地震勘探监测无线通信系统研究与设计实现.pdf

摘要

石油和天然气等资源需要从自然界开采获取，采用勘探方法探测资源分布是开采前必不

可少的过程。在重、磁、电、震、放射性五大类地球物理勘探方法中，地震勘探法应用最广

泛，该方法利用人工震源产生地震波信号，经不同地层结构反射或折射后，利用地震数据反

演出地层结构，确定资源分布状况。地震勘探系统大致分为有线和无线两类，早期以有线系

统为主，但随着无线通信技术不断发展，无线系统正逐步取缔有线系统。无线地震勘探系统

是集地震波数据采集、传输、存储、处理、节点定位和状态监测等技术为一体的大型装备，

设备研发的关键是无线通信系统的设计，国外在相关设备研发方面，厂商多且更新快，而国

内相关技术仍处于研发阶段，设备自主化程度不高且更新慢，我国的无线地震勘探设备亟待

不断改进创新，以适应日新月异的需求变化。因此，本文设计了地震勘探监测的无线通信系

统，并对系统的数据传输和节点定位等关键技术做出改进，工作内容及创新主要包括：

（1）地震勘探作业区覆盖面积较大，要求无线网络通信范围广且通信质量和效率高。

LoRa是一种远距离无线通信技术，虽然有较成熟的LoRaWAN协议，但不满足海量节点的路

由通信需求，本文在LoRaWAN基础上对系统组网通信协议进行优化。组网时，不同距离段

节点适配不同通信速率，提升组网速度；数据通信时，将不同信道划分为CSMA和TDMA两

类，节点间采用CSMA和TDMA混合接入方式，解决了周期性和突发性业务并行传输冲突

问题。同时设计了专用通讯协议和组网通信流程，组建LoRa通信网络，实现可靠数据传输。

（2）通过组建的LoRa网络实现节点定位，可以降低作业人员巡检难度，提高工作效率。

传统基于RSSI测距的三边测量定位法，易受环境影响定位误差大。为适应多变的环境、提高

定位精度，设计一种基于融合测距的三角形质心定位法，RSSI测距模型具有近端误差小的优

点，而TOA测距模型远端测距误差小，利用Dixon检波和EKF算法对二者测距参数先剔除

异常值再进行测距融合，获得最优距离估计值。实际情况下测距误差是不可避免的，传统三

边测量定位结果会位于三角形范围内，通过解算三角形质心坐标实现节点定位。

（3）监测中心距离作业区较为遥远，网关需要具备超远距离通信的能力，实现远程监测

和管理勘探作业现场。因此，基于以上改进的技术方法，结合LoRa技术和4G蜂窝技术实现

无线数据传输方案，设计实现地震勘探监测无线通信系统的软硬件平台并对系统进行测试。

测试结果表明：本文提出的组网通信方法能显著降低组网耗时，提高通信质量，且在2km

以内，通信成功率大于90%；基于EKF融合测距的三角形质心定位法，在1km2内，平均定

位误差约4.2m，定位误差减小了25.5%；监测节点平均功耗仅4.83mW，达到预期要求。

关键词:地震勘探，LoRa技术，组网，测距，定位，低功耗

Abstract

Itisanessentialprocesstouseexplorationmethodstodetectthedistributionofresourcesbefore

exploitation,becauseoil,naturalgasandotherresourcesneedtobeextractedfromnature.Among

thefivekindsofgeophysicalexplorationmethods,namelygravity,magnetic,electric,seismicwave

andradioactive,seismicexplorationisthemostwidelyused.Thismethodusesartificialsourceto

generateseismicwavesignals,whicharereflectedorrefractedbydifferentstratastructures,andthen

usesseismicdatatoreflectthestratastructureanddeterminethed