SmartSolo 節點地震數據采集系統的工作原理及應用

鮑曉龍，白 濤，侯剛棟，李 偉

（中國煤炭地質總局 物測隊，河北 邢臺 054000）

1 概 況

目前，地震勘探技術水平日益提升，而在地震勘探數據采集質量、采集精度、采集范圍等諸多方面的要求也愈發嚴格，各個勘探服務公司普遍傾向于獲取超寬頻帶、超寬方位角，并且覆蓋次數相對更高的信息數據，對地震勘探的有效目的層作出更詳細的解釋，對于一些結構相對更加繁瑣、復雜地質條件，可以獲得相對更高的分辨率，從而獲取效果更佳的成像質量。因此，對數字地震儀采集系統各方面性能要求更加嚴格，有效的接收排列也就越來越大。盡管現階段應用相對比較廣泛的有線數字地震采集設備仍然廣泛應用在地質勘探領域，但在施工地區地表地物條件復雜區域，無線數字地震儀器采集設備、節點數字地震儀器采集設備更能發揮它的優越性能，用以實現高效高精度的野外采集，其將會廣泛應用于地形更加繁瑣復雜、自然環境更加惡劣的場合。本文以中國煤炭地質總局物測隊購置的SmartSolo 為研究對象，從多個層面、多個維度對節點地震數據采集系統的整體架構、基本工作原理、應用場合等進行了詳細介紹。

2 SmartSolo 節點數據采集系統

一般來說，數據采集系統在獲取相關數據的過程之中必須要經過多個步驟，例如檢波器振動信號的獲取、數據存儲與傳輸、數據記錄等。

對于節點地震數據采集系統而言，其在具體運行過程之中，無論是振動信號的拾取，還是模/ 數轉換，均是在單個站體內獨立完成，然后將具體數據直接存儲于SD 卡之內，回收到室內集中拆下站體，通過下載架，下載到工作站內，進行擬合數據。

節點地震數據采集系統在運行過程之中，徹底解決了數據直接回傳至工作站這一難以處理的問題，即由原來的數據的采集—數據的傳輸—數據記錄到主機，變為目前的數據的采集—數據的記錄（就地） —數據下載擬合。極大地從優從簡了系統結構，與此同時使野外施工更加高效高質。

SmartSolo 內部包含多個智能振動傳感器，例如IGU- 16、 IGU- 16HR、 IGU- 16HR- 3C、 IGU BD3C- 5、IGU- 19HR 等。

2.1 SmartSolo 系統組成

SmartSolo 采集系統主要是由野外數據采集系統和室內數據下載系統兩大部分組成。

（1） 野外數據采集系統。

野外數據采集系統是由相對獨立和自主運行的智能振動傳感器（IGU）、輔助設備、軟件套裝組成。智能振動傳感器沒有沉重的外接地震數傳電纜，可以多重選擇，目前有內置檢波器或外接檢波器這兩種模式。購買智能振動傳感器產品時，可以根據作業需求選擇內置檢波器或外接檢波器的型號。

依據GPS 授時技術，排列管理員可以使用手持終端或裝有SmartSolo 掃碼軟件的手機，去布設IGU 接收點的位置。當智能振動傳感器內的GPS接收器啟動了以后，接收到GPS 衛星的同步信號，內置時鐘啟動GPS 計時，模數轉換器（ADC） 被打開，這樣就開始自動連續采集地震數據，并將數據存貯于內置SD 卡內。

開工前先給IGU 寫入采集參數（腳本），將SPS 文件寫入DMC 里，將接收點數據傳入手持器或者裝有SmartSolo 掃碼軟件的手機。把IGU 放到點位后，用磁開關將IGU 打開，待GPS 搜星完成，站體指示燈為綠燈閃爍時，用手持機或手機掃描IGU 站體條形碼編號。將手持器或手機布設完成的排列數據上傳到DMC 內（圖1）。

圖1 工區布置Fig. 1 Layout of working area

IGU 內封裝有8.4 V 的鋰電池，在常規溫度下，這種電池在1 ms 采樣率時，IGU 采集數據可以連續工作25 d。IGU 工作狀態，根據需要可以完全被埋置，也可以部分埋置，這樣可以使得IGU與地面充分的耦合，這樣埋置，即降低了環境噪音對采集有用信號的干擾，并且還可以使設備的損壞率大大降低。

（2） 數據下載系統。

數據下載系統包括數據下載架、充電架、工作站（圖2）。

圖2 充電架、數據下載架及工作站示意Fig. 2 Charging rack data download rack and workstation

數據下載架：工作站通過光纜連接到下載架，每臺下載架可以連接32 個節點，連接好后自動下載，實時最大傳輸速率20 Mb/s。

充電架：每臺充電架可同時為48 個電池包充電，電池包從完全放電到充滿電不超過3.5 h。

工作站：用于數據收集和管理，預裝SmartSoloDCC、SmartSoloDMC 軟件。

參照時斷信號（TB） 提取過程之中的GPS 時間，SmartSolo 軟件擬合IGU 下載下來的數據體，可以依據需要進行擬合，不但可以直接將地震數據輸出（標準數據格式），也可以輸出連續采集的噪音，并將擬合好的數據體記錄到存儲設備上。

2.2 系統技術指標

SmartSolo IGU- 16 10Hz 智能振動傳感器是一個A/D 轉換系統，24 位，屬于單站單道類型。在站體內部包含位，其是由多個部件共同構成，如電池包、電子控制板、存儲器等，同時還包含了濾波器、信號發生器等重要元件。

采樣率/ms 1、2、4

前方增益/ dB 0、6、12、18、24

動態范圍 126dB@2ms 增益0dB

增益精度/% ＜1

等效輸入噪音 0.7uV 2ms@增益12dB

總諧波失真/% ＜0.000 5

共模抑制/ dB ≥100

計時精度 ±10uS，GPS 馴服

電池類型 鋰離子電池

2.3 GPS 時鐘

對于GPS 時間系統而言，其主要是把原子時鐘直接作為時間基準，在設定時間起算原點的過程之中，主要是依據UTC 的0 時，當系統正式啟動之后，不再發生跳秒，確保時間的連續性特點。隨著時間的推移，GPS 時間、UTC 時間必定會產生一定的差異，對于秒級以下的差異均進行統計整理，然后交由服務部門對外公布。利用GPS 時間的周、秒直接將閏秒的調整時間值減去，從而最終求出UTC 時間，經過換算處理之后便可以求出UTC 時間，現階段，GPS 時間、UTC 時間存在一定的差異，即在16 s 左右。

SmartSolo 智能振動傳感器主要是把GPS 時間作為時序，當對采集數據進行下載整理或者合成處理的過程之中，必須要通過合理化的方式來轉換這兩個時間系統，從而直接求出采集數據時間。

SmartSolo 智能振動傳感器內部配設了一個精度非常高的時鐘，主要作用是計時，當GPS 時間信號直接傳輸至傳感器后，傳感器內部時鐘將會與GPS 時間進行同步，傳感器進行采集的過程之中，即便GPS 信號已經丟失，通過自有時鐘，傳感器仍可以繼續進行采集。當數據傳輸至傳感器數據之后，系統將可以對各個傳感器的時鐘漂移進行全面化、深入化的分析，以此來進一步提高采集數據的時間精度。

在SmartSolo 智能振動傳感器的埋置試驗中，當傳感器埋置深度達到40 cm 時，仍然可以達到平均搜星6 顆，從而確保采集系統可以正常運行，如圖3 所示。

圖3 GPS 搜星圖Fig. 3 GPS star search

2.4 SmartSolo 節點儀的應用特點

SmartSolo 屬于一個節點式采集系統，能夠實現自主運行，可根據需要設定自動開關機時間，喚醒后自動采集，施工效率僅與一個因素有關，即放炮速度，提高了野外施工效率。與有線數字地震儀器相比較而言，SmartSolo 地震采集系統在具體運行的過程之中并不需要過多的野外設備，并且無需較多的施工人員，在地形、環境等各個方面的要求相對更低。在具體生產應用的過程之中，SmartSolo施工作業具有兩個特點。

（1） 前期準備和培訓。

SmartSolo 的數據下載與處理均是在營地內集中完成，下載流程包括野外回收IGU、拆卸IGU電池包、下載IGU 數據。為了確保數據回收率，使各IGU 內所包含的數據均可以直接下載至記錄系統之中，當對營地進行建設的過程之中便需要對IGU 下載區、操作區、物品安放區等進行科學規劃，確保已經下載的數據IGU 與其它IGU 全面分離，避免造成重復下載或遺漏下載情況的發生。

手持終端或手機在野外掃碼前，必須啟動IGU，檢查狀態燈正確，再去掃描，掃描完畢后，必須要對此節點的狀態信息、位置信息等進行快速存儲。若由于操作失誤而導致節點未直接啟動，又或者IGU 的位置、設計位置存在一定的偏差，儀器操作員在野外很難發現和糾正。所以在正式生產之前，必須要結合實際情況，通過合理化的方式對相關人員進行技術培訓。

（2） SmartSolo 軟件數據處理與合成。

SmartSolo 參照TB 的GPS 時間對所采集的數據進行合成處理，不管是何種激發方式、生產模式，只要可以直接存儲激發源時段信號的GPS 時間進行存儲，SmartSolo 便可以把一些通過正常方式下載的數據轉變為所需的炮集體數據。SmartSolo 軟件內輸入已知的炮點文件、檢波點文件、關系文件，加載已知的IGU 布設位置，并把SBS 文件加載SmartSolo 軟件內，這樣就可以進行數據合成了。

按炮集處理擬合數據大體分為2 個步驟：①QC 組提供SPS 文件，加載到SmartSolo 軟件里，主要是對輸出炮集記錄空間范圍進行精準、全面的控制；②充分應用含有GPS 時間、To 時間的SBS 文件，對從IGU 下載出的采集數據體進行處理分析，并把有效數據直接切出，如此一來便可以直接得出三維炮集記錄，從而更好的開展后續分析處理。觀測系統可以隨意進行分析設計，并且疊加次數也不固定，并不會受到系統方面的約束作用。

SmartSolo 系統提供了多種類型輸出，圖4 詳細展示了炮集數據處理流程。

圖4 炮集數據處理流程示意Fig. 4 Data processing process of shotset

3 結 語

對于節點地震數據采集系統而言，其并不具備較強的實時信息交換能力，無法對野外排列進行監控，并不了解野外資料質量。若由于外部因素的影響，造成采集資料產生異常，無法應用直接、高效的糾正措施。如此一來，必須要從根源上徹底打破勘探理念，通過系統可靠性來直接突破現場監視記錄的依賴性，從而對接收點所存在的資料丟失問題進行彌補。

最近幾年，大數據技術、網絡信息技術等得到了蓬勃發展，節點采集系統具備諸多突出優點，如重量較輕、穩定性非常高、適應性較強等，并且還可以實現高效率采集的效果，正是基于其所具備的一系列優點，其應用范圍逐步擴大。