矿用无缆存储式地震仪的数据存储方法探究

吴 海

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安，710077)

矿用无缆存储式地震仪的数据存储方法探究

吴 海

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安，710077)

介绍了我们自主研发的矿用无缆存储式地震仪。该仪器无主机、无大线、连续采集、连续存储，并已取得防爆证和MA认证。该仪器可实现连续10小时的井下地震数据采集，其数据量非常大，传统的地震数据存储格式根本无法满足需要。为此，我们设计了一种针对该仪器的地震数据存储格式，实现了数据的连续实时存储，具有数据存储稳定、可靠、传输效率高的特点。

无缆存储式；矿用地震仪；连续采集；连续存储

从探测效果而言，槽波透视在解决大型工作面的构造探测上，是一种极为有效的方法。大量实践证明，在煤层中人工激发的地震波中，槽波能量最强，穿透距离远，且对工作面内的断层、陷落柱、煤层厚度变化等异常很敏感。为了满足煤矿井下槽波勘探的需要，中煤科工集团西安研究院自主研制了一套矿用无缆存储式地震仪，该仪器无需主机和大线，仪器便携，施工简单。

矿用无缆存储式地震仪需要实现长时间采集地震数据并实现快速、连续、可靠存储。传统的地震仪基本上都是将现场采集的数据实时回传给主机，由高性能主机完成数据的存储功能。其每次采样的时间短，数据量小，一般是按照SEGY或者SEG2格式进行存储。由于这种数据存储格式具有固定的数据长度，不能适用于矿用存储式地震仪连续长时间采样的需要。

针对矿用存储式地震仪没有大线、没有主机的特点，我们设计一种可靠的地震数据实时存储方案。为了确保数据的安全，我们没有采用传统的文件格式进行保存，而是采用了RAW格式进行数据存储，并设计了一套针对该类地震数据的存储格式。

1 矿用地震仪

1.1 系统设计

图1 矿用地震仪原理框图

该地震仪采用32位ARM芯片、结合24位A/D、SD卡海量

存储技术等构件嵌入式硬件平台，利用开源嵌入式Linux操作系统，完成系统功能配置、数据采集以及数据回收等功能。该仪器可实现单站三道信号采集。仪器原理框图如图1所示。

其中ARM中央控制单元组成系统主控部分，实现对整个系统的时序控制、采集控制、数据存储、对时以及数据传输等；电源模块为系统提供数字和模拟电源。三个采集通道可实现三路独立采集，可实现三分量震动传感器的信号采集。采集通道分别对震动信号进行放大、A/D转换、滤波处理。控制部分实现对系统各个工作模式的管理，将采集数据实时存入板载存储设备中，同时可以实现数据的网络化传输。数据存储部分按照我们自行设计的数据存储格式实现采集数据的实时、可靠存储。

1.2 性能指标

图2 矿用地震仪样机

我们自主研发的矿用无缆存储式地震仪样机如图2所示，其主要技术指标如下：

（1）工作时间：不小于10 h（连续采集情况下）；

（2）存储能力：连续记录不小于48 h的数据（采样率4 ksps）；

（3）采样间隔：1/4 ms，1/2 ms，1 ms，2 ms，4 ms；

（4）本底噪声：不大于1 μV（RMS@1 ms）；

动态范围：不小于120 dB（采样率1 ksps）；

（6）防爆型式：矿用本质安全型；

防爆标志：“ExibI Mb”；

仪器重量：2.7 kg。

2 数据存储

传统的地震仪基本上都是将现场采集的数据实时回传给主机，由高性能主机完成数据的存储功能。其每次采样的时间短，数据量小，一般是按照SEGY或者SEG2格式进行存储。由于这种数据存储格式具有固定的数据长度，不能适用于矿用存储式地震仪连续长时间采样的需要。为此，我们需要自行设计并实现一种适合该地震仪的快速、可靠、连续存储的数据存储方案。

2.1 存储格式设计

该矿用存储式地震仪采用SD卡进行大容量数据的存储。为了确保数据的安全，SD卡采用RAW格式进行数据存储，即在SD卡上不建立文件系统，只是将SD卡作为一个连续的存储器进行读写，这样可实现数据的快速、连续存储。矿用存储式地震仪的数据包括仪器的配置信息和实际的采样信息两部分，为此我们将SD卡内的数据分为配置信息和采样信息两部分进行存储。我们对SD卡按数据块进行管理，每个块占512字节。

配置信息是设置仪器的采样参数、仪器工作时间等信息，根据这些设置进行采样。配置信息每组为512字节，具体格式如表1所示。

表1 配置信息数据格式

采样信息是仪器在采集时得到的采样数据，每一秒采样的数据对应一组采样信息。因此根据不同的采样率，每组大小不同，具体格式如表2所示。

表2 采样信息数据格式

同时考虑到SD卡在长期使用后可能出现个别位坏死的情况，我们对配置信息和采样信息均做了冗余处理，如果其中一份数据出现CRC校验错误，可以使用备份数据。

2.2 存储格式实现

（1）对SD卡按数据块进行管理，每个块占512字节；

（2）配置信息保存在SD卡的块0到块3；

（3）SD卡的块4保存了仪器开始启动采样的时间信息；

（4）SD卡的块5保存仪器的采样状态信息，采样状态用于记录每一采样时段所对应数据的状态，占1字节，0xff表示尚未开始；0x00表示按时开始但未正常结束；0x01表示未按时开始或中断后重新开始且未正常结束；0x02表示按时开始正常结束；0x03表示未按时开始或中断后重新开始但正常结束；

（5）从SD卡的第6块开始存储采样信息，每一秒采样到的数据对应一组采样信息，根据采样率不同，每组大小为采样率乘以64字节，数据总长度根据采样时间不同而变化。

2.3 实际效果

按照我们设计的数据存储格式，在采样率为4000SPS时，每GB的SD卡可以存储约90分钟的连续采样数据。

与现有的数据存储技术相比，本设计具有以下优点：

（1）实现了仪器的配置信息和采集信息的同时存储；

（2）增加了数据的CRC校验码；

（3）为了确保数据的可靠性，增加了数据备份。

采样率为1000SPS，采样时间1min，地震仪存储数据具体格式如图3所示。

图3 实测存储的数据

3 结语

我们自主研制的矿用无缆存储式地震仪采用无缆遥测的设计理念，先进的32位嵌入式处理器，性能优良的器件，降低了系统的功耗，减轻了仪器的重量，便于井下槽波勘探。该存储式地震仪需要实现长时间连续采集并实现连续、可靠存储。传统地震仪的数据存储方式无法满足其需要。为此，我们设计了一种可靠的地震数据连续存储方法。目前，我们已经生产了80台该地震仪，并已在9个矿区完成了槽波施工，从现场使用效果来看，仪器可实现快速、可靠存储，达到了我们预期的目标。

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A research on a data storage method of a no-cable storage seismograph.

Wu Hai
(Xi’an Branch Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp,Xi’an,Shanxi,710077)

A self-developed no-cable storage seismograph is introduced in this paper.This seismograph has no host engine and cable,can collect and store the data continuously,and has already achieved the explosionproof certification and MA certification.A 10-hours continuous underground data acquisition can be realized with this instrument.However,the data amount is very huge,so a traditional data storage format can’t meet the requirement.Therefore,an especial data storage format which aims at the instrument is designed. It realized a data real-time continuous storage.And the data storage is characterized by stability, reliability and high transmission efficiency.

no-cable storage;seismograph;continuous acquisition;continuous storage.

TD76

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