0 引言

地震勘探采集仪器是地球物理勘探的核心装备，一般几年即可推出一代新产品，更新换代较快。近年来，伴随着节点技术的发展，节点地震仪器应运而生，并逐渐在各个领域得到应用，且效果较好（王百成，2000；程建远等，2013）。

2003年，东方地球物理公司推出3S地震仪器，结合RS（Remote Sensing）、GPS（Global Position System）与GIS（Geographic Information System）技术，在河南煤田项目中，完成地震数据采集。3S地震仪器的成功运用，表明节点仪器的雏形初步形成（夏颖等，2017）。2007年，Geospace公司研制GSR（GeoSpace Seismic Recorder）无线节点仪器，融合ISS（Independent Simultaneous Sweeping）技术，在BP伊拉克鲁曼拉勘探项目中进行应用，效果较为理想，获得BP公司的高度认可（封召鹏，2015）。2009年前后，FairField公司开发的Zland节点仪器逐渐得到应用。2013年，Sercel公司采用X-Tech架构，设计开发新一代地震勘探仪器508XT，通过对节点技术的应用，满足实时QC的要求，得到更好应用（雷坤乾，2018）。截至2018年，节点仪器生产厂家已不止10家，更多节点仪器投入使用。本文逐一介绍几种不同陆地节点仪器在地震系统中的应用，并分析节点技术在地震勘探采集仪器中的应用。

1 节点与ISS技术

2008年英国地质学者Dave Howe教授提出ISS技术，认为ISS技术是指不同震源可独立进行扫描工作，并根据不同震源的扫描信号确保采集记录同步的一种技术。在该技术中，不同的可控震源被分配到不同位置，可控震源扫描信号各不相同，但每次扫描的能量和频宽相等。当排列开始记录时，各震源在自己指定的工作区域自由工作，不需要等待仪器和其他震源，各震源记录每次扫描的X、Y、Z坐标和GPS时间，且震源的每次扫描均被“随机”的其他震源扫描信号所干扰（Hoover et al，2010；杨丽等，2015）。ISS技术包括野外测试和数据处理2部分内容。作为先进可控震源方法中全面现场测试的一部分，ISS技术的综合评估由WesternGeco公司在阿尔及利亚贯彻实施（Howe et al，2008；王增波等，2014）。ISS技术得到的是连续记录的数据体，包含记录区域内同步激发的可控震源所产生的不相干信号和噪音。在数据处理过程中，需在连续时间记录中切下某个周期段的时间记录，与特定扫描信号进行相关，得到某确定炮的炮记录，需要每一个可控震源提供每次扫描的真实时间和扫描参数表。得到炮集记录后，将数据抽成正交子集，即一条检波点线上所记录的一条炮线上的所有数据的集合。在该正交子集中可见，噪声在共炮点道集上是相干的，在共接收点道集上是不相干的，此时强噪声必须在处理初期进行衰减，较弱噪声可通过叠加和偏移进行压制。

Dave Howe教授提出ISS技术时，各大采集仪器生产商声称可以实现对地震数据的连续激活记录。节点技术是指，每个节点单元由检波器串、采集存储模块和电池模块组成，作为一个独立采集单元，最终将生成的原始数据存储在本地。有线系统的采集方式是：检波器接收的地震信号送到采集站进行模数转换，将数字化数据进行打包编码，经大线、交叉线等发送到地震仪主机，对数据进行译码格式编排、上磁带记录。可见，地震仪的工作主要是编码、传输和解码。目前存在的问题有：有线系统的采集道数有限，系统结构制约了带道能力，造成有线系统的使用过程中需要投入大量人员和车辆，使得维护成本较高。电子工业迅猛发展，为开发节点地震数据采集系统提供了必要条件，如：A/D转换器、Flash存储器等性能不断提高，价格不断降低，可在低成本前提下生产出可靠、耐用的节点数据采集系统。节点数据采集系统包括在单独站体内完成机械振动信号拾取、模数转换、数据存储及集中下载记录数据等步骤，实际无实时信息交换能力，以站为单位独立工作，按照精确时序连续采集的、存储式地震数据采集系统。其特点在于，打破数据传输环节，简化系统结构，由采集—传输—记录步骤转变为采集—记录（就地）—数据下载合成，即改集中记录为分散记录，施工更加快捷（罗福龙，2012）。节点系统摆脱了地震电缆的束缚，可以满足复杂环境的布设需求，且理论上节点系统具有无限大道数用于数据采集，使得系统设备大幅减少，野外施工人员减少，维护成本降低；同时，放炮过程中无需等待时间，不用查排列，提高了施工效率，此为节点地震采集系统快速发展的主要原因。

2 主流节点仪器

基于目前地震勘探仪器的应用，结合地震勘探技术的发展需求，介绍几种主流节点仪器特点及应用。

2.1 GSR

OYO GeoSpace公司开发的GSR无线节点仪器（图 1），是一种无线地震数据采集系统，具有轻便、灵活、操作简单、稳定可靠的特点，可适应不同环境要求的地震数据采集仪器，具有野外采集部分和室内下载及合成功能（卢涛等，2010）。GSR无线节点外观见图 1。

①②图片来源：OYO Geospace公司GSR用户手册

GSR节点仪器的野外数据采集部分由采集站、电池和检波器串构成。GSR采集站内置24位模数转换器、4 GB/8 GB存储卡、内置测试信号发生器及高灵敏度内置GPS接收器等，功能齐全，每站可接收1—4道近30天可连续记录（王伟等，2017）。

GSR系统的室内下载及合成包括质控和数据处理部分。GSR节点仪器采集数据经DTM（Digital Terrain Model）单元，将原始数据下载至磁盘阵列，经由处理系统处理，形成连续道集的SEGD文件。该文件每道长度为60 s，每个站每天生成1个SEGD文件。截取的每次激发的有效地震数据，是通过震动源记录终端得到的SIT表或者激发仪器的操作员电子板报所得，故SIT表记录每次激发的GPS时间（聂明涛等，2016；封召鹏等，2017）。

GSR无线节点采集系统一般由GSR、检波器和电池组成，应用实例见图 2。通过实例应用，可知GSR无线节点仪器具有以下优势：①稳定的工作特性，使得节点仪器较大减少了建排列和差排列的时间，避免了有线仪器因大线或者少数电源站不通致使停止采集的现象，为野外作业提高效率；②实现了无限大道数据采集，使得采集设备减少，以致于对野外施工人员和运载车辆的需求大幅减少，降低了项目运作成本；③采集站间无大线链接，避免部分外界因素产生的干扰，降低采集站噪音水平，提高资料信噪比；④GSR无线节点仪器适用于复杂地表，满足在山地、高风险雷区及牧区等复杂地带区域的施工要求，有效规避有线仪器架设过路线造成的安全风险隐患。

2.2 Zland

Fairfield公司研制的Zland是24位A/D转换地震数据采集系统，由野外数据采集系统和数据回收系统组成（吴铁军，2011），用于陆地勘探。Zland参数如下：单站单道，内置锂电池供电，全自主式运行，传感器电瓶内置，可根据设定时间自动开始采集，且连续记录时间达15天，施工效率仅取决于放炮速度。Zland外观见图 3，其中1分量节点站见图 3(a)，3分量节点站见图 3(b)。

③ 图片来源：Fairfield公司Zland用户手册

（1）野外采集系统由独立、自主运行的节点构成。节点无外接地震电缆，系统拥有相对安静的采集环境。采购节点时，用户可根据自身需求选择内置或外接检波器。根据GPS授时技术，Zland采集站的位置参数由操作人员通过手持终端HHT（Hand Held Terminal）输入，图 4所示为Zland节点内部结构图。当采集站内的GPS接收器被启动，开始接收GPS卫星的同步信号，再通过模数转换，从而实现自动连续采集地震数据，并将数据存储于SD卡（王翠芳等，2010）。

④⑤图片来源：Sercel公司508XT用户手册

（2）数据回收系统主要由数据回收和充电架（Data Collection and Charging Rack，简称DCCR）、记录系统（Recording System）组成。其中，记录系统由GPS接收器、记录箱体、eSATA驱动架、RAID（磁盘阵列）、光纤转换器、网络交换机和UPS构成（龚义杰等，2017）。被采集数据的传输，经电缆连接到记录系统的磁盘阵列，通过记录系统的相关软件和硬件控制。

Zland采集系统对环境要求更低，无查线步骤，野外施工人员得以缩减，项目人工成本得到降低。

2.3 Unite

Sercel公司研发的Unite系统，将WIFI及GPS技术综合考虑在内，操作模式包含盲采、实时数据传输及无线下载，客户可根据需求进行选择。Unite无线系统将采集单元（RUN）、记录单元、天线集成于一体，如同自动记录仪运转（Dean et al，2013；封召鹏，2015）。Unite外观见图 5，其中：①Unite顶部半球形内设置GPS天线，内部集成WLAN，GPS保证高精度时钟同步，WLAN提供高速无线通信；②侧面状态指示灯可显示GPS、WLAN、传感器和仪表的工作状态；③Unite中间部分有检波器接口和外部电池接口2个端口。作为WLAN传输的补充，外部电池接口包含1个网线接口，用于设置及数据下载；④Unite下部有1个无线射频识别，使得检波点分配RAN序列号工作简便。下部还安装一个内部备用电池，并有一个约16—32 GB的大容量存储器，可实现自主运行4周（12小时作业/天）。

在地形复杂、环境易受破坏或者交通堵塞地区，均有Unite无线系统的应用（Lansley，2012）。Unite无线系统的全实时能力在被动油气监测应用居多，尤其在非常规油气藏液压岩层断裂过程中的监测。中国中石化曾经进行对比测试，结果表明，Unite无线系统与有线系统接收数据几乎相同（Denis and MOUGENOT, 2013）。

Unite系统的优势在于有足够大内存容量及备用内置电池，也可根据用户需求选择外部电池供电，供电方式灵活，有效保障野外的长时间连续工作，且数据回收方式灵活，除可以站体整体回收连线下载外，可在野外通过Harvester连接CAN无线回收1 km范围内的节点数据，也可与有线传输的采集设备428XL混用。

2.4 508XT

Sercel公司2013年发布新一代地震勘探仪器508XT，采用X-Tech架构，在传统的仪器理念上创新，融合节点技术，带道能力有望达1百万道（杨继春，2015）。该系统主要由SCI-508、CX508、FDU-508、DSU1-508、TFOI-508、508大线和WTU-508组成（Ellis Robin，2014；周晓攀等，2017）。其全新X-Tech架构指跨技术架构，把有线和无线系统的优点融合在一起，由Nodes组成，一个CX-508集数器可以连接1道或多达100道或更多模拟/数字地震道。Node结合了有线和无线系统的优点，既能实现自主采集和本地存储，兼具实时QC，也能通过连接排列实时传输数据到中央记录单元。508XT系统主要地面设备见图 6。

2.4.1 系统构成

（1）SCI-508。SCI-508是连接野外排列和508XT服务器的接口，通过外接GPS授时，与排列上的CX-508内在的GPS授时进行时钟同步，承担着千兆以太网路由器的功能，统筹管理野外采集单元，不直接回收地震数据，因此，即使采集道数达到百万道，也只需配备一台SCI-508。

（2）CX-508。CX-508是地震数据传输网络中的一个节点，负责对野外排列的管理，即对采集站的时间同步、野外电子设备的测试、整个排列的供电、数据的传输与恢复等，CX-508外观见图 7。CX-508提供采集、备用和测试等3种工作模式，用户可根据具体需求进行选择。CX-508技术优势在于，其具有电源、数传和同步等3种冗余功能，以确保排列能稳定工作，保障数据不丢失，提高连续作业能力。

电源冗余功能是指，在一个排列段范围内，如果排列两端均连接CX-508，均能提供供电服务，如果此段排列某处出现故障，只要排列任意一端保持与CX-508正常连接，设备即能正常工作。若此排列段的采集站数量超出CX-508的带道能力，则不能保证超出范围的采集站正常工作。表 1所示为厂家公布的2个CX-508之间最大带道数量参考值。

数传冗余功能是指，若某处排列断开，CX-508将自动寻找与之相连接的传输路线。若无其他传输路线，此部分排列将自动进入自主模式，仍可进行实时采集并存储，传输路线恢复后，可将存储数据回传至中央单元。

同步冗余功能是指，CX-508可通过自身携带的GPS模块对野外单元进行同步授时，即便有某个或几个CX-508出现故障无法授时，排列上的单元还可通过连接的其他CX-508进行授时，保证数据记录的同步性。CX-508冗余技术见图 8（张贝贝等，2017）。

（3）FDU-508和DSU1-508。FDU-508和DSU1-508是野外排列上的采集站，负责对数据进行过滤、压缩和采样，均采用CRC循环冗余码校验控制数据传输。区别是，FDU-508需要外接模拟检波器，而DSU1-508为单分量数字检波器单元，不需外接模拟检波器。

（4）TFOI-508。TFOI-508为光纤交叉线，最大长度2 km，传输速率1 Gb/s，负责CX-508、SCI-508的连接及CX-508彼此之间的连接。

（5）508大线。508大线内部采用4根线进行数据双向传输，两两一对，若任意一根线出现问题，数据可通过另一对线束进行传输，以保证数据的完整性和安全性。

（6）WTU-508。WTU-508是单道自主陆地节点，采集的地震数据保存在内置存储器，含有自主适应QC网络技术XT-Pathfinder（图 9）。在允许范围内，WTU-508可自动寻找传输路径，将QC指标实时回传至中央单元，在地形复杂的勘探区域确保数据安全性。2个WTU-508之间允许的最大距离为100 m（杨秀泉，2018）。

2.4.2 系统应用

2015年，508XT系统首次在某石油公司部署的大道数可控震源高效采集项目应用，此为石油物探行业商业化使用该系统的典型项目之一（张贝贝等，2017）。后来，在沙特地区Turayqa气田附近，508XT陆地采集单元的强大特性，保证了某三维项目优质高效的进行。该项目总计投入508XT采集外设50 000道，采集道数15 000多道，震源车30台，2台1组采用动态滑动扫描的施工方式，每天对10 000多个震源点进行数据采集。在应用过程中，虽然508XT系统存在不足，但其独有的超大记录能力和采集模式，在提高地震采集施工效率和采集质量的同时，可为后续处理提供高信噪比、高分辨率及高保真数据。

2.5 不同节点仪器性能对比

上述几种节点地震采集系统的性能对比见表 2。

由表 2可知：GSR可连续记录28天，每道4 GB存储空间，能够满足高密度地震数据采集要求，且采集单元重量仅0.7 kg；Zland采用内置锂电池供电，在2 ms采样时，可支持连续采集数据15天，其工作时可以部分被埋置或者完全被埋置，以减少环境噪音对采集信号的干扰；Unite采用内置锂电池和外部电池连接的方式供电，连续采集数据可超40天，可根据需求采用无线回收数据或者有线下载回收数据；508XT具有电源冗余功能，可确保排列稳定工作，且可实现不间断数据采集。508XT系统可与有线系统混用，其管理的数据可以实现交叉线数据绕传和传输，实现数据传输冗余，可避免数据丢失。

3 节点仪器存在问题及改进方向

利用节点仪器采集地震数据，一般需经下载装置下载合成，才能获得完整的地震数据。因此，完整地震数据的获取滞后于采集过程，且地震数据通常在节点单元内存容量使用较多时才进行地震数据下载、合成和分析，缺少实时数据质量监控能力。在高密度采集中需要投入较多的人力和物力，满足节点仪器充电下载设备的管理，主要是因为结构设计和新技术缺乏，造成节点仪器电路复杂、功耗较大。

在节点仪器未来发展中，需要改进数据合并存在的时间滞后及结构设计问题，需进行电路简化，降低成本和功耗。通过研究世界上已有先进技术，培养创新能力，挖掘新技术，实现野外作业中有线设备和节点设备的深度融合，提高施工效率。

4 结束语

地震勘探仪器是重要的作业设备，具有较强的专业性。随着近年节点仪器的发展，在地震勘探中大量使用，发挥了重要作用。节点技术的运用，实现了从盲采到实时QC的转变，推动了采集设备有线模式和无线模式的融合。面对高速发展的科学技术，节点仪器将更加成熟，受到市场的欢迎和认可。