專利名稱：多節(jié)點(diǎn)同步采集時(shí)間誤差的精確測(cè)量和校正方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地球物理勘探領(lǐng)域，特別涉及多節(jié)點(diǎn)同步采集時(shí)間誤差的精確測(cè)量和校正裝置。
背景技術(shù)：
理想情況下，地震拖纜采集系統(tǒng)中所有采集節(jié)點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱節(jié)點(diǎn))應(yīng)在同一時(shí)刻接收到“上傳地震數(shù)據(jù)命令(用于通知所有節(jié)點(diǎn)上傳地震數(shù)據(jù)的命令)”，并將同一時(shí)刻被轉(zhuǎn)換完成的地震數(shù)據(jù)上傳至控制與處理中心。傳統(tǒng)的地震拖纜采集系統(tǒng)中，在拖纜最前端設(shè)置一個(gè)具有高穩(wěn)定度的同步采集主時(shí)鐘，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在這個(gè)同步采集主時(shí)鐘的控制和協(xié)調(diào)下對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換。但實(shí)際情況下，“上傳地震數(shù)據(jù)命令”從系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理中心傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)或從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生傳輸延時(shí)，且這種傳輸延時(shí)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加(即傳輸距離的增大)而增大。正因?yàn)檫@種傳輸延時(shí)的存在，從而使各個(gè)節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)接收到“上傳地震數(shù)據(jù)命令”。由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到“上傳地震數(shù)據(jù)命令” 的時(shí)刻不同，所以上傳的地震數(shù)據(jù)不再是同一時(shí)刻被轉(zhuǎn)換完成的地震數(shù)據(jù)，即存在采集的同步誤差。目前主流的地震儀器標(biāo)明的同步精度為微秒級(jí)，但由于實(shí)際采集和記錄的數(shù)據(jù)以樣點(diǎn)為單位，所以第一個(gè)樣點(diǎn)的處理方法是系統(tǒng)同步采集精度的關(guān)鍵，目前國(guó)外主流地震探測(cè)拖纜的同步精度只能夠達(dá)到一個(gè)采樣周期，如System Four和ARIE ；占市場(chǎng)主要份額的法國(guó)krcel公司的探測(cè)拖纜系統(tǒng)的同步采集精度也只有0. 25ms[1-3]，因此這些儀器的實(shí)際采集同步精度只有毫秒級(jí)(詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1]羅蘭兵，賈艷芳.首個(gè)樣點(diǎn)的處理方法對(duì)同步精度的影響[J].物探裝備，2009,19 ) =219-220. [2]羅蘭兵，董世學(xué).地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)延遲時(shí)研究與分析[J]·吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2005，35 (Si) :62-65.文獻(xiàn)[3] 朱德兵，平利姣，朱自強(qiáng).淺層地震勘探數(shù)據(jù)擬同步采集時(shí)差分析與實(shí)踐[J].地球物理學(xué)進(jìn)展.勸08，23(6) :1958-1962.)。隨著地震勘探拖纜采集系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)的不斷增加，傳輸延時(shí)越來(lái)越大，而現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)中的方法只能使采集的同步精度達(dá)到微秒級(jí)，這樣大的同步誤差將會(huì)對(duì)地震數(shù)據(jù)的后續(xù)處理帶來(lái)諸多不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，做到(1)提供一種信號(hào)傳輸延時(shí)測(cè)量模型及方法。通過(guò)此模型和方法，能精確測(cè)量需要被校正的同步誤差量。(2)基于所述的信號(hào)傳輸延時(shí)測(cè)量模型，提供一種同步誤差的校正方法，能將所有節(jié)點(diǎn)采集地震信號(hào)的同步誤差完全消除，從而使采集的同步誤差為0。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種多節(jié)點(diǎn)同步采集時(shí)間誤差的精確測(cè)量和校正裝置，應(yīng)用于拖纜采集系統(tǒng)，拖纜采集系統(tǒng)主要包括控制與處理中心、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、采集節(jié)點(diǎn)，控制與處理中心產(chǎn)生主時(shí)鐘，其特征是，所述裝置構(gòu)成為延時(shí)測(cè)量模塊DMM、延時(shí)校正模塊DCM_i，i = 1,2,…，n，表示第i個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，延時(shí)測(cè)量模塊DMM設(shè)置在數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中，延時(shí)校正模塊DCM_i設(shè)置在相應(yīng)的第i個(gè)采集節(jié)點(diǎn)中延時(shí)測(cè)量模塊DMM用于(1)采用內(nèi)同步的方式將主時(shí)鐘信號(hào)調(diào)制到命令數(shù)據(jù)流中，并通過(guò)信號(hào)線向各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)傳輸；(2)測(cè)量模塊DMM發(fā)出一個(gè)用于測(cè)量傳輸延時(shí)的特征信號(hào)，然后記錄并保存下此特征信號(hào)經(jīng)過(guò)所有采集節(jié)點(diǎn)后，被回傳到延時(shí)測(cè)量模塊DMM 的時(shí)間；C3)完成傳輸延時(shí)校正量的運(yùn)算過(guò)程；(4)采用異步通信的方式將傳輸延時(shí)校正量傳輸?shù)礁鱾€(gè)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)中；( 實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的使能與非使能的工作狀態(tài)；延時(shí)校正模塊DCM_i主要完成以下功能(1)接收同步信息和命令數(shù)據(jù)；(2)命令解碼及控制；(3)延時(shí)校正量的接收及傳輸延時(shí)的校正。延時(shí)測(cè)量模塊DMM中設(shè)置有定時(shí)器、計(jì)算模塊，首先由延時(shí)測(cè)量模塊DMM在、時(shí)刻發(fā)送出一個(gè)特征信號(hào)，并與此同時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM中的計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)i，i = 1,2,…，n，接收到這個(gè)特征信號(hào)后，將此特征信號(hào)傳回到延時(shí)測(cè)量模塊DMM中， 當(dāng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM接收到此被傳回的特征信號(hào)時(shí)，記下所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，然后通過(guò)計(jì)算模塊進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算出傳輸延時(shí)量Δ、。延時(shí)校正模塊DCM_i，當(dāng)?shù)趇個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到上傳地震數(shù)據(jù)命令后，i = 1,2, ···，!!， 啟動(dòng)延時(shí)校正模塊DCM_i進(jìn)行Δ tn-Ati時(shí)間量的延時(shí)，然后通過(guò)信號(hào)線啟動(dòng)自身采集節(jié)點(diǎn)中地震數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程，最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到上傳地震數(shù)據(jù)命令的延時(shí)為Atn，Ati表示從延時(shí)測(cè)量模塊DMM發(fā)出特征信號(hào)到此特征信號(hào)被傳回至延時(shí)測(cè)量模塊DMM所產(chǎn)生的傳輸延時(shí)量。一種多節(jié)點(diǎn)同步采集時(shí)間誤差的精確測(cè)量和校正方法，借助于權(quán)1所述裝置實(shí)現(xiàn)，并包括下列步驟第一步是確定特征信號(hào)的信號(hào)形式信號(hào)被命名為Signal_g，其中Signal_g被設(shè)置成周期Tsg為無(wú)窮大，具有20ns正脈寬的單極性矩形波信號(hào)；第二步是詳細(xì)敘述信號(hào)由延時(shí)測(cè)量模塊DMM25傳送到各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的傳輸延時(shí)的測(cè)量過(guò)程在延時(shí)測(cè)量模塊DMM中設(shè)置有一個(gè)時(shí)鐘周期為Tm的計(jì)數(shù)器CTer，延時(shí)測(cè)量模塊 DMM在、時(shí)刻啟動(dòng)CTer開(kāi)始計(jì)數(shù)，并同時(shí)發(fā)出Signal_g信號(hào)，延時(shí)校正模塊DCM_1接收到 Signal_g后，一方面將Signal_g信號(hào)傳向第2個(gè)節(jié)點(diǎn)，另一方面將Signal_g信號(hào)進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為TT的延時(shí)后，傳回至延時(shí)測(cè)量模塊DMM，當(dāng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM檢測(cè)到被第1個(gè)節(jié)點(diǎn)回傳的Signal_g時(shí)，保存計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值CTer_t_l ；依此類推，當(dāng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM檢測(cè)到被第i個(gè)節(jié)點(diǎn)回傳的Signal_g時(shí)，保存計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值CTer_t_i ；假設(shè)Signal_g信號(hào)從延時(shí)測(cè)量模塊DMM25傳送到第i個(gè)節(jié)點(diǎn)由FPGA內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的總的傳輸延時(shí)為TDi τ，且假設(shè) Signal_g信號(hào)從第i個(gè)節(jié)點(diǎn)回傳到延時(shí)測(cè)量模塊DMM25中由FPGA內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的總的傳輸延時(shí)為TiD τ，則Signal_g信號(hào)從延時(shí)測(cè)量模塊DMM傳送到第i個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸延時(shí)為
CTer t ixT + T -TM =- - -Γ lD-T .
‘ 2 ’第三步是所有采集節(jié)點(diǎn)傳輸延時(shí)的校正過(guò)程通過(guò)上述延時(shí)校正方法可知，各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的延時(shí)校正量Ti為T1=K-叫-、^--…徹」-nIcnr-tJ
延時(shí)測(cè)量模塊DMM通過(guò)上式，計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的延時(shí)時(shí)間校正量Ti,假設(shè)節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)地址為address」，i = 1,2,…，則延時(shí)測(cè)量模塊DMM采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的異步通信方式將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的延時(shí)校正量Ti傳送到各個(gè)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)地址的采集節(jié)點(diǎn)中。本發(fā)明具有如下技術(shù)效果(1)突破現(xiàn)有地震儀器采集地震信號(hào)的同步采集誤差高達(dá)幾百微秒的現(xiàn)狀，本發(fā)明能將多節(jié)點(diǎn)采集地震信號(hào)的同步誤差減小到納秒的量級(jí)。(2)在不增加系統(tǒng)中傳輸信號(hào)線的情況下，利用系統(tǒng)中本身所具有的傳輸信號(hào)線 32、35、53以及結(jié)合本發(fā)明中設(shè)計(jì)的特殊的傳輸延時(shí)測(cè)量模型，實(shí)現(xiàn)“上傳地震數(shù)據(jù)命令”從數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊18出發(fā)，傳輸?shù)剿泄?jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)(同步采集誤差)的精確測(cè)量。本發(fā)明中的延時(shí)測(cè)量方案能巧妙利用現(xiàn)有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行延時(shí)測(cè)量與校正，系統(tǒng)的開(kāi)銷小，結(jié)構(gòu)巧妙，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。(3)采用將所有節(jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)對(duì)準(zhǔn)到最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)的方法，實(shí)現(xiàn)了傳輸延時(shí)的精確校正，此方法簡(jiǎn)單易行。(4)對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量沒(méi)有限制，不管節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有多少，運(yùn)用此方法均能對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)(同步采集誤差)進(jìn)行精確的測(cè)量與校正，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的同步采集。


圖1示出本發(fā)明的拖纜采集系統(tǒng)總體方案框圖。圖2示出本發(fā)明中用于測(cè)量傳輸延時(shí)的模型。圖3示出本發(fā)明中數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的結(jié)構(gòu)。圖4示出本發(fā)明中采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。圖5示出本發(fā)明的各節(jié)點(diǎn)的延時(shí)量及校正過(guò)程。圖6示出本發(fā)明中Signal_g信號(hào)的形式。圖7示出本發(fā)明中延時(shí)校正量的數(shù)據(jù)幀格式。圖1中1為控制與處理中心；2為聲源；3為聲波；4為拖纜頭部連接器；5為數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊；6為海平面；7為系統(tǒng)控制命令及同步采集主時(shí)鐘下行傳輸鏈路；8為數(shù)據(jù)和狀態(tài)上行傳輸鏈路；9、10、11、12為傳感器；13為海床；14為采集節(jié)點(diǎn)；15為尾部連接器；16 為尾部浮標(biāo)。圖2中17為控制與處理中心；18為數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊；19、20、21和22為采集節(jié)
點(diǎn)ο圖3中23為命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)總線；24為主時(shí)鐘；25為延時(shí)測(cè)量模塊DMM ；26為數(shù)據(jù)、狀態(tài)接收與預(yù)處理模塊；27和28為信號(hào)線；29為下行信號(hào)驅(qū)動(dòng)器；30為上行信號(hào)驅(qū)動(dòng)器；31為RS485芯片；32為傳輸雙絞線；33為上行驅(qū)動(dòng)器30的使能控制信號(hào)線；34為地震數(shù)據(jù)傳輸線。圖4中35和53為雙絞線；36和50為上行信號(hào)驅(qū)動(dòng)器；37和51為下行信號(hào)驅(qū)動(dòng)器；38和52為RS485驅(qū)動(dòng)芯片；39、40、48和49為信號(hào)線；41為上行控制模塊；42為延時(shí)校正模塊；43為主時(shí)鐘恢復(fù)鎖相環(huán)PLL ；44為信號(hào)線；45為地震數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)模塊；46為采集節(jié)點(diǎn)中的FGPA模塊；47為模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC電路力4為地震數(shù)據(jù)傳輸線；55為下行驅(qū)動(dòng)器37的使能控制信號(hào)線；56為上行驅(qū)動(dòng)器50的使能控制信號(hào)線。圖5中57為數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊18傳出“上傳地震數(shù)據(jù)命令”的時(shí)刻；58為第1個(gè)采集節(jié)點(diǎn)19接收“上傳地震數(shù)據(jù)命令”的時(shí)刻；59為第2個(gè)采集節(jié)點(diǎn)20接收“上傳地震數(shù)據(jù)命令”的時(shí)刻；60為第η個(gè)采集節(jié)點(diǎn)22接收“上傳地震數(shù)據(jù)命令”的時(shí)刻。61為經(jīng)校正后第1個(gè)采集節(jié)點(diǎn)18上傳地震數(shù)據(jù)的時(shí)刻；62為經(jīng)校正后第2個(gè)采集節(jié)點(diǎn)19上傳地震數(shù)據(jù)的時(shí)刻；63為經(jīng)校正后第η個(gè)采集節(jié)點(diǎn)22上傳地震數(shù)據(jù)的時(shí)刻。圖6為Signal_g信號(hào)的形式。圖7中64為延時(shí)校正量的數(shù)據(jù)幀格式。
具體實(shí)施例方式為克服現(xiàn)有技術(shù)的前述不足，本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是(1)克服現(xiàn)有技術(shù)中采用粗略估計(jì)的方法估計(jì)傳輸延時(shí)量時(shí)誤差大的缺點(diǎn)，提供一種傳輸延時(shí)測(cè)量模型及方法。通過(guò)此模型和方法，能精確測(cè)量“上傳地震數(shù)據(jù)命令”從控制與處理中心傳輸?shù)礁鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)傳輸延時(shí)量(同步采集誤差量)。(2)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中大量節(jié)點(diǎn)同步采集精度只有微秒級(jí)的問(wèn)題，基于(1)中所述的傳輸延時(shí)測(cè)量模型，提供一種同步誤差的校正方法，能將所有節(jié)點(diǎn)采集的同步誤差完全消除，從而使采集的同步誤差為0。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，精確測(cè)量各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)上傳地震數(shù)據(jù)時(shí)間誤差的方法及將這些時(shí)間誤差完全消除的校正方法，包括下列步驟第一步是確定拖纜采集系統(tǒng)總體方案。拖纜采集系統(tǒng)總體方案框圖主要由拖船中的控制與處理中心1，聲源2，拖纜頭部連接器4，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊5，系統(tǒng)控制命令及同步采集主時(shí)鐘下行傳輸鏈路7，數(shù)據(jù)和狀態(tài)上行傳輸鏈路8，傳感器9，數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)14，尾部連接器15和尾部浮標(biāo)16組成。第二步是提出在拖纜采集系統(tǒng)中測(cè)量信號(hào)傳輸延時(shí)的模型。信號(hào)傳輸延時(shí)的測(cè)量模型由第1個(gè)節(jié)點(diǎn)19、第2個(gè)節(jié)點(diǎn)20、第i個(gè)節(jié)點(diǎn)21、……、 第η個(gè)節(jié)點(diǎn)22等η個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，控制與處理中心17，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊18組成，如圖2所示。所述數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊18主要由主時(shí)鐘Μ，延時(shí)測(cè)量模塊DMM(Delay Measurement Module) 25，數(shù)據(jù)、狀態(tài)接收與預(yù)處理模塊沈，上行信號(hào)驅(qū)動(dòng)器四和下行信號(hào)驅(qū)動(dòng)器30組成，如圖3所示。主時(shí)鐘M由一個(gè)具有高精度、高穩(wěn)定度和低相位誤差的溫度補(bǔ)償晶體壓控振蕩器提供。延時(shí)測(cè)量模塊DMM25主要完成如下功能(1)采用內(nèi)同步的方式將主時(shí)鐘信號(hào)調(diào)制到命令數(shù)據(jù)流中，并通過(guò)信號(hào)線27向各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)傳輸；(2)測(cè)量模塊DMM25發(fā)出一個(gè)用于測(cè)量傳輸延時(shí)的特征信號(hào)，然后記錄并保存下此特征信號(hào)經(jīng)過(guò)所有節(jié)點(diǎn)后，被回傳到延時(shí)測(cè)量模塊DMM25的時(shí)間；C3)完成傳輸延時(shí)校正過(guò)程的運(yùn)算過(guò)程；(4)采用異步通信號(hào)的方法將傳輸延時(shí)校正量傳輸?shù)礁鱾€(gè)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)中；( 實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)驅(qū)動(dòng)器30的使能與非使能的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)、狀態(tài)接收與預(yù)處理模塊26在控制與處理中心17的控制下，實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)和采集節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的接收與預(yù)處理功能。上行信號(hào)驅(qū)動(dòng)器四和下行信號(hào)驅(qū)動(dòng)器30由一片RS485接口芯片31組成，通過(guò)巧妙的連接，實(shí)現(xiàn)了只需要一對(duì)傳輸雙絞線32就能完成信號(hào)的上行與下行分時(shí)傳輸?shù)墓δ?。所有采集?jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能相同，如圖4所示。節(jié)點(diǎn)i(n0de_i，i = 1,2,'", η) 21主要由驅(qū)動(dòng)芯片38，上行控制模塊UCM_i (Uplink Control Module) 41，延時(shí)校正模塊DCM_i (DelayCorrection Module) 42，數(shù)字鎖相環(huán)PLL43，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC電路47，驅(qū)動(dòng)芯片52 組成。驅(qū)動(dòng)芯片38和52用于實(shí)現(xiàn)特征信號(hào)的下行與上行的傳輸。上行控制模塊UCM_i(i =1，2，···，η)41主要完成對(duì)特征信號(hào)的回傳控制功能。延時(shí)校正模塊DCM_i(i = 1,2,···, η)42主要完成以下功能(1)接收同步信息和命令數(shù)據(jù)；(2)命令解碼及控制；(3)延時(shí)校正量的接收及傳輸延時(shí)的校正。鎖相環(huán)PLL43用于從命令數(shù)據(jù)流中恢復(fù)主時(shí)鐘信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC電路47用于將地震模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成地震數(shù)字信號(hào)。地震數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)模塊45 一方面接收自身采集節(jié)點(diǎn)接收到的地震數(shù)據(jù)，另一方面接收下一級(jí)采集節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的地震數(shù)據(jù)；然后將這些地震數(shù)據(jù)打包后傳向上一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)。所述其它的節(jié)點(diǎn)，如第1個(gè)節(jié)點(diǎn)19、第2個(gè)節(jié)點(diǎn)20、第η個(gè)節(jié)點(diǎn)22和其它被省略的η-3個(gè)節(jié)點(diǎn)，與第i個(gè)節(jié)點(diǎn)21所述的結(jié)構(gòu)和功能相同，這里不一一列舉。第三步是根據(jù)以上所述，確定各節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)卣鹦盘?hào)的時(shí)間誤差的測(cè)量及校正方法。所述拖纜采集系統(tǒng)中不同節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)的時(shí)間誤差是由于“上傳地震數(shù)據(jù)命令”在傳輸線和各節(jié)點(diǎn)中傳輸產(chǎn)生的。假設(shè)“上傳地震數(shù)據(jù)命令”從數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊 18中的延時(shí)測(cè)量模塊DMM25中傳出的時(shí)刻為t0，如圖5所示，則由于傳輸延時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)1 接收到“上傳地震數(shù)據(jù)命令”的時(shí)刻不是、時(shí)刻，而是、時(shí)刻，依此類推，采集節(jié)點(diǎn)η在tn 時(shí)刻接收到“上傳地震數(shù)據(jù)命令”。顯然，如果不對(duì)這些傳輸延時(shí)進(jìn)行校正處理，測(cè)各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)在接收到“上傳地震數(shù)據(jù)命令”后，傳送地震數(shù)據(jù)的時(shí)刻肯定是不一樣的，即會(huì)產(chǎn)生多節(jié)點(diǎn)同步采集地震信號(hào)的時(shí)間誤差。為了克服此同步采集誤差，本發(fā)明提出了一種同步采集時(shí)間誤差的校正方法。此校正方法的前提是需要知道信號(hào)從預(yù)處理模塊出發(fā)，傳輸?shù)礁鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)的精確的傳輸延時(shí)量，所以本發(fā)明首先在上述第一步和第二步中對(duì)測(cè)量傳輸延時(shí)的模型進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并通過(guò)本發(fā)明中所提出的傳輸延時(shí)測(cè)量模型，能精確測(cè)量出圖 5中At1 Atn的大小。傳輸延時(shí)的測(cè)量過(guò)程如下如圖2中所示，首先由延時(shí)測(cè)量模塊 DMM25在、時(shí)刻發(fā)送出一個(gè)特征信號(hào)，并與此同時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM25中的計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。采集節(jié)點(diǎn)Ui = 1，2，…，η)通過(guò)ai — di通路接收到這個(gè)特征信號(hào)后，將通過(guò) di — bi — ai通路將此特征信號(hào)傳回到延時(shí)測(cè)量模塊DMM25中，當(dāng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM25接收到此被傳回的特征信號(hào)時(shí)，記下所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，然后通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算出傳輸延時(shí)量△、。說(shuō)明由于不同頻率信號(hào)在雙絞線上產(chǎn)生的傳輸延時(shí)變化很微小，所以本發(fā)明可認(rèn)為不同頻率信號(hào)在雙絞線上產(chǎn)生的傳輸延時(shí)不變，由此，我們可得在雙絞線上傳輸特征信號(hào)產(chǎn)生的延時(shí)與傳輸“上傳地震數(shù)據(jù)命令”產(chǎn)生的延時(shí)相同，即都為Δ、。下面進(jìn)行傳輸延時(shí)校正方法的闡述。由圖5可知，最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到“上傳地震數(shù)據(jù)命令”的延時(shí)最大，各個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳自身地震數(shù)據(jù)的時(shí)刻不同，即存在同步采集誤差；所以本發(fā)明提出了一種同步采集誤差的校正方法。方法是在每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的延時(shí)校正模塊DCM中設(shè)置一個(gè)校正延時(shí)模塊；當(dāng)?shù)趇(i = 1,2,…，η)個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到“上傳地震數(shù)據(jù)命令”后，啟動(dòng)校正延時(shí)模塊進(jìn)行Atn-Ati時(shí)間量的延時(shí)，然后通過(guò)信號(hào)線44啟動(dòng)自身采集節(jié)點(diǎn)中地震數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程，如圖4所示。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)量被校正后，各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)上傳自身地震數(shù)據(jù)的時(shí)刻都被校正到tn時(shí)刻，即所有采集節(jié)點(diǎn)都在tn時(shí)刻開(kāi)始上傳自身的地震數(shù)據(jù)。經(jīng)上述過(guò)程校正后，所有節(jié)點(diǎn)采集地震數(shù)據(jù)的時(shí)刻相同，即實(shí)現(xiàn)真正的同步采集。
本發(fā)明所述同步采集主時(shí)鐘傳輸延時(shí)測(cè)量部分的優(yōu)點(diǎn)是(1)突破現(xiàn)有地震儀器采集地震信號(hào)的同步采集誤差高達(dá)幾百微秒的現(xiàn)狀，本發(fā)明能將多節(jié)點(diǎn)采集地震信號(hào)的同步誤差減小到納秒的量級(jí)。(2)在不增加系統(tǒng)中傳輸信號(hào)線的情況下，利用系統(tǒng)中本身所具有的傳輸信號(hào)線32、35、53以及結(jié)合本發(fā)明中設(shè)計(jì)的特殊的傳輸延時(shí)測(cè)量模型，實(shí)現(xiàn)“上傳地震數(shù)據(jù)命令”從數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊18出發(fā)，傳輸?shù)剿泄?jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)的精確測(cè)量。本發(fā)明中的延時(shí)測(cè)量方案能巧妙利用現(xiàn)有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行延時(shí)測(cè)量與校正，系統(tǒng)的開(kāi)銷小，結(jié)構(gòu)巧妙，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。(3)采用將所有節(jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)對(duì)準(zhǔn)到最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)的方法，實(shí)現(xiàn)了傳輸延時(shí)的精確校正，此方法簡(jiǎn)單易行。(4)對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量沒(méi)有限制，不管節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有多少，運(yùn)用此方法均能對(duì)所有節(jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)進(jìn)行精確的測(cè)量與校正，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的同步采集。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明的技術(shù)方案是，先通過(guò)延時(shí)測(cè)量模型精確測(cè)量出“上傳地震數(shù)據(jù)命令”從數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊傳送到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸延時(shí)。然后通過(guò)傳輸延時(shí)校正方法將各個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳自身地震數(shù)據(jù)的時(shí)刻校正到同一時(shí)刻。第一步是確定特征信號(hào)的信號(hào)形式，此信號(hào)被命名為Signal_g。其中Signal_g被設(shè)置成周期Tsg為無(wú)窮大，具有20ns正脈寬的單極性矩形波信號(hào)，如圖6所示。第二步是詳細(xì)敘述信號(hào)由延時(shí)測(cè)量模塊DMM25傳送到各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的傳輸延時(shí)的測(cè)量過(guò)程。在延時(shí)測(cè)量模塊DMM25中設(shè)置有一個(gè)時(shí)鐘周期為Tm的計(jì)數(shù)器CTer。延時(shí)測(cè)量模塊DMM25在、時(shí)刻啟動(dòng)CTer開(kāi)始計(jì)數(shù)，并同時(shí)發(fā)出Signal_g信號(hào)，信號(hào)經(jīng) aO — d0 — eO — al — dl傳送到第1個(gè)節(jié)點(diǎn)19中的延時(shí)校正模塊DCM_1。延時(shí)校正模塊 DCM_1接收到Signal_g后，一方面將Signal_g信號(hào)沿dl — el — a2通路傳向第2個(gè)節(jié)點(diǎn) 20，另一方面將Signal_g信號(hào)進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為TT的延時(shí)后，再沿dl — bl — al — eO — cO — a0 通路傳回至延時(shí)測(cè)量模塊DMM25。當(dāng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM25檢測(cè)到被第1個(gè)節(jié)點(diǎn)19回傳的 Signal_g時(shí)，保存計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值CTer_t_l。同理，延時(shí)校正模塊DCM_2接收到Signal_g 后，一方面將Signal_g信號(hào)沿d2 — e2 — a3通路傳向第3個(gè)節(jié)點(diǎn)，另一方面將Signal_g信號(hào)進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為TT的延時(shí)后，再沿沿d2 — 1^2 — a2 — el — cl — bl — al — e0 — c0 — a0通路傳回至延時(shí)測(cè)量模塊DMM25。當(dāng)時(shí)測(cè)量模塊DMM25檢測(cè)到被第2個(gè)節(jié)點(diǎn)20回傳的Signal_ g時(shí)，保存計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值CTer_t_2。依此類推，當(dāng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM25檢測(cè)到被第i個(gè)節(jié)點(diǎn)21回傳的Signal_g時(shí)，保存計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值CTer_t_i。說(shuō)明在該延時(shí)測(cè)量模型中，當(dāng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM25發(fā)送出Signal_g信號(hào)后，延時(shí)測(cè)量模塊DMM25第1次接收到的Signal_g信號(hào)是經(jīng)a0 — d0 — e0 — c0 — a0通路回傳的，而不是被采集節(jié)點(diǎn)回傳的，故計(jì)數(shù)器CTer不保存第1次接收到Signal_g信號(hào)時(shí)所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值。同理，上行控制模塊UCM_i(i = 1，2，…，η)第1次接收到的Signal_g信號(hào)是經(jīng)di — ei — ci通路回傳的，而不是經(jīng)下級(jí)采集節(jié)點(diǎn)回傳的，故上行控制模塊UCM_i不對(duì)第1次接收到的Signal_g信號(hào)進(jìn)行回傳轉(zhuǎn)發(fā)，而是從第2次開(kāi)始進(jìn)行回傳轉(zhuǎn)發(fā)。為了保證Signal_g信號(hào)被延時(shí)校正模塊DCM回傳之前，DMM已經(jīng)將Signal_g信號(hào)傳送完成，所以在DCM回傳Signal_g信號(hào)之前，先對(duì)Signal_g信號(hào)產(chǎn)生時(shí)長(zhǎng)為TT的延時(shí)，TT可設(shè)置在 500ns-lus 之間。
將Signal_g信號(hào)從ai點(diǎn)傳到di點(diǎn)(圖2)，所產(chǎn)生的傳輸延時(shí)用tai — di表示；其它傳輸延時(shí)用同樣的方法表示。假設(shè)Signal_g信號(hào)從延時(shí)測(cè)量模塊DMM25中的aO點(diǎn)傳送到第i個(gè)節(jié)點(diǎn)21中的di點(diǎn)，由信號(hào)驅(qū)動(dòng)器及傳輸線產(chǎn)生的總的傳輸延時(shí)為TDi』，由FPGA內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的總的傳輸延時(shí)為TDi τ，則Tml = te0 — al+tel — a2+te2 — a3+…+、(η) — ai (1)ΤΜ—τ = ta0 - do - eO+tal - dl - el + '" +ta(i-l) - d(i-l) - e(i-l)+tai - di (2)假設(shè)Signal_g信號(hào)從采集節(jié)點(diǎn)i中的di點(diǎn)回傳到延時(shí)測(cè)量模塊DMM25中的aO 點(diǎn)，由信號(hào)驅(qū)動(dòng)器及傳輸線產(chǎn)生的總的傳輸延時(shí)為y由FPGA內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的總的傳輸延時(shí)為TiD T，則TiD—L =、卜“⑷+…+‘卜說(shuō)+‘ — “+‘卜⑷(3)TiD T = tdi-bi-ai+te(i-l) -c(i-l) -a(i-l)+'"+te2-c2-a2+tel-cl-al + te0-c0-a0+i ^ TT (4)由以上所述延時(shí)測(cè)量模型可知，Signal_g信號(hào)從aO點(diǎn)傳送到di點(diǎn)，然后再?gòu)膁i 點(diǎn)回傳到aO點(diǎn)，總的傳輸延時(shí)Tlotel i為Tlotelj = TDi—L+TDi—T+TiD—L+TiD—T (5)易知Tlotelj = CTer_t_iXTCLK (6)由于信號(hào)傳輸線是同一根信號(hào)傳輸線，故有TDi L = TiD L (7)由于所有采集節(jié)點(diǎn)的硬件和處理過(guò)程相同，故可認(rèn)為tal-dl-el = ta2-d2-e2 ="'= ta(i-l) - d (i-1) - e (i-1) (^)此時(shí)(2)式寫為Tm t = ta0 — d0 — e0+ (i_l) tal — d卜 el+tai — di (9)同理，可得tel-cl-al = - c2 - a2 ="'= te (i-1) - c (i-1) - a (i-1) (10)此時(shí)(4)式寫為TiD τ = tdi —bi — ai+(i_l)tel — cl —al+te0 —c0 —a0+iXTT (11)在FPGA 中，通過(guò)時(shí)序仿真可得到 ta0 — d0 — e0、tal — dl — el、tai — di、tdi — b卜 ai、tel — cl — al、 U —。。i。和TT的精確值。將這些已知量代入到(9)式和(11)式中可計(jì)算出Tm t與TiD T 的值，然后再結(jié)合(5)、(6)和(7)式可求得TDi L的值。用TaQ —di表示Signal_g信號(hào)從aO
點(diǎn)傳送到di點(diǎn)的總的傳輸延時(shí)，則
CTer t ixT + T —ΤT^dl=Tm_L +TDl_T =~—~CLK2 a-T lD-T (12)
CTer t ixT + T -T即Δ(= - - -r ω-Τ (13)同理，Signal_g信號(hào)從aO點(diǎn)傳送到其它采集節(jié)點(diǎn)中的傳輸延時(shí)采用上述方法均能一一求出。雙絞線每米的傳輸延時(shí)Kte如(14)式所示。Ktr = 3.35x10-9I (14)其中，ξ^為有效相對(duì)介電常數(shù)。隨環(huán)境溫度的變化時(shí)，Ir變化很小，所以在本發(fā)
1明中忽略環(huán)境溫度變化對(duì)雙絞線傳輸延時(shí)的影響。同樣，由(13)式可知，雙絞信號(hào)線對(duì)不同頻率信號(hào)的傳輸延時(shí)是一樣的，所以通過(guò)上述公式計(jì)算出的特征信號(hào)Signal_g的傳輸延時(shí)與實(shí)際的“上傳地震數(shù)據(jù)命令”信號(hào)的傳輸延時(shí)相等。第三步是所有采集節(jié)點(diǎn)傳輸延時(shí)的校正過(guò)程。通過(guò)上述圖5中延時(shí)校正方法可知，各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的延時(shí)校正量Ti為
權(quán)利要求
1.一種多節(jié)點(diǎn)同步采集時(shí)間誤差的精確測(cè)量和校正裝置，應(yīng)用于拖纜采集系統(tǒng)，拖纜采集系統(tǒng)主要包括控制與處理中心、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、采集節(jié)點(diǎn)，控制與處理中心產(chǎn)生主時(shí)鐘，其特征是，所述裝置構(gòu)成為延時(shí)測(cè)量模塊DMM、延時(shí)校正模塊DCM_i，i = 1,2,…，n，表示第i個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，延時(shí)測(cè)量模塊DMM設(shè)置在數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中，延時(shí)校正模塊DCM_i設(shè)置在相應(yīng)的第i個(gè)采集節(jié)點(diǎn)中延時(shí)測(cè)量模塊DMM用于(1)采用內(nèi)同步的方式將主時(shí)鐘信號(hào)調(diào)制到命令數(shù)據(jù)流中，并通過(guò)信號(hào)線向各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)傳輸；( 測(cè)量模塊DMM發(fā)出一個(gè)用于測(cè)量傳輸延時(shí)的特征信號(hào)，然后記錄并保存下此特征信號(hào)經(jīng)過(guò)所有采集節(jié)點(diǎn)后，被回傳到延時(shí)測(cè)量模塊DMM的時(shí)間；C3)完成傳輸延時(shí)校正量的運(yùn)算過(guò)程；(4)采用異步通信的方式將傳輸延時(shí)校正量傳輸?shù)礁鱾€(gè)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)中；( 實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的使能與非使能的工作狀態(tài)；延時(shí)校正模塊DCM_i主要完成以下功能⑴接收同步信息和命令數(shù)據(jù)；⑵命令解碼及控制；(3)延時(shí)校正量的接收及傳輸延時(shí)的校正。延時(shí)測(cè)量模塊DMM中設(shè)置有定時(shí)器、計(jì)算模塊，首先由延時(shí)測(cè)量模塊DMM在、時(shí)刻發(fā)送出一個(gè)特征信號(hào)，并與此同時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM中的計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)i， i = 1,2,…，n，接收到這個(gè)特征信號(hào)后，將此特征信號(hào)傳回到延時(shí)測(cè)量模塊DMM中，當(dāng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM接收到此被傳回的特征信號(hào)時(shí)，記下所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，然后通過(guò)計(jì)算模塊進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算出傳輸延時(shí)量Δ、。延時(shí)校正模塊DCM_i，當(dāng)?shù)趇個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到上傳地震數(shù)據(jù)命令后，i = 1,2,…，n，啟動(dòng)延時(shí)校正模塊DCM_i進(jìn)行Δ tn-Ati時(shí)間量的延時(shí)，然后通過(guò)信號(hào)線啟動(dòng)自身采集節(jié)點(diǎn)中地震數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程，最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到上傳地震數(shù)據(jù)命令的延時(shí)為Atn，Ati表示從延時(shí)測(cè)量模塊DMM發(fā)出特征信號(hào)到此特征信號(hào)被傳回至延時(shí)測(cè)量模塊DMM所產(chǎn)生的傳輸延時(shí)Mo
2.一種多節(jié)點(diǎn)同步采集時(shí)間誤差的精確測(cè)量和校正方法，其特征是，借助于權(quán)1所述裝置實(shí)現(xiàn)，并包括下列步驟第一步是確定特征信號(hào)的信號(hào)形式信號(hào)被命名為Signal_g，其中Signal_g被設(shè)置成周期Tsg為無(wú)窮大，具有20ns正脈寬的單極性矩形波信號(hào)；第二步是詳細(xì)敘述信號(hào)由延時(shí)測(cè)量模塊DMM傳送到各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的傳輸延時(shí)的測(cè)量過(guò)程在延時(shí)測(cè)量模塊DMM中設(shè)置有一個(gè)時(shí)鐘周期為Tm的計(jì)數(shù)器CTer，延時(shí)測(cè)量模塊DMM 在、時(shí)刻啟動(dòng)CTer開(kāi)始計(jì)數(shù)，并同時(shí)發(fā)出Signal_g信號(hào)，延時(shí)校正模塊DCM_1接收到 Signal_g后，一方面將Signal_g信號(hào)傳向第2個(gè)節(jié)點(diǎn)，另一方面將Signal_g信號(hào)進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為TT的延時(shí)后，傳回至延時(shí)測(cè)量模塊DMM，當(dāng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM檢測(cè)到被第1個(gè)節(jié)點(diǎn)回傳的Signal_g時(shí)，保存計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值CTer_t_l ；依此類推，當(dāng)延時(shí)測(cè)量模塊DMM檢測(cè)到被第i個(gè)節(jié)點(diǎn)回傳的Signal_g時(shí)，保存計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值CTer_t_i ；假設(shè)Signal_g信號(hào)從延時(shí)測(cè)量模塊DMM傳送到第i個(gè)節(jié)點(diǎn)由FPGA內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的總的傳輸延時(shí)為TDi τ，且假設(shè) Signal_g信號(hào)從第i個(gè)節(jié)點(diǎn)回傳到延時(shí)測(cè)量模塊DMM中由FPGA內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的總的傳輸延時(shí)為TiD τ，則Signal_g信號(hào)從延時(shí)測(cè)量模塊DMM傳送到第i個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸延時(shí)為 CTer t ixT + Τ— - T—第三步是所有采集節(jié)點(diǎn)傳輸延時(shí)的校正過(guò)程通過(guò)上述延時(shí)校正方法可知，各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的延時(shí)校正量Ti為T=At -At=t _ t ACTer J _n-CTer _t_r)ιηι η2延時(shí)測(cè)量模塊DMM通過(guò)上式，計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的延時(shí)時(shí)間校正量Ti,假設(shè)節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)地址為addressj，i = 1,2,…，則延時(shí)測(cè)量模塊DMM采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的異步通信方式將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的延時(shí)校正量Ti傳送到各個(gè)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)地址的采集節(jié)點(diǎn)中。
全文摘要
本發(fā)明屬于地球物理勘探領(lǐng)域。提供一種信號(hào)傳輸延時(shí)測(cè)量模型及方法。通過(guò)此模型和方法，能精確測(cè)量需要被校正的同步誤差量，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種多節(jié)點(diǎn)同步采集時(shí)間誤差的精確測(cè)量和校正方法及裝置，應(yīng)用于拖纜采集系統(tǒng)，拖纜采集系統(tǒng)主要包括控制與處理中心、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、采集節(jié)點(diǎn)，控制與處理中心產(chǎn)生主時(shí)鐘，所述裝置構(gòu)成為延時(shí)測(cè)量模塊DMM、延時(shí)校正模塊DCM_i，i＝1，2，…，n，表示第i個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，延時(shí)測(cè)量模塊DMM設(shè)置在數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中，延時(shí)校正模塊DCM_i設(shè)置在相應(yīng)的第i個(gè)采集節(jié)點(diǎn)中。本發(fā)明主要應(yīng)用于地球物理勘探。
文檔編號(hào)G01V13/00GK102508297SQ20111029950
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月8日
發(fā)明者何智剛, 華香凝, 常宗杰, 張超, 段發(fā)階, 蔣佳佳, 陳勁 申請(qǐng)人:天津大學(xué)