委員。主要從事海洋聲學探測技術、光電檢測技術、陣列信號處理、空間譜估計等方面的研究。

A Sampling Rate Adjustment and Self-Check Control Module Based on Marine Seismic Exploration System*

LI Yanchao，DUAN Fajie*，JIANG Jiajia，YUAN Jianfu，XUE Jun，Wang Xianquan
（State Key Laboratory of Precision Measurement Technology And Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

In order to overcome the shortcomings of the existing system，a sampling rate adjustment and self-check control module based on marine seismic exploration system is presented in this paper.The module uses a method of variable sampling rate acquisition node synchronization based on phase-locked loop，to achieve the function of adjust?able sampling rate data acquisition.Meanwhile，the self-check function based on a control module of odd and even channels is developed，and variable channel acquisition as well as system self-check is accomplished.The results of experiments verify the feasibility of the proposed marine seismic exploration system.It shows that the synchronization accuracy of proposed system was 4.86ns.The function of adjustable sampling rate includes five modes（4 ksample/s（sample per second），2 ksample/s，1 ksample/s，500 sample/s and 250 sample/s）.And the function of self-check in?cludes six modes（odd or even channel crosstalk，channel consistency，harmonic distortion，DC bias and noise）.

geology and exploration of offshore oil and gas fields；sampling rate adjustment；system self-check；odd and even channel control module；data extractor

TP393

A

1004-1699（2016）09-1376-07

項目來源：海洋經濟創新發展區域示范項目（cxsf2014-2）；國家自然科學基金項目（61501319）；國家自然科學基金項目（51275349）；光電信息與儀器北京市工程研究中心開放課題項目（GD2015007）；教育部博士基金項目（20130032110054）；航空科學基金項目（20141048003）

2016-01-18修改日期：2016-05-03