[发明专利]一种基于FPGA的多编码器高速地震数据并行无损压缩方法

说明书

本发明针对地震数据传输对实时和质量的较高要求，提出了一种基于FPGA的多编码器高速地震数据并行无损压缩方法，运用N阶差分预测编码与改进的LZW算法实现两次压缩，数据压缩可达到原数据的50％以下，压缩速度是原算法的10倍以上。以Spartan6系列xc6slx100t‑2fgg484FPGA为算法硬件实现平台，设计了包含1个数据收发模块和4个压缩模块的并行无损压缩系统方法，带宽可达到4Gbps，为海量地震数据实时压缩提供了参考。

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，具体涉及一种基于FPGA的多编码器高速地震数据并行无损压缩方法。

背景技术

地质勘探过程中，海量数据的实时回收给现有地震勘探仪器带来了巨大的挑战，这也是制约地震勘探仪器发展的最主要因素。特别是，随着地震勘探的不断深入，使得地震勘探数据持续膨胀，给地震勘探仪器的采样和无线传输速度、存储器的存储容量以及计算机的处理速度造成极大压力。地震勘探仪器通常使用24位AD转换技术获取3字节有符号整形的采样数据，现在吉林大学自主研发的地震仪已经使用32位AD，AD转换位数的增加和采样道数的增加需要更高的数据传输速率来保证数据的正确性和安全性，否则会影响施工效率、勘探分辨能力等。面对大数据量的实时数据传输，带宽的瓶颈直接制约着系统的带道能力，数据压缩可以从传输的源头减少数据量，提升系统能力。

中国专利CN106772567A公开了《一种用于地震勘探仪的数据传输无损压缩算法》，首先根据前两个采样点对本采样点的预测值与本采样点的真实值之差求得预测差值ΔV，用ΔV替代本采样点24位原始数据；再根据数据特点，采用游程编码和霍夫曼编码两次压缩指示预测差值ΔV数据位数的指示数据位数段，显著减少一帧中指示数据位数段的长度。该方法具有在算法的复杂度和时效性方面，计算和实现简单，不改变采集站微处理器实时性的优点。

中国专利CN103067022A公开了《一种整型数据无损压缩方法、解压缩方法及装置》，提供一种整型数据压缩方法包括：位重组处理过程、数据块划分及基本信息存储过程和编码处理过程；该方法具有算法简单、易于实现，编码解码效率高，压缩效果好，可用于对音频数据、地震勘探信号、地球物理测井波形数据和图像数据等多种类型的整型数据进行无损压缩和解压缩的优点。

中国专利CN107135004A公开了《一种对地震数据流的自适应实时无损压缩方法》，提供一种对地震数据流的自适应实时无损压缩方法，为提高设备的传输效率，在地震勘探设备采集时，对24位模数转换后的地震数据进行自适应实时无损压缩。

虽然上述现有技术可用于地震数据的无损压缩，但都是利用算法对有限的少量地震数据处理，算法压缩效果大多停留在软件试验仿真阶段。并且算法的硬件实现处理能力与高速数据的传输需求相差甚远，对于海量的地震数据流的实时压缩与传输并不适用。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有地震压缩技术的不足，提供一种基于FPGA的多编码器高速地震数据并行无损压缩方法，运用N阶差分预测编码与改进的LZW算法实现两次压缩，能够对地震勘探仪器32位模数转换数据上实现实时高速并行无损压缩，以提高地震勘探系统的传输效率。

为实现上述目的，本发明用于对单个通道若干个周期采集到的32位地震数据进行压缩，是实时对数据流进行无损压缩，压缩后数据量大幅减小，可提高数据传输效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于FPGA的多编码器高速地震数据并行压缩方法，包括以下步骤：

A、N阶差分预测编码：使用N阶差分预测编码消除数据之间存在的冗余和减小数据的幅值；

B、以改进的LZW算法对预测编码后的值进行再压缩：