2019, Vol. 43
文章信息
- 吴爱平, 祁红学, 熊晓东, 裴彦良, 阚光明, 连艳红. 2019.
- WU Ai-ping, QI Hong-xue, XIONG Xiao-dong, PEI Yan-liang, KAN Guang-ming, LIAN Yan-hong. 2019.
- 海洋多道地震拖缆数据实时传输系统的设计与实现
- The design and implementation of real-time transmission system for marine multichannel seismic streamer data
- 海洋科学, 43(3): 75-81
- Marina Sciences, 43(3): 75-81.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20171031001
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文章历史
- 收稿日期：2017-10-31
- 修回日期：2018-01-22
2. 自然资源部第一海洋研究所, 山东 青岛 266061;
3. 海洋沉积与环境地质自然资源部重点实验室, 山东 青岛 266061;
4. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266061;
5. 西安虹陆洋机电设备有限公司, 陕西 西安 710000
2. First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China;
3. Key Laboratory of Marine Sedimentology and Environmental Geology, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China;
4. Laboratory for Marine Geology and Environment, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qigndao), Qingdao 266061, China;
5. Xi'an Hongluyang Electromechanical Equipment Co. Ltd., Xi'an 710000, China
我国天然气水合物已从资源勘查阶段进入试开采阶段[1], 国内现有的浅层海洋地震探测设备作业深度浅, 分辨率低, 不能满足开展天然气水合物高分辨率的勘探需求; 而国外在深水高分辨率地震探测技术方面研究较早, 并已经形成了成熟的小道距多通道深水地震探测装备, 但是, 此类产品对我国限售 [2]。在此背景下, 自然资源部第一海洋研究所等组成的研究团队开展了“深拖式高分辨率多道地震探测技术与装备”研究[3]。深拖式高分辨率多道地震探测具有作业深度深、采集数据量大等特点, 地震数据实时可靠传输是海洋地震勘探数据获取的重要环节, 对地震信息可靠、高效的获取具有决定性作用。本文在国内现有地震拖缆数据传输技术的基础上, 针对多通道、多类型、大容量数据并发而导致的地震数据漏帧问题, 采用先进先出(First Input First Output, FIFO)构建了多优先级任务队列的流水线设计, 实现了大容量地震数据实时上传, 同时研究了无等待反馈重传的差错控制设计, 提高了地震数据上传的可靠性和高效性。
1 系统设计 1.1 多道地震拖缆结构简介海洋多道地震探测设备由船上控制中心、震源和水下拖缆组成。船上控制中心负责对水下拖缆控制、数据接收、存储和显示等, 震源用来产生地震波, 水下拖缆拖曳在船尾, 用于接收海洋地层反射的地震信号, 将接收的地震信号在拖缆内数字化后上传到船上控制中心, 在控制中心存储、显示、分析处理[4-7], 多道地震拖缆结构示意如图 1所示。
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| 图 1 多道地震拖缆结构示意图 Fig. 1 Structural diagram of the multichannel seismic towing cable |
水下拖缆干端连接在船上控制中心, 湿端由数传包与工作段相互交替串接组成。每一个工作段长50 m, 其中前半级工作段长25 m, 后半级工作段长25 m。每一个工作段内有4个采集站, 每一个采集站分别与4个水听器道相连, 每一个水听器道等间距分布, 其道间距为3.125 m, 前半级工作段和后半级工作段内各有8道水听器。数传包实现下传命令和上传数据的功能, 每一个数传包分别连接对应工作段内的各个采集站, 如数传包2与工作段1中的采集站1、采集站2和工作段2中的采集站3和采集站4相连接。下传命令是指数传包接收船上控制中心的控制命令, 并转发到每一个采集站; 上传数据是指接收采集站的地震数据和后级数传包上传的地震数据, 再将地震数据上传到前级数传包, 最后由前级的数传包逐级上传到船上控制中心。水下单条拖缆具有240道(采样率8 kHz)的带道能力, 采样率最大支持16 kHz, 模数转换器(Analog to Digital Converter, ADC)精度为32 bit, 综合分析传输的数据量, 水下拖缆的数据传输带宽需求不小于120 Mbps。
1.2 数传包与采集站连接设计为减小数传包到采集站的传输距离, 提高数据传输可靠性, 采集站对称分布在数传包的两端, 二者的最大通信距离为6×3.125 m=18.75 m, 如图 1所示。数传包与采集站的数据传输包括命令下传和数据上传, 命令下传的数据量小, 实时性要求高; 每个采集站采集4通道的地震数据, 最大采样率为16 kHz, 加上采集站姿态等数据传输和协议开销, 采集站上传数据到数传包的带宽应不小于2.8 Mbps。
结合推荐标准485(Recommended Standards 485, RS485)总线在数据传输距离为百米范围内的高速传输能力[8], 基于上述需求分析, 拖缆内数传包与各采集站之间采用6类双绞线相连接, 以通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)为硬件接口[9]。命令和数据传输采用全双工通信方式, 波特率为4.096 Mbps, 传输协议采用RS485总线。船上控制中心向拖缆下发的控制指令数据量小, 而水下拖缆向船上控制中心上传的数据量大, 因此, 下行指令和上传数据采用不同的形式进行交互, 指令下行时采用广播的形式向各采集站发送控制命令, 而各采集站和数传包进行数据上传时采用点对点的连接形式, 数传包单侧与采集站的具体拓扑连接形式如图 2所示。
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| 图 2 数传包单侧与采集站的拓扑连接 Fig. 2 Topological connection between data transmission packet side and acquisition station |
拖缆通信干路采用数传包级联的方式逐级上传地震数据, 每一级的通信距离为工作段长, 即50 m。水下拖缆中数字包级联设计框图如图 3所示, 设计中采用全双工通信, 利用低电压差分信号(Low-Voltage Differential Signaling, LVDS)接口标准[10]、预加重和均衡技术、8位/10位(8 bit/10 bit)信源编码方式[11-13], 不仅满足大容量数据稳定传输的带宽需求, 同时可以在下行通道中利用字节同步的形式提取同步时钟, 用于多道地震拖缆中地震信号进行同步采集的工作时钟参考。LVDS串化器将FPGA输出的10位并行数据串化输出, 经过预加重后产生一组差分发送信号(同相信号TX+和反相信号TX-), 差分发送信号通过工作段中的双绞线传送至均衡器的输入端, 接收的差分信号(同相信号RX+和反相信号RX-)经过均衡后传送至LVDS解串器, LVDS解串器解析出的10位的并行数据送至FPGA, 实现数传包之间的数据传输, 其中LVDS数据传输速率设计为147.5 Mbps。
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| 图 3 数传包级联框图 Fig. 3 Block diagram of the data transmission packets cascade |
数据传输过程中采用全双工通信, 发送端每次发送一帧数据, 在发送端进行数据缓存, 同时在接收端产生一个帧响应(ACK), 因为发送端发送数据的长度L1远大于接收端ACK的长度L2, 所以上一帧(N–1)数据产生的ACK在当前数据帧(N)发送完成前已传到发送端, 可在等待ACK到达的时间进行数据传输。发送端在当前数据帧(N)发送完成前对第N–1帧数据的ACK信号进行分析, 若解析判断数据传输正确, 则读取第N+1帧数据并进行发送, 若解析判断数据传输出现错误, 则从缓存中读取当前帧(N)数据并重新进行发送。无等待反馈重传的差错控制[14-15]示意图如图 4所示, 基于无等待反馈重传的控制方式, 充分利用了等待ACK响应的时间, 提高了单位时间内数据传输的效率。
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| 图 4 无等待反馈重传示意图 Fig. 4 Schematic of wait-free feedback retransmission |
数传包上传的数据, 由接收采集站上传数据和中继后级数传包上传数据组成, 中继数据需在本级数传包内缓存, 并按照设定的优先级分时上传本级数据和中继数据。
现有拖缆内部是采用乒乓缓存的方式实现中继上传[16-17], 这种方式存在一个弊端, 当采样率提高, 采样道数增加, 上传数据类型(地震、拖缆姿态、差错重传等)增多时, 大容量数据并发到达本级数传包, 数据到达的瞬时速率大于服务上传的速率, 就会产生数据上传拥塞问题, 容易导致乒乓缓存数据溢出, 出现地震数据帧丢失现象。本设计在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)内部采用环形队列设计[18], 开辟足够的随机存取存储器(Random Access Memory, RAM)空间, 缓存中继数据和本级数据, 如图 5所示。通过FIFO存放读环形队列的指针, 开辟缓存空间, 解决数据上传瞬时速率的匹配问题, 从而消除因数据拥塞出现的溢出问题。
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| 图 5 环形队列的示意图 Fig. 5 Schematic of ring queue |
数传包接收4个采集站的数据, 单个采集站上传数据的突发速率为409.6 kB/s, 远小于数传包的处理速率61.44 MB/s(FPGA主频), 数据到达时间随机, 且4个采集站的数据地位均等, 所以数传包按自然优先级, 先到先服务原则处理各通道的缓存数据。
多通道采集站数据汇集框图如图 6所示, 在FPGA内部主要有解析器、FIFO控制、数据缓冲器Cache和RAM分配等模块。RX1-RX4用于接收采集站1—4的数据, FPGA内部的解析器1—4对接收到采集站1—4的数据同时进行解析, 并将正确的解析数据分别写入到高速数据缓存器Cache1—Cache4, 同时启动写FIFO控制器。FIFO控制器按照自然优先级响应, 将4个缓存器的首地址和长度等结构体指针Struct参数依次写到FIFO队列。在FIFO队列非空和RAM分配器处于空闲状态时, 对数据缓存器Cache1—Cache 4进行读操作, 将读取的数据依次写到分配RAM所映射的地址空间, 打包本地数据上传。
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| 图 6 多通道数据汇集框图 Fig. 6 Block diagram of multichannel data collection |
本级数传包上传的数据由3部分组成:采集站本级数据、后级数传包的中继数据、出现差错需要重传的数据, 3类数据达到时间随机, 瞬时到达速率均为12.288 MB/s, 单位时间的总平均到达速率 < 12.288 MB/s, 数据量排序为中继数据≥本级数据≥重传数据。为保证数据实时上传, 重传数据的优先级最高; 由于中继数据量大于本级数据量, 设置中继数据优先级高于本级数据优先级。
针对大容量数据并发上传出现的数据帧溢出问题, 采用多个FIFO存储器, 构建不同优先级的任务队列, 设计框图如图 7所示。数据打包模块写数据到本级RAM后, 将写本级RAM的首地址、长度组合写入FIFO队列2; LVDS接收的中继数据校验正确后写入中继RAM, 将写中继RAM的首地址、长度组合写入FIFO队列1;在ACK响应模块接收到错误帧响应时, 利用返回帧号读取指针RAM的值, 将重传数据首地址与长度写入到FIFO队列0;发送控制器在空闲状态且FIFO队列0—2非空时, 按照预先设置的优先级顺序读取一次FIFO队列, 选择读取中继RAM、本级RAM、差错RAM的数据并附加传输帧号写入到LVDS发送模块; 同时将LVDS发送的数据写入到差错RAM缓存, 并将写入到差错RAM的首地址、长度写入到指针RAM。
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| 图 7 多优先级任务队列设计框图 Fig. 7 Design block diagram of multi-priority task queue |
结合当前海洋多道地震拖缆数据传输需求、特点和存在的问题, 在实验室环境下, 按照《石油海上数字地震采集拖缆系统(GB/T 24261.2-2010)》[19]标准, 对系统的数据通信功能和通信质量性能进行测试分析。
3.1 通信功能正确性测试利用采集站输出的标准信号作为系统的输入测试信号, 开展多道、多类型、大容量数据并发上传功能测试, 输入测试信号为正弦信号, 其频率为50 Hz、幅度为2.1V, 各通道采集的地震数据和姿态数据同时上传到控制中心。测试由240个采集通道组成, 采样率设置为8 kHz。
图 8为系统采用乒乓缓存和环形队列方式实现数据上传功能测试的效果图, 图中显示的是对第13—32通道采集上传的数据波形, 左侧是采用乒乓缓存方式, 右侧是采用环形队列方式, 从图中可以清楚地发现, 左侧图中的20列正弦波波形不平滑, 出现了重影, 而右侧图中的20列正弦波波形平滑, 说明采用乒乓缓存方式接收的数据多次出现漏帧的问题, 而采用环形队列方式接收的数据完全正确, 可以完好地显示正弦波波形。测试结果表明系统可以在大容量数据并发上传时, 采用环形队列对数据传输的瞬时速率进行平滑, 匹配系统的数据传输速率, 消除数据漏帧、误帧现象, 实现地震数据实时准确上传。
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| 图 8 系统改用环形队列前后抽样波形对比图 Fig. 8 Comparison of the sampled waveforms before and after using ring queue |
通过指令设置, 使系统工作于不同的模式, 改变采样频率和通道数, 测试系统的信道容量和带宽利用率等性能指标。测试结果如表 1, 其中系统总带宽为12.288 MB/S, 协议额外开销为0.2, 通信容量为采样率×采样通道数×(1+协议开销)×4×12 bps。
| 采样频率/kHz | 通道数/道 | 通信容量/ Mbps | 带宽利用率/% |
| 4 | 240 | 55.296 | 37.5 |
| 8 | 240 | 110.592 | 75 |
| 12 | 200 | 138.24 | 93.75 |
| 16 | 152 | 140.08 | 95 |
通过表 1分析可知, 在采样频率为4 kHz和8 kHz时, 系统最大的带道能力可达到240道, 满足项目计划需求; 在采样频率为12 kHz和16 kHz时, 系统带宽利用率分别达到93.75%和95%。测试结果表明:采用FIFO实现环形队列的数据缓存技术, 可有效提高带宽利用率。
4 结论本文针对深拖式地震探测特点和现有拖缆在实现多通道、多类型、大容量数据并发上传而导致数据漏帧的问题, 设计了无等待反馈重传的差错控制方法, 有效地提高了地震数据上传的可靠性和高效性; 采用FIFO构建了多任务环形队列的流水线设计, 实现了地震数据实时上传。实验测试结果表明, 系统可以满足深拖式多道地震探测的数据传输需求, 对于深海高分辨率地震资料获取具有重要的意义。
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