SmartSolo 节点地震数据采集系统的工作原理及应用

鲍晓龙，白 涛，侯刚栋，李 伟

（中国煤炭地质总局 物测队，河北 邢台 054000）

1 概 况

目前，地震勘探技术水平日益提升，而在地震勘探数据采集质量、采集精度、采集范围等诸多方面的要求也愈发严格，各个勘探服务公司普遍倾向于获取超宽频带、超宽方位角，并且覆盖次数相对更高的信息数据，对地震勘探的有效目的层作出更详细的解释，对于一些结构相对更加繁琐、复杂地质条件，可以获得相对更高的分辨率，从而获取效果更佳的成像质量。因此，对数字地震仪采集系统各方面性能要求更加严格，有效的接收排列也就越来越大。尽管现阶段应用相对比较广泛的有线数字地震采集设备仍然广泛应用在地质勘探领域，但在施工地区地表地物条件复杂区域，无线数字地震仪器采集设备、节点数字地震仪器采集设备更能发挥它的优越性能，用以实现高效高精度的野外采集，其将会广泛应用于地形更加繁琐复杂、自然环境更加恶劣的场合。本文以中国煤炭地质总局物测队购置的SmartSolo 为研究对象，从多个层面、多个维度对节点地震数据采集系统的整体架构、基本工作原理、应用场合等进行了详细介绍。

2 SmartSolo 节点数据采集系统

一般来说，数据采集系统在获取相关数据的过程之中必须要经过多个步骤，例如检波器振动信号的获取、数据存储与传输、数据记录等。

对于节点地震数据采集系统而言，其在具体运行过程之中，无论是振动信号的拾取，还是模/ 数转换，均是在单个站体内独立完成，然后将具体数据直接存储于SD 卡之内，回收到室内集中拆下站体，通过下载架，下载到工作站内，进行拟合数据。

节点地震数据采集系统在运行过程之中，彻底解决了数据直接回传至工作站这一难以处理的问题，即由原来的数据的采集—数据的传输—数据记录到主机，变为目前的数据的采集—数据的记录（就地） —数据下载拟合。极大地从优从简了系统结构，与此同时使野外施工更加高效高质。

SmartSolo 内部包含多个智能振动传感器，例如IGU- 16、 IGU- 16HR、 IGU- 16HR- 3C、 IGU BD3C- 5、IGU- 19HR 等。

2.1 SmartSolo 系统组成

SmartSolo 采集系统主要是由野外数据采集系统和室内数据下载系统两大部分组成。

（1） 野外数据采集系统。

野外数据采集系统是由相对独立和自主运行的智能振动传感器（IGU）、辅助设备、软件套装组成。智能振动传感器没有沉重的外接地震数传电缆，可以多重选择，目前有内置检波器或外接检波器这两种模式。购买智能振动传感器产品时，可以根据作业需求选择内置检波器或外接检波器的型号。

依据GPS 授时技术，排列管理员可以使用手持终端或装有SmartSolo 扫码软件的手机，去布设IGU 接收点的位置。当智能振动传感器内的GPS接收器启动了以后，接收到GPS 卫星的同步信号，内置时钟启动GPS 计时，模数转换器（ADC） 被打开，这样就开始自动连续采集地震数据，并将数据存贮于内置SD 卡内。

开工前先给IGU 写入采集参数（脚本），将SPS 文件写入DMC 里，将接收点数据传入手持器或者装有SmartSolo 扫码软件的手机。把IGU 放到点位后，用磁开关将IGU 打开，待GPS 搜星完成，站体指示灯为绿灯闪烁时，用手持机或手机扫描IGU 站体条形码编号。将手持器或手机布设完成的排列数据上传到DMC 内（图1）。

图1 工区布置Fig. 1 Layout of working area

IGU 内封装有8.4 V 的锂电池，在常规温度下，这种电池在1 ms 采样率时，IGU 采集数据可以连续工作25 d。IGU 工作状态，根据需要可以完全被埋置，也可以部分埋置，这样可以使得IGU与地面充分的耦合，这样埋置，即降低了环境噪音对采集有用信号的干扰，并且还可以使设备的损坏率大大降低。

（2） 数据下载系统。

数据下载系统包括数据下载架、充电架、工作站（图2）。

图2 充电架、数据下载架及工作站示意Fig. 2 Charging rack data download rack and workstation

数据下载架：工作站通过光缆连接到下载架，每台下载架可以连接32 个节点，连接好后自动下载，实时最大传输速率20 Mb/s。

充电架：每台充电架可同时为48 个电池包充电，电池包从完全放电到充满电不超过3.5 h。

工作站：用于数据收集和管理，预装SmartSoloDCC、SmartSoloDMC 软件。

参照时断信号（TB） 提取过程之中的GPS 时间，SmartSolo 软件拟合IGU 下载下来的数据体，可以依据需要进行拟合，不但可以直接将地震数据输出（标准数据格式），也可以输出连续采集的噪音，并将拟合好的数据体记录到存储设备上。

2.2 系统技术指标

SmartSolo IGU- 16 10Hz 智能振动传感器是一个A/D 转换系统，24 位，属于单站单道类型。在站体内部包含位，其是由多个部件共同构成，如电池包、电子控制板、存储器等，同时还包含了滤波器、信号发生器等重要元件。

采样率/ms 1、2、4

前方增益/ dB 0、6、12、18、24

动态范围 126dB@2ms 增益0dB

增益精度/% ＜1

等效输入噪音 0.7uV 2ms@增益12dB

总谐波失真/% ＜0.000 5

共模抑制/ dB ≥100

计时精度 ±10uS，GPS 驯服

电池类型 锂离子电池

2.3 GPS 时钟

对于GPS 时间系统而言，其主要是把原子时钟直接作为时间基准，在设定时间起算原点的过程之中，主要是依据UTC 的0 时，当系统正式启动之后，不再发生跳秒，确保时间的连续性特点。随着时间的推移，GPS 时间、UTC 时间必定会产生一定的差异，对于秒级以下的差异均进行统计整理，然后交由服务部门对外公布。利用GPS 时间的周、秒直接将闰秒的调整时间值减去，从而最终求出UTC 时间，经过换算处理之后便可以求出UTC 时间，现阶段，GPS 时间、UTC 时间存在一定的差异，即在16 s 左右。

SmartSolo 智能振动传感器主要是把GPS 时间作为时序，当对采集数据进行下载整理或者合成处理的过程之中，必须要通过合理化的方式来转换这两个时间系统，从而直接求出采集数据时间。

SmartSolo 智能振动传感器内部配设了一个精度非常高的时钟，主要作用是计时，当GPS 时间信号直接传输至传感器后，传感器内部时钟将会与GPS 时间进行同步，传感器进行采集的过程之中，即便GPS 信号已经丢失，通过自有时钟，传感器仍可以继续进行采集。当数据传输至传感器数据之后，系统将可以对各个传感器的时钟漂移进行全面化、深入化的分析，以此来进一步提高采集数据的时间精度。

在SmartSolo 智能振动传感器的埋置试验中，当传感器埋置深度达到40 cm 时，仍然可以达到平均搜星6 颗，从而确保采集系统可以正常运行，如图3 所示。

图3 GPS 搜星图Fig. 3 GPS star search

2.4 SmartSolo 节点仪的应用特点

SmartSolo 属于一个节点式采集系统，能够实现自主运行，可根据需要设定自动开关机时间，唤醒后自动采集，施工效率仅与一个因素有关，即放炮速度，提高了野外施工效率。与有线数字地震仪器相比较而言，SmartSolo 地震采集系统在具体运行的过程之中并不需要过多的野外设备，并且无需较多的施工人员，在地形、环境等各个方面的要求相对更低。在具体生产应用的过程之中，SmartSolo施工作业具有两个特点。

（1） 前期准备和培训。

SmartSolo 的数据下载与处理均是在营地内集中完成，下载流程包括野外回收IGU、拆卸IGU电池包、下载IGU 数据。为了确保数据回收率，使各IGU 内所包含的数据均可以直接下载至记录系统之中，当对营地进行建设的过程之中便需要对IGU 下载区、操作区、物品安放区等进行科学规划，确保已经下载的数据IGU 与其它IGU 全面分离，避免造成重复下载或遗漏下载情况的发生。

手持终端或手机在野外扫码前，必须启动IGU，检查状态灯正确，再去扫描，扫描完毕后，必须要对此节点的状态信息、位置信息等进行快速存储。若由于操作失误而导致节点未直接启动，又或者IGU 的位置、设计位置存在一定的偏差，仪器操作员在野外很难发现和纠正。所以在正式生产之前，必须要结合实际情况，通过合理化的方式对相关人员进行技术培训。

（2） SmartSolo 软件数据处理与合成。

SmartSolo 参照TB 的GPS 时间对所采集的数据进行合成处理，不管是何种激发方式、生产模式，只要可以直接存储激发源时段信号的GPS 时间进行存储，SmartSolo 便可以把一些通过正常方式下载的数据转变为所需的炮集体数据。SmartSolo 软件内输入已知的炮点文件、检波点文件、关系文件，加载已知的IGU 布设位置，并把SBS 文件加载SmartSolo 软件内，这样就可以进行数据合成了。

按炮集处理拟合数据大体分为2 个步骤：①QC 组提供SPS 文件，加载到SmartSolo 软件里，主要是对输出炮集记录空间范围进行精准、全面的控制；②充分应用含有GPS 时间、To 时间的SBS 文件，对从IGU 下载出的采集数据体进行处理分析，并把有效数据直接切出，如此一来便可以直接得出三维炮集记录，从而更好的开展后续分析处理。观测系统可以随意进行分析设计，并且叠加次数也不固定，并不会受到系统方面的约束作用。

SmartSolo 系统提供了多种类型输出，图4 详细展示了炮集数据处理流程。

图4 炮集数据处理流程示意Fig. 4 Data processing process of shotset

3 结 语

对于节点地震数据采集系统而言，其并不具备较强的实时信息交换能力，无法对野外排列进行监控，并不了解野外资料质量。若由于外部因素的影响，造成采集资料产生异常，无法应用直接、高效的纠正措施。如此一来，必须要从根源上彻底打破勘探理念，通过系统可靠性来直接突破现场监视记录的依赖性，从而对接收点所存在的资料丢失问题进行弥补。

最近几年，大数据技术、网络信息技术等得到了蓬勃发展，节点采集系统具备诸多突出优点，如重量较轻、稳定性非常高、适应性较强等，并且还可以实现高效率采集的效果，正是基于其所具备的一系列优点，其应用范围逐步扩大。