氣槍震源控制系統設計及應用

劉夢雅

關鍵詞：氣槍震源；STM32單片機；滑動相關求時差；系統設計

氣槍震源是20世紀60年代發明的， 經過近半個世紀的發展， 氣槍震源逐漸成為一種重要的人工震源。海洋地震勘探一般使用氣槍作為震源， 其是利用高壓空氣迅速釋放， 由氣泡的膨脹與收縮而產生地震波的一種工具。氣槍震源系統具有穩定性好、子波一致性好、頻帶寬、野外作業方便等特點[1-4]。氣槍震源有多種， 但其基本原理一致。氣槍通常有兩個氣室：控制氣室和起爆氣室?？諝鈮嚎s機將高壓空氣注入這兩個氣室中， 梭閥將排氣口封住， 并達到一個平衡狀態。當點火激發時， 電磁閥自動打開， 梭閥失去平衡將排氣口打開， 起爆氣室的高壓空氣瞬間釋放到水里產生強大的沖擊力， 然后電磁閥自動關閉， 梭閥再次將排氣口封住， 高壓空氣繼續注入起爆氣室， 進入到下一次點火激發狀態[5-9]。

我國地震局在河北、云南和新疆等地的內陸水庫和人工水體等不同環境建立的氣槍信號發射臺，主要使用的是美國的SmartSource[10]氣槍震源控制系統， 這制約了我國地震勘探技術的發展。本文提出一種用于內陸水庫、人工水體的數字式氣槍震源控制系統， 該系統能夠實現20000k的采樣頻率和采樣時間，完成對氣槍震源的同步控制和延遲控制， 通過算法修正氣槍激發的人工延時，控制氣槍在同一時刻激發，遠程查看數據，對于立體震源的研究、氣槍陣列組合及氣槍震源控制方式的研究具有實際的應用意義。

1 系統設計

氣槍震源控制系統對于數據采集效率以及數據處理速度要求較高，此次系統設計要實現以下幾個核心功能。一是控制氣槍，二是系統時間處理精度要達到0.1ms，三是實現氣槍激發的編碼控制，四是數據的保存和圖表展示。

1.1 系統組成結構

根據生產活動中的實際需要，本方案將控制箱、氣槍、GPS北斗模塊、上位機程序相結合，實現一個高效的氣槍震源控制系統。氣槍震源控制系統結構組成如圖1 所示，上位機氣槍震源控制軟件通過RJ45接口與控制箱正面連接，氣槍震源控制軟件通過IP和端口配置實現與控制箱數據雙向通信，控制箱背面有兩組8針公母接口，每臺控制箱最多可以控制8條氣槍，控制箱采用RS232接口與GPS北斗模塊連接，GPS北斗模塊所提供的高精度授時模塊是本系統處理精度達到0.1ms的重要保證。

上位機氣槍震源控制程序通過精美界面，實現氣槍控制的核心功能，負責系統的主要邏輯處理、關鍵計算、結果圖表展示、數據保存?？刂葡渖厦嫱ㄟ^少量必要的按鈕，實現基本的人工手動氣槍激發功能，其內部通過一塊STM32單片機實現數據承上啟下的功能，接受來自氣槍震源控制軟件的指令，向下傳遞給氣槍內部的數字電磁閥、壓力傳感器及GPS北斗模塊，向上把傳感器采集的各種數據轉換成數字信號發送給氣槍震源控制軟件。

1.2 功能模塊設計

設計氣槍震源控制系統目的是為地震科研工作者提供一種更好用的氣槍震源控制工具，提升科研效率，系統主要功能模塊包含參數設置、激發模式、氣槍激發、質量控制，詳細的系統功能模塊如圖2所示。

參數設置模塊分為設備連接設置、槍控參數設置和采樣參數設置等功能。設備連接使用設置IP地址和端口實現與控制箱的連接；槍控參數主要包含氣槍的起爆時間、脈沖寬度、延時時間、編碼時間、激發電壓、容量等參數設置；采樣參數包含對氣槍內部壓力傳感器的量程、采樣頻率和采樣長度等參數設置。

激發模式總共包含時間激發、軟件激發及硬件激發。時間激發分為有限時間激發和無限時間激發，有限時間激發通過激發起始時間、循環間隔和循環次數設置，在循環次數到達之后自動結束激發狀態，無限時間激發通過激發起始時間和循環間隔設置，一直無限循環激發氣槍，只有通過結束工作按鈕才會結束激發狀態。軟件激發模式下，點擊開始工作按鈕，氣槍就會立刻激發。硬件激發的觸發按鈕位于控制箱正面，紅色觸發按鈕被按下，氣槍立刻激發。時間激發是氣槍信號發射臺實際經常使用的模式，軟件激發多為軟件調試和測試狀態下使用，硬件激發保證在緊急情況下，人工手動激發氣槍。

氣槍激發模塊包含激發數據采集功能、激發延時計算功能及結果圖表展示功能。激發數據采集時刻監聽接受傳感器的數據，同時驗證采集數據是否完整；激發延時的數值采用滑動相關求時差算法[11-13]計算；結果圖表展示采用精美圖表生動、直觀地展示氣槍激發結果。

質量控制模塊包括氣槍激發延時自動校正功能、氣槍激發質量分析功能及數據保存功能。氣槍激發延時自動校正精度通過最大誤差參數來控制；氣槍激發質量分析通過每臺控制箱控制氣槍的激發誤差值來評價氣槍激發的質量；數據保存分為上位機本地保存和控制箱內部SD卡備份保存。

2 關鍵技術

2.1 編碼延時控制

氣槍是氣槍震源控制系統中的核心部件，本系統中使用的氣槍是美國Bolt公司生產的長命氣槍，型號是1900-LLXT， 單槍容積從70立方英寸到2 000立方英寸， 是一種穩定、無故障的能源，能產生較高的輸出，另一個顯著的優點是工作壽命很長。

長命氣槍的電磁閥采用數字電磁閥，每條氣槍數字電磁閥物理性質存在差異，每條氣槍的機械延時在20～30ms，由于所有氣槍的機械延時不一致導致無法在同一時刻激發，形成一個最大能量的人工地震。通過為每條氣槍加上一個可修改的編碼延時，實現所有氣槍在設定起爆時刻激發，如圖3所示。

2.2 編碼延時自動校正

氣槍編碼延時自動校正流程如圖4所示，氣槍激發后，通過對采集數據處理，利用滑動相關求時差算法得到激發時刻距離設定起爆時刻的差值，差值為正表示氣槍實際激發時刻過早，為負值表示氣槍實際激發時刻過晚，通過計算得到的差值校正編碼延時的值，實現氣槍編碼延時自動校正。最大誤差這一閾值參數控制氣槍編碼延時自動校正的精度范圍，最小為0.1ms。

2.3 多線程技術

本系統數據采集過程通過采樣頻率和采樣長度的設置最高可以達到100S的數據采集耗時，在經常使用的時間激發模式下，可能需要數小時或者無限循環一直執行氣槍激發、數據采集、數值計算、結果圖表展示等操作，必須通過多線程技術防止程序在阻塞狀態下假死，通過線程內部執行高耗時操作，不會影響程序其他功能的使用，帶給使用者更好的體驗。

2.4 FTP 服務數據備份

本系統通過控制箱內部的STM32單片機讀取一張64G容量的SD卡，控制箱利用SD卡建立FTP服務，上位機的氣槍震源控制軟件通過IP地址、FTP默認端口、賬戶名及密碼連接FTP服務，程序關閉前使用多線程把程序沒有備份的調試日志、操作日志、氣槍激發采集數據、氣槍激發結果等數據備份到控制箱的SD中。使用FTP服務實現數據備份有效增強了數據的一致性，當控制箱在若干個氣槍信號發射站輪流使用，地震科研工作者通過控制箱的SD卡可以獲得完整的數據，極大地提高了科研效率。

3 系統應用

本系統在2019年11月份去新疆維吾爾自治區呼圖壁縣人工水體氣槍信號發射臺，在那里完成系統的第1次實地測試，為期5天，平均每15分鐘可以完成一次氣槍激發，總共完成了120余次氣槍激發，記錄了系統的一些問題，對系統完成了優化，在2021年3月份去了云南省賓川縣大銀甸水庫的氣槍信號發射臺測試，到目前為止本系統運行狀況良好?？刂葡淙鐖D5 所示。

設計實現的氣槍震源控制軟件如圖6所示，圖6 左側是日志，圖7右側是氣槍激發效果圖，四條氣槍與設定起爆激發時刻差值分別為0ms、0ms、0ms、-0.1ms，達到了所有氣槍全部在50±1ms激發的精度要求。把所有氣槍編碼延時都設置為0ms，最少只需要2次氣槍激發，編碼延時自動校正功能就可以實現所有氣槍激發時刻在50±1ms的要求。

氣槍實際激發效果如圖7所示，這是在云南省賓川縣大銀甸水庫的氣槍信號發射臺測試時拍攝的畫面，使用一臺控制箱和四條氣槍在時間激發模式下，氣槍順利激發在水面濺起波浪的畫面。

4 結束語

本文基于氣槍震源控制實際需求，設計實現了氣槍震源控制系統，本系統成本只有同類型產品的三分之一，中文界面，能夠穩定高效地運行，極大地提升了科研工作者的研究效率，它的性能對比同類型產品性能優越，可以滿足地震科研工作人員實際使用需要。

對于下一步的展望，本系統數據保存分別是本地保存和FTP保存，下一步考慮接入阿里云數據庫，通過Web服務，實現遠程氣槍數據查看功能。氣槍信號發射臺一般都在比較偏僻的位置，地震科研工作人員需要每周開車到氣槍信號發射臺，在本地查看數據或者通過U盤拷貝數據回地震研究所分析數據，而遠程氣槍數據查看功能，能夠極大地增強地震科研工作者的效率，非常方便。