海洋地震勘探拖纜水上記錄系統(tǒng)是海洋地震勘探裝備中的重要設備。當海洋拖纜的個數與采集通道數均較少時,數據記錄問題較為簡單,水上記錄系統(tǒng)的軟硬件無需擴展,系統(tǒng)采用固定結構即可。然而,隨著海洋地震勘探裝備規(guī)模的擴大,拖纜個數與采集通道數量成倍增長,水上記錄系統(tǒng)對于軟硬件可擴展性的需求越來越強烈。傳統(tǒng)上,水上記錄系統(tǒng)僅負責海洋拖纜的數據記錄工作,采用固定的軟硬件組織結構,很少考慮系統(tǒng)內軟硬件整體的擴展便利性,系統(tǒng)內各組件的接口各異,組件間連接關系復雜,軟件系統(tǒng)基于單機開發(fā),難以實現靈活的系統(tǒng)擴展與裁剪。在日常勘探作業(yè)過程中,上述缺陷不僅會增加整個勘探裝備的維護成本,而且會降低作業(yè)人員工作效率。為此,本文基于內存計算和實驗室過去在海洋地震勘探系統(tǒng)領域的研發(fā)經驗,以易于擴展的水上記錄系統(tǒng)為設計目標,分析了記錄系統(tǒng)軟硬件擴展能力的具體內涵,提出了一種數據接口與處理相分離的水上記錄系統(tǒng)構架。在分析歸納了新構架下記錄系統(tǒng)的技術難點后,本文通過關鍵技術研究的方式,有針對性的完成了通用型數據處理節(jié)點設計技術、節(jié)點間高速數據傳輸技術、基于內存的數字邏輯硬件處理技術,以及基于內存的分布式流處理軟件技術,這四大關鍵技術的研究。在通用性數據處理節(jié)點設計方面,本文首先借鑒虛擬儀器的設計思想,從結構化數據處理、數據處理圖像化兩個方面對通用型數據處理節(jié)點的設計理論展開論述。提出了“通道時間譜”這一通用的數據視角,對海洋地震勘探系統(tǒng)展開分析。對于實際板卡設計,本文則采用了現有產業(yè)界應用廣泛的芯片級和電路板級的通用接口方案,對該節(jié)點展開具體的芯片選型、電路設計等工作。在節(jié)點間高速數據傳輸方面,本文則利用SerDes傳輸技術和GTX高速串行收發(fā)器,搭配Aurora 64B/66B IP核,以及FMC和SFP模塊、PCIe數據傳輸鏈路研究了系統(tǒng)內各物理節(jié)點間的高速串行傳輸鏈路。在基于內存的數字邏輯硬件處理方面,本文基于DDR內存的小讀寫系統(tǒng),結合內存接口模塊、AXI總線互聯(lián)器、DMA數據傳輸引擎以及MicroBlaze軟核等組件,研究了虛擬FIFO、拖纜數據流合并,以及節(jié)點間內存共享技術。在分布式流處理軟件方面,本文則基于Hadoop軟件生態(tài),利用現有基于內存計算的流處理軟件技術框架和分布式數據庫系統(tǒng)技術,構建出了一套易于擴展的水上記錄系統(tǒng)的軟件系統(tǒng),并結合具體拖纜數據處理任務,討論了多種海洋拖纜數據處理方案。通過上述關鍵技術研究,本文所述的水上記錄系統(tǒng),不僅在通用性方面可以實現系統(tǒng)內主要物理節(jié)點的通用部署,而且提供了一套基于內存的拖纜數據處理軟硬件模塊。本文所提出的軟硬件可擴展的系統(tǒng)構想,以及接口與處理組件相互分離的系統(tǒng)設計方案,在簡化系統(tǒng)結構的同時,引入了大數據領域先進的技術方案,拓寬了海洋地震勘探裝備研發(fā)領域的技術選擇范圍。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：P756.1
【部分圖文】：

?第１章緒?論???１．６文章結構??本文共分為九個章節(jié)，各章之間的邏輯聯(lián)系，如圖１．２所示。??頂層設計?關鍵技術突破??Ｉ??／?Ｎ?＼??ｆ通用型數據處理節(jié)??計技術??｜易；１?Ｗ點間高速數據傳＾｜?＼??１海洋?翻—Ｉ?縮術?廠總結??緒論—地？?—水上?＾＾?—與??￣１勘探駕＿／基＿的數字邏）怎展望??＼［基于內存的分布式／??＼流處理軟件技術＞??圖１．２文章結構??通過第一章緒論拋出本文所研究的問題，使用的方法，并介紹相關領域的國??內外研究背景。??之后，第二章海洋地震勘探，從海洋地震勘探的理論基礎著手，分析討論傳??統(tǒng)海洋地震勘探裝備的原理、組成結構、運作模式、數據特征、處理流程，以及??過去海洋拖纜水上記錄系統(tǒng)難以擴展的主要原因。??第三章易于擴展的水上記錄系統(tǒng)，基于上文的討論，結合國家重點研發(fā)計劃??項目要求，從“硬件可擴展”和“軟件可擴展”兩個方面分解易擴展型水上記錄??系統(tǒng)的設計目標。之后，以內存計算技術、數據偵結構、數據幀傳輸策略以及地??震數據處理這幾個方面為切入點，對系統(tǒng)構架進行深入分析，設計出由數據接口??中心和工作站兩部分組成的水上記錄系統(tǒng)構架方案，并根據該構架方案歸納出??需要重點突破的關鍵技術。??第二章和第三章一起構成本文對易擴展型水上記錄系統(tǒng)的頂層設計部分，從??第四章開始到第七章則是本文針對各項關鍵技術的重點突破。??本文所研究的關鍵技術分別是通用型數據處理節(jié)點設計技術、節(jié)點間高速??數據傳輸技術、基于內存的數字邏輯硬件處理技術、基于內存的分布式流處理軟??件技術。??最后兩章分別是系統(tǒng)測試與討論，總結與展望。??７??

這是由于聲波作為機械波在空氣中傳播時遇到巖石或墻壁等介質??性能與空氣差別很大的障礙物時會發(fā)生反射。通過計算喊叫和回聲之間的時間??差，結合聲波在空氣中的傳播速度就可以估算出障礙物的距離［２８］。??在大多數地區(qū)，反射波法可以測定測線范圍內的地下巖層構造，并且對于與??油氣儲集有關的背斜、斷層和礁體結構的測定特別理想。在理想情況下，該方法??可以高精度的測量地下巖層構造的起伏，甚至可以根據地震波的速度、頻率以及??吸收特性判斷地層巖性［２９］。??２．１．２陸地地震勘探原理??如圖２．１所示，勘探人員用人工方法在震源處激發(fā)地震波傳人地下巖層，地??震波經過地下分界面會產生相應的反射波傳回地表。反射回地面的反射波引起??地表各個接收點的振動，檢波器陣列將這種振動轉化為電信號，傳入地震數據記??錄系統(tǒng)并存儲于存儲設備，作為之后的地震數據解釋工作的數據源［３（）］。??＊??￣?????－－：室內?地霹??？？?道?儀器—ＳＳ?一?ＳＳ??Ａ?〇?Ａ?Ａ?？?？?？?ｉｉ??＼／??圖２．１反射波勘探作業(yè)流程圖??完整的陸地地震勘探過程由三個階段組成，分別是野外資料采集階段、室內??資料處理階段、地震資料解釋階段。??其中，野外資料釆集階段的主要任務是在待測區(qū)域進行布置測線的施工工??作，布線完畢后人工激發(fā)地震波，并使用相應的地震儀器將地震波的反射波情況??記錄下來，獲得待測區(qū)域的原始地震資料［３１］。??室內資料處理階段的主要任務是根據地震波的傳播理論，使用計算機軟件??系統(tǒng)對野外資料釆集段獲得的原始地震資料進行“去粗取精”的數據處理操作，??并進一步獲得地震剖面圖和地震波速圖，該階段一般在專業(yè)

Ｇ－Ｄ、ＳＥＧ－Ｙ為常用數據格式別。??ＳＥＧ－Ｄ數據格式，是一種“按時分道”的數據格式，即業(yè)界通常所說的時序??數據，一般被用于野外勘探作業(yè)現場的數據格式。??Ｇ？＾＞ｈｏｏｅ??—／?１?＾?？?ＦａｔｅｗＡｍｐ、??Ｇｆｏｊｊｈｏｏｅ?Ｎ．?＼ｔｕｌｔｑｊｌａｃｅｒ??＾?？?Ｆｉｌｔｅｒ＊?Ａｍｐ??ＯｅｏｐｈｏＤｅ??？??＾?－？?Ｆａｉｆ＾－Ａｍｐ?????Ｇｅｏｐｈｃｏｅ??勉」一?＾?？?Ｆｆｌｔｃｒ＾ｔｎｐ?ｆ?ｌ?ｆ?Ａ３??Ｔｉｍｅ??圖２．３四通道野外地震數據采集設備??圖２．３是一個簡化版的４通道野外地震數據釆集設備，由檢波器、濾波放大??器、多路開關和模數轉換器組成�？碧阶鳂I(yè)開始后，４個采集通道同時探測到地??震信號，但由于只有一路模數轉換通道，因此需要使用多路開關將四個通道的地??震信號依次送入模數轉換器，通道Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ在Ｔ１時刻釆集到的地震信號因??此需要排隊進行數字化。模數轉換器的輸出數據順序天然按照時序數據的排列??方式輸出，即?Ａｌ、Ｂｌ、Ｃｌ、Ｄｌ、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ａ３、Ｂ３?依次類推。??由于“按時分道”的數據格式符合數據采集系統(tǒng)的物理運行規(guī)則，即在將同??一時間各個采集通道的地震數據依次打包發(fā)出即可，不需要大容量緩存用于各??采集通道的時序整理。因此，野外地震勘探作業(yè)的成果文件一般使用“按時分??１２??
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本文編號：2877452