海洋地震拖缆系统数字水听器设计

发布时间：2020-04-27 23:42

【摘要】：海洋中的石油资源含量十分丰富,据有关数据显示,海洋石油资源占全球石油总资源的35%。天然气水合物作为一种新型能源,具有清洁、环保和利用程度高的特点,勘查结果表明,我国东海和南海含有丰富的天然气水合物资源。现如今,我国的海洋工程建设越来越多,而海洋工程勘察、海底地质灾害调查是海洋工程建设必不可少的前期工作之一。海洋石油勘探、天然气水合物勘探和海洋工程勘察的常用手段均为地震勘探。因此,对海洋地震勘探装备进行深入地研究具有十分重要的理论意义和实用价值。在国家重点研发计划“深拖式高分辨率多道地震探测技术与装备”课题(编号:2016YFC0303901)支持下,本论文开展了海洋地震拖缆系统数字水听器研究与设计。数字水听器主要包含两部分:水听器道和信号采集与传输模块。水听器,即传感器,其将地震信号转化为电信号。本论文采用压电陶瓷式水听器。信号采集与传输模块将水听器输出的电信号数字化,并将数字化后的信号传输到海洋地震拖缆系统的中继数传包。本论文主要的研究内容为信号采集与传输模块的设计。本论文从提高数据采集性能和降低系统功耗着手,使用高精度32位Δ-Σ模数转换器和低功耗微控制器,实现数据高精度采集和低功耗运行。数字水听器的采集与传输模块以STM32L432为核心,使用SPI总线控制4片模数转换器ADS1263完成四道地震信号采集,采用九轴姿态传感器实时监测拖缆姿态,通过自定义的三层通信模型与中继数传包通信。本论文设计的数字水听器采集与传输模块使用FreeRTOS嵌入式实时操作系统,实现了海洋地震拖缆系统数字水听器五个基本任务:地震数据采集管理任务、姿态信息采集任务、数据打包上传任务、命令解析任务和命令处理任务。地震数据采集管理任务,采用基于同步命令和同步时钟的同步机制,实现了四道地震信号同步采集,包括四通道地震信号的启动采集、停止采集、采样频率设置和增益设置。姿态信息采集任务具备姿态实时采集功能。数据打包上传任务实现了基于环形队列和DMA传输技术的数据实时上传功能。命令解析任务采用有限状态机的方式实现了命令解析功能。命令处理任务实现了命令处理功能。本论文根据技术指标,完成了相关测试实验。测试实验结果表明,本论文设计的数字水听器自噪声小、动态范围大、同步采集精度高、功耗小,指标达到并部分超过了国外同类设备性能指标,对海洋地震勘探高精度信号采集研究具有借鉴意义。
【图文】：

水听器,数字

图 3-1 数字水听器结构Figure 3-1 Structure of digital hydrophone块主要由主控电路、高精度模数转换电路、通信接口电路、姿态信息采集水听器将地震信号转换为电信号，通调理电路。低噪声信号调理电路对电复用方式控制四路高精度模数转换电路将数字化的地震信号通过通信接口数字水听器在测量中，必然受到诸如使其产生旋转、俯仰、倾斜等姿态变震数据时，同步采集姿态信息十分重，实时采集海洋地震拖缆系统姿态信数字水听器具备系统自检功能。处于外设产生 150Hz 的正弦波测试信号，

传输模,总体方案,信号采集

图 3-2 信号采集与传输模块总体方案Figure 3-2 General scheme of signal acquisition and transmission module3.3 数字水听器的重难点及解决方案海洋地震拖缆系统数字水听器设计的重难点主要包含两方面：信号采集与传输模块的数据同步采集和数据可靠传输。数据同步采集的难点主要表现在：如何实现拖缆多个数字水听器之间的同步数据采集。数据实时传输的难点主要表现在：如何实现数据高速率、高可靠和实时传输。海洋地震拖缆系统的一个关键指标为：数字水听器同步采集误差小于 1us。数据同步采集为本论文的一个难点和重点。为实现数据的同步采集，本论文做了大量的测试，总结出了一种可靠的数据同步采集方法。以下对其做详细说明。根据技术指标，本论文使用 ADS1263 模数转换器（详见 4.2 节）。根据 ADS1263的数据手册可知，ADS1263 模数转换器有两种工作模式：连续转换模式和单次转换模式（即触发方式）。连续转换模式：收到启动转换命令后，ADS1263 开始转换，转换结束后，又自动启动下一次转换，直到接收到停止转换命令后，，才停止转换。
【学位授予单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P716

【参考文献】