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1、10申请公布号CN102307397A43申请公布日20120104CN102307397ACN102307397A21申请号201110144379X22申请日20110531H04W84/18200901G08C17/0220060171申请人西南石油大学地址610500四川省成都市新都区新都大道8号72发明人罗仁泽戈勇华黄元溢党煜蒲54发明名称一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法57摘要本发明提供一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法，采用利用下一代无线WIFI、WIMAX技术、卫星通信及无线MESH网络结构构建四级无线网络结构，实现从地震仪采集数据由检波器阵列节点逐级向地。
2、震资料处理解释中心高速率传输，可以有效的克服有线数字地震仪数据传输体制带来的弊端。通过无线WIFI、WIMAX技术物理层的关键技术正交频分复用多载波技术使用不同的子信道数实现系统上下行链路传输速率的控制。本发明采用先进的WIFI、WIMAX通信技术及无线MESH网络结构构建四级无线传输网络，能够实现高速率的地震采集数据传输，为地震勘探提供有效的大容量、高精度数据传输方法。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图4页CN102307404A1/1页21一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法，其特征在于系统由四级无线网络构成，主要包括地震检波。
3、器阵列节点与无线采集站构成的第一级无线网络，以无线WIFI通信技术实现检波器采集的数据到无线采集站的传输；无线采集站与无线中继站构成第二级无线网络，以无线MESH网络结构及无线局域网WIFI技术为基础，实现每道采集数据的汇集；无线中继站与数字地震仪构成第三级无线网络，以无线城域网WIMAX技术实现所有地震采集数据的汇集；由数字地震仪到地震资料处理解释中心构成第四级无线网络，采用“北斗”等卫星通信系统实现数据传输。2按照权利要求1所述的一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法，其特征在于该无线网络中的第四级可根据地震勘探区域情况以及指挥中心对该区地震勘探资料了解的紧迫性来选择性的建立；当地震。
4、资料品质差的地区现场把关困难时可建立第四级无线网络；当地震勘探区域距离指挥中心或者资料处理解释中心距离遥远时可建立第四级无线网络；当指挥中心急需了解该区地震资料情况时可建立第四级无线网络。3按照权利要求1所述的一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法，其特征在于地震检波器采集的数字地震数据通过无线传输方式代替有线传输方式，由地震检波器阵列节点、无线采集站、无线中继站逐级无线传输至数字地震仪。4按照权利要求1所述的一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法，其特征在于无线采集站采用区间分布式布置方法，且每个无线采集站管辖多个地震检波器阵列。5按照权利要求1所述的一种无线数字地震仪数据高速率。
5、传输系统及其方法，其特征在于无线采集站具备双重功能，一是作为检波器阵列采集数据在无线MESH网络传输的接入点，二是作为无线采集站汇集的每道数据到达无线中继站的路由节点。6按照权利要求1所述的一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法，其特征在于所使用的无线局域网WIFI技术和无线城域网WIMAX技术的物理层关键技术均采用正交频分复用多载波技术，通过使用不同的子载波数来控制上下行链路不同的传输速率，实现地震勘探数字地震仪、无线中继站及无线采集站之间的双向通信功能。7按照权利要求4所述的一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法，其特征在于根据每个无线采集站放置的位置以及检波道道距不同，所管辖。
6、地震检波器阵列数量也不同。权利要求书CN102307397ACN102307404A1/5页3一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法技术领域0001本发明属于油气勘探领域，特别涉及石油地震勘探中一种无线数字地震仪数据高速率传输系统的设计方法。背景技术0002随着国民经济的快速发展，我国对石油、矿产等能源的需求越来越旺盛。地震勘探作为一种快速高效的地球物理勘探方法，在能源勘探领域得到广泛应用。数字地震仪作为地震勘探的关键设备，90以上依靠国外进口，国内自主研发投入少，严重制约了我国地震勘探事业的发展。虽然经过国内研究机构的多年努力，地震仪的发展已经取得长足的进步，然而由于地震仪道容量一直受。
7、到数据传输技术的制约，严重影响了数字地震仪野外的实际勘探效率。因此，对数字地震仪数据传输技术的研究就显得尤为重要。0003现有数字地震仪主要采用有线方式进行数据传输，如专利张林行，林君，陈祖斌基于多跳以太网架构的数字地震数据传输方法中国，200910067368P20091006文中将以太网技术应用于有线数字地震仪中，地震仪主机通过交叉线以多跳方式连接交叉站，交叉站通过大线以多跳方式向两侧连接采集站；地震仪主机基于TCP/IP协议与其进行命令的交互和数据的传输，保证了地震数据传输的可靠性。0004然而，对于有线方式主要存在以下缺陷1）总体重量笨重需要大量的电缆来传输数据和指令，对于一万道的仪器。
8、，电缆线重量可达几十吨，这将大大增加地震队野外作业的运输成本和搬家难度，从而增加了地震勘探数据采集的成本；2）增加了健康安全环保（简称HSE）风险布设和搬迁笨重的电缆线需要大量的人力、物力和财力，则意味着增加了HSE风险；3）采集道数的限制随着地震勘探数据采集精度的提高，需要的采集道数必须增加，而电缆线的笨重限制了采集道数的扩展；4）电缆维修、检修及复杂网络结构问题复杂的网络结构和电缆维修、检修影响了地震数据采集的效率；5）传输速率的限制有线电缆信道带宽有限，限制了数据传输速率，增长了地震激发单炮之间的等待时间，降低了工作效率。0005由于无线传输式数字地震仪可以有效克服有线传输式总体重量笨重。
9、、采集道数及传输速率的限制等缺陷，因此，更能适应未来地震勘探发展的需要，是今后数字地震仪发展的趋势。对于现有的无线传输数字地震仪通常大规模采用无线收发设备进行地震数据传输，这对于野外勘探要求低功耗作业相违背，无法实现大规模地震勘探。随着下一代通信WIFI、WIMAX技术的不断发展，除了在办公领域以外，可以将新的通信技术运用于数字地震仪数据传输系统中，将大大提高其数据传输能力，进而提高整个系统的实时传输效率。发明内容说明书CN102307397ACN102307404A2/5页40006本发明专利的目的是提供一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法，利用四级无线网络结构、无线局域网WIFI技。
10、术、无线城域网WIMAX技术及无线MESH网络结构，实现地震仪采集数据由检波器阵列节点逐级无线高速率到达数字地震仪，可以有效克服有线数字地震仪数据传输体制带来的弊端。0007一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法，包括无线采集站的布置、无线中继站的布置、四级无线网络构造、无线WIFI收发设备、无线MESH网络结构、无线WIMAX收发设备及传输系统正常工作所需的电源设备，实现数字地震仪采集数据高速率传输。具体包括以下内容1）无线采集站的布置。检波器阵列节点沿着测线方向等间隔布置，无线采集站以区间分布式方法进行布置，每个无线采集站能管辖到区间内九个检波器阵列节点，且检波器阵列节点分布在三条相。
11、邻的测线上，即每条测线上的三个检波器阵列节点；2）无线中继站的布置。无线中继站负责无线采集站与数字地震仪之间的信号中继传输。在所有的无线采集站布置后，沿着测线方向将无线中继站布置在需要对其进行数据传输的无线采集站附近，距离不超过100M；3）四级无线网络结构。以地震检波器阵列节点与无线采集站构成第一级无线网络、无线采集站与无线中继站构成第二级无线网络、无线中继站与数字地震仪构成第三级无线网络，数字地震仪与地震资料处理解释中心构成第四级无线网络。第一级网络负责将检波器采集的数据传输到对应的无线采集站中；第二级网络通过具备路由节点功能的无线采集站实现每道采集数据在无线中继站的集合；第三级网络将中继。
12、站作为无线WIMAX网络的接入点，实现地震采集的每道数据到仪器车的中继传输；由数字地震仪到地震资料处理解释中心构成第四级无线网络，采用“北斗”等卫星通信系统实现数据传输；4）无线MESH网络结构。将所有的无线采集站及无线中继站作为MESH网络的元素。以每个区域内的无线采集站作为MESH网络的接入点，实现检波器阵列采集的数据传输至MESH中；以每个区域内的无线采集站作为MESH网络的路由节点，实现每道采集数据在无线中继站的汇集；5）地震数据的传输。数据采用无线局域网WIFI技术和无线城域网WIMAX技术进行传输，其物理层的关键技术均采用OFDM技术。利用无线WIFI技术实现采集数据在地震检波器到。
13、无线采集站的短距离传输、MESH网络中的无线采集站与无线采集站之间的数据传输及无线采集站到无线中继站之间的数据传输；利用无线WIMAX技术实现无线中继站汇集的每道采集数据远程传输至地震勘探数字地震仪，最终由数字地震仪通过卫星通信远程传输至地震资料处理解释中心；6）双向数据通信。由于传输系统数据业务具有非对称性，即控制信息量远小于地震数据传输量，可以通过OFDM系统的子载波数来控制上下行链路的传输速率，实现地震勘探数字地震仪、无线中继站及无线采集站之间的双向通信功能。0008系统及其方法可行性分析由于地震勘探一般是野外作业，工作环境比较恶劣、干扰大、要求低功耗等特点，因此对于无线数字地震仪数据高。
14、速率传输系统及其方法的可行性，可通过系统中所用通信技术的通信距离、功耗及传输速率方面进行分析1）通信距离短距离无线超带宽（UWB）及蓝牙技术通信范围约为10米、无线ZIGBEE说明书CN102307397ACN102307404A3/5页5的通信范围为10100米之内、无线WIFI技术作为一种短距离通信技术可以实现30英尺（大约100米）范围的数据通信。而系统中检波器阵列与无线采集站之间的最远距离不超过90米、无线采集站与无线采集站之间的距离小于100米。无线WIMAX技术运用于无线城域网建设中，最远的通信距离为30公里，而系统设置中无线中继站到仪器车的最远距离将在10公里之内；2）功耗对于野。
15、外的地震勘探系统工作的电源是优先考虑的问题。功耗大的设备将直接影响其使用的推广。常见的无线通信技术的发射功率为UWB技术的发射功率小于1MW、蓝牙技术的发射功率大于1W、无线ZIGBEE技术的发射功率小于1W。本系统采用无线WIFI技术发射功率在100MW之内，功率比较小，因此对供电系统要求比较低。无线WIMAX技术的发射功率大于为100W，但系统中使用的无线WIMAX设备个数一般控制在4个之内；3）传输速率系统的无线WIFI技术和无线WIMAX技术的物理层的关键技术均采用OFDM调制技术。众所周知，OFDM技术是一种无线环境下的高速多载波传输技术，因此相比传统的有线传输系统的传输速率要高的多。
16、，无线WIFI技术的传输速率最高可达45MBPS、UWB可以达到1GBPS、ZIGBEE的最高可达250KBPS、蓝牙最高可达1MBPS、无线WIMAX技术的传输速率最高可达70MBPS。0009综上述的比较分析，根据地震勘探野外作业的实践情况及检波器阵列节点、无线采集站和无线中继站的布置情况，传输系统中选择无线局域网WIFI技术作为短距离通信及无线城域网WIMAX技术作为远距离传输具有可行性，而对于第四级无线网络采用“北斗”等卫星通信技术进行数据传输，这种技术在现在已经相当的成熟。0010本发明的创新及特色1）该方案采用四级无线网络结构，引进无线局域网WIFI技术和无线城域网WIMAX技术进。
17、行数据传输，地震检波器阵列节点与无线采集站构成第一级网络、无线采集站与无线中继站构成的第二级网络及MESH网络之间均以无线局域网WIFI技术数据传输体制，无线中继站与地震勘探数字地震仪构成的第三级网络利用WIMAX技术进行远程数据传输，实现了数字地震仪数据的无线高速率传输；同时，对于低信噪比地震资料等特定地区，数字地震仪无法确定资料品质时或者指挥中心急需研究该区地震资料情况时，可通过第四级无线网络结构实施，从数字地震仪通过卫星通信传输数据到地震资料处理解释中心或指挥中心，从而使指挥中心在指挥部也能快捷地了解该区情况；2）对于传输系统中的无线WIFI技术和无线WIMAX技术的物理层均采用OFDM。
18、技术，可以实现数据的高速率传输；3）以无线替代有线数字地震仪的数据传输，去除了传统有线方式的大线铺设笨重繁琐的操作，便于野外施工，同时可以克服有线电缆传输带宽和速率的限制；4）采用无线数字地震仪数据传输系统，可以利用无线检波器阵列节点任意扩展采集的道数，而只需增加相应的无线采集站即可实现数据的采集及传输；5）对于上下行链路的速率可以通过OFDM系统中分配不同的子信道来控制，对于上行链路传输数据量大分配较多的子信道，而对于传输数据量较小的下行链路分配较少的子信道；6）在第二级网络中引进了无线MESH网络结构，因此网络中的任何一个无线采集站（接入点）的数据都可以通过无线路由到达其它的无线采集站（路。
19、由节点）。说明书CN102307397ACN102307404A4/5页6附图说明0011图1是本专利的检波器阵列节点布置图。0012图2是本专利的无线四级网络结构图。0013图3是本专利的观测系统示意图。0014图4是本专利的无线数字地震仪数据高速率传输系统示意图。0015图5是本专利的无线MESH网络结构示意图。0016图6是本专利的无线MESH网络协议体系结构图。0017图7是本专利的无线WIFI、WIMAX技术数据包示意图。具体实施方式0018以下结合附图和实施实例对无线数字地震仪数据高速传输系统作进一步的详细说明图1为检波器阵列节点的布置图。图中13表示测线，箭头表示测线方向，检波器。
20、的阵列节点沿着测线方向等间隔布置。以图中六条测线为例，每条测线等间隔布置60个检波器阵列节点（即60道），相邻测线之间的间距为60M，每个检波器阵列节点之间相隔30M，即不同测线上的检波器阵列节点101与201之间相隔60M，同一条测线上的检波器阵列节点102与103之间的相隔30M。0019图2是四级无线网络结构图。检波器阵列节点和无线采集站构成第一级无线网络8，每个检波器阵列节点为一道地震数据采集、每个无线采集站负责区域内三条测线上的九个检波器阵列节点的数据汇集，即无线采集站1001负责将检波器阵列节点101103、201203、301303共九道的地震采集数据；第二级无线网络9由无线采集。
21、站与无线中继站构成，无线中继站负责无线采集站汇集的每道数据中继传输至数字地震仪6，所有的无线采集站与无线中继站构成一个无线MESH网络12（见附图5所示），任何一个无线采集站均可以通过无线路由方式到达无线中继站；第三级无线网络10由无线中继站与数字地震仪6构成，无线中继站将所有采集道的地震数据进行汇总通过无线传输方式远程传输至数字地震仪6；由数字地震仪6到地震资料处理解释中心7构成第四级无线网络11，方便指挥中心在指挥部也能快捷、及时地了解该区情况。0020为了保障传输系统的正常运行，实现无线高速率的地震数据传输，建立观测系统如图3所示，无线网络的组网采用如下方式第一无线传输网络中，检波器阵列。
22、节点与无线采集站之间采用无线WIFI技术，传输速率50150KBPS，采用全向天线方式；第二级无线网络中，无线MESH网络（如图5所示）中的无线采集站之间采用无线WIFI技术，以靠近无线中继站的无线采集站（即图2中的1010、1011、2010和2011）为集结点16，并沿着测线方向，传输速率采用等级制，处在最后一个无线采集站（即图2中的1001、2001、1020和2020）与相邻的无线采集站之间的通信速率采用2MBIT/S、为集结点的无线采集站（即图2中的1010、1011、2010和2011）与无线中继站之间的通信采用无线WIFI技术，传输速率为11MBIT/S，采用定向天线；处在中间的。
23、无线采集站与相邻的无线采集站之间的通信采用55MBIT/S，采用全向天线；第三级无线网络中，无线中继站到数字地震仪使用无线城域网的WIMAX技术，传输速率控制在20MBIT/S，采用定向说明书CN102307397ACN102307404A5/5页7天线。0021同时，为了实现数据的高速率传输，无线WIFI、WIMAX技术的物理层使用正交频分复用（OFDM）多载波技术；同时为了实现双向通信功能且使上下行链路传输速率不一致，通过设置上行链路使用的OFDM子信道数远远大于下行链路使用的OFDM子信道数。0022图4为无线数字地震仪数据高速率传输系统示意图，包括地震资料处理解释中线7、数字地震仪6、。
24、2个无线中继站4和5、40个无线采集站10011020、和20012020、360个检波器阵列节点101160、201260、301360、401460、501560和601660。正常工作情况下，以每三条测线组成一条宽线，每个无线采集站负责三条测线上的九道地震采集数据的汇集，每个无线中继站负责二十个无线采集站共180道地震数据的汇集。其中无线采集站10011009将接收到对应检波器阵列节点的地震数据通过无线MESH网络中的路由节点传输至无线采集站1010，类似的是无线采集站20012009将其中的地震数据通过无线路由方式传输至无线采集站2010，无线采集站10121020将地震数据传输至无线。
25、采集站1011，无线采集站20122020将地震数据传输至无线采集站2011。无线中继站4负责接收无线采集站1010和2010汇集的地震数据，共180道，无线中继站5负责接收无线采集站1011和2011汇集的地震数据，共180道。无线中继站4和5将各自接收的180道地震数据远程传输至数字地震仪6中。最后，数字地震仪6通过卫星通信系统远程传至地震资料处理解释中心7。0023图6为无线MESH网络协议体系结构示意图。每个无线接入点和无线路由节点包括无线物理层、无线物理地址层、IP以及其它高层。其中，路由节点/接入点1008具备路由和接入的双重功能，可以同时实现检波器阵列节点的无线接入和无线采集站到。
26、其它无线采集站的路由，TTRP表示路由算法，接入节点1001可以通过TTRP路由算法以多跳的方式到达无线MESH网络的接入点4。0024图7为无线WIFI、WIMAX技术数据包结构图。数据包包括接收节点、发送节点、目的节点、源节点、目的MAC、源MAC以及携带的数据信息。接收节点和发送节点作为包头1用来确定下一跳的地址，目的节点和源节点作为包头2为目的地址。说明书CN102307397ACN102307404A1/4页8图1说明书附图CN102307397ACN102307404A2/4页9图2图3说明书附图CN102307397ACN102307404A3/4页10图4图5说明书附图CN102307397ACN102307404A4/4页11图6图7说明书附图CN102307397A。