无线技术在地震仪器中的应用及展望

易碧金 穆群英 王苏华 李 萍

(1.东方地球物理公司仪器服务中心 河北 涿州 072751;2.东方地球物理公司西安物探装备分公司 陕西 西安 710077)

0 引 言

随着电子、通信、制造工艺等技术的发展以及物探技术快速发展对装备的需求，集先进技术于一体的地震仪器发展迅速。特别是地球物理勘探技术和无线通讯技术的发展，把地球物理勘探开发仪器带入了一个快速发展的时期，有线地震仪、无线地震仪、节点式地震仪、一体化地震仪、混合式地震仪等层出不穷。近年来，随着物探技术对实时采集道数需求的进一步提高、有线地震仪器的进一步完善以及节点式地震仪应用的成功尝试，无线地震仪器的概念似乎在逐步淡出人们的视野。然而，无线传输的特点注定了地球物理勘探开发市场离不开 无 线，GPS、BD、WiFi、TSCH (Time Synchronized Channel Hopping)、Bluetooth、RFID、4G、5G 以及MIMO、TDMA、CDMA、FDD - LTE、LTE FDD、C - RAN(Centralized，Cooperative and Cloud Radio Access Network)、SDR(软件定义的无线电)、SDN(Software - Defined Networking)/NFV(Network Functions Virtualization)、UDN(Ultra-Dense Network)、multi - RAT、D2D(Device - to - Device)、SON(Self Organizing Network)、SE(Spectral Efficiency)、EE(Energy Efficiency)等无线及无线网络技术的词汇却在物探装备行业愈来愈引人瞩目，与物探装备的关系也越来越密切，正确认知无线及其相关的技术对物探装备的开发、制造、测试与应用越来越重要。

1 无线仪器发展概况

1.1 传统无线遥测地震仪

自地球物理勘探开发开始至今，国内外地球物理仪器生产商几十年来就一直致力于无线地震仪器的探索与研究。无线遥测地震仪利用无线系统发送指令和传输采集数据，地震仪器的中央控制系统与地震数据采集站点之间直接采用电台进行通信，省去了重型地震电缆的连接和运输，这不仅增加了仪器应用的灵活性，排列部署更方便快捷，并且降低了数据采集作业对环境的影响，更适应于地表通过较为困难的复杂地形以及海上勘探。具有代表性的是美国FairFiled 公司的BOX 和法国Sercel 公司的Eagle88 仪器等。BOX 以最大道能力8 000、传输距离达十公里而影响较大。

传统的无线遥测地震仪均采用窄带无线通讯方式实时传输采集的地震数据，其无线系统使用射频通讯技术，而不是真正意义上的网络通讯技术［1］。例如BOX 仪器采用了频率合成、站内叠加、软件相关、QPSK 调制、多频道回收等技术，可以同时以数十个频道接收采集数据［2］。采用这种无线技术的仪器，主要受频率资源的限制，使其在实时采集道数上难以扩充，不能满足如今大道数、大范围数据采集的勘探作业需求，加之功耗较大，已难适应物探对装备的需求。

1.2 无缆节点仪器

无线地震仪和自主节点式地震仪也统称无缆地震仪。近年来国际高端物探市场出现了以“两宽一高”为代表的物探技术，而支撑该技术实现的最大瓶颈是大型、经济、可靠的采集装备系统。现有的有线采集系统进行高密度数据的采集，在成本和施工组织上已经不能很好地适应，因此催生了无缆节点仪器。近年来，无缆节点仪器在勘探仪器市场占据的份额在逐步增加。节点仪器不使用无线技术实时传输采集的地震数据，只是在必要时应用低功耗的无线技术(例如蓝牙)来进行采集点参数的配置、状态信息的监控，甚至完全不使用无线传输技术，所以这些仪器称不上完全意义上的无线仪器。

最早提出并且应用于地球物理勘探的节点仪器是东方地球物理公司研发的3S 仪器、日本JGI 公司的MS-2000 等。目前国内、外有许多设备研发和生产制造厂家进行无缆节点仪器的研究和生产服务，具有代表性的有INOVA 公司的HAWK，GEOSPACE 公司的GSX/GSR，Fairfield 公司的Z_LAND 以及AutoSeis 公司的HDR 等。这些仪器的共同特点是:

1)无电缆，独立式的采集站自主记录数据，本地存储;

2)采集站内置高灵敏度GPS 模块和高精度时钟源，实现精确的系统级同步采集;

3)低功耗设计，内置高容量锂电池或外接电池满足长时间连续工作;

4)通过激发点激发的GPS 时间提取出每道有用记录数据;

5)通过有线或无线串行接口，例如RS485、WiFi、Zigbee 或蓝牙等近距离通信技术，辅助配置采集站的参数、回收站体状态信息和采集数据状况。

这些仪器的不足之处是不能在主机实时监控地震采集数据和节点状态信息，只能通过手持设备以无线方式近距离回收;对地震数据的质量分析一般都要等到把采集站收到室内后，连接到专用机架上下载每个采集站存储的地震数据，并进行道集合成后才能进行。所以，不利于在野外现场实时控制采集质量。

1.3 新一代无线地震数据采集系统

人们习惯于把采用无线传输技术来进行实时地震数据采集(传输)的仪器称为无线仪器。物探装备行业也熟知最晚退出物探市场的BOX 无线地震仪器，我们暂且称采用新的无线网络技术、性能(主要指实时采集道数、功耗等)大幅提高、能够实时集中纪录地震数据的无线地震仪器系统为新一代的无线地震数据采集系统。其最大的区别在于采用了新的无线网络传输技术(有别于传统的射频传输)，使实时采集道数可以达到万道以上，并且功耗显著降低。最早被认为是新一代无线地震仪器的有美国iSeis®公司推出的SigmaTM、Wireless Seismic 2012 年推出的RT2、Sercel 公司的Unite 仪器等。

1)SigmaTM，基于无线网络，内置GPS，连续记录30 d的数据。总道数大于5 万道。采用Wi -Fi 技术传输采集的地震数据，采用MRN 技术进行QC 监控及地面站单元的远程控制。并且具有多种时间选项、多种数据回收选项［3］。

2)RT2 具有地震数据的连续同步采集和无线实时传输功能，能实时监控环境噪音。其采集站有数据压缩和叠加功能。除了传输是无线外，放炮类似于有线仪器。每个采集站既是采集站也是中继站，以逐个接力方式回传到线接口单元，实现一个排列的数据传输。在连续记录模式下，单线实时在2 ms 采样率带道能力为400道;具有5 万道的实时传输采集能力［4］。

2 不同无线技术在无线地震仪器中的功用

2.1 VHF

甚高频(VHF)，这一30 MHz ～300 MHz 的无线电频带，包含了大家熟知的石油行业专用通信频率。因为它可在视距范围内进行通信，早期的无线遥测地震仪大多使用VHF 通信技术。例如Fairfield 公司的BOX 仪器，其工作频率在214 MHz ～234 MHz 通频带，每个频道带宽20 kHz，最大可提供1 000 个无线通道，可以实现4 000道或8 000 道的实时地震数据采集(每个采集站设计为四道或八道)。但由于VHF 通信方式提供的通道数有限(不适合当前的高密度大道数施工需求)，通信距离限制在视线距离内且受制于主机发射功率，传输质量易受电视台等其它空间电磁干扰以及地形地物的影响等原因，VHF 传输技术正逐步淡出地震数据传输舞台。但相对而言，这种传统技术的传输距离较远，作为一种集中的同步方式仍然具有研发的价值和潜在的应用市场。

2.2 蓝牙(Bluetooth)

蓝牙(Bluetooth)是一种工作在2.4 GHz ISM 频段、比较老但仍活力十足的短距离无线通信技术。它使用简单，能确保多种设备连接的互操作性，能以最低耗能提供持久的无线连接。它采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信;采用时分双工传输方案实现全双工传输。能为固定与移动设备之间提供低成本的近距离无线连接，这也是最早用于地震仪器的一种近场通信技术。但由于通信距离短，速率也不高，在地震节点仪器中，主要用于手持设备对采集节点的近距离控制与数据回收。

蓝牙已经发布从1.1 至4.2 共8 个版本，传输速率分别为748 kbps ～810 kbps(1.1 版)、748 kbps ～810 kbps、1.8 Mbps ～2.1 Mbps(2.0 版)、24 Mbps(4.0 版)、60 Mpbs(4.2 版)。有效覆盖范围从10 m(4.0 之前的版本)扩大到100 m。4.0 版的低功耗;4.1 版提升了连接质量，重连时间间隔灵活、可变，同时改善了与LTE 等最新一代蜂窝技术的无缝协作，降低了近带干扰;4.2 版本除提高数据传输速度和安全性外，还增添了IPv6 协议下的“设备直接联网”，允许多个蓝牙设备通过一个终端接入局域网或互联网;更值得关注的是SIG(Bluetooth Special Interest Group)在2015 年正式宣布成立Bluetooth®Smart Mesh 工作组。这一工作组将构建架构，助力Bluetooth Smart 技术实现标准化的mesh 网络功能，而这一技术也同样认为是适合于大规模地震数据采集的无线监控技术。蓝牙的小巧、省电，非常适用于地震仪器采集节点这些体积较小、运行功率很低、通信距离不长的设备的无线连接应用。特别是低功耗蓝牙(LE)采用了一种简单的协议栈，在减少待机功耗、降低峰值功率和实现高速连接三个方面具有优势，正在获得越来越多元件与模块供应商的支持。随着其网络标准的进一步完善，这一技术在地震中的应用将日趋广泛。

2.3 RFID、NFC

RFID(射频识别)是一种利用射频信号来识别特定目标并读写相关数据、而识别系统与特定目标之间无需建立机械或光学接触的近距离无线通信技术。RFID 技术已经成为物联网发展最为关键技术。与条形码不同，射频标签可以嵌入被追踪物体内部而无需处于识别器视线之内;另外这种非接触识别能穿透冰、雪、雾、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快(小于100 ms)。RFID 产品可以采用许多种载波频率，见表1，涵盖了低频、高频、超高频及微波，通信的距离从几厘米至十多米，由于其具有读取方便快捷、识别速度快、数据的记忆容量大、标签数据可动态更改、动态实时通信(50 次/s ～100 次/s)、安全性好、使用寿命长、应用范围广等特性而越来越受瞩目。随着高效、高精度勘探发展对物体装备数量的急剧增加，设备数字化、精细化管理的需求，在物探市场，RFID 技术作为条码技术的替代已逐步成为物探设备物资管理的手段，并且成功应用到了地震仪器中。特别是半有源RFID 技术(近距离激活定位、远距离识别及上传数据的低频激活触发技术)，在电池供电的无线地震仪器中将会有广阔的应用空间。

表1 RFID 频段及应用

NFC(Near Field Communication)是2002 年发明的一项无线技术。NFC 技术RFID 及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，具有双向连接和识别的特点，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。NFC 工作在13.56 MHz;具有卡片模拟(无源模式)、读/写(有源模式)、点对点三种工作模式;传输速率从106 kbps 到424 kbps。虽然NFC 是RFID 技术的一个子集，但它具有一些独特的增强性能:更短距离(＜10 cm)、直观的链接过程、能够与无源的RFID 产品进行通信、与蓝牙和Wi - Fi 协作。这个开放的接口平台，可以对无线网络进行快速、主动设置，也是虚拟连接器，服务于现有蜂窝状网络、蓝牙和无线802.11 设备。

2.4 Zigbee

ZigBee 是一种基于IEEE802.15.4 规范、工作在2.4 GHz 和868 MHz/915 MHz 频段的无线技术。由于它低成本、低功耗、低数据率、自组网的特点，在自动控制和远程控制领域应用愈来愈广。这种适用于近距离控制与数据回收的无线通信技术，目前已经应用于地球物理重、磁、电等非地震勘探领域中的数据采集设备中。理论上ZigBee 通讯的覆盖面积可无限扩展，其低数据速率无法应对高精度勘探中大数据量的传输，但其带路由的自组网功能正被物探装备技术开发人员尝试应用于超大规模节点采集应用场合的设备状态监控。

2.5 WiFi、MeshWiFi、TSCH

除了以上例举的几种短距离场通信技术之外，还有一种大家较为熟悉的短距离场通信技术—WiFi，与蓝牙等不同，WiFi 可以应用于较大数据传输、传输速率可以达到300 Mbps 到1 Gbps。目前成功应用于地震仪器中小范围区域控制与数据回收。

由于Wi -Fi 的一些局限性，近年来出现了针对Wi-Fi 技术改进或完善的先进技术，例如无需额外的发射功率和频谱资源就可以极大地提高无线通信系统容量的MIMO(多输入多输出)技术，兼容Wi -Fi、增加传输距离和移动性、扩展Wi-Fi 应用的Mesh (无线网状网)网络。Mesh 网基于多跳路由、对等网络技术，具有移动宽带的特性，自组网、自管理，自动修复、自我平衡以及能够利用功率相对低的无线电设备在节点之间转发信息等功能而得到了越来越广泛的采用。特别是TSCH(时间同步通道跳频)网状网络，已经在一些最严苛的环境中得到证实。TSCH 已经成为 WirelessHART(IEC62591)等现有工业无线标准的基本构件。如今，SmartMesh 网络已经得到广泛使用。

3 无线仪器面临的机遇、挑战与解决方案

3.1 无线仪器发展的机遇

无线通信技术、物探技术的发展，给无线地震仪器的发展带来了新的机遇。一方面，随着地球物理勘探区域向城市、沙漠、丘陵、江湖、山地、黄土塬、沼泽、海洋等复杂地区延伸;“两宽一高”以及环保和高效勘探的需求，推动对具有灵活特点的大型无线地震仪器的需求。另一方面，大数据时代，特别是物联网技术的高速发展，极大地推动了无线技术的快速发展。无线技术的完善、标准化，各种特色传输技术和网络技术的相互融合，给无线地震仪器的研发提供了强劲的动力。

1)移动通信技术。移动终端可连接地面网和卫星网，可移动使用和固定使用，可与卫星业务共存和互连;移动通信从1G、2G、3G、4G、再到正在讨论的5G 通信技术;在任何地方用宽带接入互联网、提供定位定时、数据采集、远程控制。无线技术的每次进展都会给物探地震仪器带来很大的影响。

2)无线通信协议。通信协议和标准的推出是一种技术或产品成熟的标志，近年来基于802.15 的无线通信新标准和协议不断公布，使得LOT(物联网)、智能家居系统、低功耗无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)等采用不同无线传输技术的标准陆续形成，兼容性、接入性愈来愈完善，网络带宽大大增加。例如，许多LoT 技术就是以IEEE 802.15.4 标准物理层为基础构建的，包括ZigBee 和WirelessHART。WSN 采用IEEE 802.15.4 定义的2.4 GHz、16 通道扩频低功率物理层，与单通道802.15.4 WSN 相比，TSCH 网络的可用带宽扩大到15 倍。

3)无线传输芯片。LOT、智能家居等的巨大商机推动了无线芯片开发厂商不断推出新型功能强大、兼容多种协议、功耗低的“微控制器+无线通信”器件，全面满足不同联网需求。无线技术集成一体化已成为一种趋势，未来会出现类似蓝牙+WiFi +NFC 等集成产品。例如802.15.4 收发器在休眠、接收和发送等方式的功耗一直稳步下降，LTC5800 -IPM 比前一代802.15.4 收发器低3 至5 倍。NFC 器件MLX90130/32 单颗芯片支持多种协议、芯片功耗低(休眠模式1 μA，睡眠模式20 μA，工作模式100 mA，标签探测模式22 μA)。整合TSCH 与低功率硬件将在地震仪器的节点采集联网中可产生巨大威力。

3.2 无线仪器发展所面临的挑战

地震仪器最为关键的技术之一是通信。在有线地震仪器中，通信信号在有限的电缆中传播，通信通过电缆系统与外界隔离，是一个相对封闭的传输环境，因此有线地震仪器具有排列稳定、抗干扰等优越性。与此不同，无线仪器的核心是无线通信技术，RF 信号是在一个开放的空间传播，是一种不可预测的通信介质，与周围环境相互影响。其它RF 信号传输源会对有用RF 信号引起有源干扰。较常见的是多径衰落的影响，而更为严峻的是多径衰落是不可预测的。无线传输在无线性能增强技术、功率控制与管理、抗干扰和稳定性方面得到提高，在不可预测的通信介质上建立起可预测的通信网络，一直是无线地震仪器要挑战的内容。

无线仪器的另外一个更为严峻的挑战是面对几十万道乃至百万道的地震数据采集时，数据传输速率和频率资源的利用。随着无线通信技术的发展，采用通道跳频实现频率多样性，可以最大限度减小多径衰落的负面影响。但要在复杂区域下进行高效益、高分辨率勘探时，满足大道数、大数据、大动态、低成本的需求，无线地震仪器同样面临同步、采集数据传输管理、系统稳定性的挑战。为满足“两宽一高”的大道数地震数据采集作业需求，能否在大型多跳网络上运用通道跳频技术，并且满足时间(同步)、速率(数据传输率和数据传输效率)和可靠性的需求成为新的挑战。无线传输网络必须能够满足规模非常大的网络需求，按照期望的时间间隔发布数据，并在不牺牲可靠性或网络可用性的前提下实现低功率。

3.3 无线仪器的解决方案

地震仪器的关键技术离不开采集节点的控制与采集数据的传输，无线地震仪器在此基础上还需要重点考虑整个系统运行的稳定性与可靠性、采集与传输设备的功耗、排列部署及附属设备(例如电池与充电)的管理。无线技术都是为特定的应用领域开发出来的，目前市场上现有的各种不同通信方式都是服务于特定的应用场景。由于地球物理勘探数据采集的特点，单一地采用或移植目前其它领域成熟的无线技术，很难满足物探行业的实际需求，需要针对物探数据采集的特点开发对应的无线传输技术，但这需要巨大的投入。一个折中的方法是充分利用市场现有技术及新的技术进行裁剪与优化的个性化改造，最有效的方法之一是对目前各种特定的无线网络技术进行集成化改造，不同通讯或传输技术优势互补，针对具体的数据采集作业项目，灵活选择与之相匹配的技术来达到高效、高质、低成本的勘探开发的需求［5］。

lot、WSN 的发展和完善为无线地震仪器的区域网络采集提供了很好的技术支持。尤其是采用TSCH 技术的网格架构，跨整个多跳网络实现严格的时间同步，严密协调通信及频道使用，整个网络的时间标准准确度在几十微妙以内;TSCH 网络的流量传送可以动态地安排在各个时隙中，既实现了配对的通道跳频、完整路径和频率多样性，如图1［1］所示，也实现了低功耗数据包交换和高可用性动态占空比。这些特点可较好地满足节点式自主采集的远程监控需求。时间同步化网状网络的推出及成功应用，说明低功耗无线系统的应用变成了现实。

图1 路径和频率多样性—节点D 连接B 失败时，会利用通路多样性和频率多样性尝试连接C 通道。

4 结论与建议

无线地震仪器，特别是无线与存储相结合的新型无线地震仪器提供了很有诱惑力的前景，随着集成一体化技术的发展、无线通讯技术的整合和彼此协作，无线通信的未来必然是各种无线技术互补发展，向网络一体化、接入多元化、应用综合化的宽带无线网络发展。Bluetooth、Wi -Fi、Mesh、TSCH 等技术在HAWK、RT2 等地震仪器或其它无线传感器网络的实际应用中得到了验证。随着无线技术本身的发展和进一步优化，LTE、Wi-MAX、TSCH 和Zigbee 等新型互补性接入技术的应用，使得在任何复杂作业环境下，采用无线路由和多点无缝接入传输技术，实现无障碍传输通信，满足大道数、全数字的实时地震数据采集在不久的将来将成为现实。无线系统可提供与有线系统相媲美的可靠性，代替有线系统而做到更轻便化简单化。

［1］吴海超，林 君，张林行.地震仪器中应用的网络通讯技术研究［J］.地球物理学进展，2012，27(4):1822 -1831.

［2］易碧金，穆群英，罗富龙.当前地震勘探仪器的应用技术分析［J］.地球物理学进展，2004，19(4):837 -846.

［3］iSeis®(International Seismic Co.，Seismic Source Co)公司.SigmaTM地震数据采集系统简介.(资料)

［4］美国Wireless Seismic 技术公司.RT2 地震数据采集系统简介.(资料)

［5］刘振武，撒利明，董世泰，等.地震数据采集核心装备现状及发展方向［J］，石油地球物理勘探，2013，48(4):663-675.