刘建军

（中海油服物探事业部，天津 300452）

1 海上拖缆采集系统总体设计

对于海洋油气勘探来说，海上拖缆采集是获取地震资料的重要基础。依托地震采集设备获取原始地震数据，经过处理、解释后得到海底地质结构图[1]。如图1所示，海上拖缆采集系统由船上设备和海上设备两大系统构成，其中前者包括勘探船、绞车、导航系统以及采集控制系统等部分构成，后者包括气枪震源、拖缆、水听器以及水鸟等。海上地震拖缆采集的工作原理是高压气枪震源激发地震波后向下传播，经海底地层反射后被拖缆系统的水听器接收，经系统调理并转换成数字信号后上传至船上系统进行存储和处理分析[2]。

拖缆采集系统的核心是数据采集传输工作段，主要包括数据包、水听器线阵列、双绞线和接插件等。数据包是数据传输的节点，由采集模块、传输模块以及电源供给模块等构成，能够保证各道数据的有序传输。数据包采用级联的方式形成了完整的拖缆系统。地震数据由最后一个数字包逐级上传至头包，头包将地震信息转化成光信号传输至数据采集卡，最终转换为电信号下载。

水听器也被称为检波器，是一种能将地震波振动信息转换为电信号的传感器，是整个系统的重要组成部分。目前，常用的水听器分为压电和光纤两大类，其中以压电检波器最为常见[3]。地震气枪震源激发的地震波会引导检波器周边的水压发生变化。受此影响，压电检波器内部的压电晶体发生物理形变并产生电动势。为避免压电晶体受到水深压力的影响，检波器内部通常配备有压力补偿装置。

在开展海上地震采集作业时，受海流、自身重力等因素的影响，拖缆会偏离预定的深度和位置，因此需要定位装置对拖缆的阵型和姿态进行控制，即水鸟。水鸟一般有多只水翼，能够产生垂直于其翼面的可控升力，从而控制拖缆的位置。目前，水鸟与上位机之间的信息通信多采用串口方式，在传输距离和传输速率方面存在一定的局限性。

2 海上拖缆数据传输系统设计

对于海上拖拉采集系统来说，各个数据包之间的数据传输是整个系统运行的核心。每级数据包接收后级传来的数据帧，并将其上传至相邻的前级数据包，然后最前级的头包将接收到的数据帧发送至船上系统。数据包之间的数据传输是拖缆系统的重要研究内容。

2.1 传输系统设计方面

拓扑结构直接决定着数据传输的可靠性。所谓的网络拓扑结构指的是将系统中各个节点之间的关系用几何学的方式抽象地表现出来，如总线型、星型、环型以及树型等。实际中需要根据系统特点和应用环境选择合适的网络拓扑结构[4]。对于海上拖缆系统来说，不同数据包在结构上呈现出串行的直线结构，上行数据通道和下行命令通道相互独立，总线型、星型结构物理层负担较大，环型、树型结构需要为传输增加新的开销，混合型结构配置难度大，因此可以选用串行连接方式，级联形成流水线结构，减小相互之间的传输距离。为了避免某一级的节点出现故障对其他节点造成影响，在数据包内采用采集模块和传输模块两级独立的工作模式，以降低故障出现的概率。数据包的传输包括下行的命令、上行的数据以及同步传输。综合考虑传输距离和速率，可以设计两种级联方式。一种是3条传输链路，即命令信号、同步信号与数据信号分别传输。这种方式速率高，功耗低，噪声低。另一种是命令信号、同步信号采用内同步的方式同时传输。这种方式减少了传输线的数量，包间采用网络变压器进行隔离，大大增强了抗干扰能力。

从传输方式来看，水下拖缆系统之间采用电传输方式，其与船上系统之间为光传输方式。拖缆系统的数字包之间为双绞线传输，成本低，容易实现且抗噪能力强，但是当传输距离较远时，需要对信号进行放大和补偿[5]。头包与船上系统之间的通信为光纤传输，优势在于带宽大、受电磁场影响小、保密性强、可适用于各种危险环境以及能够实现远距离传输等。远距离光纤传输的缺点在于光纤机械强度差、维修难度大和成本高。

2.2 传输系统硬件设计方面

数据包是拖缆的基本单元，其内部模块通过板级接插件连接，密封于圆柱形的电子舱。一般内径为80 mm，长度为250 mm。电子舱左右与拖缆相对应的接口连接。数字包及接口水密性高，以避免拖缆进水带来的电源短路等问题。前文已经提及，数据包主要构成模块分为采集模块、传输模块以及电源模块3部分，分别内置于电路板。由于电路板长时间工作容易发热，因此电子舱散热问题尤为严重。

传输板是海上拖缆系统的关键，分为头包中的传输板和数字包中的传输板两种。二者尺寸相同，但是功能和硬件电路存在一定的区别。通常情况下，传输板硬件电路的设计应该满足可靠性要求、传输速率要求、传输距离要求以及系统功耗和体积要求。海上电缆数据包呈直线型排列，系统封装水密性要求高，其组织结构和应用环境决定了系统必须满足其高可靠性的要求。数字包的流水线级联方式决定了越靠前的数字包对传输速率的要求越高，通常情况下要求在100 m的距离上能够达到10 Mb/s的数据传输率。系统设计时，必须保证数据能够在较远距离下实现可靠传输。除此以外，海上拖缆具有结构长的特点。为了保证地震采集作业的正常运行，系统的体积和重量应该尽可能小。

2.3 传输系统逻辑设计方面

传输模块的控制和协议由现场可编程逻辑门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）完成。传输模块接收到命令信号时，通过串并转换模块转变为并行信号，并对信号进行处理。命令解析模块主要完成命令信号的识别。同步提取模块的功能在于完成同步信号的提取。设计中，命令信号与同步信号同步传输，需要提取同步信号供系统使用。基于FPGA中的IP核，传输模块能够完成数据的串化与解串，进而避免系统最低传输速率的约束。

数据传输系统设计完成后，需要搭建硬件电路实验平台，对数据链路传输的稳定性、传输速率的可调节范围、信号的驱动和均衡、数据的发送和恢复等进行测试，确保其能够满足系统的设计要求。

3 海上拖缆阵列传感器数据采集传输控制技术

海上拖缆在采集作业时要求拖缆系统的水听器在同一时刻接收地震信号，即实现传感器的同步。这种同步体现在下行命令同时接收和传感器之间同步采集两个方面。制约阵列传感器同步采集的因素主要有数字包之间通信传输延迟和不同模拟数字转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）同时采样两个方面。

3.1 同步技术的实现方式

在海上地震采集作业中，不同采集节点之间的通信传输延迟大。不同传感器采集信号的同步精度直接影响后续地震资料的品质和应用效果。数据传输系统的设计直接关系着同步实现的方式。在现有系统阵列系统的基础上，设计合适的同步实现方案，才能为后续处理分析提供可靠的数据基础。从物理同步的角度看，船上控制系统发出的命令传输到各个节点的时间是相同的，原理相对简单，即确保命令发出后到各个节点的时间相同，因此重点在于拓扑结构和传输通道的设计，其中FPGA内部全局时钟的分配就是通过该同步方式实现的。该分配方式能够保证时钟信号到芯片各个区域的延迟尽量相等。事实上，时钟分配树的结构非常复杂，实现难度大且不易拓展，在海上地震采集方面应用较少。在这样的背景下，人们开始应用逻辑同步方式。该方式通过加入延迟或控制模块来完成每个节点的同步，常见的逻辑同步方式有全球定位系统（Global Positioning System，GPS）同步、图片传输协议（Picture Transfer Protoco，PTP）同步（IEEE 1588精密时钟协议）以及硬件逻辑同步等。

3.2 数字包内同步技术的实现

依托高精度的锁相环电路模块，能够实现数字包内不同ADC通道的同步。锁相环是一个非线性电路，依托其线性相位模型能够分析出环路的相位噪声特性。减小低通型噪声输出，应尽量减小环路带宽的取值。为了保证锁相环路的稳定性，应重点关注鉴相器、环路滤波器的类型以及参考时钟源的相位噪声等。为提升采集模数转换芯片同步采集的精度，建议选择∆-∑型ADC芯片进行模数转换。

3.3 数字包间同步技术的实现

对于海上拖缆来说，其长度多为几千米，因此主时钟信号在数据包之间传输时不可避免地会产生延迟，可通过硬件逻辑同步方法解决传输同步问题。比如，在每个数字包中设置延时补偿模块对参考时钟进行延迟处理，以实现不同数字包间信号的采集同步。

4 结语

海上拖缆采集系统是海洋石油勘探的重要基础。结合海上拖缆系统的技术难点和作业环境，优化数据采集传输控制技术，实现速率可调节的远距离传输，提升同步信号的精度，为后续数据处理和分析奠定基础，能够更好地满足海洋地震勘探的需求。