專利名稱：基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的百萬道級新型數(shù)字地震儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地震儀，特別是涉及一種基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的百萬道級新型數(shù)字地震儀。
背景技術(shù)：
I、地震儀器現(xiàn)狀高精度數(shù)字地震儀是用來記錄人工或天然地震信號，然后根據(jù)這些地震信號的記錄來尋找油、氣、煤和其他礦產(chǎn)資源的地質(zhì)勘探儀器，并可用于探測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、進(jìn)行工程及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測等。地震勘探法目前仍然是在陸地和海洋勘探石油和天然氣的主要手段，同時也是其他礦產(chǎn)資源的重要勘探方法，并廣泛應(yīng)用于研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工程勘探和檢測、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測等等方面。其基本方法是在勘探靶區(qū)的地面上埋放數(shù)千乃至上萬只地震波傳感器(即地震檢波器)，然后用炸藥或可控震源激發(fā)人工地震。地震波向地下深處傳播，遇到不同性質(zhì)地層的分界面就會產(chǎn)生反射，地震檢波器拾取到反射波并將其轉(zhuǎn)換成模擬電信號，然后由高精度的數(shù)字地震儀把這些模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號記錄下來。野外勘探接收到的大量數(shù)據(jù)通過室內(nèi)用高速計算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的信號處理和反演計算，才能得到清晰可靠的地下結(jié)構(gòu)圖像，最終確定礦產(chǎn)資源的位置和深度。目前在石油和天然氣勘探行業(yè)使用的儀器極大部分是從由法國和美國等國家生產(chǎn)的有線遙測地震儀。有線遙測地震儀的特征是完全由有線系統(tǒng)發(fā)送指令和傳送采集數(shù)據(jù)。在目前的野外實(shí)際應(yīng)用中占有主導(dǎo)地位，占據(jù)世界地震儀市場的絕大部分份額，常用的有Sercel公司的408/428系列、ION公司的Scorpion和Aries系統(tǒng)和美國WesternGeco公司的Uni Q系統(tǒng)等。地震采集系統(tǒng)可分為地震信號的拾取(地震檢波器)、地震信號的傳輸、地震信號的記錄與存儲三部分。國內(nèi)外主要24位遙測地震儀可分為三類有線遙測地震儀、無線遙測地震儀、存儲式數(shù)據(jù)回收遙控地震儀。這三類遙測地震儀中，有線遙測地震儀仍占主導(dǎo)地位，占據(jù)世界市場的絕大部分份額。法國Sercel公司是CGG控股從事地震儀器研制的專業(yè)公司，具有五十多年的地震儀器制造經(jīng)驗(yàn)。典型的陸上地震儀器有SN338、SN368、SN388和目前廣泛使用的400系列。408U是Sercel公司九十年代末期推向勘探市場的網(wǎng)絡(luò)地震儀，采用采集鏈結(jié)構(gòu)形式使采集站和電纜成為一體。408UL系統(tǒng)率先引入了地震區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的概念，其核心思想是把計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)概念引入到遙測地震儀系統(tǒng)中，從而將遙測儀器系統(tǒng)作為一個計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。主機(jī)記錄系統(tǒng)、LAUL、LAUX作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，配合系統(tǒng)軟件完成控制和管理。408UL大線數(shù)傳速率為8. 192MHz，交叉線教傳速率為16. 384MHz，2ms采樣率下大線實(shí)時傳輸1000道，交叉線實(shí)時傳輸2000道。與408UL相比，428XL的主機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)有重大改進(jìn)，主機(jī)結(jié)構(gòu)采用服務(wù)器/客戶機(jī)模式，其大線數(shù)傳速率為16. 384MHz，單線道能力達(dá)到了 2000道/2ms，三維實(shí)時道能力為10000道/2ms。
美國ION公司也是國際知名的地震儀器、可控震源、地震檢波器、激發(fā)源同步系統(tǒng)等地球物理裝備制造商。上世紀(jì)八十年代開始涉足地震儀器制造，當(dāng)時推出的系統(tǒng)-I和系統(tǒng)-II儀器深受用戶歡迎。ION公司非常重視產(chǎn)品的超前研究，近年來率先推出24位A/D地震儀器，Vectorseis數(shù)字檢波器(MEMS)，使地震儀器兩次發(fā)生革命性的進(jìn)步。ION公司生產(chǎn)的陸上地震儀器主要包括Scorpion和Aries系統(tǒng)。在2010年，ION公司的陸上儀器部分與中國石油東方地球物理公司(BGP)合并成立了一家新公司IN0VA。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的百萬道級新型數(shù)字地震儀。它應(yīng)用在石油勘探、天然氣勘探、煤田勘探、礦產(chǎn)勘探、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)查等方面，是一種檢測人工或天然地震信號、將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并記錄下來的裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的百萬道級新型數(shù)字地震儀的硬件部分由七大單元組成中央控制操作系統(tǒng)CC0S(Central Control Operation System)、根節(jié)點(diǎn) RU(Root Unit)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) NU (Network Unit)、電源節(jié)點(diǎn) PU (Power Unit)、采集鏈AS (Acquisition String)、光纜 FL (Fiber Line)和網(wǎng)線 NL (Network Line):其中中央控制操作系統(tǒng)CCOS是整個儀器的控制中心和數(shù)據(jù)回收中心、根節(jié)點(diǎn)RU是中央控制操作系統(tǒng)CCOS與野外設(shè)備的連接接口 ；多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU通過光纜FL串接形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS (Network Unit String),根節(jié)點(diǎn)RU連接一條或多條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS ；由電源節(jié)點(diǎn)PU和采集鏈AS任意串接形成采集線AL ((Acquisition Line),采集線AL上的任何一個電源節(jié)點(diǎn)PU通過一條百兆網(wǎng)線NL連接到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU上；所述野外設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU、電源節(jié)點(diǎn)PU、采集鏈AS、光纜FL。即中央控制操作系統(tǒng)CCOS通過根節(jié)點(diǎn)RU連接多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU通過光纜FL串聯(lián)成的一條或多條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS，電源節(jié)點(diǎn)I3U和采集鏈AS任意串接形成采集線AL上的任何一個電源節(jié)點(diǎn)I3U再通過一條百兆網(wǎng)線NL連接到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU上。其是充分考慮了百萬道級數(shù)字地震儀的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，利用了不同的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)滿足不同的數(shù)據(jù)傳輸要求，達(dá)到了成本、功耗等的最佳配置，充分利用了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了特有的百萬道級的地震采集儀器構(gòu)架。采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU和電源節(jié)點(diǎn)通過特制的網(wǎng)線NL連接這種方式，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU可以連接到采集線AL上的任一電源節(jié)點(diǎn)PU，可以大大提高野外采集設(shè)備布設(shè)的靈活性。中央控制操作系統(tǒng)CCOS —般置于儀器車上。作為優(yōu)化，中央控制操作系統(tǒng)CCOS(請見圖2)是主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、排列控制、采集同步、數(shù)據(jù)回收、質(zhì)量控制功能；中央控制操作系統(tǒng)CCOS (—般置于儀器車上)是整個數(shù)字地震儀的主要控制單元，硬件部分主要由計算機(jī)服務(wù)器Server、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)Switch、客戶計算機(jī)終端PC、存儲設(shè)備Storage device、繪圖設(shè)備Plotting equipment和GPS組成；其中網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)Switch連接存儲設(shè)備Storage device、繪圖設(shè)備Plotting equipment、連接GPS的計算機(jī)服務(wù)器Server和多個并列的客戶計算機(jī)終端PC,計算機(jī)服務(wù)器Server再向外連接根節(jié)點(diǎn)RU ;軟件主要由操作系統(tǒng)軟件和控制操作軟件組成；根節(jié)點(diǎn)RU與中央控制操作系統(tǒng)CCOS通過一條萬兆網(wǎng)線或多條綁定的千兆網(wǎng)線相連接。
作為優(yōu)化，根節(jié)點(diǎn)RU由高速交換模塊SM (Switch module)、控制模塊CM (Controlmodule)、激發(fā)源控制接口模塊 ICES (Interface to control explosive source)、電源模塊 PM(Power module)、輔助道接口模塊 IAC(Interface for auxiliary channels)和 GPS模塊組成；根節(jié)點(diǎn)RU通過一條萬兆網(wǎng)線或多條綁定的千兆網(wǎng)線與中央控制操作系統(tǒng)CCOS連接，并根據(jù)儀器容量的要求提供2-10個千兆光纜接口與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS等野外地面設(shè)備連接；高速交換模塊SM (Switch module)提供數(shù)據(jù)交換功能；控制模塊CM根據(jù)中央控制操作系統(tǒng)CCOS的指令實(shí)現(xiàn)對高速交換模塊SM、激發(fā)源控制接口模塊ICES和輔助道接口模塊IAC的控制；電源模塊PM為各模塊提供電源支持。(見圖3)其中控制模塊CM分別與高速交換模塊SM、激發(fā)源控制接口模塊ICES、電源模塊PM、輔助道接口模塊IAC和GPS模塊相連。高速交換模塊SM在不同道數(shù)情況下，選用不同的配置如在100萬道情況下，通過一條萬兆網(wǎng)線與中央控制操作系統(tǒng)CCOS連接，并提供10個千兆光纜接口與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS等野外地面設(shè)備連接；在20萬道情況下，通過2條綁定的千兆網(wǎng)線與中央控制操作系統(tǒng)CCOS連接，并提供2個千兆光纜接口與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS等野外地面設(shè)備連接，其余依次類推；控制模塊CM根據(jù)中央控制操作系統(tǒng)CCOS的指令實(shí)現(xiàn)對高速交換模塊SM、激發(fā)源控制接口模塊ICES和輔助道接口模塊IAC的控制；電源模塊PM為各模塊提供電源支持。地震儀器的數(shù)據(jù)流量由采集道數(shù)和采樣率確定，我們按100萬道和2ms采樣率為 例計算百萬道級數(shù)字地震儀的實(shí)時數(shù)據(jù)流量。按2ms采樣，每秒為500個采樣點(diǎn)，每個數(shù)據(jù)按20位采樣，100萬道的數(shù)字地震儀每秒采集的數(shù)據(jù)流量為lOGb/s，即總數(shù)據(jù)量流量=總道數(shù)X樣點(diǎn)數(shù)/秒X位/樣點(diǎn)=I, 000, 000X 500X 20 =10，000, 000, 000。所以，根節(jié)點(diǎn)RU在通過一條萬兆網(wǎng)線與中央控制操作系統(tǒng)CCOS連接和10個千兆光纜接口與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS等野外地面設(shè)備連接的情況下，可以基本滿足100萬道和2ms采樣率采集時地震儀數(shù)據(jù)傳送的需要。作為優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU由高速交換模塊SM、控制模塊CM、電源模塊PM和GPS模塊等組成；數(shù)據(jù)交換模塊SM為百兆/千兆交換機(jī)模塊，千兆接口分別連接上一級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU和下一級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU，百兆接口連接電源節(jié)點(diǎn)PU ;網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU具有兩種供電模式一種為直接連接電池供電；另一種方式為通過網(wǎng)線NL連接由電源節(jié)點(diǎn)PU供電。(見圖4)其中控制模塊CM分別連接高速交換模塊SM、電源模塊PM和GPS模塊。作為優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS由若干個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU通過光纜FL串接形成，并與根節(jié)點(diǎn)RU相連接，并與根節(jié)點(diǎn)RU相連接；根節(jié)點(diǎn)RU連接一條或多條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS，形成百萬道級數(shù)字地震儀系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸主干網(wǎng)。作為優(yōu)化，電源節(jié)點(diǎn)I3U由控制模塊CM、電源模塊PM和GPS模塊等組成；控制模塊CM具有一個百兆接口通過網(wǎng)線NL連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU，并可以通過(特殊的)網(wǎng)線NL給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU供電；控制模塊CM具有2個專用通信接口分別連接上一級和下一級采集鏈AS。(見圖5)其中；控制模塊CM分別連接電源模塊PM和GPS模塊，并且控制模塊CM還向外連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU和采集鏈AS。作為優(yōu)化，采集線AL可以由電源節(jié)點(diǎn)I3U和采集鏈AS、采集鏈AS和采集鏈AS任意串接形成；采集線AL上的電源節(jié)點(diǎn)I3U給兩邊的采集站AU提供電源供給，電源節(jié)點(diǎn)I3U的供電能力確定了二個電源節(jié)點(diǎn)PU之間的最多采集站個數(shù)。電源節(jié)點(diǎn)PU把供電電瓶的12V電壓提升到48-72V對采集站進(jìn)行供電；由于線路損耗，采集站的供電電壓范圍在24-72V。即在本系統(tǒng)中，電源節(jié)點(diǎn)PU把供電電瓶的12V電壓提升到48-72V對采集站進(jìn)行供電。由于線路損耗，采集站的供電電壓范圍在24-72V。
作為優(yōu)化，經(jīng)過控制方式的優(yōu)化還可以采用一條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS中的多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU與一條采集線AL上的多個電源節(jié)點(diǎn)I3U連接，或多條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS中的多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU與一條采集線AL上的多個電源節(jié)點(diǎn)連接等方式增加野外采集設(shè)備布設(shè)的靈活性，并可以提高采集線AL數(shù)據(jù)流量從而增加采集線AL的連接長度。作為優(yōu)化，采集站AU主要由控制模塊CM、電源模塊PM和GPS模塊組成；控制模塊CM具有2個專用通信接口分別連接上一級和下一級采集站AU，具有一個專用接口連接常規(guī)檢波器或MEMS等傳感器；電源由電源節(jié)點(diǎn)通過通信接口采用“鬼對”方式遠(yuǎn)供，電源模塊PM把所供的24-72V轉(zhuǎn)換成采集站AU所需的各種電壓。作為優(yōu)化，新型數(shù)字地震儀中的采集站AU (圖6)由控制模塊CM、電源模塊PM和GPS模塊等組成。控制模塊CM具有2個專用通信接口分別連接上一級和下一級采集站AU，具有一個專用接口連接常規(guī)檢波器或MEMS等傳感器。電源由電源節(jié)點(diǎn)通過通信接口采用“鬼對”方式遠(yuǎn)供，電源模塊PM把所供的24-72V(由于線路損耗供電電壓會隨著供電的距離而降低，采集站的最低供電電壓設(shè)定為24V)轉(zhuǎn)換成采集站AU所需的各種電壓。作為優(yōu)化,采集鏈AS由若干個采集站AU(Acquisition Unit)通過電纜連接而成，采集站AU采集數(shù)字檢波器的信號，并通過專用通信接口進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳送。即地震儀中的采集鏈AS由若干個(為方便野外搬運(yùn)一般為6個 12個)采集站AU (AcquisitionUnit)通過電纜連接而成，采集站AU采集數(shù)字檢波器的信號，并通過專用通信接口進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳送。采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明地震儀充分考慮了百萬道級數(shù)字地震儀的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，利用了不同的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)滿足不同的數(shù)據(jù)傳輸要求，采用萬兆網(wǎng)絡(luò)完成主機(jī)服務(wù)器與根節(jié)點(diǎn)RU之間的數(shù)據(jù)傳送；采用千兆光纖完成野外部件數(shù)據(jù)主干網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送；采用百兆電纜完成采集線AL與主干網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU之間的數(shù)據(jù)傳送；采用類令牌網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集鏈的實(shí)時數(shù)據(jù)傳送，達(dá)到了成本、功耗等的最佳配置。與國內(nèi)外目前地震儀的不同之處是充分利用了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一種特有的百萬道級的地震采集儀器構(gòu)架，具有野外布設(shè)靈活，施工方便等特點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的百萬道級新型數(shù)字地震儀的原理框圖；圖2是本發(fā)明震儀中央控制操作系統(tǒng)(CCOS)的原理框圖；圖3是本發(fā)明震儀根節(jié)點(diǎn)(RU)的原理框圖；圖4是本發(fā)明震儀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(NU)的原理框圖；圖5是本發(fā)明震儀電源節(jié)點(diǎn)(PU)的原理框圖；圖6是本發(fā)明震儀采集站(AU)的原理框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的百萬道級新型數(shù)字地震儀的特點(diǎn)是充分考慮了百萬道級數(shù)字地震儀的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，利用了不同的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)滿足不同的數(shù)據(jù)傳輸要求，采用千兆光纖完成數(shù)據(jù)主干網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送，采用百兆電纜完成數(shù)據(jù)次干網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送，采用專用的通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集鏈的實(shí)時數(shù)據(jù)傳送，達(dá)到了成本、功耗等的最佳配置。與國內(nèi)外目前地震儀的不同之處是充分利用了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一種特有的百萬道級的地震采集儀器構(gòu)架，并且具有野外布設(shè)靈活，施工方便等特點(diǎn)。具體如下本發(fā)明基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的百萬道級新型數(shù)字地震儀，其硬件部分由七大單元組成(見圖 I):中央控制操作系統(tǒng) CCOS (Central Control Operation System)、根節(jié)點(diǎn) RU (RootUnit)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) NU (Network Unit)、電源節(jié)點(diǎn) PU (Power Unit)、米集鏈 AS (AcquisitionString)、光纜 FL(Fiber Line)和網(wǎng)線 NL(Network Line)等。本發(fā)明新型數(shù)字地震儀中根節(jié)點(diǎn)RU(見圖I)是中央控制操作系統(tǒng)CCOS與野外設(shè)備(網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU、電源節(jié)點(diǎn)PU、采集鏈AS、光纜FL等)的連接接口，與中央控制操作系統(tǒng)CCOS通過一條萬兆網(wǎng)線或多條綁定的千兆網(wǎng)線相連接；多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU可以通過光纜FL串接形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS (Networ k Unit String)，并與根節(jié)點(diǎn)RU相連接，根節(jié)點(diǎn)RU可以連接一條或多條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS。由電源節(jié)點(diǎn)I3U和采集鏈AS任意串接形成采集線AL ((Acquisition Line)，采集線AL上的任何一個電源節(jié)點(diǎn)PU通過一條百兆網(wǎng)線NL連接到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU上。本發(fā)明新型數(shù)字地震儀中的中央控制操作系統(tǒng)CCOS (見圖2)是整個儀器的控制中心和數(shù)據(jù)回收中心，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、排列控制、采集同步、數(shù)據(jù)回收、質(zhì)量控制等功能。中央控制操作系統(tǒng)CCOS —般置于儀器車上，是整個數(shù)字地震儀的主要控制單元，硬件部分由計算機(jī)服務(wù)器Server、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)Switch、客戶計算機(jī)終端PC、存儲設(shè)備Storage device、繪圖設(shè)備Plotting equipment和GPS等組成。軟件由操作系統(tǒng)軟件和控制操作軟件等組成。中央控制操作系統(tǒng)CCOS通過一條萬兆網(wǎng)線或多條綁定的千兆網(wǎng)線與根節(jié)點(diǎn)RU連接。計算機(jī)服務(wù)器Server可以采用曙光PHPC100高性能計算機(jī)兩臺，標(biāo)配每臺擁有PHPC100計算模塊5套，10個多核CPU，160G內(nèi)存，5塊146G SAS硬盤，并可以實(shí)現(xiàn)3+1冗余電源配置。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)Switch選用12 口的高性能網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，客戶計算機(jī)終端PC選用工業(yè)控制級計算機(jī)，采用24時液晶屏。磁盤陣列采用10T的RAID5小型磁盤陣列，磁帶機(jī)可以選用IBM3590磁帶機(jī)。本發(fā)明新型數(shù)字地震儀中的根節(jié)點(diǎn)RU(見圖3)由高速交換模塊SM (Switchmodule)、控制模塊 CM (Control module)、激發(fā)源控制接口模塊 ICES (Interfaceto control explosive source)、電源模塊 PM (Power module)、輔助道接口模塊IAC (Interface for auxiliary channels)和GPS模塊等組成。高速交換模塊SM在不同道數(shù)情況下，選用不同的配置如在100萬道情況下，選用12 口萬兆交換模塊，通過一條萬兆網(wǎng)線與中央控制操作系統(tǒng)CCOS連接，并提供10個千兆光纜接口與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS等野外地面設(shè)備連接；在20萬道情況下，選用4 口以上千兆交換模塊，通過2條綁定的千兆網(wǎng)線與中央控制操作系統(tǒng)CCOS連接，并提供2個千兆光纜接口與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS等野外地面設(shè)備連接，其余道數(shù)依次類推；控制模塊CM可以選用PowerPC具有IEEE1588協(xié)議的CPU，根據(jù)中央控制操作系統(tǒng)CCOS的指令實(shí)現(xiàn)對高速交換模塊SM、激發(fā)源控制接口模塊ICES和輔助道接口模塊IAC的控制；電源模塊PM為各模塊提供電源支持。地震儀器的數(shù)據(jù)流量由采集道數(shù)和采樣率確定，我們按100萬道和2ms采樣率為例計算百萬道級數(shù)字地震儀的實(shí)時數(shù)據(jù)流量。按2ms采樣，每秒為500個采樣點(diǎn)，每個數(shù)據(jù)按20位采樣，100萬道的數(shù)字地震儀每秒采集的數(shù)據(jù)流量為10Gb/S，即總數(shù)據(jù)量流量=總道數(shù)X樣點(diǎn)數(shù)/秒X位/樣點(diǎn)=I, 000, 000X 500X 20 =10，000, 000, 000。所以，根節(jié)點(diǎn)RU在通過一條萬兆網(wǎng)線與中央控制操作系統(tǒng)CCOS連接和10個千兆光纜接口與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS等野外地面設(shè)備連接的情況下，可以基本滿足100萬道和2ms采樣率采集時地震儀數(shù)據(jù)傳送的需要。本發(fā)明新型數(shù)字地震儀中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU (圖4)由高速交換模塊SM、控制模塊CM、電源模塊PM和GPS模塊等組成。數(shù)據(jù)交換模塊SM為百兆/千兆交換機(jī)模塊，千兆接口分別連接上一級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU和下一級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU，百兆接口連接電源節(jié)點(diǎn)PU。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU具有兩種供電模式一種為直接連接電池供電；另一種方式為通過特制的網(wǎng)線NL連接由電源節(jié)點(diǎn)I3U供電?？刂颇KCM可以選用PowerPC具有IEEE1588協(xié)議的CPU如PowerPC 8313。本發(fā)明新型數(shù)字地震儀中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS(圖I)由若干個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU通過光 纜FL串接形成，并與根節(jié)點(diǎn)RU相連接。根節(jié)點(diǎn)RU可以連接一條或多條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS，形成百萬道級數(shù)字地震儀系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸主干網(wǎng)。本發(fā)明新型數(shù)字地震儀中的電源節(jié)點(diǎn)I3U (圖5)由控制模塊CM、電源模塊PM和GPS模塊等組成?？刂颇KCM具有一個百兆接口通過網(wǎng)線NL連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU，并可以通過特殊的網(wǎng)線NL給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU供電?？刂颇KCM具有2個專用通信接口分別連接上一級和下一級采集鏈AS。本發(fā)明新型數(shù)字地震儀中的采集線AL (圖I)可以由電源節(jié)點(diǎn)PU和采集鏈AS、采集鏈AS和采集鏈AS任意串接形成。采集線AL上的電源節(jié)點(diǎn)I3U給兩邊的采集站AU提供電源供給，電源節(jié)點(diǎn)PU的供電能力確定了二個電源節(jié)點(diǎn)PU之間的最多采集站個數(shù)。在本系統(tǒng)中，電源節(jié)點(diǎn)PU把供電電瓶的12V電壓提升到48-72V對采集站進(jìn)行供電。由于線路損耗，采集站的供電電壓范圍在24-72V。在本系統(tǒng)中，兩個電源站之間的采集站個數(shù)大約在60個到180個之間。本發(fā)明新型數(shù)字地震儀中的采集鏈AS由若干個(為方便野外搬運(yùn)一般為6個 12個)采集站AU (Acquisition Unit)通過電纜連接而成,采集站AU采集數(shù)字檢波器的信號，并通過專用通信接口進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳送。本發(fā)明新型數(shù)字地震儀中的采集站AU(圖6)由控制模塊CM、電源模塊PM和GPS模塊等組成?？刂颇KCM具有2個專用通信接口分別連接上一級和下一級采集站AU，具有一個專用接口連接常規(guī)檢波器或MEMS等傳感器。電源由電源節(jié)點(diǎn)通過通信接口采用“鬼對”方式遠(yuǎn)供，電源模塊PM把所供的24-72V(由于線路損耗供電電壓會隨著供電的距離而降低，采集站的最低供電電壓設(shè)定為24V)轉(zhuǎn)換成采集站AU所需的各種電壓。本發(fā)明新型數(shù)字地震儀采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU和電源節(jié)點(diǎn)通過特制的網(wǎng)線NL連接這種方式，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU可以連接到采集線AL上的任一電源節(jié)點(diǎn)PU，可以大大提高野外采集設(shè)備布設(shè)的靈活性。經(jīng)過控制方式的優(yōu)化，還可以采用一條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS中的多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU與一條采集線AL上的多個電源節(jié)點(diǎn)I3U連接，或多條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS中的多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU與一條采集線AL上的多個電源節(jié)點(diǎn)連接等方式增加野外采集設(shè)備布設(shè)的靈活性，并可以提高采集線AL數(shù)據(jù)流量從而增加采集線AL的連接長度。由于充分考慮了百萬道級數(shù)字地震儀的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，利用了不同的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)滿足不同的數(shù)據(jù)傳輸要求，整個架構(gòu)設(shè)計非常靈活，還可以設(shè)計出很多種三維地震勘探測線布設(shè)方案。下面以百萬道布設(shè)為例描述一種完全平坦地貌的野外布設(shè)方法
每條采集線AL為2000個采集站，共計需要500條采集線AL(野外的測線)；
根節(jié)點(diǎn)RU連接10條光纜，即10條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS。每條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS串接50個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU，連接50條采集線AL，每條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS的數(shù)據(jù)流量為lGb/s :網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈的據(jù)量流量=采集線數(shù)X道數(shù)/測線X樣點(diǎn)數(shù)/秒X位/樣點(diǎn)=50X2000X500X20=I, 000, 000, 000 (b/s) = lGb/s。 設(shè)定每條采集鏈AS為10個采集站AU，2個電源節(jié)點(diǎn)PU之間可以連接10條采集鏈AS (100個采集站AU)，則每條采集線AL需要20個電源節(jié)點(diǎn)PU給2000個采集站AU提供電力。500條采集線AL需要I萬個電源節(jié)點(diǎn)I3U提供電力供應(yīng)。 設(shè)定采集站之間距離(野外稱為道距)為10m，采集線之間距離(野外稱為線距)為40m，上述布設(shè)大約可以覆蓋20kmX20km = 400km2的地表范圍，一次激發(fā)可以覆蓋大約IOkmXlOkm = IOOkm2的地下結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的百萬道級新型數(shù)字地震儀，其特征在于硬件部分由七大單元組成中央控制操作系統(tǒng)CCOS、根節(jié)點(diǎn)RU、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU、電源節(jié)點(diǎn)PU、采集鏈AS、光纜FL和網(wǎng)線NL :其中中央控制操作系統(tǒng)CCOS是整個儀器的控制中心和數(shù)據(jù)回收中心、根節(jié)點(diǎn)RU是中央控制操作系統(tǒng)CCOS與野外設(shè)備的連接接口 ；多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU通過光纜FL串接形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS，根節(jié)點(diǎn)RU連接一條或多條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS ；由電源節(jié)點(diǎn)I3U和采集鏈AS任意串接形成采集線AL，采集線AL上的任何一個電源節(jié)點(diǎn)PU通過一條百兆網(wǎng)線NL連接到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU上；所述野外設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU、電源節(jié)點(diǎn)PU、采集鏈AS、光纜FL。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地震儀，其特征在于中央控制操作系統(tǒng)CCOS主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、排列控制、采集同步、數(shù)據(jù)回收、質(zhì)量控制功能；中央控制操作系統(tǒng)CCOS是整個數(shù)字地震儀的主要控制單元，硬件部分主要由計算機(jī)服務(wù)器Server、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)Switch、客戶計算機(jī)終端PC、存儲設(shè)備Storage device、繪圖設(shè)備Plotting equipment和GPS組成；軟件主要由操作系統(tǒng)軟件和控制操作軟件組成；根節(jié)點(diǎn)RU與中央控制操作系統(tǒng)CCOS通過一條萬兆網(wǎng)線或多條綁定的千兆網(wǎng)線相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地震儀，其特征在于根節(jié)點(diǎn)RU由高速交換模塊SM、控制模塊CM、激發(fā)源控制接口模塊ICES、電源模塊PM、輔助道接口模塊IAC和GPS模塊組成；根節(jié)點(diǎn)RU通過一條萬兆網(wǎng)線或多條綁定的千兆網(wǎng)線與中央控制操作系統(tǒng)CCOS連接，并根據(jù)儀器容量的要求提供2-10個千兆光纜接口與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS等野外地面設(shè)備連接；高速交換模塊SM提供數(shù)據(jù)交換功能；控制模塊CM根據(jù)中央控制操作系統(tǒng)CCOS的指令實(shí)現(xiàn)對高速交換模塊SM、激發(fā)源控制接口模塊ICES和輔助道接口模塊IAC的控制；電源模塊PM為各模塊提供電源支持。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地震儀，其特征在于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU由高速交換模塊SM、控制模塊CM、電源模塊PM和GPS模塊等組成；數(shù)據(jù)交換模塊SM為百兆/千兆交換機(jī)模塊，千兆接口分別連接上一級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU和下一級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU，百兆接口連接電源節(jié)點(diǎn)I3U ；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU具有兩種供電模式一種為直接連接電池供電；另一種方式為通過網(wǎng)線NL連接由電源節(jié)點(diǎn)I3U供電。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地震儀，其特征在于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS由若干個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU通過光纜FL串接形成，并與根節(jié)點(diǎn)RU相連接；根節(jié)點(diǎn)RU連接一條或多條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS，形成百萬道級數(shù)字地震儀系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸主干網(wǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地震儀，其特征在于電源節(jié)點(diǎn)PU由控制模塊CM、電源模塊PM和GPS模塊等組成；控制模塊CM具有一個百兆接口通過網(wǎng)線NL連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU，并可以通過網(wǎng)線NL給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU供電；控制模塊CM具有2個專用通信接口分別連接上一級和下一級采集鏈AS。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地震儀，其特征在于采集線AL可以由電源節(jié)點(diǎn)和采集鏈AS、采集鏈AS和采集鏈AS任意串接形成；采集線AL上的電源節(jié)點(diǎn)I3U給兩邊的采集站AU提供電源供給，電源節(jié)點(diǎn)PU的供電能力確定二個電源節(jié)點(diǎn)PU之間的最多采集站個數(shù)； 電源節(jié)點(diǎn)I3U把供電電瓶的12V電壓提升到48-72V對采集站進(jìn)行供電；由于線路損耗，采集站的供電電壓范圍在24-72V。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的地震儀，其特征在于采用一條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS中的多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU與一條采集線AL上的多個電源節(jié)點(diǎn)I3U連接，或多條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS中的多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU與一條采集線AL上的多個電源節(jié)點(diǎn)連接等方式增加野外采集設(shè)備布設(shè)的靈活性。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地震儀，其特征在于采集站AU主要由控制模塊CM、電源模塊PM和GPS模塊組成；控制模塊CM具有2個專用通信接口分別連接上一級和下一級采集站AU，具有一個專用接口連接常規(guī)檢波器或MEMS等傳感器；電源由電源節(jié)點(diǎn)I3U通過通信接口采用“鬼對”方式遠(yuǎn)供，電源模塊PM把所供的24-72V轉(zhuǎn)換成采集站AU所需的各種電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或者2或者3或者4或者5或者6或者7或者8或者9所述的地震儀，其特征在于采集鏈AS由若干個采集站AU通過電纜連接而成，采集站AU采集數(shù)字檢波器的信號，并通過專用通信接口進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳送。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的百萬道級新型數(shù)字地震儀，其硬件部分由七大單元組成中央控制操作系統(tǒng)CCOS、根節(jié)點(diǎn)RU、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU、電源節(jié)點(diǎn)PU、采集鏈AS、光纜FL和網(wǎng)線NL其中中央控制操作系統(tǒng)CCOS是整個儀器的控制中心和數(shù)據(jù)回收中心、根節(jié)點(diǎn)RU是中央控制操作系統(tǒng)CCOS與野外設(shè)備的連接接口；多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU通過光纜FL串接形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS，根節(jié)點(diǎn)RU連接一條或多條網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈NUS；由電源節(jié)點(diǎn)PU和采集鏈AS任意串接形成采集線AL，采集線AL上的任何一個電源節(jié)點(diǎn)PU通過一條百兆網(wǎng)線NL連接到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU上；所述野外設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NU、電源節(jié)點(diǎn)PU、采集鏈AS、光纜FL。其充分考慮了百萬道級數(shù)字地震儀的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，充分利用了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一種特有的百萬道級的地震采集儀器構(gòu)架，具有野外布設(shè)靈活，施工方便等特點(diǎn)。
文檔編號G01V1/18GK102628957SQ20111016783
公開日2012年8月8日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者劉光鼎, 劉寧, 徐善輝, 郭建 申請人:中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京吉奧菲斯科技有限責(zé)任公司