節點地震勘探儀器eSeis 1.0性能探討*

封召鵬，曾慶平，蔡敏貴，焦保森，嚴 皓，張 迪

(東方地球物理公司地震儀器研發項目組 河北 涿州 072750)

0 引 言

地球物理勘探離不開高精度、高性能的地震勘探儀器。在過去的三十年，地球物理勘探技術發生了翻天覆地的變化，中國也在該領域取得了很多成果。很多物探承包商開始從國內勘探市場走向了國際，有些甚至引領全球。在國際化的道路上，由于國外物探裝備制造商長期把持市場，國內物探公司想在海外取得新的地震勘探項目，不得不購買并使用國外的地震勘探儀器[1]。

近幾年，持續低迷的油價，高額的項目運作成本，加之國外地震勘探儀器的高昂價格，使得研發一款性價比高、穩定可靠的地震勘探儀器勢在必行。傳統的有線儀器一直占主導地位。但是隨著節點儀器技術的發展，節點儀器本身具有的投入勞動力少、采集高效等優勢，倍受物探承包商的青睞。目前節點儀器市場琳瑯滿目，有GSR、Unite、Hawk、ZLAND等型號。雖然這些產品性能相對有線儀器優勢明顯，但是價格昂貴。BGP(中石油東方公司)是世界上最大的陸地勘探承包商，為了打破這一僵局，從2015年開始研發新一代國產地震勘探節點儀器eSeis。該儀器價格低廉，功能以及采集數據的品質均達到國際水平。

1 eSeis1.0節點地震勘探儀器的研發思路

節點地震勘探儀器的工作特點是將一段時間內所采集的地震數據存儲在采集單元或者采集鏈本地內部存儲器上[2]。由于不涉及地震數據的傳輸，所以節點儀器大多數屬于無纜。目前比較流行節點儀器有Geospace公司[1]的GSX、OBX(shallow),Firefield公司的 ZLAND、 Z100、Z700(可以在水下700 m內工作)，這些海陸的節點儀器都選擇“盲采”的工作模式，質控信息不能實現實時監控。但是也有采用節點技術的有線系統，如Sercel的508XT[3]，不但采集的工作效率高，而且能夠實現實時監控。因此根據這些需求拓展思路，研發的節點儀器應該具備以下7個特征：能夠實現節點單元的質控信息的實時監控；節點單元有足夠大的存儲空間；節點電池能夠快速充電，容量大體積小；節點單元在野外采集能夠持續50d以上；節點單元的GPS同步誤差小；節點單元的功耗小；可以適應各種不同的野外環境，能夠兼容各種檢波器串。

新一代eSeis1.0節點儀器除了具有實時質控功能，在保證GPS同步方面還開發了GPS訓鐘技術、快速充電技術、數據鏈編碼技術和低功耗GPS模塊技術等。

1.1 eSeis1.0節點儀器的基本構架和工作流程

研發團隊從數學建模開始，借鑒國際領先節點儀器的經驗，研發出自己的eSeis1.0節點儀器軟硬件構架，如圖1所示。

圖1 eSeis節點單元軟件框架與eSeis節點儀器的硬件組成

eSeis1.0節點采集站的 A/D模數轉換是按照準確預定時刻(一般為2的冪次方數為計時線)采集數據，而不是其它 廠家(如Geospace的GSR)通常采用的對采集數據流打當前時間戳；該算法得到TB(Time Break)時間更精確，適合高精度要求，與我們的高效采集激發管理系統相匹配，精確同步。 同時在設計之初就考慮實現節點單元的質控信息的實時監控。這些實時監控的信息包括GPS狀態、節點單元的存儲容量、電池電量、采集參數等。同時也可對超標的監控項提出預警。自動測試功能包括對采集站技術指標檢測(出廠技術指標、日月檢等)，及對檢波器性能和埋置狀態檢測。

模數轉換單元包含高精度超低噪音可編程前置放大、真32位高精度模數轉換、去假頻濾波等功能。多功能下載柜中的精密測試信號單元包含32位高精度可編程數模轉換、高精度超低噪音可編程驅動/緩沖等。

在野外進行地震數據采集時，地震信號經過A/D(模數轉換)存儲在eSeis節點采集站的16 GB內存中。同時在采集的過程中，通過實時監控的電臺鏈路對采集站的質控信息進行實時監控。生產完成之后，跟其他節點一樣，所有參與生產的eSeis節點被收回營地，通過在eSeis服務器上運行的Harvester Manager軟件完成地震數據的下載。eSeis節點采集站中的地震數據通過下載機柜被下載到服務器的盤陣當中。但是這個時候下載的只是原始數據，通過第三方采集系統或者編碼器得到激發的GPS TB信息，在服務器上運行Data Manager軟件，利用GPSTB信息完成共炮點集或者共檢波點集數據的切分、信號的相關和疊加等運算。生成的SEG-D或者SEG-Y格式數據才能被送至解釋組或上交給甲方(如圖2所示)，這樣才是一個完整的數據流。

圖2 eSeis1.0系統的數據流

2 eSeis1.0節點儀器的四種技術

2.1 GPS訓鐘校準技術

保證整個系統的時鐘同步是所有的地震采集系統面臨的關鍵問題。在以往的有線系統中，整個采集系統內部的野外設備和室內設備的同步是通過大線的同步信號傳輸來完成的[4]。eSeis1.0節點儀器由于沒有有線傳輸，所以同步的方式有很大的不同。eSeis1.0采用GPS訓鐘的技術保證采集系統的同步。

目前大多數節點儀器和部分有線儀器是在激發源和數據采集端均按照采樣間隔對激發時刻和數據采集時刻打GPS精確時間標記的被動方法來實現TB(Time Break)時間同步的，按照精確指定時刻(以GPS時間為基準)來啟動數據采集和激發同步，由于A/D主時鐘隨著時間推移會產生累積誤差，造成單位時間內的數據采集點數發生變化。這樣會影響地震勘探儀器的采集數據的精度，往往由于采樣時鐘的誤差的累積，可以達到半個采樣點的誤差[5]。eSeis1.0節點采集站所采用的訓鐘校準技術，是基于精密有源晶振、高精度GPS模塊和MCU(Micro Control Unit)完成的。在采集開始之前，GPS模塊接收衛星信號，采集站進行訓鐘校準。eSeis1.0節點上的MCU開始檢測自身時鐘與GPS時鐘的誤差，并把這一誤差反饋給MCU，MCU根據這一誤差動態調整PWM(Pulse-Width Modulation)模塊輸出的脈沖，這一脈沖輸入A/D模塊的主時鐘，以此方法達到精確的同步(如圖3所示)。這樣的GPS訓鐘過程在采集中每半小時一次。

圖3 eSeis1.0節點采集站內部的GPS訓鐘校準原理圖

在訓鐘校準的基礎上，eSeis1.0節點采集站內部的A/D(模數轉換芯片)按照準確預定時間開始采集(一般為2的冪次方數為計時線)這樣避免了TB同步半個采集樣點的誤差。

2.2 電池快速充電技術

目前很多地震勘探項目進行高密度、大帶道數采集(節點單元本身不受帶道能力的限制)，每天有很多采集設備被回收或者放置到野外。作為節點儀器每天除了面對大量節點數據要回收下載，而且要面對大量節點電池充電的問題。如果節點電池需要充電時間長或者充電不飽和將嚴重影響生產能力。eSeis1.0節點儀器考慮到這一點開發了可實現快速充電的eSeis磷酸鋰鐵電池，該電池包額定輸出12 V，容量20 AH。可保證eSies節點連續采集30天以上。最關鍵的是該電池充電只需要3 h即可充滿。eSeis1.0電池和節點單元如圖4所示。

2.3 節點采集站低功耗技術

多數節點儀器目前使用單站單個供電單元，由于地震勘探面臨的地形復雜多變，如城區、沙漠、山地、灘涂等。這些區域由于地形或者社區因素施工緩慢，需要排列長時間滯留野外。如果電池容量較小或者采集站功耗大，將直接影響節點在野外的“生存周期”。eSeis1.0節點儀器使用了低功耗的硬件，在采集站MCU運作固件上也考慮到了功耗。如GPS模塊分時段訓鐘模式，在采集過程中，MCU每隔半個小時與GPS模塊做一次訓鐘校準，在平時GPS模塊處于休眠狀態，藍牙模塊只有在和Node hunter手縛通訊時才啟用，這樣保證整個采集站的低功耗。如果用戶不需要實時監控節點質量狀態，那么無線電模塊也可以關閉，這樣節點功耗更低。

圖4 eSeis電池和節點單元

2.4 穩定的數據鏈技術

eSeis1.0節點采集站狀態的實時回傳，通過低功耗的通訊數字鏈接技術完成。針對節點數量極其龐大的特點，eSeis1.0數據鏈由多種嵌入不同設備的通訊模塊組成。主要特點有：

1)提供高速節點狀態獲取機制。生產管理中心嵌入多信道高速通訊鏈路模塊，與野外檢波線通訊單元遠程鏈接，高速獲取節點的實時狀態及歷史狀態。

2)提供超低功耗節點狀態通訊機制。為了保證節點一次充電后的長時間數據采集，節點模塊中內嵌的數據鏈模塊采用超低功耗設計，使得節點采集工作時依然可以隨時傳輸工作狀態及異常狀態，確保生產順利進行。

3)提供靈活動態的監控通訊鏈路。檢波線通訊單元中內嵌高低速一體eSeis通訊模塊，可以根據觀測系統及地形情況，靈活動態地部署在所負責區域中，通過低速通道獲取節點狀態，并利用高速信道將信息快速遞傳輸給指揮中心。

3 eSeis1.0節點儀器的性能指標

eSeis1.0節點儀器二期研發完成后，新的eSeis1.0節點的技術指標的得到了提高，技術性能指標更加穩定,相對GSR、RT2具有明顯優勢，見表1。eSeis1.0節點采集站的突出特點是具有32位真模數轉換模塊、GPS訓鐘技術、獨有的低功耗技術和價格低廉。

表1 eSeis1.0、GSR、RT2 3種地震勘探儀器的對比

4 eSeis1.0節點儀器的應用

eSeis1.0節點儀器在2015年12月產品成型，2016年1月至2017年12月之間做了3次對比試驗，分別與428XL、G3i和Hawk等采集系統做了對比。這3次試驗驗證了eSeis1.0節點儀器在邏輯上的正確，系統穩定。通過分析采集到地震資料，eSeis1.0節點儀器資料品質達到了國際同等水平。

4.1 與Sercel 428XL儀器的對比試驗

為了驗證eSeis1.0節點儀器邏輯的正確性，2016年1月6日～8日，在華北某探區與428XL地震勘探儀器做了對比試驗。試驗投入eSeis1.0第一代無線節點50道，包括可抗低溫的快速充電電池50塊，3個排列助手。檢波器串20DX-10，每道兩串。通過三通線將檢波器串輸出的地震信號分別引入到428XL的FDU和eSeis1.0節點采集站中,兩種采集系統使用相同的采集參數。

經過分析對比428XL和eSeis1.0節點切分后的資料，得出eSeis1.0節點邏輯正確，系統的PGA(programmable gain amplifier)、A/D轉換算法正確，GPS授時準確，數據格式、下載、切分、抽取和道分選正確。eSeis 1.0信號的相位與428XL一致，見圖5(a)；極性符合SEG規定，見圖5(b)。

圖5 eSeis與428XL數據1 ms采樣的相位極性對比

4.2 與G3i儀器的試驗對比

2016年8月，為了進一步驗證eSeis1.0系統的實用性、和穩定性，在國內某地震隊與INOVA G3i儀器進行了1 880道共檢波串二維對比試驗。共采集321個炮點，eSeis1.0和G3i儀器選擇同一采集參數，采用共激發點和接收點采集的對比方式，保障試驗結果的可對比性，如圖6所示。

通過對eSeis1.0和G3i資料的對比分析得出以下結論(見圖7)：

圖7 eSeis1.0與G3i儀器1ms采樣的全頻單炮記錄對比

1)從單道、炮集、剖面分析結果來看，eSeis1.0采集地震數據從波形、能量、頻率、相位上，都與G3i采集的地震數據整體一致。

2) 通過綜合分析，eSeis1.0采集地震數據的品質與G3i相當，所采集的地震數據質量是可靠的。

3)eSies1.0無線節點儀器整體工作穩定達到工業生產的水平。

同時通過這次試驗也發現了一些問題：

1)狀態信息回傳不穩定。需要在硬件和軟件上做改進調整，將接收靈敏度增加，天線采用外置辦法。現已通過改進實驗。

2)數據下載機柜和充電柜接頭連接繁瑣、不易操作。需要簡化數據下載時的插頭連接方法。去掉插頭外套，操作時不必要螺紋擰緊,以簡化拔插操作。

3)采集站重量輕，受粗插頭和環境影響大，站體野外容易翻轉導致GPS天線接收不到信號。計劃在下一步電池和采集站合并后，采取扁平化結構方案加尾椎解決。

4)采集站采集數據零飄消除算法須完善。

4.3 與Hawk儀器的對比試驗

為了進一步對比eSeis1.0節點儀器跟國際其他物探儀器的性能，在國內某探區地震隊跟Hawk節點儀器做了二維對比試驗。跟之前的兩次試驗類似，eSeis1.0和Hawk使用同樣的采集參數。前方增益位12DB，采樣率1 ms,記錄長度5 s,井炮激發。兩種節點接收來自同一串檢波器串的地震信號。同時記錄井炮激發的GPS TB時間作后期數據切分的依據。

對兩者采集到的地震數據分析發現：

1)從單道均衡、固定增益、分頻掃描結果來看，肉眼無法分辨出差異，eSeis1.0單炮與Hawk面貌一致(圖8)；

2)從頻譜上看，eSeis1.0單炮與Hawk頻譜的整體趨勢一致，在0～150 Hz，一致性非常好，在150 Hz以上雖有差異，但差異很小；

3)從連續相位上看，200 Hz以上eSeis1.0單炮與Hawk連續相位有一定差異，隨著頻率升高差異有所增加(圖9)。

圖8 eSeis1.0與Hawk儀器的單道對比

4)從疊加剖面及分頻分析結果來看，eSeis1.0與Hawk整體面貌一致(圖10)，肉眼無法分辨出差異，從二者相減結果來看，差異也很小；

5)從頻譜分析結果來看，eSeis1.0粗疊加與Hawk頻譜的整體趨勢一致，在0～150 Hz，一致性非常好，但在150 Hz以上有一定的差異，但差異很小;

6)通過互相關分析，兩者數據存在差異，但是差異遠小于半個采樣間隔。

通過綜合分析，證明eSeis1.0所采集地震數據的品質與Hawk相當，獲取的地震數據質量是可靠的。

圖10 eSeis1.0節點與Hawk節點采集剖面相減

5 現狀分析與結論

目前物探裝備市場節點地震勘探儀器種類繁多，很多產品因為電池容量小、節點采集站內存小、不能夠實時監控節點狀態等原因，以及 GPS時間漂移等問題成為提供優質資料的短板。針對以上問題，eSeis1.0節點研發工作，通過降低功耗、開發高性能的磷酸鋰鐵電池提高eSeis1.0野外節點的待機時間；核心的GPS訓鐘技術改變了以往通過在模數轉換過程中打時間戳的做法，以預定時間的方式開始采集，精確地實現和激發源的同步，進而避免了采樣時間漂移[7]。

任何物探裝備一問世都不是一蹴而就的，后期不斷改進以及對客戶負責的態度決定該產品能夠走多遠。eSeis1.0節點儀器的應用過程證明系統本身的邏輯是正確的，數據品質達到了國際水平，儀器性能穩定。為了滿足高密度采集，充電設備需要改進，現有的便攜式充電柜，不能滿足萬道級施工的需要；數據下載柜的插頭和外形都應該針對現有的實際需要而改進。這些都需要研發團隊進一步緊密貼合用戶，不斷完善。