节点地震勘探仪器eSeis 1.0性能探讨*

封召鹏，曾庆平，蔡敏贵，焦保森，严 皓，张 迪

(东方地球物理公司地震仪器研发项目组 河北 涿州 072750)

0 引 言

地球物理勘探离不开高精度、高性能的地震勘探仪器。在过去的三十年，地球物理勘探技术发生了翻天覆地的变化，中国也在该领域取得了很多成果。很多物探承包商开始从国内勘探市场走向了国际，有些甚至引领全球。在国际化的道路上，由于国外物探装备制造商长期把持市场，国内物探公司想在海外取得新的地震勘探项目，不得不购买并使用国外的地震勘探仪器[1]。

近几年，持续低迷的油价，高额的项目运作成本，加之国外地震勘探仪器的高昂价格，使得研发一款性价比高、稳定可靠的地震勘探仪器势在必行。传统的有线仪器一直占主导地位。但是随着节点仪器技术的发展，节点仪器本身具有的投入劳动力少、采集高效等优势，倍受物探承包商的青睐。目前节点仪器市场琳琅满目，有GSR、Unite、Hawk、ZLAND等型号。虽然这些产品性能相对有线仪器优势明显，但是价格昂贵。BGP(中石油东方公司)是世界上最大的陆地勘探承包商，为了打破这一僵局，从2015年开始研发新一代国产地震勘探节点仪器eSeis。该仪器价格低廉，功能以及采集数据的品质均达到国际水平。

1 eSeis1.0节点地震勘探仪器的研发思路

节点地震勘探仪器的工作特点是将一段时间内所采集的地震数据存储在采集单元或者采集链本地内部存储器上[2]。由于不涉及地震数据的传输，所以节点仪器大多数属于无缆。目前比较流行节点仪器有Geospace公司[1]的GSX、OBX(shallow),Firefield公司的 ZLAND、 Z100、Z700(可以在水下700 m内工作)，这些海陆的节点仪器都选择“盲采”的工作模式，质控信息不能实现实时监控。但是也有采用节点技术的有线系统，如Sercel的508XT[3]，不但采集的工作效率高，而且能够实现实时监控。因此根据这些需求拓展思路，研发的节点仪器应该具备以下7个特征：能够实现节点单元的质控信息的实时监控；节点单元有足够大的存储空间；节点电池能够快速充电，容量大体积小；节点单元在野外采集能够持续50d以上；节点单元的GPS同步误差小；节点单元的功耗小；可以适应各种不同的野外环境，能够兼容各种检波器串。

新一代eSeis1.0节点仪器除了具有实时质控功能，在保证GPS同步方面还开发了GPS训钟技术、快速充电技术、数据链编码技术和低功耗GPS模块技术等。

1.1 eSeis1.0节点仪器的基本构架和工作流程

研发团队从数学建模开始，借鉴国际领先节点仪器的经验，研发出自己的eSeis1.0节点仪器软硬件构架，如图1所示。

图1 eSeis节点单元软件框架与eSeis节点仪器的硬件组成

eSeis1.0节点采集站的 A/D模数转换是按照准确预定时刻(一般为2的幂次方数为计时线)采集数据，而不是其它 厂家(如Geospace的GSR)通常采用的对采集数据流打当前时间戳；该算法得到TB(Time Break)时间更精确，适合高精度要求，与我们的高效采集激发管理系统相匹配，精确同步。 同时在设计之初就考虑实现节点单元的质控信息的实时监控。这些实时监控的信息包括GPS状态、节点单元的存储容量、电池电量、采集参数等。同时也可对超标的监控项提出预警。自动测试功能包括对采集站技术指标检测(出厂技术指标、日月检等)，及对检波器性能和埋置状态检测。

模数转换单元包含高精度超低噪音可编程前置放大、真32位高精度模数转换、去假频滤波等功能。多功能下载柜中的精密测试信号单元包含32位高精度可编程数模转换、高精度超低噪音可编程驱动/缓冲等。

在野外进行地震数据采集时，地震信号经过A/D(模数转换)存储在eSeis节点采集站的16 GB内存中。同时在采集的过程中，通过实时监控的电台链路对采集站的质控信息进行实时监控。生产完成之后，跟其他节点一样，所有参与生产的eSeis节点被收回营地，通过在eSeis服务器上运行的Harvester Manager软件完成地震数据的下载。eSeis节点采集站中的地震数据通过下载机柜被下载到服务器的盘阵当中。但是这个时候下载的只是原始数据，通过第三方采集系统或者编码器得到激发的GPS TB信息，在服务器上运行Data Manager软件，利用GPSTB信息完成共炮点集或者共检波点集数据的切分、信号的相关和叠加等运算。生成的SEG-D或者SEG-Y格式数据才能被送至解释组或上交给甲方(如图2所示)，这样才是一个完整的数据流。

图2 eSeis1.0系统的数据流

2 eSeis1.0节点仪器的四种技术

2.1 GPS训钟校准技术

保证整个系统的时钟同步是所有的地震采集系统面临的关键问题。在以往的有线系统中，整个采集系统内部的野外设备和室内设备的同步是通过大线的同步信号传输来完成的[4]。eSeis1.0节点仪器由于没有有线传输，所以同步的方式有很大的不同。eSeis1.0采用GPS训钟的技术保证采集系统的同步。

目前大多数节点仪器和部分有线仪器是在激发源和数据采集端均按照采样间隔对激发时刻和数据采集时刻打GPS精确时间标记的被动方法来实现TB(Time Break)时间同步的，按照精确指定时刻(以GPS时间为基准)来启动数据采集和激发同步，由于A/D主时钟随着时间推移会产生累积误差，造成单位时间内的数据采集点数发生变化。这样会影响地震勘探仪器的采集数据的精度，往往由于采样时钟的误差的累积，可以达到半个采样点的误差[5]。eSeis1.0节点采集站所采用的训钟校准技术，是基于精密有源晶振、高精度GPS模块和MCU(Micro Control Unit)完成的。在采集开始之前，GPS模块接收卫星信号，采集站进行训钟校准。eSeis1.0节点上的MCU开始检测自身时钟与GPS时钟的误差，并把这一误差反馈给MCU，MCU根据这一误差动态调整PWM(Pulse-Width Modulation)模块输出的脉冲，这一脉冲输入A/D模块的主时钟，以此方法达到精确的同步(如图3所示)。这样的GPS训钟过程在采集中每半小时一次。

图3 eSeis1.0节点采集站内部的GPS训钟校准原理图

在训钟校准的基础上，eSeis1.0节点采集站内部的A/D(模数转换芯片)按照准确预定时间开始采集(一般为2的幂次方数为计时线)这样避免了TB同步半个采集样点的误差。

2.2 电池快速充电技术

目前很多地震勘探项目进行高密度、大带道数采集(节点单元本身不受带道能力的限制)，每天有很多采集设备被回收或者放置到野外。作为节点仪器每天除了面对大量节点数据要回收下载，而且要面对大量节点电池充电的问题。如果节点电池需要充电时间长或者充电不饱和将严重影响生产能力。eSeis1.0节点仪器考虑到这一点开发了可实现快速充电的eSeis磷酸锂铁电池，该电池包额定输出12 V，容量20 AH。可保证eSies节点连续采集30天以上。最关键的是该电池充电只需要3 h即可充满。eSeis1.0电池和节点单元如图4所示。

2.3 节点采集站低功耗技术

多数节点仪器目前使用单站单个供电单元，由于地震勘探面临的地形复杂多变，如城区、沙漠、山地、滩涂等。这些区域由于地形或者社区因素施工缓慢，需要排列长时间滞留野外。如果电池容量较小或者采集站功耗大，将直接影响节点在野外的“生存周期”。eSeis1.0节点仪器使用了低功耗的硬件，在采集站MCU运作固件上也考虑到了功耗。如GPS模块分时段训钟模式，在采集过程中，MCU每隔半个小时与GPS模块做一次训钟校准，在平时GPS模块处于休眠状态，蓝牙模块只有在和Node hunter手缚通讯时才启用，这样保证整个采集站的低功耗。如果用户不需要实时监控节点质量状态，那么无线电模块也可以关闭，这样节点功耗更低。

图4 eSeis电池和节点单元

2.4 稳定的数据链技术

eSeis1.0节点采集站状态的实时回传，通过低功耗的通讯数字链接技术完成。针对节点数量极其庞大的特点，eSeis1.0数据链由多种嵌入不同设备的通讯模块组成。主要特点有：

1)提供高速节点状态获取机制。生产管理中心嵌入多信道高速通讯链路模块，与野外检波线通讯单元远程链接，高速获取节点的实时状态及历史状态。

2)提供超低功耗节点状态通讯机制。为了保证节点一次充电后的长时间数据采集，节点模块中内嵌的数据链模块采用超低功耗设计，使得节点采集工作时依然可以随时传输工作状态及异常状态，确保生产顺利进行。

3)提供灵活动态的监控通讯链路。检波线通讯单元中内嵌高低速一体eSeis通讯模块，可以根据观测系统及地形情况，灵活动态地部署在所负责区域中，通过低速通道获取节点状态，并利用高速信道将信息快速递传输给指挥中心。

3 eSeis1.0节点仪器的性能指标

eSeis1.0节点仪器二期研发完成后，新的eSeis1.0节点的技术指标的得到了提高，技术性能指标更加稳定,相对GSR、RT2具有明显优势，见表1。eSeis1.0节点采集站的突出特点是具有32位真模数转换模块、GPS训钟技术、独有的低功耗技术和价格低廉。

表1 eSeis1.0、GSR、RT2 3种地震勘探仪器的对比

4 eSeis1.0节点仪器的应用

eSeis1.0节点仪器在2015年12月产品成型，2016年1月至2017年12月之间做了3次对比试验，分别与428XL、G3i和Hawk等采集系统做了对比。这3次试验验证了eSeis1.0节点仪器在逻辑上的正确，系统稳定。通过分析采集到地震资料，eSeis1.0节点仪器资料品质达到了国际同等水平。

4.1 与Sercel 428XL仪器的对比试验

为了验证eSeis1.0节点仪器逻辑的正确性，2016年1月6日～8日，在华北某探区与428XL地震勘探仪器做了对比试验。试验投入eSeis1.0第一代无线节点50道，包括可抗低温的快速充电电池50块，3个排列助手。检波器串20DX-10，每道两串。通过三通线将检波器串输出的地震信号分别引入到428XL的FDU和eSeis1.0节点采集站中,两种采集系统使用相同的采集参数。

经过分析对比428XL和eSeis1.0节点切分后的资料，得出eSeis1.0节点逻辑正确，系统的PGA(programmable gain amplifier)、A/D转换算法正确，GPS授时准确，数据格式、下载、切分、抽取和道分选正确。eSeis 1.0信号的相位与428XL一致，见图5(a)；极性符合SEG规定，见图5(b)。

图5 eSeis与428XL数据1 ms采样的相位极性对比

4.2 与G3i仪器的试验对比

2016年8月，为了进一步验证eSeis1.0系统的实用性、和稳定性，在国内某地震队与INOVA G3i仪器进行了1 880道共检波串二维对比试验。共采集321个炮点，eSeis1.0和G3i仪器选择同一采集参数，采用共激发点和接收点采集的对比方式，保障试验结果的可对比性，如图6所示。

通过对eSeis1.0和G3i资料的对比分析得出以下结论(见图7)：

图7 eSeis1.0与G3i仪器1ms采样的全频单炮记录对比

1)从单道、炮集、剖面分析结果来看，eSeis1.0采集地震数据从波形、能量、频率、相位上，都与G3i采集的地震数据整体一致。

2) 通过综合分析，eSeis1.0采集地震数据的品质与G3i相当，所采集的地震数据质量是可靠的。

3)eSies1.0无线节点仪器整体工作稳定达到工业生产的水平。

同时通过这次试验也发现了一些问题：

1)状态信息回传不稳定。需要在硬件和软件上做改进调整，将接收灵敏度增加，天线采用外置办法。现已通过改进实验。

2)数据下载机柜和充电柜接头连接繁琐、不易操作。需要简化数据下载时的插头连接方法。去掉插头外套，操作时不必要螺纹拧紧,以简化拔插操作。

3)采集站重量轻，受粗插头和环境影响大，站体野外容易翻转导致GPS天线接收不到信号。计划在下一步电池和采集站合并后，采取扁平化结构方案加尾椎解决。

4)采集站采集数据零飘消除算法须完善。

4.3 与Hawk仪器的对比试验

为了进一步对比eSeis1.0节点仪器跟国际其他物探仪器的性能，在国内某探区地震队跟Hawk节点仪器做了二维对比试验。跟之前的两次试验类似，eSeis1.0和Hawk使用同样的采集参数。前方增益位12DB，采样率1 ms,记录长度5 s,井炮激发。两种节点接收来自同一串检波器串的地震信号。同时记录井炮激发的GPS TB时间作后期数据切分的依据。

对两者采集到的地震数据分析发现：

1)从单道均衡、固定增益、分频扫描结果来看，肉眼无法分辨出差异，eSeis1.0单炮与Hawk面貌一致(图8)；

2)从频谱上看，eSeis1.0单炮与Hawk频谱的整体趋势一致，在0～150 Hz，一致性非常好，在150 Hz以上虽有差异，但差异很小；

3)从连续相位上看，200 Hz以上eSeis1.0单炮与Hawk连续相位有一定差异，随着频率升高差异有所增加(图9)。

图8 eSeis1.0与Hawk仪器的单道对比

4)从叠加剖面及分频分析结果来看，eSeis1.0与Hawk整体面貌一致(图10)，肉眼无法分辨出差异，从二者相减结果来看，差异也很小；

5)从频谱分析结果来看，eSeis1.0粗叠加与Hawk频谱的整体趋势一致，在0～150 Hz，一致性非常好，但在150 Hz以上有一定的差异，但差异很小;

6)通过互相关分析，两者数据存在差异，但是差异远小于半个采样间隔。

通过综合分析，证明eSeis1.0所采集地震数据的品质与Hawk相当，获取的地震数据质量是可靠的。

图10 eSeis1.0节点与Hawk节点采集剖面相减

5 现状分析与结论

目前物探装备市场节点地震勘探仪器种类繁多，很多产品因为电池容量小、节点采集站内存小、不能够实时监控节点状态等原因，以及 GPS时间漂移等问题成为提供优质资料的短板。针对以上问题，eSeis1.0节点研发工作，通过降低功耗、开发高性能的磷酸锂铁电池提高eSeis1.0野外节点的待机时间；核心的GPS训钟技术改变了以往通过在模数转换过程中打时间戳的做法，以预定时间的方式开始采集，精确地实现和激发源的同步，进而避免了采样时间漂移[7]。

任何物探装备一问世都不是一蹴而就的，后期不断改进以及对客户负责的态度决定该产品能够走多远。eSeis1.0节点仪器的应用过程证明系统本身的逻辑是正确的，数据品质达到了国际水平，仪器性能稳定。为了满足高密度采集，充电设备需要改进，现有的便携式充电柜，不能满足万道级施工的需要；数据下载柜的插头和外形都应该针对现有的实际需要而改进。这些都需要研发团队进一步紧密贴合用户，不断完善。