DATALINK中继电台在地震勘探中的应用

严 皓

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司地震仪器研发项目组 河北 涿州 072750)

0 引 言

随着石油工业和勘探技术的不断发展，地震勘探向着复杂地形不断深入。复杂多变的地表条件对电台数据传输的距离和稳定性提出了更高的要求。在数字化地震队DSS系统承担的超高效混叠采集项目中，DATALINK电台是连接生产指挥中心DSC与可控震源自主放炮导航DSG之间通讯的纽带，承担着数据信号接收、发送和传输的作用[1]。在地形起伏较大的沙丘和山峦间开展采集作业，电台信号通常受到阻碍，因此利用DATALINK中继电台提高电台通讯距离，解决通讯盲区成为一个常用的手段。

1 项目概况和通讯状况分析

2019年启动的国外某超高效混采三维项目，位于撒哈拉沙漠腹地，生产中使用了数字化地震队DSS系统，项目共投入可控震源28台，DSC与DSG之间的最大通讯距离约20 km。该项目工区前期施工地形多以沙丘为主，地形多变且起伏较大。当震源处于低洼地带时，即使仪器车与震源间的距离不是很远，DSC与DSG之间的通讯效果有时也不是很好，容易出现DSG掉线、放炮任务发送失败、放炮报告延迟回传等问题。所以在施工中使用了DATALINK中继电台，解决了DSS系统通讯问题，减少了仪器搬家频次，保证了合同规定的日产量。

2 DATALINK中继电台

2.1 全双工数字电台技术和DATALINK电台

目前，数字电台技术在地震勘探中应用广泛，其中比较典型的应用是通过电台设备完成采集仪器与可控震源的同步指令传输。可控震源电控箱体使用的编码器和译码器主要配备半双工模拟电台或半双工TDMA(Time division multiple access)数字电台两种，如Pelton震源控制箱体使用的是摩托罗拉338模拟半双工电台,Sercel电控箱体使用的是TDMA数字电台。

半双工电台在一个时间段内只能完成一个接收或者发送传输控制信号的动作，信息的收发是“点对点”或者“单点对多点”的通讯方式，且切换收、发动作时存在延迟，不能满足现在超高效混叠采集技术需求。在超高效混叠采集施工中，要求生产指挥系统DSC与可控震源自主放炮系统DSG间有大量数据交互的能力，DSC 与DSG 实时传输震源的GPS 位置、TD 规则下的放炮控制命令、质量控制信息等多种信息。同时，超高效混叠采集作业项目通常使用超过16台以上的震源。这些要求就意味着只有“多单对单点”的全双工通信模式，才能够满足超高效混叠采集技术的要求。

基于上述需求，DATALINK电台(包括通讯电台组、震源电台和中继电台)设计上使用全双工的通讯模式，允许两部电台间同时进行双向数据传输，以满足混采技术中的大数据量交互需求。其中DATALINK中继电台是DSS系统中专门用来增大通讯距离、扩大信号覆盖范围、突破地表通讯盲区的重要设备[2]。图1所示为DATALINK中继电台，它有一个TX接口和一个RX接口，分别与天线连接。侧面有一个配置接口，用来连接调试设备，配置电台时使用。两个指示灯“Power”和“DATA”分别为电源指示和数据指示，通过灯的颜色和闪烁，可以判断设备的工作情况。野外正常工况下，通过该中继电台，可以将DSC与DSG之间的稳定通讯距离提高至30 km以上。

图1 DATALINK中继电台

2.2 DATALINK中继电台架设位置

在超高效混叠采集项目中，震源任务被平均分配在整条线束上同时进行施工，以保证震源间的作业距离，减少其受时间距离规则的影响，提高生产效率。在较平坦地形施工中，物探队通常将其置于仪器车与排列大小号末端震源车的中间位置，以达到较好的通讯覆盖效果。图2所示为常规中继站架设位置图。

图2 常规中继站架设图

在地形起伏较大的复杂地区施工时，中继站的架设位置决定了实际生产中的通讯效果。常规架设位置容易造成个别震源的通讯盲区，如图3所示地形中，仪器车所处位置距离末端震源B的距离较远，震源A和震源B均处在地势较低洼位置，沙丘削弱了电台信号传输的强度，因此在震源A与震源B间的地势高位架设中继站，可以解决震源A和震源B上DSG设备与仪器车上DSC设备之间的通讯问题。除此之外，物探队将中继站架设在通讯车上，可以方便灵活地移动位置，为解决通讯盲区、通讯困难问题提供了便利。一般情况下，尽量选取地势开阔，位置较高的地方，避免被障碍物遮挡。

图3 复杂地形中继站架设位置

2.3 DATALINK中继电台配置注意事项

DATALINK中继电台与DATALINK电台的配置方法相同。使用前，通过专用软件DATALINK Tools对电台的接收和发送频率及通信频道进行写入配置，图4为DATALINK Tools软件的主页面。在配置过程中，需要注意以下几点：

图4 DATALINK软件主界面

1)DATALINK中继电台配置中，需要分别配置与DSC端接收和发送的频道，以及与DSG端发送和接收的频道，共需要配置4个通讯频道，一般按开工前编制的电台通讯频率表分配，以免出错。

2)保持配置参数的一致性，即DSC、DSG和DATALINK中继电台的空网波特率、电台频率等参数需要保持一致。

3)DSC和DSG设备的DATALINK电台通常已经配置了中继电台通道，只需要将震源DSG上的电台频道调至中继频道即可实现通讯，一般中继电台频道在DSG上为CH24和CH25。

4)电台通电前，务必保证天线接口已连接负载，避免设备损坏。

3 DATALINK中继电台在生产中出现的问题和解决方法

3.1 DATALINK中继电台天线和馈线

天线是辐射和接收无线电波的重要设备，发射时将高频电流转换成电磁场辐射出去，接收时将电磁波转换回高频电流。电台天线安装完，需要用驻波表测量天线、馈线的性能。测试时，驻波表一端连接天线、馈线口，另外一端连接电台TX口，可使用DATALINK Tools软件的测试工具进行测试，观察驻波表显示屏，记录结果。电压驻波比VSWR(Voltage standing wave ratio，简称驻波比)是反射波波幅与入射波波幅的比值，是用来衡量电台与天馈系统的匹配程度。理想情况，驻波比等于1，输出阻抗与输入阻抗完全匹配，表示电台发射的高频能量全部被天线辐射出去没有能量的反射损耗。实际生产中，总是会存在反射，因此驻波比总是大于1的[3]。当驻波比大于1.5时，建议查询原因，此时的反射功率会返回到电台功放部分，容易烧毁功放管。

天线安装在车辆顶部的位置也会影响通讯效果。中继电台有一根发射天线，一根接收天线，如果两者间距离太近，会影响实际通讯效果。通过驻波表也可以测得两者的驻波比与它们之间的距离存在一定相关性。多次调试发现，当两根天线距离大于1 m时，效果良好。

馈线是另一个影响通讯效果的配件设备，它主要用于连接电台和天线。传输损耗与馈线的直径和长度有关，因此应尽量缩短馈线长度，并将馈线稳固于车体，避免意外损伤，以达到有效传输电波到终端的目的。在生产中，我们发现一部电台的通讯效果不稳定，驻波表测得发送功率为3～5 W。拆下拿回营地，用假负载测量得到稳定的发射功率8 W，经现场检查维修，发现重新焊接馈线接头后解决了该问题，因此完好的馈线设备，也是电台信号传输质量的保证。

3.2 电台功率和供电电源

发射电台的功率决定着电台发射信号的能力。一般情况下，发射功率越大，有效通讯距离就越远，发射功率不足时，无法实现设备应有的通讯距离。施工过程中，有人提出可以使用更大功率的电台，提升通讯距离。但实践证明，当发射功率超过30 W后，增加的通讯距离十分有限，并带来了其他不良后果。发射功率越大，对天线、馈线和电台发射模块的考验越多，设备的稳定性就会大打折扣。同时，设备安装于车内，使用的是车载电源，也增大了12 V车载电源的负担。

在生产初期，项目人员发现某台室内测试通讯效果良好的电台安装在车内后，偶尔出现电台信号中断现象，随着施工的进行，这种现象越来越频繁，更换电台设备后故障依旧。最后测量电瓶电压发现，电压不稳，经常过低，更换后故障消失，因而确定故障是12 V供电电源老化，载荷能力差造成的。

3.3 特殊通信盲区内的数据传输

尽管有了DATALINK中继电台，可以增大电台通信的覆盖范围，保证DSC与DSG之间数据的有效传输，但仍有一些极端地形，造成排列边缘的洼地炮点成为电台通讯盲区。如图5所示，按一般经验，生产中将中继站布设在位置1时，可以保证震源A和震源B的DSG与仪器车上DSC保持良好通讯，但震源C由于处在陡崖和低洼位置的原因会中断通讯；当中继站布设在位置2时，可以保证震源A、震源B和震源C的电台通讯，但同样位于洼地的震源A通讯会时断时续，这是地形造成的。这就需要物探队采取更加灵活的布设方式，并启用DSS系统的 “shadow放炮模式”。

图5 克服通讯盲区示意图

“shadow放炮模式”，顾名思义就是为了解决特殊通讯盲区而开发的一种电台数据传输机制，以刚才地形举例，将震源C的DSG开启“shadow放炮模式”。利用通讯车架设中继站的机动性，物探队在每日开工前，把中继站架设在位置2处，将当天震源C的作业任务发布给震源C，任务发布不会占用生产时间；随后移动中继站至位置1，保证大多数震源可以得到有效电台通讯。此时的震源C接收不到电台信号，延时自动转入“shadow放炮模式”，DSG进入该模式后，不受DSC允许放炮电台指令控制。震源C操作手完成当日炮点任务后，可以将震源车开至电台信号覆盖区，当DSG重新得到电台信号后，自动回传积存放炮报告至DSC，完成DSS系统同步。如果震源C前往电台信号覆盖区所需的绕路时间过长，也可以通过U盘等存储介质，将积存报告拷贝回DSC系统，完成同步。

需要注意的是，“shadow放炮模式”虽然可以让震源在通讯信号盲区内进行放炮生产，克服了排列边缘洼地炮点的通讯难题，但是这种与DSC失去电台通讯的作业，不再受DSC的 TD放炮规则控制，容易产生违反TD规则的放炮。因此要求DSC操作员在划分作业范围时，尽可能拉远相邻两台震源的作业区域，以避免产生不满足TD规则的放炮。因此这种施工作业方法，仅适用于极端特殊地形，一般情况下，我们还应遵循常规的数据传输办法，以实现最佳的采集效率。

4 结束语

DATALINK中继电台在复杂地形施工时，增加了数字化地震队DSS系统的通讯距离，克服了特殊复杂地形的通讯盲区问题，减少了仪器搬家的频次，成为超高效混叠采集项目的重要装备保证。DATALINK中继电台在该项目中的灵活应用取得了较好的施工效果，以断崖区举例，不但完成了该区域内的炮点作业，规避了震源绕路爬坡的安全风险，同时比原计划节省5 d的采集时间，为今后其他复杂地形施工积累了经验，提供了依据。相信随着勘探工程的不断深入和电子信息技术的不断发展，数字电台通讯技术也会不断革新，稳定、高效的电台传输机制在提高野外采集生产效率方面的表现会越来越突出[4]。