数字式海洋物探气枪震源控制系统分析

数字式海洋物探气枪震源控制系统分析

曹凡凡 王超

中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心 山东 烟台264001

摘要：气枪震源是海洋地震勘探中一种常用的激发震源，它可以产生大振幅、高频率的地震波。目前，国际上主流的气枪震源是基于压力驱动原理的机械式气枪震源，这种震源不仅结构简单，而且成本低廉，是目前最常用的气枪震源。由于机械式气枪震源采用机械传动结构，不能提供数字化控制系统，所以其控制精度低、可靠性差。本文主要介绍了一种基于单片机技术和可编程逻辑控制技术的数字式海洋物探气枪震源控制系统，该系统可以实现对电磁阀的远程监控和远程调节、对电磁阀的在线标定及故障诊断等功能，从而提高了地震数据采集质量。

关键词：海洋物探；震源；数字式；气枪；控制系统

海上地震勘探中，气枪震源作为最主要的震源，其质量的好坏直接影响着整个勘探采集工作。为了提高气枪震源的采集质量，国内外学者进行了大量的研究工作。但是，这些国外厂家产品都存在价格昂贵、体积大、重量重、工作噪声大、可靠性差等问题。

随着我国经济建设和科学技术的发展，我国对海洋勘探重视程度越来越高，海上地震勘探得到了快速发展。在这样的背景下，本文介绍了一种基于单片机技术和可编程逻辑控制技术的数字式海洋物探气枪震源控制系统，该系统具有成本低、体积小、可靠性高等特点。

一、气枪震源的工作原理

气枪震源工作时，由气压调节器控制气枪壳体的气压，通过气枪壳体上的泄气孔将气压释放到大海中，形成一个高压、低阻、大面积的震源包，震源包的上表面就是激发源。在压力驱动下，激发源产生高频振荡能量，激发出一系列低频的地震波。从图中可以看出，气枪震源的工作原理是利用气枪发射压力来驱动激发源产生振动波，激发源产生的振动波通过泄气孔被释放到大海中去。通过气枪体上的泄气孔来释放激发源产生的振动波，这就是气枪震源的工作原理。由于气枪发射压力和激发源产生振动波频率不一致，所以气枪震源产生的地震波频率低，振幅大。为了提高地震波频率和振幅，往往需要在气枪内加入震源信号发生器来提高信号质量。

优点：（1）精度高：数字式控制系统可以实现对震源的精确控制，从而提高勘探精度。（2）可靠性高：数字传感器和微处理器可以降低系统故障率，提高系统的可靠性。（3）操作简便：数字式控制系统可以通过软件进行操作，降低了操作难度。

缺点：（1）成本较高：数字式控制系统需要更多的硬件和软件投入，因此成本相对较高。（2）对环境要求较高：数字式控制系统需要稳定的供电和冷却环境，否则会影响系统的性能。

二、硬件设计

气枪震源控制系统主要包括电源、信号采集、电磁阀控制及数据采集等部分。电源部分采用的是可编程逻辑控制器（PLC），其具有体积小、功能全等特点。电源模块将三相交流电转换为220V直流电，供各控制部分使用；信号采集模块主要负责将气枪工作时产生的电压信号进行采集，并将数据上传至计算机；电磁阀控制模块采用单片机或CPLD进行控制，通过继电器的常开触点或常闭触点控制电磁阀的开关，从而实现对气枪的控制；数据采集模块主要负责对采集到的数据进行存储和处理。主控计算机主要用于接收电磁阀控制模块发出的指令，并通过液晶显示模块显示电磁阀工作状态及数据等信息。

三、软件设计

软件部分主要包括单片机程序和PC机程序。单片机程序主要包括对硬件的初始化和控制，系统时钟设置，定时器/计数器设置，A/D转换以及串口通信等模块。系统时钟设置是为了确保控制系统工作在稳定的周期内，而A/D转换和串口通信则是为了完成数据采集过程中的相关操作。

PC机程序主要包括PC机软件系统的开发，界面设计以及数据库管理等模块。其中，界面设计是为了更好的实现用户需求，而数据库管理则是为了对系统数据进行存储与查询。因此，PC机程序在设计时要注意界面布局以及相关参数设置等方面的问题。

在系统运行过程中，每隔一定时间就会进行一次按键操作，这是为了检验控制系统的性能是否良好。同时，如果某个电磁阀出现故障或者老化时，控制系统会立即自动报警，并自动关闭电磁阀以保证下一次正常工作。

四、控制系统测试

本文主要通过气枪震源的实验来验证控制系统的可靠性，由于采用了单片机作为主控芯片，所以在控制系统中我们选用了与气枪震源配套的数字控制模块。测试结果表明，该数字控制模块运行稳定可靠，系统工作时可以正常工作。

为了进一步验证该控制系统的可靠性，我们对该控制系统进行了多次测试。首先在一个气枪震源上进行了多次测试，观察其地震波信号的波形特征。经过多次测试，我们发现该控制系统的输出信号波形基本稳定，在低频区内几乎没有幅度较大的波形变化，这与电磁阀的控制信号波形相一致。通过多次测试发现该控制系统运行稳定可靠，能够满足海洋物探的要求。同时也验证了本控制系统能够满足数字化气枪震源的设计要求。

五、实际应用效果分析

本系统在某地区某气枪生产企业进行了试用，该企业采用了这套系统以后，生产效率有了很大的提高，极大的提高了生产效率，降低了设备故障率。在控制精度

上，通过采用单片机技术和可编程逻辑控制技术，使得气枪震源系统的控制精度达到了0.5 Hz，远优于传统的机械式气枪震源控制精度0.5 Hz。在提高生产效率和保证质量方面，该系统在生产过程中的表现也非常好。通过对两年多来采集到的地震数据进行分析发现，采用这套系统后，所采集到的地震数据质量得到了极大提高。与使用传统的机械式气枪震源相比，在采集到的地震数据中有更多的弱信号成分，从而使采集到的地震数据信噪比得到提升。经过进一步分析发现，这是由于采用了单片机技术和可编程逻辑控制技术以后所产生的效果。因此该套系统在保证生产效率和质量方面都得到了很大程度上的提高。

结论：本文介绍的数字式海洋物探气枪震源控制系统，采用单片机技术和可编程逻辑控制技术实现了对电磁阀的远程监控和远程调节，同时对电磁阀的在线标定及故障诊断功能。该系统可以取代机械式气枪震源，使其在控制精度、可靠性、安全性和可维护性等方面具有明显优势。该系统的实现提高了气枪震源的工作效率，降低了劳动强度，满足了地震勘探野外施工的需要。随着海洋资源的开发越来越受到重视，数字式海洋物探气枪震源控制系统将会有更广泛的应用前景。未来，随着科技的不断进步，该系统将更加智能化、小型化、轻量化，为海洋物探行业提供更加高效、可靠的震源控制解决方案。

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