无线数据传输设计在电火花震源地震勘探中的应用
2020-04-08闫妤婧王军民吕志杰
闫妤婧, 王军民, 吕志杰
(长江大学地球物理与石油资源学院，武汉 430100)
地震勘探是中国石油勘探中不可或缺的关键技术[1]。目前，常用的震源可以分为炸药震源和非炸药震源，在中国陆地石油地震勘探中，所用的震源多为炸药震源[2]。电火花震源作为非炸药震源最初应用于海洋勘探[3]，随着科学技术的发展，逐渐出现了陆地电火花震源，该技术在地面、井下、江河湖海、滩涂等条件下都有广泛的应用[4]，改变了传统炸药爆破等高危险不易操作的勘探方法。
中国领土幅员辽阔，东西方相距5 000多千米，山川、平原、悬崖、峭壁等复杂地形一应俱全；中国的石油分布广泛，油田施工场环境往往处于交通不便利的地区，使得许多大型车辆无法行驶到施工现场，施工线缆自身体积大，无法被及时送到施工现场，导致的施工延期时有发生。而且在使用过程中电缆故障频发，测量仪器的故障多由线缆故障造成，同时因地形复杂也给排线、布线带来了困难，造成的严重经济损失不可估量。
基于上述问题，开展对电火花作为震源的地震勘探系统的研究，提出新的数据传输系统设计，将采集到的数据信号通过无线模块传输到地面，以减少线缆的使用，同时提高地质勘探的数据传输效率，进而使配合电火花震源能更好地适应复杂地质环境。
1 系统整体方案
采用STM32F103ZET6作为系统的总控制器，相比于STC89C51等单片机，STM32F103ZET6具有以下优点：在保证采样精度的前提下，还兼并内存大，速率高等特点[5]；串口通信技术成熟，可以将收集到的数据及时传输到PC端，在数据传输方面采用XL-01数字音频模块作为核心，该产品体积小、抗干扰性强，模拟信号接入，模拟信号接出，最大的传输距离可以达到150 m[6]。该无线传输系统的设计框图如图1所示。
图1 无线传输系统设计
图2 电火花震源与无线音频模块接线设计
电火花激发地震波时所使用的装置包括主控箱、功率箱、开关箱、电容器和用来监视的高压电表，其工作原理为首先利用外接发电机为其供电，再经过充电回路对电容器充电，充到指定电压后，启动开关程序，电容器内聚集的电荷通过放电电流短时间快速释放，释放的电荷形成高温电弧，在放电探头附近产生高压高温的环境，将放电头附近的水气化，产生冲击波[7]。
在被测井附近的测量区域埋置检波器，无线音频发送模块和检波器相连，接收模块与ADC连接，接通电源，按下音频模块上的对码按键，通信正常后就可以开始进行工作[8]。电火花震源与无线音频模块的配合如图2所示。
2 系统硬件的设计
2.1 控制系统电路设计
控制系统电路设计中，以32位微处理器STM32作为整个系统的核心，加上ADC模数转换器配合[9-10]。电路如图3所示。
图3 控制系统电路
2.2 2.4G无线通讯模块设计
在2.4G无线通讯模块设计中，将使用两个2.4G无线传输模块，最远传输零距离为150 m，可实现一发多收，多组并行工作，应用广泛，无线传输模块如图4所示。
图4 无线传输模块
2.2.1 发射、接收端电路设计
使用前，先将发射端和接收端的+5 V引脚与电源模块连接，将电线接地端(GND)与电源模块地线连接，使音频模块通电；再将输入端口(R-IN)引脚和对应的GND与地震检波器连接，再将输出端口(R-OUT)与STM32PA0引脚连接，对应的GND与是STM32的地线链接。XL-01的引脚示意图如图5所示。
图5 引脚示意图
2.2.2 模块与上位机配置方法
电源模块接电，按下对码按键，看到发射端的指示灯闪烁一下，接收端的指示灯闪烁两下，对码成功，说明其通讯功能正常，可以继续使用。
将STM32串口与电脑链接。打开电脑设备管理，会看到STM32的串口已被识别，串口为CH340。打开两个串口调试工具，将两个模块的波特率设置成9 600(该模块只能在9 600波特率下进入AT模式)后，点击打开串口按钮。
首先，使用示波器发射模拟信号配合完成实验步骤：使用示波器给音频模块发射一组模拟信号，发射端接收到模拟信号后自动转换为数字信号后发射给接收端模块，接收端模块接收到数字信号后在转换为模拟信号发送给STM32的ADC模块，ADC模块完成转换后将数据通过串口发送给电脑[11-12]，将电脑接收到的波形与示波器的波形比较发现存在不可避免的延时，延时时间为0.4 ms，而且再多次试验后发现该延时会随距离的增加而变长。
其次，使用检波器完成模拟声波检测实验：将地震检波器放置于桌面，将检波器与发射端模块连接，设置完成后，将两个2.4G模块分别置于检波器旁和STM32旁边间距1 m，用小锤敲击地面，得到声波信号，然后通过两个模块传到上位机，对比波形，发现依然会存在不可避免的延时。
2.3 上位机程序设计
上位机部分由STM32F103ZET6处理器为核心，STM32F103ZET6是一款高新能的32位ARM微控制器，其内核位Cortex-M3，芯片集成ADC、SPI等多种功能，芯片集成的ADC采样率为12位，存储器容量为16～32 KB，转换时间为1 μs。作为采集使用，集成的ADC可以在实验中使用[13]。具体程序设计如下。
初始化ADC用到的GPIO：
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; //设置为推挽输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; //设置传输速度为50MHZ
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN; //设置为模拟输入模式
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_All);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;
GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);
配置ADC的工作参数并初始化：
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=ENABLE; //连续转换模式
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right; //右对齐
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None; //禁止触发检测，使用软件触发
ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent; //独立工作模式
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1;//只转换规则序列1
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=ENABLE; //使用连续扫描模式
ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);
ADC_Cmd(ADC1,ENABLE); //使能ADC1
ADC_ResetCalibration(ADC1);//ADC校准
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
ADC_StartCalibration(ADC1);
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);
设置ADC转换通道顺序及采样时间：
u16 Get_ADC_Value(u8 ch,u8 times)
{
u32 temp_val;
u8 t; //设置指定ADC的规则组通道，一个序列，采样时间
ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ch,1,ADC_SampleTime_1Cycles5);//ADC1,ADC通道1,1.5个周期
for(t=0;t { ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));//等待转换结束 temp_val=ADC_GetConversionValue(ADC1); } return temp_val; } 系统主函数如下： float date[5]={0}; int main() { u8 i=0; SysTick_Init(72); NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); LED_Init(); USART1_Init(9600); ADCx_Init(); while(1) { i++; if(i%20==0) { led1=!led1; } value=Get_ADC_Value(ADC_Channel_1,1); *(date+4)=*(date+3); *(date+3)=*(date+2); *(date+2)=*(date+1); *(date+1)=*(date+0); *(date+0)=value; OutData[0] =(*(date+0)+*(date+1))/2; OutPut_Data(); } } 第一个实验在实验室内进行，用锤子代替电火花震源，用敲击代替放点过程，利用小锤子的敲击产生地震波完成实验。距离敲击点1 m的位置，将检波器尖端朝下放置在地面上，2.4G无线音频模块之间的间距为1.5 m，在敲击点连续多次敲击地面，模拟地震信号，完成敲击后，先拿起放置于地面上的检波器，测试人员方可走动，因为该实验为表征现象的实验，由图6中峰值表现可以清晰地看出敲击点，无法确切定量其数据，因此没有横纵坐标单位。 实验结束后，通过2.4G无线音频模块传输到PC端记录数据。 敲击实验在测量时应避免人员走动，测量结束后应及时将检波器离开地面，以免造成因人员走动而产生的震动信号，导致数据不准确。 由图6、图7数据可知，敲击时的数据峰值较高，但是由于没有滤波，导致系统采集的噪声较多，因此采用软件滤波的方式进行滤波操作，滤波的程序如下。 value=Get_ADC_Value(ADC_Channel_1,1); *(date+4)=*(date+3); *(date+3)=*(date+2); *(date+2)=*(date+1); *(date+1)=*(date+0); *(date+0)=value; OutData[0] =(*(date+0)+*(date+1))/2; OutPut_Data(); 图6 敲击地面2次记录数据 图7 敲击地面5次数据 使用软件滤波后，再次将检波器垂放在地面，距离敲击点1 m，2.4G无线音频模块的接受与发送模块之间的间距为1.5 m，连续两次在敲击点进行敲击，得到的数据如图8所示。 图8 滤波后得到的实验数据 使用软件滤波后，所采集数据的噪音信号明显降低，数据的准确性更高，说明使用软件滤波的效果还是非常明显的。 为验证无线音频模块可以应用在电火花震源下的石油勘探系统，在实验室外的模拟场地进行实验。实验环境如图9、图10所示。 图9 实验被测井现场 图10 被测井井口现场 该实验场地模拟了一种恶劣的地震环境，由图10可知，井口附近的淤泥较多，土质含水量极高，施工环境较差，无法将大型作业车辆驶入施工现场，在此环境下，难以使用传统的炸药震源和电缆采集地震数据。操作现场如图11所示。 图11 电火花震源操作平台与数据采集平台 如图10所示，电火花震源已经放置于被测井内；电火花的操作平台如图11 所示，其中电火花震源的能量固定在50 000 J，震源与操作平台直线距离3 m，操作平台环境相对干净整洁，在距离井口1 m的地方埋置检波器，记录长度为6 s。 根据获得的数据，分别从延时时间、峰值、数据准确性等方面进行数据分析。实验数据如图12所示。 图12 电火花做震源得到的实验数据 在传统电火花地震勘探的基础上，使用无线音频模块作为地震数据传输的主要工具，以模块代替传统线缆，以期为无缆勘探、无缆采集的实现提供新思路。得到结论如下。 (1)使用XL-01无线数字音频模块作为地震数据传输模块，结果表明该实验的接收端可以通过无线的方式正常接收到地震数据，通过分析数据对比传统的线缆数据传输采集到的信号，可以保证数据质量，但是会出现不可避免的时间延迟。 (2)该无线数据传输系统，不仅可以应用于石油工程领域，还可在桥梁、隧道、公路等工程物探领域中推广应用，针对不同领域，需要配合不同的震源便可以快速搭载一套采集系统，具有较好的应用前景。3 系统测试与分析
4 结论
