發(fā)布時(shí)間：2020-11-10 04:06

　　 海洋地震勘探拖纜水上記錄系統(tǒng)是海洋地震勘探裝備中的重要設(shè)備。當(dāng)海洋拖纜的個(gè)數(shù)與采集通道數(shù)均較少時(shí),數(shù)據(jù)記錄問(wèn)題較為簡(jiǎn)單,水上記錄系統(tǒng)的軟硬件無(wú)需擴(kuò)展,系統(tǒng)采用固定結(jié)構(gòu)即可。然而,隨著海洋地震勘探裝備規(guī)模的擴(kuò)大,拖纜個(gè)數(shù)與采集通道數(shù)量成倍增長(zhǎng),水上記錄系統(tǒng)對(duì)于軟硬件可擴(kuò)展性的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。傳統(tǒng)上,水上記錄系統(tǒng)僅負(fù)責(zé)海洋拖纜的數(shù)據(jù)記錄工作,采用固定的軟硬件組織結(jié)構(gòu),很少考慮系統(tǒng)內(nèi)軟硬件整體的擴(kuò)展便利性,系統(tǒng)內(nèi)各組件的接口各異,組件間連接關(guān)系復(fù)雜,軟件系統(tǒng)基于單機(jī)開(kāi)發(fā),難以實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)擴(kuò)展與裁剪。在日�？碧阶鳂I(yè)過(guò)程中,上述缺陷不僅會(huì)增加整個(gè)勘探裝備的維護(hù)成本,而且會(huì)降低作業(yè)人員工作效率。為此,本文基于內(nèi)存計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室過(guò)去在海洋地震勘探系統(tǒng)領(lǐng)域的研發(fā)經(jīng)驗(yàn),以易于擴(kuò)展的水上記錄系統(tǒng)為設(shè)計(jì)目標(biāo),分析了記錄系統(tǒng)軟硬件擴(kuò)展能力的具體內(nèi)涵,提出了一種數(shù)據(jù)接口與處理相分離的水上記錄系統(tǒng)構(gòu)架。在分析歸納了新構(gòu)架下記錄系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)后,本文通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)研究的方式,有針對(duì)性的完成了通用型數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)、節(jié)點(diǎn)間高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、基于內(nèi)存的數(shù)字邏輯硬件處理技術(shù),以及基于內(nèi)存的分布式流處理軟件技術(shù),這四大關(guān)鍵技術(shù)的研究。在通用性數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面,本文首先借鑒虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想,從結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)處理圖像化兩個(gè)方面對(duì)通用型數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)理論展開(kāi)論述。提出了“通道時(shí)間譜”這一通用的數(shù)據(jù)視角,對(duì)海洋地震勘探系統(tǒng)展開(kāi)分析。對(duì)于實(shí)際板卡設(shè)計(jì),本文則采用了現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用廣泛的芯片級(jí)和電路板級(jí)的通用接口方案,對(duì)該節(jié)點(diǎn)展開(kāi)具體的芯片選型、電路設(shè)計(jì)等工作。在節(jié)點(diǎn)間高速數(shù)據(jù)傳輸方面,本文則利用SerDes傳輸技術(shù)和GTX高速串行收發(fā)器,搭配Aurora 64B/66B IP核,以及FMC和SFP模塊、PCIe數(shù)據(jù)傳輸鏈路研究了系統(tǒng)內(nèi)各物理節(jié)點(diǎn)間的高速串行傳輸鏈路。在基于內(nèi)存的數(shù)字邏輯硬件處理方面,本文基于DDR內(nèi)存的小讀寫(xiě)系統(tǒng),結(jié)合內(nèi)存接口模塊、AXI總線(xiàn)互聯(lián)器、DMA數(shù)據(jù)傳輸引擎以及MicroBlaze軟核等組件,研究了虛擬FIFO、拖纜數(shù)據(jù)流合并,以及節(jié)點(diǎn)間內(nèi)存共享技術(shù)。在分布式流處理軟件方面,本文則基于Hadoop軟件生態(tài),利用現(xiàn)有基于內(nèi)存計(jì)算的流處理軟件技術(shù)框架和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)技術(shù),構(gòu)建出了一套易于擴(kuò)展的水上記錄系統(tǒng)的軟件系統(tǒng),并結(jié)合具體拖纜數(shù)據(jù)處理任務(wù),討論了多種海洋拖纜數(shù)據(jù)處理方案。通過(guò)上述關(guān)鍵技術(shù)研究,本文所述的水上記錄系統(tǒng),不僅在通用性方面可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)主要物理節(jié)點(diǎn)的通用部署,而且提供了一套基于內(nèi)存的拖纜數(shù)據(jù)處理軟硬件模塊。本文所提出的軟硬件可擴(kuò)展的系統(tǒng)構(gòu)想,以及接口與處理組件相互分離的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí),引入了大數(shù)據(jù)領(lǐng)域先進(jìn)的技術(shù)方案,拓寬了海洋地震勘探裝備研發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)選擇范圍。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類(lèi)】：P756.1
【部分圖文】：

?第１章緒?論???１．６文章結(jié)構(gòu)??本文共分為九個(gè)章節(jié)，各章之間的邏輯聯(lián)系，如圖１．２所示。??頂層設(shè)計(jì)?關(guān)鍵技術(shù)突破??Ｉ??／?Ｎ?＼??ｆ通用型數(shù)據(jù)處理節(jié)??計(jì)技術(shù)??｜易；１?Ｗ點(diǎn)間高速數(shù)據(jù)傳＾｜?＼??１海洋?翻—Ｉ?縮術(shù)?廠(chǎng)總結(jié)??緒論—地？?—水上?＾＾?—與??￣１勘探駕＿／基＿的數(shù)字邏）怎展望??＼［基于內(nèi)存的分布式／??＼流處理軟件技術(shù)＞??圖１．２文章結(jié)構(gòu)??通過(guò)第一章緒論拋出本文所研究的問(wèn)題，使用的方法，并介紹相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)??內(nèi)外研究背景。??之后，第二章海洋地震勘探，從海洋地震勘探的理論基礎(chǔ)著手，分析討論傳??統(tǒng)海洋地震勘探裝備的原理、組成結(jié)構(gòu)、運(yùn)作模式、數(shù)據(jù)特征、處理流程，以及??過(guò)去海洋拖纜水上記錄系統(tǒng)難以擴(kuò)展的主要原因。??第三章易于擴(kuò)展的水上記錄系統(tǒng)，基于上文的討論，結(jié)合國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃??項(xiàng)目要求，從“硬件可擴(kuò)展”和“軟件可擴(kuò)展”兩個(gè)方面分解易擴(kuò)展型水上記錄??系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。之后，以?xún)?nèi)存計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)偵結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)幀傳輸策略以及地??震數(shù)據(jù)處理這幾個(gè)方面為切入點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行深入分析，設(shè)計(jì)出由數(shù)據(jù)接口??中心和工作站兩部分組成的水上記錄系統(tǒng)構(gòu)架方案，并根據(jù)該構(gòu)架方案歸納出??需要重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)。??第二章和第三章一起構(gòu)成本文對(duì)易擴(kuò)展型水上記錄系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)部分，從??第四章開(kāi)始到第七章則是本文針對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的重點(diǎn)突破。??本文所研究的關(guān)鍵技術(shù)分別是通用型數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)、節(jié)點(diǎn)間高速??數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、基于內(nèi)存的數(shù)字邏輯硬件處理技術(shù)、基于內(nèi)存的分布式流處理軟??件技術(shù)。??最后兩章分別是系統(tǒng)測(cè)試與討論，總結(jié)與展望。??７??

這是由于聲波作為機(jī)械波在空氣中傳播時(shí)遇到巖石或墻壁等介質(zhì)??性能與空氣差別很大的障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射。通過(guò)計(jì)算喊叫和回聲之間的時(shí)間??差，結(jié)合聲波在空氣中的傳播速度就可以估算出障礙物的距離［２８］。??在大多數(shù)地區(qū)，反射波法可以測(cè)定測(cè)線(xiàn)范圍內(nèi)的地下巖層構(gòu)造，并且對(duì)于與??油氣儲(chǔ)集有關(guān)的背斜、斷層和礁體結(jié)構(gòu)的測(cè)定特別理想。在理想情況下，該方法??可以高精度的測(cè)量地下巖層構(gòu)造的起伏，甚至可以根據(jù)地震波的速度、頻率以及??吸收特性判斷地層巖性［２９］。??２．１．２陸地地震勘探原理??如圖２．１所示，勘探人員用人工方法在震源處激發(fā)地震波傳人地下巖層，地??震波經(jīng)過(guò)地下分界面會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反射波傳回地表。反射回地面的反射波引起??地表各個(gè)接收點(diǎn)的振動(dòng)，檢波器陣列將這種振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，傳入地震數(shù)據(jù)記??錄系統(tǒng)并存儲(chǔ)于存儲(chǔ)設(shè)備，作為之后的地震數(shù)據(jù)解釋工作的數(shù)據(jù)源［３（）］。??＊??￣?????－－：室內(nèi)?地霹??？？?道?儀器—ＳＳ?一?ＳＳ??Ａ?〇?Ａ?Ａ?？?？?？?ｉｉ??＼／??圖２．１反射波勘探作業(yè)流程圖??完整的陸地地震勘探過(guò)程由三個(gè)階段組成，分別是野外資料采集階段、室內(nèi)??資料處理階段、地震資料解釋階段。??其中，野外資料釆集階段的主要任務(wù)是在待測(cè)區(qū)域進(jìn)行布置測(cè)線(xiàn)的施工工??作，布線(xiàn)完畢后人工激發(fā)地震波，并使用相應(yīng)的地震儀器將地震波的反射波情況??記錄下來(lái)，獲得待測(cè)區(qū)域的原始地震資料［３１］。??室內(nèi)資料處理階段的主要任務(wù)是根據(jù)地震波的傳播理論，使用計(jì)算機(jī)軟件??系統(tǒng)對(duì)野外資料釆集段獲得的原始地震資料進(jìn)行“去粗取精”的數(shù)據(jù)處理操作，??并進(jìn)一步獲得地震剖面圖和地震波速圖，該階段一般在專(zhuān)業(yè)

Ｇ－Ｄ、ＳＥＧ－Ｙ為常用數(shù)據(jù)格式別。??ＳＥＧ－Ｄ數(shù)據(jù)格式，是一種“按時(shí)分道”的數(shù)據(jù)格式，即業(yè)界通常所說(shuō)的時(shí)序??數(shù)據(jù)，一般被用于野外勘探作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)格式。??Ｇ？＾＞ｈｏｏｅ??—／?１?＾?？?ＦａｔｅｗＡｍｐ、??Ｇｆｏｊｊｈｏｏｅ?Ｎ．?＼ｔｕｌｔｑｊｌａｃｅｒ??＾?？?Ｆｉｌｔｅｒ＊?Ａｍｐ??ＯｅｏｐｈｏＤｅ??？??＾?－？?Ｆａｉｆ＾－Ａｍｐ?????Ｇｅｏｐｈｃｏｅ??勉」一?＾?？?Ｆｆｌｔｃｒ＾ｔｎｐ?ｆ?ｌ?ｆ?Ａ３??Ｔｉｍｅ??圖２．３四通道野外地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備??圖２．３是一個(gè)簡(jiǎn)化版的４通道野外地震數(shù)據(jù)釆集設(shè)備，由檢波器、濾波放大??器、多路開(kāi)關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成�？碧阶鳂I(yè)開(kāi)始后，４個(gè)采集通道同時(shí)探測(cè)到地??震信號(hào)，但由于只有一路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，因此需要使用多路開(kāi)關(guān)將四個(gè)通道的地??震信號(hào)依次送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通道Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ在Ｔ１時(shí)刻釆集到的地震信號(hào)因??此需要排隊(duì)進(jìn)行數(shù)字化。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)順序天然按照時(shí)序數(shù)據(jù)的排列??方式輸出，即?Ａｌ、Ｂｌ、Ｃｌ、Ｄｌ、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ａ３、Ｂ３?依次類(lèi)推。??由于“按時(shí)分道”的數(shù)據(jù)格式符合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的物理運(yùn)行規(guī)則，即在將同??一時(shí)間各個(gè)采集通道的地震數(shù)據(jù)依次打包發(fā)出即可，不需要大容量緩存用于各??采集通道的時(shí)序整理。因此，野外地震勘探作業(yè)的成果文件一般使用“按時(shí)分??１２??
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