用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构及其构建方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构及其构建方法，该系统架构包括若干个线缆数据驱动器，还包括系统监控模块、记录存储模块和日月检数据处理模块，各线缆数据驱动器均通过两个以太网接口分别连接至系统监控模块和记录存储模块以分别实现线缆数据的监测及记录存储；各线缆数据驱动器还通过高速串行接口连接日月检数据处理模块，日月检数据处理模块对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理并综合该合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析。本发明系统架构具备极强的数据传输能力，配置灵活且扩展能力强，结构简单，能够提高可靠性和工作效率。
【专利说明】用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构及其构建方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种地球物理勘探【技术领域】，特别是一种用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构及其构建方法。
【背景技术】
[0002]用于石油、地质等各种地球物理勘探方法中，地震勘探是最常用的一种有效方法。在此类方法中，通常采用人工方式来激发地震波，物探仪器通过布置的传感器阵列(如陆上用动圈式检波器，海上用压电陶瓷水听器)收集地震波信号，并采集和记录下来。陆地勘探作业时，通过分散的采集站进行数据采集，然后利用交叉站将数据通过交叉线传送至仪器车中的主机上进行记录；海洋物探作业时，物探船拖拽数条内布置有压电陶瓷水听器的线缆阵列在海上进行匀速前进，线缆的数量决定了地震勘探作业的规模和精度。为了完成地震采集数据的收集，水下电路对地震信号进行采集，并通过信号传输线上传到船载系统中进行记录。
[0003]为了解决海量地震勘探数据记录的问题，传统的数据记录架构一般都会采用一个机箱，并在其中放置一些接口装置以及机箱控制器等部件，以完成数据的接收、处理和记录的过程。最常用的方式是机箱通过其背板总线，参与数据传输过程。具体地，传统的数据记录架构利用一台具有高速背板总线(如PCI总线、CompactPCI总线、VME总线等)的机箱，机箱中安置数块线缆(如陆地交叉线缆、海洋水下电缆)数据驱动器和一块机箱控制器。其中，线缆数据驱动器用于完成线缆所带通道上传数据的收集。通过背板总线，这些线缆数据驱动器先将数据传送至机箱控制器，再通过机箱控制器上集成的网络接口( 一般为千兆网)转发给磁带机或其它存储设备，如COSL的“海亮”高精度地震电缆采集系统、HydroScience的NTRS3C记录系统等即是采用该架构。
[0004]为在复杂地表和构造条件下，寻找更多埋藏深度大、复杂度高的油气藏，当今的物探技术朝着“两宽一高”的方向发展，即宽方位、宽频带、高分辨。将来勘探行业要求的高覆盖、高密度、大偏移、宽方位、小道距等要求，需要发展高密度空间采样、高精度时间采样、多波多分量采集等技术。为了提高物探仪器的空间分辨能力，仪器通道数越来越大，而道间距越来越小，如COSL的“海亮”系统，道间距达到3.125米，这可以极大地提高物探仪器的空间分辨率，很容易就让物探仪器的通道数增加到十万道以上，因而对地震勘探仪器的实时带道能力提出了极高的要求。与此同时，为了提高系统的时间分辨率，物探仪器前端对于模拟信号的数字化时间间隔越来越短，如传统为1ms，现在可达0.25ms，而工程地质勘探甚至达到0.0625ms，这又对物探仪器的实时高速数据传输能力提出了极高的要求。
[0005]随着物探技术的发展，传统的数据记录架构逐渐暴露出其不足之处，主要体现在:I)扩展能力存在不足。通道数和系统采样率的急遽提升，造成传统基于机箱背板总线方式的记录架构进行数据记录的压力越来越大。这种架构的特点是在数据记录的过程中存在着数据二级“汇聚”的过程，线缆数据驱动器的数据先“汇聚”至机箱控制器，然后各个机箱控制器收集的数据再“汇聚”至记录存储设备。显然，机箱控制器是该架构数据流的数据“中转站”。为了提高仪器的实时带道能力，需要扩展数据驱动器或数据读出计算机的数量。当扩展线缆数据驱动器数量时，由于背板总线一般属于时分复用的共享总线，多块(如CompactPCI总线一般为四块)总线设备会共享总线中断控制信号线。当线缆数据驱动器数量过多时，有些线缆数据驱动器之间就会出现中断请求冲突，需要额外的机制进行处理。过多的线缆数据驱动器也会因单机箱背板总线传输性能瓶颈的制约而难以保证数据的及时传输，同时机箱控制器上网络接口(一般为千兆网)也难以应付过高的数据传输压力。而扩展控制器网口数量虽能够提高数据传输带宽，但为避免多网口以及线缆数据驱动器之间的相互影响，则需要网口分别挂载在不同的总线上，这显然对机箱控制器的选择提出了极高的要求。此外，新发展的高性能点到点背板总线数据传输技术(如ATCA等)，并利用高性能控制器(集成万兆网络接口)，从而提高记录系统的传输带宽，但这种方法的技术和制造成本极高。2)可靠性存在缺陷。物探仪器在进行作业时对系统可靠性要求极高，需要其能够在数周甚至数月的时间内不间断地运行。作为数据流“中转站”作用的机箱控制器，既是系统数据传输的瓶颈，也容易造成单点失效。第一方面，如前所述，共享总线技术会造成多块线缆数据驱动器的总线冲突，解决方法通常仅限于固定驱动器的插槽位置、扩展机箱或研制新的同步机制等。总线冲突会造成整个机箱内的数据传输故障，从而使得数据传输丢失;第二方面，为了达到高效的数据传输能力，线缆数据驱动器一般利用DMA (直接内存访问)技术，将大量的数据快速传输至机箱控制器。然而DMA技术的前提条件是其每次传输数据量都会被严格地控制，线缆数据驱动器上可能仅仅是Ibit的错位都会造成整条线缆数据的失效，同时也可能会导致整个机箱系统的崩溃；第三方面，为了在传统的基于机箱背板总线方式的记录架构上实现高可靠数据传输能力，需要利用多插件冗余结合热交换技术，从而减少系统停机时间。然而这种技术实现难度和成本都很大，一般用于电信设备，在物探装备中较少涉及。综上，由于在灵活性、可靠性等方面的缺陷，现有物探数据记录架构实现成本高、可扩展性差、结构复杂、可靠性差，无法适应物探技术发展的方向，需要寻求新的解决方案。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有的物探数据记录架构存在实现成本高、可扩展性差、结构复杂、可靠性差等问题，提供一种新型的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，具备极强的数据传输能力，配置灵活且扩展能力强，结构简单，能够提高可靠性和工作效率。本发明还涉及一种用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的构建方法。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]一种用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，其特征在于，包括若干个线缆数据驱动器，还包括系统监控模块、记录存储模块和日月检数据处理模块，所述线缆数据驱动器上设置有两个以太网接口和一个高速串行接口，所述各线缆数据驱动器均通过两个以太网接口分别连接至系统监控模块和记录存储模块以分别实现线缆数据的监测及记录存储；各线缆数据驱动器通过高速串行接口连接日月检数据处理模块，所述系统监控模块和记录存储模块分别与日月检数据处理模块相连，所述日月检数据处理模块对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理并综合该合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析。
[0009]所述日月检数据处理模块包括相互连接的日月检数据合并处理模块和日月检数据分析模块，所述各线缆数据驱动器通过高速串行接口连接日月检数据合并处理模块从而对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理并通过日月检数据合并处理模块上设置的以太网接口将合并处理结果输出至日月检数据分析模块，所述系统监控模块和记录存储模块分别与日月检数据分析模块相连，所述日月检数据分析模块综合日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析，并将分析结果送至系统监控模块显示。
[0010]所述各线缆数据驱动器通过自身的一个以太网接口经第一网络交换机与系统监控模块相连，各线缆数据驱动器通过自身的另一个以太网接口经第二网络交换机与记录存储模块相连，所述日月检数据合并处理模块通过自身的以太网接口经第二网络交换机与日月检数据分析模块相连，所述记录存储模块还通过第二网络交换机接收震源控制系统的头段数据。
[0011]还包括用于接收并检测震源控制系统发送的启动和时断信号的触发同步及数据仲裁模块，所述各线缆数据驱动器上设置有时断信号输入接口和数据记录请求接口，各线缆数据驱动器通过时断信号输入接口与触发同步及数据仲裁模块相连从而接收来自触发同步及数据仲裁模块扇出的时断信号，各线缆数据驱动器通过数据记录请求接口与触发同步及数据仲裁模块相连从而由触发同步及数据仲裁模块进行数据仲裁实现线缆数据驱动器的线缆数据向记录存储模块有序发送以及记录存储。
[0012]所述线缆数据驱动器包括第一 FPGA电路，所述第一 FPGA电路包括相互连接的数据流分离控制电路和串行处理模块，所述数据流分离控制电路将线缆数据驱动器的数据分离处理得到监控数据流、记录数据流和分析数据流，所述数据流分离控制电路连接两个以太网接口从而分别将监控数据流和记录数据流输至系统监测模块和记录存储模块，与记录存储模块相连的以太网接口为千兆以太网接口，分析数据流传输至串行处理模块进行日月检数据的采集处理，采集处理的日月检数据通过高速串行接口输出至日月检数据合并处理模块；所述FPGA电路还包括时断检测及命令生成模块，所述时断检测及命令生成模块与时断信号输入接口相连。
[0013]所述记录存储模块包括依次连接的第一网络数据接收模块、网络数据格式转换电路、数据存储控制电路和存储设备，所述第一网络数据接收模块接收线缆数据驱动器的记录数据以及震源控制系统的头段数据，通过网络数据格式转换电路按照记录存储要求进行格式转换，通过数据存储控制电路控制格式转换后的数据至存储设备进行数据存储；所述记录存储模块还包括网络数据发送模块，所述网络数据发送模块与网络数据格式转换电路相连用于将记录数据通过第二网络交换机发送至日月检数据分析模块。
[0014]所述日月检数据合并处理模块包括第二 FPGA电路，所述第二 FPGA电路包括依次连接的解串处理模块、数据发送路由控制模块和数据发送缓冲器，所述数据发送缓冲器连接日月检数据合并处理模块的以太网接口，所述解串处理模块接收多个线缆数据驱动器输出的日月检数据分别进行解串处理并作为完整单炮地震采集数据合并发送至数据发送路由控制模块，所述完整单炮地震采集数据在数据发送路由控制模块的控制下有序的依次通过数据发送缓冲器和以太网接口传送至日月检数据分析模块。
[0015]所述的触发同步及数据仲裁模块包括第三FPGA电路，所述第三FPGA电路包括时断信号生成模块以及与其同时相连的信号有效检测模块、时断信号扇出模块和数据发送仲裁器，通过信号有效检测模块接收并检测震源控制系统发送的启动和时断信号，经时断信号生成模块处理获取到有效时断信号再经时断信号扇出模块输出至线缆数据驱动器，同时通过数据发送仲裁器接收来自线缆数据驱动器发送的数据记录请求信号并进行数据仲裁实现线缆数据驱动器的线缆数据有序发送以及记录存储至记录存储模块。
[0016]所述日月检数据分析模块包括依次连接的第二网络数据接收模块、指标分析处理模块和指标发送模块，通过第二网络数据接收模块接收日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果，由指标分析处理模块进行指标综合分析处理再通过指标发送模块发送至系统监控模块；
[0017]所述系统监控模块包括依次连接的第三网络数据接收模块、显示模块和控制终端，通过第三网络数据接收模块接收线缆数据驱动器的监测数据，通过显示模块显示监测结果，指标发送模块与显示模块相连进而将分析结果也通过显示模块显示，所述系统监控模块和日月检数据分析模块均设置有同步监控配置模块，所述控制终端与各同步监控配置模块相连。
[0018]一种用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的构建方法，采用若干个同时设置两个以太网接口和一个高速串行接口的线缆数据驱动器，各线缆数据驱动器将线缆上行的数据流进行分离处理得到监控数据流、记录数据流和分析数据流，通过一个以太网接口将监控数据流发送至系统监控模块，通过另一个以太网接口将记录数据流发送至记录存储模块，通过高速串行接口将分析数据流发送至日月检数据处理模块，日月检数据处理模块对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理并综合该合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析。
[0019]监控数据流通过一个以太网接口经第一网络交换机与系统监控模块相连，记录数据流通过自身的另一个以太网接口经第二网络交换机与记录存储模块相连，记录存储模块还通过第二网络交换机接收震源控制系统的头段数据；所述分析数据流先通过日月检数据合并处理模块对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理，再通过日月检数据合并处理模块上设置的以太网接口将合并处理结果经第二网络交换机输出至日月检数据分析模块，由日月检数据分析模块综合日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析，并将分析结果送至系统监控模块显
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[0020]采用触发同步及数据仲裁模块接收并检测震源控制系统发送的启动和时断信号，并在各线缆数据驱动器上设置时断信号输入接口和数据记录请求接口，各线缆数据驱动器通过时断信号输入接口与触发同步及数据仲裁模块相连从而接收来自触发同步及数据仲裁模块扇出的时断信号，各线缆数据驱动器通过数据记录请求接口与触发同步及数据仲裁模块相连从而由触发同步及数据仲裁模块进行数据仲裁实现线缆数据驱动器的线缆数据向记录存储模块有序发送以及记录存储。
[0021]分析数据流在日月检数据合并处理模块内先进行解串处理，多个线缆数据驱动器输出的日月检数据分别进行解串处理并作为完整单炮地震采集数据合并后通过数据发送路由控制从而将数据有序地发送至日月检数据分析模块，日月检数据分析模块接收日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果后进行指标综合分析处理再发送至系统监控模块；系统监控模块接收监控数据流后通过显示模块显示监测结果，显示模块还显示日月检数据分析模块的指标综合分析处理结果；在系统监控模块和日月检数据分析模块之间通过模块监控及配置进程实时通信和同步，并通过在系统监控模块设置控制终端进行人机交互。
[0022]本发明的技术效果如下:
[0023]本发明提供的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，在各线缆数据驱动器上设置两个以太网接口和一个高速串行接口，各线缆数据驱动器均通过两个以太网接口分别连接至系统监控模块和记录存储模块以分别实现线缆数据的监测及记录存储，各线缆数据驱动器通过高速串行接口连接日月检数据处理模块，日月检数据处理模块对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理并综合该合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析。本发明的通用数据记录系统架构根据地球物理勘探运行时的线缆数据特性，线缆上的地震采集数据(即线缆数据)通过线缆数据驱动器输出三路并行且独立的数据通道，连接至系统监控模块形成的监控通道实现线缆数据的监测，连接至记录存储模块形成的存储通道用于地震采集数据记录的记录，连接至日月检数据处理模块形成的分析通道用于日月检数据综合分析处理，这三路数据通道之间不形成相互约束和干扰，由于利用以太网数据传输技术，任何一条线缆数据的异常都不会造成数据记录系统架构整体性的崩溃，并会在极短的时间内完成重新连接，提高了系统架构可靠性能和工作效率。该系统架构放弃传统技术采用的“中转站”式的机箱控制器，脱离了现有技术系统架构的机箱控制器背板总线的束缚，克服了采用机箱控制器导致的数据传输瓶颈问题，采用完全扁平化、并行化的数据传输架构，结合以太网数据传输技术，通过三路并行且相互独立的数据通道分离地震采集的数据流，并保证各数据流的独立性和并行性，各条传输路径完全平等，系统架构在保证各条数据通道传输性能的同时，不会对任何一条通道路径有特殊要求，从而使得系统架构不受线缆数目的限制，具备极强的数据传输能力，以及极高的通用性，并能够支持线缆数量的灵活配置及扩展能力，而且系统架构简单，大大降低了实现难度和成本，满足物探技术发展的方向。
[0024]本发明提供的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的构建方法，采用若干个同时设置两个以太网接口和一个高速串行接口的线缆数据驱动器，各线缆数据驱动器将线缆上行的数据流进行分离处理得到监控数据流、记录数据流和分析数据流，以保障三条数据流互不干扰地进行传输，数据流以网络方式实现，根据数据流量的大小不同，数据流的汇聚点可以进行灵活的配置，从而保证构建的系统架构稳定、可靠、高效地运行。该构建方法基于分布式全并行化数据处理技术构建的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，能够支持线缆数量的灵活配置，将线缆数据处理负荷进行均衡分配、数据流分离，消除线缆数据处理和传输的瓶颈，构建的系统架构规模不受线缆数据驱动器及传统技术采用的机箱控制器的数量或空间的限制，系统架构扩展灵活方便，设置各线缆数据驱动器均具备通过高性能以太网进行数据输出的能力，消除数据流的中间“中转式”汇聚行为，直接从线缆数据驱动器进行三路数据流的分离设计，利用多进程并行化技术手段，实现数据监测、记录存储和日月检数据分析的功能，以实现对系统运行过程中的质量控制以及故障修复，从而使得所构建的系统架构具有高可靠、全并行化以及高效运行的优点，各线缆数据驱动器的更新、升级配置也变得更加简便，构建的系统架构的技术成本、经济成本和维护成本都可以做到很低，有利于安装使用和推广。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的结构示意图。
[0026]图2为本发明用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的优选结构示意图。
[0027]图3为图2所示系统架构的外部连接示意图。
[0028]图4为本发明系统架构中的线缆数据驱动器的优选结构示意图。
[0029]图5为本发明系统架构中的记录存储模块的优选结构示意图。
[0030]图6为本发明系统架构中的日月检数据合并处理模块的优选结构示意图。
[0031]图7为本发明系统架构中的系统监控模块和日月检数据分析模块的优选结构示意图。
[0032]图8为本发明系统架构中的触发同步及数据仲裁模块的优选结构示意图。
[0033]图中各标号列示如下:
[0034]I—以太网接口 ；2 —以太网接口 ；3—高速串行接口 ；4一时断信号输入接口 ；5 —
数据记录请求接口 ；6 —第一网络交换机；7 —第二网络交换机。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明进行说明。
[0036]无论地球物理勘探仪器的应用多么复杂，环境多么的不同，其数据记录系统的核心功能都是一样的，即完成地震采集数据的记录和存储。虽然前端分布式传感器网络形式各异、传感器种类和数量各不相同，但传感器网络与记录系统之间最终必须要通过数条线缆进行数据通信，物探仪器规模的不同会造成这些线缆的数量上的不同。除此，差异性就体现在线缆上数据传输方式的不同，如光纤或电、基带或调制、LVDS或以太网等。因此，依据物探仪器中的记录和传输系统职责的不同这一基本原则，本发明将与传感器网络关联度极高的传输系统与后端的数据记录系统相剥离，提出一种高性能、高可靠地球物理勘探的通用数据记录系统架构，其结构示意图如图1所示，包括若干个线缆数据驱动器，还包括系统监控模块、记录存储模块和日月检数据处理模块，其中，线缆数据驱动器上设置有两个以太网接口和一个高速串行接口，各线缆数据驱动器通过以太网接口 I连接系统监控模块实现线缆数据的监测，各线缆数据驱动器通过以太网接口 2连接记录存储模块实现线缆数据的记录存储，各线缆数据驱动器通过高速串行接口 3连接日月检数据处理模块，系统监控模块和记录存储模块分别与日月检数据处理模块相连，日月检数据处理模块对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理并综合该合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析。
[0037]图2为本发明用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的优选结构示意图，图3为其外部连接示意图。该实施例的通用数据记录系统架构包括若干个线缆数据驱动器，还包括系统监控模块、记录存储模块、日月检数据处理模块、第一网络交换机、第二网络交换机、触发同步及数据仲裁模块以及用于供电的标准式机架直流电源。其中，各线缆数据驱动器通过自身的以太网接口 I经第一网络交换机6与系统监控模块相连，各线缆数据驱动器通过自身的另一个以太网接口 2经第二网络交换机7与记录存储模块相连，记录存储模块还通过第二网络交换机7接收震源控制系统的头段数据；日月检数据处理模块包括相互连接的日月检数据合并处理模块和日月检数据分析模块，日月检数据合并处理模块通过自身的以太网接口经第二网络交换机7与日月检数据分析模块相连，系统监控模块与日月检数据分析模块相连，记录存储模块经第二网络交换机7与日月检数据分析模块相连，各线缆数据驱动器通过高速串行接口 3(如LVDS、LVPECL等)连接日月检数据合并处理模块从而对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理并通过日月检数据合并处理模块上设置的以太网接口将合并处理结果输出至日月检数据分析模块，日月检数据分析模块综合日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析。此外，各线缆数据驱动器上还设置有时断信号输入接口 4和数据记录请求接口 5，各线缆数据驱动器通过时断信号输入接口 4 (简称TB接口，采用LVDS或RS485等电平标准)与触发同步及数据仲裁模块相连从而接收来自触发同步及数据仲裁模块扇出的时断信号，从而保证系统级的同步工作；各线缆数据驱动器通过数据记录请求接口 5与触发同步及数据仲裁模块相连从而由触发同步及数据仲裁模块进行数据仲裁，由触发同步及数据仲裁模块决定哪块(或哪些)线缆数据驱动器将记录数据送出至记录存储模块，从而实现线缆数据驱动器的线缆数据向记录存储模块有序发送以及记录存储。
[0038]线缆数据驱动器是整个物探装备的核心部件，是数据记录系统与传输系统交互的界面，也是本发明通用数据记录系统架构并行化数据传输方案区别于传统方案的基础，其主要作用是完成线缆(光纤或电缆)上传地震采集数据的接收、时序道序处理、数据分流处理以及控制、配置命令的下发等。根据线缆采集阵列的设计方案，线缆数据驱动器与线缆之间的数据交换接口可以利用光纤或高速电传输方式实现，具体方式和协议可以灵活选择；而其与系统监控模块及记录存储设备(数据存储节点)之间的交互则利用以太网实现。为保证地震采集数据存储的实时性，在完成协议处理、时序道序转换等操作后，该线缆数据驱动器将所接收到的线缆数据进行分流处理，即将线缆上行的数据流分离为并行的三路:第一路直接送至记录存储模块；第二路送至监控模块；第三路由日月检数据合并处理模块送至日月检数据分析模块。由于系统监控对数据有一定的刷新要求，并不需要对采样数据进行逐点监控，因此监控数据流是线缆数据驱动器对原始数据流进行抽取后生成的简化数据流。这种设计方案形成的记录系统架构既能满足系统实时监控的目的，也能减少监控压力。
[0039]在实际应用中，可采用线缆数据驱动器箱体，线缆数据驱动器箱体的主要作用是为线缆数据驱动器提供电源和机械支撑，不需要类似总线的数据接口，其数量根据作业规模需求进行配置。该箱体中会放置一定数量的线缆数据驱动器，如图2所示的每个线缆数据驱动器箱体内部安装两个线缆数据驱动器，共有箱体I至箱体N，并且，对线缆数据驱动器在箱体中的位置并没有任何约束。该箱体可以做成标准尺寸，以方便安装到如19英寸的标准机柜中。优选将各线缆数据驱动器箱体、日月检数据合并处理模块和触发同步及数据仲裁模块均安装在标准机柜中。第一网络交换机6和第二网络交换机7的作用是将所有组件通过以太网进行互联，从而形成一个整体化的可网络数据传输的通用数据记录系统架构。
[0040]图4为本发明系统架构中的线缆数据驱动器的优选结构示意图，其与采集线缆之间存在两条并行双向的数据通道，工作模式为全双工。线缆数据驱动器主要包括第一 FPGA电路，该第一 FPGA电路以硬件逻辑的形式实现整个线缆数据驱动器的数据处理和控制算法，以保证其实时性和可靠性。第一 FPGA电路包括依次连接的地震数据接收接口模块、协议解析数据生成模块、时序道序转换模块、数据流分离控制电路和串行处理模块，还包括依次连接的时断检测及命令生成模块、系统协议封装模块和系统命令发送接口模块，其中，地震数据接收接口模块、协议解析数据生成模块、时序道序转换模块、系统协议封装模块和系统命令发送接口模块均为传统的线缆数据驱动器的常规组件。数据流分离控制电路将线缆数据驱动器的数据分离处理得到监控数据流、记录数据流和分析数据流，数据流分离控制电路连接两个以太网接口从而分别将监控数据流和记录数据流输至系统监测模块和记录存储模块，与记录存储模块相连的以太网接口优选为高性能的千兆以太网接口，千兆以太网接口可具有非常高的数据传输速度，其数据传输率为lOOOMpbs，分析数据流传输至串行处理模块进行日月检数据的采集处理，采集处理获得的日月检数据通过高速串行接口输出至日月检数据合并处理模块；时断检测及命令生成模块与时断信号输入接口相连。
[0041]线缆数据驱动器的工作原理如下:为了提高记录系统的通用性，保证其与复杂多样的传感器阵列传输系统之间的连接，线缆上传数据信号首先需要经过线缆信号适配模块进行处理，然后送至地震数据接收接口模块进行统一化处理，之后再送至协议解析数据生成模块以恢复出有效的数据，并通过时序道序转换模块将其从时序转换为道序数据，该数据包含了地震采集数据以及采集系统的工作状态数据。这些数据被送至数据流分离控制电路进行处理，从而分离出并发传输的三路数据，即分析数据、记录数据和监控数据。当然，也可以说是三条数据流，即分析数据流、记录数据流和监控数据流。其中，记录数据流和监测数据流通过线缆数据驱动器上的两个以太网接口直接送至记录节点(记录存储模块)以及监测节点(系统监控模块)上供进一步处理；而分析数据流则被送至日月检数据合并处理模块进行合并汇聚处理，以供系统指标分析之用。在数据下行方向上，线缆数据驱动器通过千兆以太网接口接收来自系统监控模块发送的控制或配置命令数据，通过系统协议封装模块进行协议封装，并经过系统命令发送接口模块进行与数据上传通道类似的通用化处理、线缆信号适配模块处理后发送至分布式前端传感器阵列中。另外，该线缆数据驱动器还能够接收来自通过断检测及命令生成模块接收来自触发同步及数据仲裁模块扇出的TB (时断)信号以控制系统的同步运行。其中，线缆数据驱动器的以太网接口可采用模块化方式，用嵌入式Linux来完成网络TCP/IP协议栈的处理；线缆信号适配模块也采用模块化设计，以达到适配不同传输技术的目的。
[0042]记录存储模块的作用是通过千兆以太网接收线缆数据驱动器发送过来的地震采集数据，并连同相关头段数据一起以特定的格式进行保存。物探仪器开始作业时，每条线缆几乎同时将采集到的地震数据上传至线缆数据驱动器，为了实现数据的实时记录，可以有两种方式:一是将所有线缆数据汇聚到一台记录存储节点上；另一个是线缆数据驱动器通过网络接口各自存储到一台记录存储节点上以实现并行、分布式存储。利用网络存储的优势，通过简单地配置存储节点即可实现灵活多样的存储方式，既可保留数据的汇总存储模式，也可消除汇总而进行独立存储。存储设备可以采用网络硬盘或者磁盘阵列，也可以利用网络节点驱动的磁带机组。记录存储模块的优选结构示意图如图5所示，包括依次连接的第一网络数据接收模块、网络数据格式转换电路、数据存储控制电路和存储设备，还包括与网络数据格式转换电路相连的网络数据发送模块。其中，第一网络数据接收模块可设置若干个，分别用于接收线缆数据驱动器的记录数据流以及震源控制系统的头段数据流，通过网络数据格式转换电路按照记录存储要求进行格式转换，通过数据存储控制电路控制格式转换后的数据至存储设备进行数据存储；网络数据发送模块用于将记录数据作为分析数据流通过第二网络交换机发送至日月检数据分析模块。记录存储模块还可包括同步监控配置模块，该同步监控配置模块由系统监控模块控制实现实时通信和同步。
[0043]记录存储节点(记录存储设备)独立于标准机柜，实现方式则依赖于通用数据记录系统的配置模式，即既可以运行在一台工作站上，甚至可以与系统监控模块及日月检数据分析模块共同运行在一台工作站上，也可以分拆成多个工作站并发运行，从而能够达到极高的数据处理性能。网络全并行化程序架构的设计，使得整个监控、分析及记录存储构成一个异构形式，从而对软件执行主机没有具体的要求，大大简化了系统实现难度和成本。通过配置，可以实现多条线缆向一台记录存储设备进行数据记录的功能，也可以每台线缆数据各自存储到一台记录存储设备中，灵活性和可靠性均大为提高，以达到性能、负载和成本的均衡分配。
[0044]日月检数据合并处理模块的作用是收集各个线缆数据驱动器发送过来的单炮完整地震采集数据，汇总后经由第二网络交换机送至日月检数据分析模块进行指标的在线分析以及进一步送至系统监控模块进行单炮道集波形显示等。图6为本发明系统架构中的日月检数据合并处理模块的优选结构示意图，包括第二 FPGA电路，该第二FPGA电路包括依次连接的解串处理模块、数据发送路由控制模块和数据发送缓冲器，数据发送缓冲器连接日月检数据合并处理模块的以太网接口(即图中所示的网络收发模块)，可设置多个解串处理模块，分别接收各线缆数据驱动器输出的日月检数据并分别进行解串处理后作为完整单炮地震采集数据合并发送至数据发送路由控制模块，合并的完整单炮地震采集数据在数据发送路由控制模块的控制下有序的依次通过数据发送缓冲器和以太网接口传送至日月检数据分析模块。如图6所示，日月检数据合并处理模块能够接收来自四个线缆数据驱动器发送过来的完整单炮地震采集数据，这些数据在数据发送路由控制模块的控制下，有序地通过网络发送模块送至日月检分析节点(日月检数据分析模块)上。为了适配网络数据发送状况，在数据送至网络收发模块之前，增加一个数据发送缓冲器。为了简化数据输入接口，线缆数据驱动器送过来的数据为串行化处理后的比特流，可以利用LVDS、LVPECL等技术实现。当系统配置线缆数量大于四时，还可以利用日月检数据合并处理模块的数据级联功能，从而扩展该模块的数据接收和处理能力。
[0045]日月检数据分析模块的作用包括日月检各项指标分析和报表生成等，系统监控模块的作用包括系统运行控制、参数配置以及状态监测显示等，系统监控模块和日月检数据分析模块主要用于作业的操控及仪器质量控制。系统监控模块和日月检数据分析模块同样独立于标准机柜，两模块整体运行于通用数据记录系统架构中工作站的操作终端上(如图3所示)，与标准机柜系统通过高性能以太网网连接。如图7所示优选结构，日月检数据分析模块包括依次连接的第二网络数据接收模块、指标分析处理模块和指标发送模块，通过第二网络数据接收模块接收日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果，由指标分析处理模块进行指标综合分析处理再通过指标发送模块发送至系统监控模块的显示模块进行图形或数字显示分析结果；系统监控模块包括依次连接的第三网络数据接收模块、显示模块和控制终端，通过第三网络数据接收模块接收线缆数据驱动器的监测数据，通过显示模块显示监测结果，系统监控模块和日月检数据分析模块均设置有同步监控配置模块，控制终端与各同步监控配置模块相连从而实现县实时通fg和同步。
[0046]本发明的通用数据记录系统正式运行前，需要通过系统监控模块上的控制终端(人机交互接口，一般是图形界面)完成整个系统的配置，包括线缆数、通道数、采样率、采样时间等具体参数。对于陆地系统，还包括排列助手。系统正式运行时，系统监控模块接收线缆数据驱动器发送的监控数据实现整个系统运行状态的实时监测，并完成相应的联动操作。日月检数据分析模块进行技术指标的检查分析、数据格式转换、滤波处理、噪音编辑、相关叠加等，并将最终结果生成相应的报表。为了完成指标的分析功能，该模块需要接收完整的单炮采集数据。当需要对记录数据进行离线分析或显示时，可以通过第二网络数据接收模块从记录存储设备中读取回放的数据。为了达到高性能和高可靠的设计目的，两模块形成的整体被设计成完全并行化运行架构，各个模块以独立进程实现，相互之间通过网络进行通信和同步。从而能够保证各自的独立性，并能够根据系统架构规模的不同而运行在不同的网络节点上，即既可以运行在一台工作站上，也可以运行在两台甚至多台工作站上，各个分布式进程之间通过模块监控及配置进程实时通信和同步。比如，当系统规模增大时，为保证性能均衡分配，可将系统监控模块和日月检数据分析模块设置到不同的网络节点上，二者之间通过自定义网络协议进行互联互通。作业人员则通过位于系统监控模块上的控制终端与整个装备数据记录系统进行交互，该终端为图形界面方式。
[0047]触发同步及数据仲裁模块的作用是接收震源控制系统(一般，海洋是组合气枪，陆地是遥爆系统或可控震源)发送的启动和时断(TB，time break)信号，并同步扇出至各个线缆数据驱动器，作为整个通用数据记录系统同步运行的控制信号。触发同步及数据仲裁模块的优选结构示意图如图8所示，主要包括第三FPGA电路，该第三FPGA电路包括时断信号生成模块以及与其同时相连的信号有效检测模块、时断信号扇出模块和数据发送仲裁器。触发同步及数据仲裁模块的运行主要包括两个方面:一方面通过信号有效检测模块接收并检测震源控制系统发送过来的启动(Start)和时断(TB)信号，经时断信号生成模块处理获取到有效时断信号(有效TB)再经时断信号扇出模块将所检测到的有效TB进行扇出(共支持16路扇出能力)至线缆数据驱动器；另一方面则通过数据发送仲裁器接收来自线缆数据驱动器发送的数据记录请求信号，再进行数据仲裁即根据这些信号决定哪个线缆数据驱动器发送数据至记录存储节点，从而保证所有线缆数据的有序发送和存储。具体工作时，可以根据配置选择线缆数据驱动器数据并行发送还是以令牌环方式控制下的同步发送。
[0048]本发明还涉及一种用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的构建方法，该方法也可以理解为是实现上述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的构建方法，是采用若干个同时设置两个以太网接口和一个高速串行接口的线缆数据驱动器，各线缆数据驱动器将线缆上行的数据流进行分离处理得到监控数据流、记录数据流和分析数据流，通过一个以太网接口将监控数据流发送至系统监控模块，通过另一个以太网接口将记录数据流发送至记录存储模块，通过高速串行接口将分析数据流发送至日月检数据处理模块，日月检数据处理模块对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理并综合该合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析。其中，该构建方法所采用的线缆数据驱动器的优选结构如图4所示。
[0049]优选地，可参考图2所示将监控数据流通过一个以太网接口经第一网络交换机与系统监控模块相连，记录数据流通过自身的另一个以太网接口经第二网络交换机与记录存储模块相连，记录存储模块还通过第二网络交换机接收震源控制系统的头段数据；分析数据流先通过日月检数据合并处理模块对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理，再通过日月检数据合并处理模块上设置的以太网接口将合并处理结果经第二网络交换机输出至日月检数据分析模块，由日月检数据分析模块综合日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析，并将分析结果送至系统监控模块显示。其中，该构建方法所采用的记录存储模块和系统监控模块的优选结构如图5和图7所示。
[0050]采用触发同步及数据仲裁模块接收并检测震源控制系统发送的启动和时断信号，并在各线缆数据驱动器上设置时断信号输入接口和数据记录请求接口，参考图2和图3所示，各线缆数据驱动器通过时断信号输入接口与触发同步及数据仲裁模块相连从而接收来自触发同步及数据仲裁模块扇出的时断信号，各线缆数据驱动器通过数据记录请求接口与触发同步及数据仲裁模块相连从而由触发同步及数据仲裁模块进行数据仲裁实现线缆数据驱动器的线缆数据向记录存储模块有序发送以及记录存储。其中，该构建方法所采用的触发同步及数据仲裁模块的优选结构如图8所示。
[0051]该构建方法所采用的日月检数据合并处理模块和日月检数据分析模块的优选结构如图6和图7所示。分析数据流在日月检数据合并处理模块内先进行解串处理，多个线缆数据驱动器输出的日月检数据分别进行解串处理并作为完整单炮地震采集数据合并后通过数据发送路由控制从而将数据有序地发送至日月检数据分析模块，日月检数据分析模块接收日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果后进行指标综合分析处理再发送至系统监控模块的显示模块显示分析结果；系统监控模块接收监控数据流后通过显示模块显示监测结果，显示模块还显示日月检数据分析模块的指标综合分析处理结果；在系统监控模块和日月检数据分析模块之间通过模块监控及配置进程实时通信和同步，并通过在系统监控模块设置控制终端进行人机交互。
[0052]应当指出，以上所述【具体实施方式】可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。
【权利要求】
1.一种用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，其特征在于，包括若干个线缆数据驱动器，还包括系统监控模块、记录存储模块和日月检数据处理模块，所述线缆数据驱动器上设置有两个以太网接口和一个高速串行接口，所述各线缆数据驱动器均通过两个以太网接口分别连接至系统监控模块和记录存储模块以分别实现线缆数据的监测及记录存储；各线缆数据驱动器通过高速串行接口连接日月检数据处理模块，所述系统监控模块和记录存储模块分别与日月检数据处理模块相连，所述日月检数据处理模块对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理并综合该合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析。
2.根据权利要求1所述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，其特征在于，所述日月检数据处理模块包括相互连接的日月检数据合并处理模块和日月检数据分析模块，所述各线缆数据驱动器通过高速串行接口连接日月检数据合并处理模块从而对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理并通过日月检数据合并处理模块上设置的以太网接口将合并处理结果输出至日月检数据分析模块，所述系统监控模块和记录存储模块分别与日月检数据分析模块相连，所述日月检数据分析模块综合日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析，并将分析结果送至系统监控模块显示。
3.根据权利要求2所述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，其特征在于，所述各线缆数据驱动器通过自身的一个以太网接口经第一网络交换机与系统监控模块相连，各线缆数据驱动器通过自身的另一个以太网接口经第二网络交换机与记录存储模块相连，所述日月检数据合并处理模块通过自身的以太网接口经第二网络交换机与日月检数据分析模块相连，所述记录存储模块还通过第二网络交换机接收震源控制系统的头段数据。
4.根据权利要求1至3之一所述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，其特征在于，还包括用于接收并检测震源控制系统发送的启动和时断信号的触发同步及数据仲裁模块，所述各线缆数据驱动器上设置有时断信号输入接口和数据记录请求接口，各线缆数据驱动器通过时断信号输入接口与触发同步及数据仲裁模块相连从而接收来自触发同步及数据仲裁模块扇出的时断信号，各线缆数据驱动器通过数据记录请求接口与触发同步及数据仲裁模块相连从而由触发同步及数据仲裁模块进行数据仲裁实现线缆数据驱动器的线缆数据向记录存储模块有序发送以及记录存储。
5.根据权利要求4所述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，其特征在于，所述线缆数据驱动器包括第一 FPGA电路，所述第一 FPGA电路包括相互连接的数据流分离控制电路和串行处理模块，所述数据流分离控制电路将线缆数据驱动器的数据分离处理得到监控数据流、记录数据流和分析数据流，所述数据流分离控制电路连接两个以太网接口从而分别将监控数据流和记录数据流输至系统监测模块和记录存储模块，与记录存储模块相连的以太网接口为千兆以太网接口，分析数据流传输至串行处理模块进行日月检数据的采集处理，采集处理的日月检数据通过高速串行接口输出至日月检数据合并处理模块；所述FPGA电路还包括时断检测及命令生成模块，所述时断检测及命令生成模块与时断信号输入接口相连。
6.根据权利要求3所述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，其特征在于，所述记录存储模块包括依次连接的第一网络数据接收模块、网络数据格式转换电路、数据存储控制电路和存储设备，所述第一网络数据接收模块接收线缆数据驱动器的记录数据以及震源控制系统的头段数据，通过网络数据格式转换电路按照记录存储要求进行格式转换，通过数据存储控制电路控制格式转换后的数据至存储设备进行数据存储；所述记录存储模块还包括网络数据发送模块，所述网络数据发送模块与网络数据格式转换电路相连用于将记录数据通过第二网络交换机发送至日月检数据分析模块。
7.根据权利要求2或3所述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，其特征在于，所述日月检数据合并处理模块包括第二FPGA电路，所述第二FPGA电路包括依次连接的解串处理模块、数据发送路由控制模块和数据发送缓冲器，所述数据发送缓冲器连接日月检数据合并处理模块的以太网接口，所述解串处理模块接收多个线缆数据驱动器输出的日月检数据分别进行解串处理并作为完整单炮地震采集数据合并发送至数据发送路由控制模块，所述完整单炮地震采集数据在数据发送路由控制模块的控制下有序的依次通过数据发送缓冲器和以太网接口传送至日月检数据分析模块。
8.根据权利要求4所述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，其特征在于，所述的触发同步及数据仲裁模块包括第三FPGA电路，所述第三FPGA电路包括时断信号生成模块以及与其同时相连的信号有效检测模块、时断信号扇出模块和数据发送仲裁器，通过信号有效检测模块接收并检测震源控制系统发送的启动和时断信号，经时断信号生成模块处理获取到有效时断信号再经时断信号扇出模块输出至线缆数据驱动器，同时通过数据发送仲裁器接收来自线缆数据驱动器发送的数据记录请求信号并进行数据仲裁实现线缆数据驱动器的线缆数据有序发送以及记录存储至记录存储模块。
9.根据权利要求7所述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构，其特征在于，所述日月检数据分析模块包括依次连接的第二网络数据接收模块、指标分析处理模块和指标发送模块，通过第二网络数据接收模块接收日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果，由指标分析处理模块进行指标综合分析处理再通过指标发送模块发送至系统监控模块； 所述系统监控模块包括依次连接的第三网络数据接收模块、显示模块和控制终端，通过第三网络数据接收模块接收线缆数据驱动器的监测数据，通过显示模块显示监测结果，指标发送模块与显示模块相连进而将分析结果也通过显示模块显示，所述系统监控模块和日月检数据分析模块均设置有同步监控配置模块，所述控制终端与各同步监控配置模块相连。
10.一种用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的构建方法，采用若干个同时设置两个以太网接口和一个高速串行接口的线缆数据驱动器，各线缆数据驱动器将线缆上行的数据流进行分离处理得到监控数据流、记录数据流和分析数据流，通过一个以太网接口将监控数据流发送至系统监控模块，通过另一个以太网接口将记录数据流发送至记录存储模块，通过高速串行接口将分析数据流发送至日月检数据处理模块，日月检数据处理模块对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理并综合该合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析。
11.根据权利要求10所述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的构建方法，其特征在于，监控数据流通过一个以太网接口经第一网络交换机与系统监控模块相连，记录数据流通过自身的另一个以太网接口经第二网络交换机与记录存储模块相连，记录存储模块还通过第二网络交换机接收震源控制系统的头段数据；所述分析数据流先通过日月检数据合并处理模块对各线缆数据驱动器输出的日月检数据进行合并处理，再通过日月检数据合并处理模块上设置的以太网接口将合并处理结果经第二网络交换机输出至日月检数据分析模块，由日月检数据分析模块综合日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果进行日月检数据分析，并将分析结果送至系统监控模块显示。
12.根据权利要求10所述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的构建方法，其特征在于，采用触发同步及数据仲裁模块接收并检测震源控制系统发送的启动和时断信号，并在各线缆数据驱动器上设置时断信号输入接口和数据记录请求接口，各线缆数据驱动器通过时断信号输入接口与触发同步及数据仲裁模块相连从而接收来自触发同步及数据仲裁模块扇出的时断信号，各线缆数据驱动器通过数据记录请求接口与触发同步及数据仲裁模块相连从而由触发同步及数据仲裁模块进行数据仲裁实现线缆数据驱动器的线缆数据向记录存储模块有序发送以及记录存储。
13.根据权利要求11所述的用于地球物理勘探的通用数据记录系统架构的构建方法，其特征在于，分析数据流在日月检数据合并处理模块内先进行解串处理，多个线缆数据驱动器输出的日月检数据分别进行解串处理并作为完整单炮地震采集数据合并后通过数据发送路由控制从而将数据有序地发送至日月检数据分析模块，日月检数据分析模块接收日月检数据合并处理模块的合并处理结果以及记录存储模块的线缆数据记录存储结果后进行指标综合分析处理再发送至系统监控模块；系统监控模块接收监控数据流后通过显示模块显示监测结果，显示模块还显示日月检数据分析模块的指标综合分析处理结果；在系统监控模块和日月检数据分析模块之间通过模块监控及配置进程实时通信和同步，并通过在系统监控模块设置控制终端进行人机交互。
【文档编号】G01V1/24GK104237935SQ201410509816
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】陈曦, 张可立, 唐斌 申请人:北京优科海青技术发展有限公司