基于内存计算的海洋地震拖缆水上记录系统关键技术研究

发布时间：2020-11-10 04:06

　　 海洋地震勘探拖缆水上记录系统是海洋地震勘探装备中的重要设备。当海洋拖缆的个数与采集通道数均较少时,数据记录问题较为简单,水上记录系统的软硬件无需扩展,系统采用固定结构即可。然而,随着海洋地震勘探装备规模的扩大,拖缆个数与采集通道数量成倍增长,水上记录系统对于软硬件可扩展性的需求越来越强烈。传统上,水上记录系统仅负责海洋拖缆的数据记录工作,采用固定的软硬件组织结构,很少考虑系统内软硬件整体的扩展便利性,系统内各组件的接口各异,组件间连接关系复杂,软件系统基于单机开发,难以实现灵活的系统扩展与裁剪。在日常勘探作业过程中,上述缺陷不仅会增加整个勘探装备的维护成本,而且会降低作业人员工作效率。为此,本文基于内存计算和实验室过去在海洋地震勘探系统领域的研发经验,以易于扩展的水上记录系统为设计目标,分析了记录系统软硬件扩展能力的具体内涵,提出了一种数据接口与处理相分离的水上记录系统构架。在分析归纳了新构架下记录系统的技术难点后,本文通过关键技术研究的方式,有针对性的完成了通用型数据处理节点设计技术、节点间高速数据传输技术、基于内存的数字逻辑硬件处理技术,以及基于内存的分布式流处理软件技术,这四大关键技术的研究。在通用性数据处理节点设计方面,本文首先借鉴虚拟仪器的设计思想,从结构化数据处理、数据处理图像化两个方面对通用型数据处理节点的设计理论展开论述。提出了“通道时间谱”这一通用的数据视角,对海洋地震勘探系统展开分析。对于实际板卡设计,本文则采用了现有产业界应用广泛的芯片级和电路板级的通用接口方案,对该节点展开具体的芯片选型、电路设计等工作。在节点间高速数据传输方面,本文则利用SerDes传输技术和GTX高速串行收发器,搭配Aurora 64B/66B IP核,以及FMC和SFP模块、PCIe数据传输链路研究了系统内各物理节点间的高速串行传输链路。在基于内存的数字逻辑硬件处理方面,本文基于DDR内存的小读写系统,结合内存接口模块、AXI总线互联器、DMA数据传输引擎以及MicroBlaze软核等组件,研究了虚拟FIFO、拖缆数据流合并,以及节点间内存共享技术。在分布式流处理软件方面,本文则基于Hadoop软件生态,利用现有基于内存计算的流处理软件技术框架和分布式数据库系统技术,构建出了一套易于扩展的水上记录系统的软件系统,并结合具体拖缆数据处理任务,讨论了多种海洋拖缆数据处理方案。通过上述关键技术研究,本文所述的水上记录系统,不仅在通用性方面可以实现系统内主要物理节点的通用部署,而且提供了一套基于内存的拖缆数据处理软硬件模块。本文所提出的软硬件可扩展的系统构想,以及接口与处理组件相互分离的系统设计方案,在简化系统结构的同时,引入了大数据领域先进的技术方案,拓宽了海洋地震勘探装备研发领域的技术选择范围。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P756.1
【部分图文】：

?第１章绪?论???１．６文章结构??本文共分为九个章节，各章之间的逻辑联系，如图１．２所示。??顶层设计?关键技术突破??Ｉ??／?Ｎ?＼??ｆ通用型数据处理节??计技术??｜易；１?Ｗ点间高速数据传＾｜?＼??１海洋?翻—Ｉ?縮术?厂总结??绪论—地？?—水上?＾＾?—与??￣１勘探驾＿／基＿的数字逻）怎展望??＼［基于内存的分布式／??＼流处理软件技术＞??图１．２文章结构??通过第一章绪论抛出本文所研究的问题，使用的方法，并介绍相关领域的国??内外研究背景。??之后，第二章海洋地震勘探，从海洋地震勘探的理论基础着手，分析讨论传??统海洋地震勘探装备的原理、组成结构、运作模式、数据特征、处理流程，以及??过去海洋拖缆水上记录系统难以扩展的主要原因。??第三章易于扩展的水上记录系统，基于上文的讨论，结合国家重点研发计划??项目要求，从“硬件可扩展”和“软件可扩展”两个方面分解易扩展型水上记录??系统的设计目标。之后，以内存计算技术、数据侦结构、数据帧传输策略以及地??震数据处理这几个方面为切入点，对系统构架进行深入分析，设计出由数据接口??中心和工作站两部分组成的水上记录系统构架方案，并根据该构架方案归纳出??需要重点突破的关键技术。??第二章和第三章一起构成本文对易扩展型水上记录系统的顶层设计部分，从??第四章开始到第七章则是本文针对各项关键技术的重点突破。??本文所研究的关键技术分别是通用型数据处理节点设计技术、节点间高速??数据传输技术、基于内存的数字逻辑硬件处理技术、基于内存的分布式流处理软??件技术。??最后两章分别是系统测试与讨论，总结与展望。??７??

这是由于声波作为机械波在空气中传播时遇到岩石或墙壁等介质??性能与空气差别很大的障碍物时会发生反射。通过计算喊叫和回声之间的时间??差，结合声波在空气中的传播速度就可以估算出障碍物的距离［２８］。??在大多数地区，反射波法可以测定测线范围内的地下岩层构造，并且对于与??油气储集有关的背斜、断层和礁体结构的测定特别理想。在理想情况下，该方法??可以高精度的测量地下岩层构造的起伏，甚至可以根据地震波的速度、频率以及??吸收特性判断地层岩性［２９］。??２．１．２陆地地震勘探原理??如图２．１所示，勘探人员用人工方法在震源处激发地震波传人地下岩层，地??震波经过地下分界面会产生相应的反射波传回地表。反射回地面的反射波引起??地表各个接收点的振动，检波器阵列将这种振动转化为电信号，传入地震数据记??录系统并存储于存储设备，作为之后的地震数据解释工作的数据源［３（）］。??＊??￣?????－－：室内?地霹??？？?道?仪器—ＳＳ?一?ＳＳ??Ａ?〇?Ａ?Ａ?？?？?？?ｉｉ??＼／??图２．１反射波勘探作业流程图??完整的陆地地震勘探过程由三个阶段组成，分别是野外资料采集阶段、室内??资料处理阶段、地震资料解释阶段。??其中，野外资料釆集阶段的主要任务是在待测区域进行布置测线的施工工??作，布线完毕后人工激发地震波，并使用相应的地震仪器将地震波的反射波情况??记录下来，获得待测区域的原始地震资料［３１］。??室内资料处理阶段的主要任务是根据地震波的传播理论，使用计算机软件??系统对野外资料釆集段获得的原始地震资料进行“去粗取精”的数据处理操作，??并进一步获得地震剖面图和地震波速图，该阶段一般在专业

Ｇ－Ｄ、ＳＥＧ－Ｙ为常用数据格式別。??ＳＥＧ－Ｄ数据格式，是一种“按时分道”的数据格式，即业界通常所说的时序??数据，一般被用于野外勘探作业现场的数据格式。??Ｇ？＾＞ｈｏｏｅ??—／?１?＾?？?ＦａｔｅｗＡｍｐ、??Ｇｆｏｊｊｈｏｏｅ?Ｎ．?＼ｔｕｌｔｑｊｌａｃｅｒ??＾?？?Ｆｉｌｔｅｒ＊?Ａｍｐ??ＯｅｏｐｈｏＤｅ??？??＾?－？?Ｆａｉｆ＾－Ａｍｐ?????Ｇｅｏｐｈｃｏｅ??勉」一?＾?？?Ｆｆｌｔｃｒ＾ｔｎｐ?ｆ?ｌ?ｆ?Ａ３??Ｔｉｍｅ??图２．３四通道野外地震数据采集设备??图２．３是一个简化版的４通道野外地震数据釆集设备，由检波器、滤波放大??器、多路开关和模数转换器组成。勘探作业开始后，４个采集通道同时探测到地??震信号，但由于只有一路模数转换通道，因此需要使用多路开关将四个通道的地??震信号依次送入模数转换器，通道Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ在Ｔ１时刻釆集到的地震信号因??此需要排队进行数字化。模数转换器的输出数据顺序天然按照时序数据的排列??方式输出，即?Ａｌ、Ｂｌ、Ｃｌ、Ｄｌ、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ａ３、Ｂ３?依次类推。??由于“按时分道”的数据格式符合数据采集系统的物理运行规则，即在将同??一时间各个采集通道的地震数据依次打包发出即可，不需要大容量缓存用于各??采集通道的时序整理。因此，野外地震勘探作业的成果文件一般使用“按时分??１２??
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本文编号：2877452