气枪震源控制系统设计及应用

刘梦雅

关键词：气枪震源；STM32单片机；滑动相关求时差；系统设计

气枪震源是20世纪60年代发明的， 经过近半个世纪的发展， 气枪震源逐渐成为一种重要的人工震源。海洋地震勘探一般使用气枪作为震源， 其是利用高压空气迅速释放， 由气泡的膨胀与收缩而产生地震波的一种工具。气枪震源系统具有稳定性好、子波一致性好、频带宽、野外作业方便等特点[1-4]。气枪震源有多种， 但其基本原理一致。气枪通常有两个气室：控制气室和起爆气室。空气压缩机将高压空气注入这两个气室中， 梭阀将排气口封住， 并达到一个平衡状态。当点火激发时， 电磁阀自动打开， 梭阀失去平衡将排气口打开， 起爆气室的高压空气瞬间释放到水里产生强大的冲击力， 然后电磁阀自动关闭， 梭阀再次将排气口封住， 高压空气继续注入起爆气室， 进入到下一次点火激发状态[5-9]。

我国地震局在河北、云南和新疆等地的内陆水库和人工水体等不同环境建立的气枪信号发射台，主要使用的是美国的SmartSource[10]气枪震源控制系统， 这制约了我国地震勘探技术的发展。本文提出一种用于内陆水库、人工水体的数字式气枪震源控制系统， 该系统能够实现20000k的采样频率和采样时间，完成对气枪震源的同步控制和延迟控制， 通过算法修正气枪激发的人工延时，控制气枪在同一时刻激发，远程查看数据，对于立体震源的研究、气枪阵列组合及气枪震源控制方式的研究具有实际的应用意义。

1 系统设计

气枪震源控制系统对于数据采集效率以及数据处理速度要求较高，此次系统设计要实现以下几个核心功能。一是控制气枪，二是系统时间处理精度要达到0.1ms，三是实现气枪激发的编码控制，四是数据的保存和图表展示。

1.1 系统组成结构

根据生产活动中的实际需要，本方案将控制箱、气枪、GPS北斗模块、上位机程序相结合，实现一个高效的气枪震源控制系统。气枪震源控制系统结构组成如图1 所示，上位机气枪震源控制软件通过RJ45接口与控制箱正面连接，气枪震源控制软件通过IP和端口配置实现与控制箱数据双向通信，控制箱背面有两组8针公母接口，每台控制箱最多可以控制8条气枪，控制箱采用RS232接口与GPS北斗模块连接，GPS北斗模块所提供的高精度授时模块是本系统处理精度达到0.1ms的重要保证。

上位机气枪震源控制程序通过精美界面，实现气枪控制的核心功能，负责系统的主要逻辑处理、关键计算、结果图表展示、数据保存。控制箱上面通过少量必要的按钮，实现基本的人工手动气枪激发功能，其内部通过一块STM32单片机实现数据承上启下的功能，接受来自气枪震源控制软件的指令，向下传递给气枪内部的数字电磁阀、压力传感器及GPS北斗模块，向上把传感器采集的各种数据转换成数字信号发送给气枪震源控制软件。

1.2 功能模块设计

设计气枪震源控制系统目的是为地震科研工作者提供一种更好用的气枪震源控制工具，提升科研效率，系统主要功能模块包含参数设置、激发模式、气枪激发、质量控制，详细的系统功能模块如图2所示。

参数设置模块分为设备连接设置、枪控参数设置和采样参数设置等功能。设备连接使用设置IP地址和端口实现与控制箱的连接；枪控参数主要包含气枪的起爆时间、脉冲宽度、延时时间、编码时间、激发电压、容量等参数设置；采样参数包含对气枪内部压力传感器的量程、采样频率和采样长度等参数设置。

激发模式总共包含时间激发、软件激发及硬件激发。时间激发分为有限时间激发和无限时间激发，有限时间激发通过激发起始时间、循环间隔和循环次数设置，在循环次数到达之后自动结束激发状态，无限时间激发通过激发起始时间和循环间隔设置，一直无限循环激发气枪，只有通过结束工作按钮才会结束激发状态。软件激发模式下，点击开始工作按钮，气枪就会立刻激发。硬件激发的触发按钮位于控制箱正面，红色触发按钮被按下，气枪立刻激发。时间激发是气枪信号发射台实际经常使用的模式，软件激发多为软件调试和测试状态下使用，硬件激发保证在紧急情况下，人工手动激发气枪。

气枪激发模块包含激发数据采集功能、激发延时计算功能及结果图表展示功能。激发数据采集时刻监听接受传感器的数据，同时验证采集数据是否完整；激发延时的数值采用滑动相关求时差算法[11-13]计算；结果图表展示采用精美图表生动、直观地展示气枪激发结果。

质量控制模块包括气枪激发延时自动校正功能、气枪激发质量分析功能及数据保存功能。气枪激发延时自动校正精度通过最大误差参数来控制；气枪激发质量分析通过每台控制箱控制气枪的激发误差值来评价气枪激发的质量；数据保存分为上位机本地保存和控制箱内部SD卡备份保存。

2 关键技术

2.1 编码延时控制

气枪是气枪震源控制系统中的核心部件，本系统中使用的气枪是美国Bolt公司生产的长命气枪，型号是1900-LLXT， 单枪容积从70立方英寸到2 000立方英寸， 是一种稳定、无故障的能源，能产生较高的输出，另一个显著的优点是工作寿命很长。

长命气枪的电磁阀采用数字电磁阀，每条气枪数字电磁阀物理性质存在差异，每条气枪的机械延时在20～30ms，由于所有气枪的机械延时不一致导致无法在同一时刻激发，形成一个最大能量的人工地震。通过为每条气枪加上一个可修改的编码延时，实现所有气枪在设定起爆时刻激发，如图3所示。

2.2 编码延时自动校正

气枪编码延时自动校正流程如图4所示，气枪激发后，通过对采集数据处理，利用滑动相关求时差算法得到激发时刻距离设定起爆时刻的差值，差值为正表示气枪实际激发时刻过早，为负值表示气枪实际激发时刻过晚，通过计算得到的差值校正编码延时的值，实现气枪编码延时自动校正。最大误差这一阈值参数控制气枪编码延时自动校正的精度范圍，最小为0.1ms。

2.3 多线程技术

本系统数据采集过程通过采样频率和采样长度的设置最高可以达到100S的数据采集耗时，在经常使用的时间激发模式下，可能需要数小时或者无限循环一直执行气枪激发、数据采集、数值计算、结果图表展示等操作，必须通过多线程技术防止程序在阻塞状态下假死，通过线程内部执行高耗时操作，不会影响程序其他功能的使用，带给使用者更好的体验。

2.4 FTP 服务数据备份

本系统通过控制箱内部的STM32单片机读取一张64G容量的SD卡，控制箱利用SD卡建立FTP服务，上位机的气枪震源控制软件通过IP地址、FTP默认端口、账户名及密码连接FTP服务，程序关闭前使用多线程把程序没有备份的调试日志、操作日志、气枪激发采集數据、气枪激发结果等数据备份到控制箱的SD中。使用FTP服务实现数据备份有效增强了数据的一致性，当控制箱在若干个气枪信号发射站轮流使用，地震科研工作者通过控制箱的SD卡可以获得完整的数据，极大地提高了科研效率。

3 系统应用

本系统在2019年11月份去新疆维吾尔自治区呼图壁县人工水体气枪信号发射台，在那里完成系统的第1次实地测试，为期5天，平均每15分钟可以完成一次气枪激发，总共完成了120余次气枪激发，记录了系统的一些问题，对系统完成了优化，在2021年3月份去了云南省宾川县大银甸水库的气枪信号发射台测试，到目前为止本系统运行状况良好。控制箱如图5 所示。

设计实现的气枪震源控制软件如图6所示，图6 左侧是日志，图7右侧是气枪激发效果图，四条气枪与设定起爆激发时刻差值分别为0ms、0ms、0ms、-0.1ms，达到了所有气枪全部在50±1ms激发的精度要求。把所有气枪编码延时都设置为0ms，最少只需要2次气枪激发，编码延时自动校正功能就可以实现所有气枪激发时刻在50±1ms的要求。

气枪实际激发效果如图7所示，这是在云南省宾川县大银甸水库的气枪信号发射台测试时拍摄的画面，使用一台控制箱和四条气枪在时间激发模式下，气枪顺利激发在水面溅起波浪的画面。

4 结束语

本文基于气枪震源控制实际需求，设计实现了气枪震源控制系统，本系统成本只有同类型产品的三分之一，中文界面，能够稳定高效地运行，极大地提升了科研工作者的研究效率，它的性能对比同类型产品性能优越，可以满足地震科研工作人员实际使用需要。

对于下一步的展望，本系统数据保存分别是本地保存和FTP保存，下一步考虑接入阿里云数据库，通过Web服务，实现远程气枪数据查看功能。气枪信号发射台一般都在比较偏僻的位置，地震科研工作人员需要每周开车到气枪信号发射台，在本地查看数据或者通过U盘拷贝数据回地震研究所分析数据，而远程气枪数据查看功能，能够极大地增强地震科研工作者的效率，非常方便。