專利名稱：用于校正節(jié)點(diǎn)地震數(shù)據(jù)采集單元中的計(jì)時(shí)功能的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震勘探領(lǐng)域。更特別地，本發(fā)明涉及用于在分布式節(jié)點(diǎn)地震采集系統(tǒng)中所使用的時(shí)基(time base)的控制及校正的方法和裝置。
背景技術(shù)：
地震勘探一般地利用地震能量源來(lái)產(chǎn)生傳播到大地中并由地下地震反射物(即，特征在于彈性性質(zhì)不同的在地下巖性層或流體層之間的界面)部分反射的聲信號(hào)。反射信號(hào)(被稱為“地震反射”)由位于地面上或靠近地面的地震接收器測(cè)得并記錄，從而產(chǎn)生地下的地震測(cè)量。然后，能夠處理所記錄的信號(hào)，或地震能量數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生關(guān)于巖性地下地層、將該特征識(shí)別為例如巖性地下地層界面的信息。典型地，地震接收器成陣列布置，其中該陣列包括一行站點(diǎn)(stations)，其中每個(gè)站點(diǎn)包括接收器的串，接收器串被布置為使得記錄來(lái)自接收器行之下的地震橫截面的數(shù)據(jù)。對(duì)于遍及較大面積的數(shù)據(jù)以及對(duì)于地層的三維表示，多個(gè)單行陣列可以并排地布置，以致形成接收器網(wǎng)格。通常，站點(diǎn)及其接收器分開(kāi)地散布或者位于遠(yuǎn)程區(qū)域。例如，在陸地地震測(cè)量中，幾百到幾千個(gè)接收器(被稱為地震檢波器)可以按空間上不同的方式來(lái)部署，例如每條線路以每隔25米一個(gè)接收器的方式延續(xù)5000米并且連續(xù)的線路被隔開(kāi)500米的典型網(wǎng)格配置。由許多地球物理的因素以及歸因于設(shè)備或天氣條件的操作停機(jī)時(shí)間而定，散布的單元可以按超過(guò)兩周的時(shí)間間隔來(lái)部署。在地震勘探中所使用的聲波典型地由通過(guò)動(dòng)態(tài)的勘探、氣槍射擊、振蕩器掃描等來(lái)初始化能量事件的集中的能量源控制系統(tǒng)產(chǎn)生。使采集系統(tǒng)(即，地震接收器及其控制機(jī)制)與能量事件同步使得采集周期的第一數(shù)據(jù)采樣在時(shí)間上對(duì)應(yīng)于能量事件的峰值，例如振動(dòng)工作的掃描的起始。采集周期在第一采樣之后典型地持續(xù)6 16秒，同時(shí)對(duì)每個(gè)地震傳感器按.5 4毫秒的間隔來(lái)米樣。任意地震系統(tǒng)的基礎(chǔ)重要性是時(shí)基方法，通過(guò)該時(shí)基方法來(lái)完成能量事件與聲波場(chǎng)的采樣的同步。圖1示出了在經(jīng)由硬線12與多個(gè)個(gè)體地震數(shù)據(jù)采集傳感器14連接的典型的現(xiàn)有技術(shù)的地震采集系統(tǒng)10中所包含的主要元件。各個(gè)元件被用來(lái)控制時(shí)基并且將時(shí)基分發(fā)給每個(gè)個(gè)體地震數(shù)據(jù)采集傳感器14，從而使整個(gè)系統(tǒng)10能夠達(dá)到時(shí)間同步。如所示，現(xiàn)有技術(shù)使用單個(gè)的、集中的時(shí)基，集中的時(shí)基確保所有個(gè)體地震數(shù)據(jù)采集傳感器14在采集周期內(nèi)由相同的時(shí)間基準(zhǔn)來(lái)排序。同步的時(shí)間基準(zhǔn)被維持于集中的基礎(chǔ)單元16，例如工作管理車輛。該時(shí)基典型地由連續(xù)工作的無(wú)線接收器18 (例如全球定位系統(tǒng)(“GPS”)接收器)來(lái)規(guī)訓(xùn)(discipline)，其中對(duì)該無(wú)線接收器18進(jìn)行布置以與外部時(shí)間基準(zhǔn)20通信，其中在GPS接收器的情況下該外部時(shí)間基準(zhǔn)20是GPS衛(wèi)星。GPS接收器18直接規(guī)訓(xùn)用來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘24的高穩(wěn)定性的壓控振蕩器(“VCO”)22，其中所有元件典型地被鎖相至該系統(tǒng)時(shí)鐘24。采集系統(tǒng)控制器26利用鎖相環(huán)路(PLL)來(lái)使其輸出的命令幀與系統(tǒng)時(shí)鐘24同步。輸出的命令幀進(jìn)而在與采集系統(tǒng)控制器26電纜連接的多個(gè)地震數(shù)據(jù)采集傳感器14中由PLL鎖定。嵌入命令幀中的是用來(lái)使傳感器14中的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器28與GPS信號(hào)同步的采樣時(shí)鐘信號(hào)，其中該GPS信號(hào)典型地是I脈沖/秒(IPPS)信號(hào)或遵循該時(shí)間歷元(time epoch)的采樣間隔的整數(shù)倍的任意時(shí)間間隔。在任何情況下，通過(guò)分立的硬件接口使能量源控制器30與系統(tǒng)時(shí)鐘24同步，其中分立的硬件接口不是被直接連接至集中的GPS規(guī)訓(xùn)的時(shí)鐘24就是將利用鎖定于由系統(tǒng)時(shí)鐘24所提供的中央計(jì)時(shí)基準(zhǔn)上PLL。重要的是要注意大部分現(xiàn)有技術(shù)的源控制系統(tǒng)不利用GPS規(guī)訓(xùn)的時(shí)基來(lái)執(zhí)行計(jì)時(shí)功能，而是，使用GPS時(shí)間標(biāo)記來(lái)對(duì)由系統(tǒng)所記錄的某些重要事件進(jìn)行時(shí)間印戳(time stamp),例如點(diǎn)火(FIRE)事件或時(shí)斷(TIMEBREAK)事件(其代表峰值源的能量事件的時(shí)間)的接收或者振動(dòng)掃描的起始?，F(xiàn)有技術(shù)的采集系統(tǒng)控制器引導(dǎo)點(diǎn)火(FIRE)事件所發(fā)生的時(shí)間以確保時(shí)斷(TMEBREAK)事件在與散布的地震傳感器的A/D轉(zhuǎn)換同步的時(shí)間發(fā)生，正如為精確的波場(chǎng)采樣所要求的。與圖1的硬連線的、集中的時(shí)基系統(tǒng)相比，最新近的現(xiàn)有技術(shù)的地震采集系統(tǒng)已經(jīng)嘗試消除或最小化在集中的基礎(chǔ)單元與個(gè)體地震數(shù)據(jù)采集傳感器之間的電纜連接。在這樣的情況下，地震傳感器與其它硬件集成于個(gè)體地震數(shù)據(jù)采集單元或節(jié)點(diǎn)中，使得之前由基礎(chǔ)單元所執(zhí)行的某些控制及操作功能現(xiàn)在于個(gè)體地震數(shù)據(jù)采集單元中執(zhí)行，例如計(jì)時(shí)功能。在這些“節(jié)點(diǎn)的”現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)的某些系統(tǒng)中，每個(gè)地震數(shù)據(jù)采集單元繼續(xù)與集中的基礎(chǔ)單元進(jìn)行無(wú)線通信，然而在其它“自主的”節(jié)點(diǎn)現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，每個(gè)地震數(shù)據(jù)采集單元獨(dú)立于集中的基礎(chǔ)單元而工作。除了在集中的單元與地震單元的場(chǎng)分布之間的物理層連接(有線的或無(wú)線的)被去除以外，在利用自主的地震數(shù)據(jù)采集單元的典型的現(xiàn)有技術(shù)的“節(jié)點(diǎn)”地震采集系統(tǒng)中所包含的主要元件與圖1中所示的框圖相似，使得個(gè)體地震采集單元相對(duì)中央單元至少半自主地工作。在去除有線的物理層連接的情況下，由電纜引起的許多缺點(diǎn)得以消除，例如重量、成本及高故障率。類似地，在去除無(wú)線的物理層連接的情況下，由無(wú)線連接引起的許多缺點(diǎn)得以消除，例如帶寬限制、易受干擾、以及需要無(wú)線電信道許可。這些自主的地震采集單元的特征在于以空間分布陣列的方式部署于節(jié)點(diǎn)周圍的一個(gè)或多個(gè)地震傳感器。每個(gè)個(gè)體傳感器經(jīng)由電纜與節(jié)點(diǎn)通信。一般地，多個(gè)傳感器連線至單根電纜以建立陣列。在自主的地震數(shù)據(jù)采集中的一個(gè)重大改進(jìn)是完全集成的、自包含的自主地震采集單元的開(kāi)發(fā)，例如在美國(guó)專利申請(qǐng)No. 10/448, 547和No. 10/766, 253中所描述的那些地震采集單元。在這些申請(qǐng)中描述了連續(xù)記錄的、自包含的、自主的無(wú)線地震采集單元。自包含的單元包括具有在殼體之內(nèi)界定至少一個(gè)內(nèi)部腔室的壁的完全封閉的殼體；內(nèi)部地固定于所述內(nèi)部腔室之內(nèi)的至少一個(gè)地震檢波器；布置于所述的內(nèi)部腔室之內(nèi)的時(shí)鐘；布置于所述內(nèi)部腔室之內(nèi)的電源；以及布置于所述內(nèi)部腔室之內(nèi)的地震數(shù)據(jù)記錄器，其中每個(gè)所述電元件包括電連接，并且在任意電元件之間的所有電連接都包含于所述殼體之內(nèi)。因而，與現(xiàn)有技術(shù)不一樣，地震傳感器或地震檢波器同樣包含于殼體自身之內(nèi)，使整個(gè)系統(tǒng)成為自包含的并且消除了任何類型的外部的連線或電纜連接。調(diào)整殼體形狀以增強(qiáng)部署并且通過(guò)最大化與地面接觸的殼體的表面積來(lái)增強(qiáng)與地面的耦接。優(yōu)選地，殼體包括具有第一外圍的第一板以及具有第二外圍的第二板，其中所述板由界定內(nèi)部腔室的壁沿著它們的外圍接合。類似地，殼體可以是圓盤形狀的或管狀形狀的。不僅由于殼體的形狀，而且由于外部電纜連接(例如在電子封裝與地震傳感器/地震檢波器之間)因?yàn)閱卧峭耆园亩蝗コ?，因而該單元是所希望的。在任何情況下，當(dāng)與集中的單元的物理層連接被去除時(shí)，自主的地震單元必須用分布的時(shí)基來(lái)實(shí)現(xiàn)，這意味著控制時(shí)鐘系統(tǒng)被布置于每個(gè)個(gè)體地震單元上。而且，在沒(méi)有用于同步或數(shù)據(jù)遙測(cè)的電纜連接的情況下，自主的節(jié)點(diǎn)地震系統(tǒng)必須依靠用于個(gè)體地震單元電子設(shè)備的基于電池的電源的使用。像這樣的無(wú)線地震采集單元獨(dú)立于能量源控制系統(tǒng)及與其關(guān)聯(lián)的計(jì)時(shí)時(shí)鐘而工作。相反地，它們依靠計(jì)時(shí)信號(hào)的連續(xù)采集的概念，并且在以上所引用的專利申請(qǐng)的情形中，還依靠數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。在知道源事件與地震數(shù)據(jù)的采樣間隔同步的情況下，數(shù)據(jù)能夠在檢索節(jié)點(diǎn)之后非實(shí)時(shí)的過(guò)程中與正確的源事件關(guān)聯(lián)。隨著分布式無(wú)線地震采集單元的物理層連接的去除，獲得每個(gè)地震單元的采樣時(shí)鐘的方式以及該采樣時(shí)鐘與能量源事件的同步必須解決圖1中的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)的命令幀同步的損失。在現(xiàn)有技術(shù)中，自主的地震采集單元通常使用由集中的時(shí)基架構(gòu)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的相同的方法及裝置來(lái)同步并規(guī)訓(xùn)它們的本地時(shí)基。具體地，同步通過(guò)實(shí)現(xiàn)與連續(xù)的、公共的時(shí)間基準(zhǔn)(例如衛(wèi)星的GPS系統(tǒng))的無(wú)線接口來(lái)完成。在這樣的情況下，每個(gè)個(gè)體地震采集單元經(jīng)由安裝于船上的GPS接收器利用GPS衛(wèi)星時(shí)基用作系統(tǒng)時(shí)鐘，這與集中單元的安裝于船上的GPS接收器不同。但是，由于許多原因，這種用于自主單元的時(shí)基系統(tǒng)是不希望的。第一，具有連續(xù)工作的功能(例如時(shí)鐘)的系統(tǒng)使用相當(dāng)大量的功率。雖然集中的單元可以使用持續(xù)電源，但自主的地震采集單元?jiǎng)t不行，而必須依靠容量有限的電源，即電池。具體地，使用連續(xù)工作的無(wú)線接收器來(lái)規(guī)訓(xùn)VCO是功率很低效的。例如，連續(xù)工作的GPS接收器能夠消耗地震單元的總的電池功率的20 50%之間。要解決這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)的采集系統(tǒng)最常用地是使用以上所述的“孤立的”節(jié)點(diǎn)，其中多個(gè)地震傳感器以空間分布矩陣的方式部署于節(jié)點(diǎn)周圍，每個(gè)傳感器經(jīng)由電纜與節(jié)點(diǎn)通信。雖然該系統(tǒng)在多個(gè)地震傳感器上分發(fā)持續(xù)規(guī)訓(xùn)的時(shí)鐘的功率負(fù)荷，但該系統(tǒng)再引入了不可靠電纜的使用以連接空間上分布的地震傳感器。然而，由于與采集單元連接的地震傳感器的數(shù)量接近一個(gè)，維持無(wú)線同步所使用的單元的總的功率預(yù)算的百分率變得更加重要，并且功率變成了管理地震采集單元的部署長(zhǎng)度的限制因素。第二，到外部時(shí)間基準(zhǔn)20的無(wú)線訪問(wèn)，與集中的基礎(chǔ)單元的接收器(例如記錄車)相比，對(duì)于節(jié)點(diǎn)采集地震單元將顯著是更加困難的。節(jié)點(diǎn)地震采集單元的無(wú)線接收器及天線位于單元自身之內(nèi)(或者與其緊密接近)并且這樣的單元一般靠近地面部署(或者在某些情況下實(shí)際上可以位于地表之下)。而且，單元的物理布置受制于其自身散布的幾何形狀，因此，不能改變物理布置來(lái)獲得更好的無(wú)線訪問(wèn)。而且，濃密的葉子、崎嶇的地形及城市障礙全都能夠?qū)?jié)點(diǎn)無(wú)線接收器維持連續(xù)計(jì)時(shí)方案的能力起限制作用。結(jié)果是來(lái)自GPS衛(wèi)星或其它源的連續(xù)的外部時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)在發(fā)射的過(guò)程中可能被中斷并且是間斷的。相反地，基礎(chǔ)單元(例如記錄車)一般能夠布置于到時(shí)間基準(zhǔn)的無(wú)線訪問(wèn)是無(wú)障礙的并且不是問(wèn)題的位置上。由于具有到外部時(shí)間基準(zhǔn)20的限制的無(wú)線訪問(wèn)，節(jié)點(diǎn)時(shí)基必須依靠控制回路中的VCO的穩(wěn)定性或“保持”能力以在控制環(huán)路不具有連續(xù)的基準(zhǔn)來(lái)規(guī)訓(xùn)VCO的期間維持穩(wěn)定的頻率輸出。一種現(xiàn)有技術(shù)的解決方案利用高穩(wěn)定性的爐控式的或基于原子的振蕩器來(lái)充當(dāng)“保持”時(shí)基。但是，這樣的振蕩器的成本及功率要求使得它們的使用不實(shí)用。更典型的解決方案是使用高穩(wěn)定性的、溫度補(bǔ)償?shù)氖⒄袷幤髯鳛椤氨３帧闭袷幤?。這類VCO在節(jié)點(diǎn)的工業(yè)工作范圍上能夠?qū)⒐潭ǖ念l率維持于±5E-7之內(nèi)。將連續(xù)的GPS接收器用作系統(tǒng)時(shí)鐘的自主的地震采集單元的實(shí)現(xiàn)的第三個(gè)缺點(diǎn)由無(wú)線接收器在長(zhǎng)時(shí)間的不良的無(wú)線可用性之后校正VCO頻率的方式引起。當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)的方法引起了在使用于該采集單元內(nèi)的增量求和(A-2)轉(zhuǎn)換器的A/D過(guò)程中的變形。對(duì)在這些現(xiàn)有技術(shù)的GPS規(guī)訓(xùn)的時(shí)基中所實(shí)現(xiàn)的控制回路進(jìn)行設(shè)計(jì)以引導(dǎo)規(guī)訓(xùn)的時(shí)鐘的IPPS輸出與GPS IPPS信號(hào)對(duì)齊。這通過(guò)改變VCO的頻率以補(bǔ)償兩個(gè)IPPS基準(zhǔn)之間的時(shí)間差來(lái)完成。設(shè)計(jì)執(zhí)行該頻率校正的發(fā)生率以最小化進(jìn)行校正的時(shí)間使得規(guī)訓(xùn)的時(shí)鐘快速地恢復(fù)與GPS時(shí)間基準(zhǔn)的同步。盡管這些GPS規(guī)訓(xùn)的時(shí)基典型地允許對(duì)控制回路的發(fā)生率的某些有限的控制，從而使由VCO工作頻率的改變所引起的變形得到某些減小，發(fā)生率的這種減小大大地增加了進(jìn)行校正的以及GPS接收器必須保持于高電能消耗的狀態(tài)下的時(shí)間間隔。存在著建立這樣一種方法的需要，通過(guò)該方法能夠在最小化單元的電能消耗的同時(shí)使分布于廣闊的空間區(qū)域上的自主的節(jié)點(diǎn)地震采集單元相互同步并且與地震能量控制器同步。該方法必須解決在節(jié)點(diǎn)或控制單元之間的有線的或無(wú)線的物理層連接的缺少問(wèn)題并且必須以低功率的方式來(lái)這樣進(jìn)行。用來(lái)實(shí)現(xiàn)與外部時(shí)間基準(zhǔn)(例如GPS)的時(shí)基接口的裝置解決歸因于單元必須于其中起作用的工作變量及環(huán)境變量的時(shí)基的間斷的且不可靠的性質(zhì)。由此，應(yīng)希望對(duì)控制回路進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)基以便在不可能訪問(wèn)外部時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)候穩(wěn)定振蕩器的性能?？刂苹芈返乃惴☉?yīng)當(dāng)適應(yīng)于振蕩器的性能特性并且預(yù)測(cè)的方法應(yīng)當(dāng)在成功連接至外部時(shí)間基準(zhǔn)的可能性為低的期間被用來(lái)避免訪問(wèn)外部時(shí)間基準(zhǔn)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種從空間分布式節(jié)點(diǎn)地震采集系統(tǒng)中訪問(wèn)公共的時(shí)間基準(zhǔn)的裝置以及一種能夠用來(lái)在分布式節(jié)點(diǎn)內(nèi)建立具有到公共時(shí)間基準(zhǔn)的有限訪問(wèn)的低功率的、同步的時(shí)基的方法。本發(fā)明描述了該裝置的控制過(guò)程，其中該裝置實(shí)現(xiàn)了在地球物理上可接受的有界的同步誤差容限之內(nèi)的低功率時(shí)基的目標(biāo)。本發(fā)明提供允許在保存單元的電池功率的同時(shí)于無(wú)線的節(jié)點(diǎn)地震采集單元中使用外部的精確時(shí)基的裝置及方法。更具體地，本發(fā)明提供了通過(guò)板上的無(wú)線接收器的間斷工作來(lái)非連續(xù)地訪問(wèn)外部精確時(shí)基以不定期地調(diào)諧開(kāi)環(huán)回路的變量并校正由開(kāi)環(huán)回路方法的穩(wěn)定性限制所引起的同步誤差。本發(fā)明還提供了用于校正本地時(shí)鐘與外部的精確時(shí)基之間的漂移誤差的方法。地震單元中涉及時(shí)基的部分一般地包括與節(jié)點(diǎn)控制器對(duì)接的無(wú)線接收器，其中該節(jié)點(diǎn)控制器對(duì)能夠產(chǎn)生可調(diào)計(jì)時(shí)信號(hào)的可調(diào)計(jì)時(shí)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行調(diào)諧，該可調(diào)計(jì)時(shí)信號(hào)驅(qū)動(dòng)用來(lái)給A/D增量求和轉(zhuǎn)換器提供計(jì)時(shí)的規(guī)訓(xùn)的采樣時(shí)鐘。節(jié)點(diǎn)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)影響單元的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部的或外部的環(huán)境條件(例如外部溫度、斜度(tilt)、電壓、晶體老化等)進(jìn)行解決的開(kāi)環(huán)回路控制算法以估計(jì)VCO的頻率并校正所估計(jì)頻率的誤差。因而，單元優(yōu)選地包括各種傳感器，例如溫度傳感器、電壓傳感器和/或斜度傳感器。在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，VCO的歷史頻率特性與關(guān)聯(lián)的環(huán)境傳感器的值一起存儲(chǔ)于頻率補(bǔ)償表中并且被用來(lái)穩(wěn)定頻率。除了同步本地時(shí)基之外，在無(wú)線接收器工作時(shí)還利用無(wú)線接收器來(lái)給本地事件提供精確的時(shí)間戳記。測(cè)得的環(huán)境傳感器的值將被用來(lái)預(yù)測(cè)應(yīng)當(dāng)何時(shí)激活無(wú)線接收器以獲得用于調(diào)諧作用的信號(hào)。在漂移誤差的校正中，使用采樣時(shí)鐘的時(shí)間戳記通過(guò)無(wú)線接收器來(lái)測(cè)量計(jì)時(shí)基準(zhǔn)與采樣時(shí)鐘之間的漂移。然后將無(wú)線接收器置于低功率的休眠模式下并且故意使VCO的頻率偏離其正常值以增加或減小VCO的頻率及同步的采樣時(shí)鐘，以便減小漂移值。要使被鎖相至VCO的采集系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)的變形最小化，則實(shí)現(xiàn)偏移小(< ±1E_6)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的校正。應(yīng)用漂移校正偏移的時(shí)間長(zhǎng)度是待校正的漂移的大小及VCO的頻率偏移的大小的線性函數(shù)。在去除或減小累積漂移之后，連續(xù)的開(kāi)環(huán)回路頻率補(bǔ)償過(guò)程仍然在進(jìn)行以維持高VCO穩(wěn)定性，直到下一漂移校正過(guò)程被執(zhí)行。盡管本發(fā)明能夠用于任意類型的地震單元，有線的或無(wú)線的，自主的或與中央基礎(chǔ)單元通信的，但在優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明使用獨(dú)立于其它單元工作的連續(xù)記錄的、自主的地震數(shù)據(jù)采集單元。在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，自主的地震數(shù)據(jù)采集單元包括具有界定至少一個(gè)內(nèi)部腔室的壁的完全封閉的、自包含的殼體，其中在該內(nèi)部腔室中固定了至少一個(gè)地震傳感器、非易失性存儲(chǔ)器、足夠允許單元連續(xù)工作的電源及工作的電子設(shè)備，工作的電子設(shè)備包括上述為時(shí)基所使用的電子設(shè)備。殼體優(yōu)選地由界定內(nèi)部腔室的壁沿著它們的外圍接合的第一板及第二板來(lái)構(gòu)成，從而導(dǎo)致大體上的圓盤形狀或管狀形狀。


圖1是利用單個(gè)的集中時(shí)基進(jìn)行系統(tǒng)工作的現(xiàn)有技術(shù)的電纜連接的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。圖2是利用外部的、公共分布的時(shí)基進(jìn)行系統(tǒng)工作同步的節(jié)點(diǎn)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。圖3是本發(fā)明的時(shí)基元件的示意圖。圖4是節(jié)點(diǎn)采樣時(shí)鐘與外部計(jì)時(shí)基準(zhǔn)歷元(在本實(shí)例中為GPS1PPS)之間在它們被同步的點(diǎn)上的相位關(guān)系以及在之后任意時(shí)間上的一種可能的相位關(guān)系的時(shí)序圖。圖5是示出能夠在不引起所采樣的地震數(shù)據(jù)變形的情況下實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的時(shí)鐘校準(zhǔn)過(guò)程的一種方法的時(shí)序圖。圖6是本發(fā)明的漂移校正過(guò)程的流程圖。圖7是用來(lái)使漂移校正之間的間隔最大化的步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明在如圖2所示的地震采集單元(即無(wú)線節(jié)點(diǎn)地震采集單元)中實(shí)現(xiàn)。具體地，在圖2中所示的是地震測(cè)量系統(tǒng)100的系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)的框圖，其中該地震測(cè)量系統(tǒng)100利用來(lái)自外部計(jì)時(shí)基準(zhǔn)的分布的時(shí)基來(lái)同步多個(gè)自主的個(gè)體地震數(shù)據(jù)采集單元102。所分布的時(shí)基確保所有個(gè)體地震數(shù)據(jù)采集單元102在采集周期內(nèi)都由相同的時(shí)間基準(zhǔn)來(lái)排序。雖然圖2的地震測(cè)量系統(tǒng)100與圖1的現(xiàn)有技術(shù)的地震測(cè)量系統(tǒng)10相似，但是圖2的系統(tǒng)100是自主的，與集中的基礎(chǔ)單元16沒(méi)有任意有線的或無(wú)線的物理層連接，即，沒(méi)有來(lái)自基礎(chǔ)單元的控制信號(hào)。相反地，每個(gè)個(gè)體地震采集單元102包括板上的無(wú)線接收器，其中該無(wú)線接收器與外部的、精確的時(shí)間基準(zhǔn)或基礎(chǔ)20(例如GPS衛(wèi)星)通信以規(guī)訓(xùn)每個(gè)單元102的本地時(shí)基。類似地，雖然圖2的地震測(cè)量系統(tǒng)100與某些自主的現(xiàn)有技術(shù)的地震采集單元具有某些相似性，但是現(xiàn)有技術(shù)的單元利用精確的衛(wèi)星時(shí)基作為系統(tǒng)時(shí)鐘本身，從而產(chǎn)生了以上所述的許多缺點(diǎn)。但是，如圖2所示，本發(fā)明的每個(gè)個(gè)體地震采集單元102都包括無(wú)線接收器106和本地采樣時(shí)鐘110兩者，本地采樣時(shí)鐘110被配置為由無(wú)線接收器106通過(guò)本地控制器104來(lái)規(guī)訓(xùn)。在圖2中，能量源108與時(shí)間基準(zhǔn)的同步通過(guò)與圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)10幾乎相同的方式來(lái)完成。但是系統(tǒng)100的能量源控制30在邏輯上，以及在物理上，是與地震采集單元102分離的并且能夠位于對(duì)操作人群方便的任何地方。圖1的采集系統(tǒng)控制器由源同步器元件122所代替，確保來(lái)自能量源控制器30的時(shí)斷(TIMEBREAK)信號(hào)相對(duì)于GPSIPPS歷元處于采樣間隔邊界上。分布式節(jié)點(diǎn)地震采集單元102訪問(wèn)由系統(tǒng)的源控制部分120所使用的相同的公共時(shí)間基準(zhǔn)以確保測(cè)量系統(tǒng)100之內(nèi)的同步。圖3示出了在節(jié)點(diǎn)地震數(shù)據(jù)采集單元102中的同步的、分布的時(shí)基的一種實(shí)施方案。雖然只示出了與節(jié)點(diǎn)單元的時(shí)基部分相關(guān)的那些元素，但是完整的單元102包括地震傳感器、足夠的非易失性存儲(chǔ)器及電池驅(qū)動(dòng)的電源以允許進(jìn)行時(shí)間幀大于兩周的連續(xù)工作，并且優(yōu)選地在單元102的整個(gè)部署期間。此外，每個(gè)地震采集單元包括一個(gè)或多個(gè)地震傳感器，例如地震檢波器。優(yōu)選地，將所有上述電元件封裝于完全封閉的殼體中，在該殼體之內(nèi)具有界定至少一個(gè)內(nèi)部腔室的壁并且保護(hù)著元件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到所述電元件包括互連上述元件的電連接，并且在本發(fā)明的實(shí)施方案中優(yōu)選的是將任意電元件之間的所有電連接包含于殼體之內(nèi)，使每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元102成為完全自包含的并且消除任意類型的外部布線或電纜連接。雖然殼體可以具有任意形狀，但是優(yōu)選地調(diào)整殼體形狀以增強(qiáng)部署以及通過(guò)使與地面接觸的殼體的表面積最大化來(lái)提高與地面的耦接。在一種實(shí)施方案中，殼體包括具有第一外圍的第一板以及具有第二外圍的第二板，其中所述板沿著它們的外圍由界定內(nèi)部腔室的壁來(lái)接合。壁可以是圓柱形的使得殼體可以具有總體上的圓盤形狀或管狀形狀。需要不定期地對(duì)高精度時(shí)間基準(zhǔn)的非連續(xù)訪問(wèn)以調(diào)諧開(kāi)環(huán)回路變量并且校正由開(kāi)環(huán)回路法的穩(wěn)定性限制引起的同步誤差。雖然本發(fā)明將根據(jù)精確的衛(wèi)星時(shí)基(例如GPS)來(lái)描述，但在其它非限制性的實(shí)施方案中，每個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)所要同步的外部時(shí)間基準(zhǔn)的源能夠以其它時(shí)間基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如WffVB或?qū)Ｓ玫恼{(diào)和(propitiatory)UHF/VHF時(shí)間廣播。本發(fā)明與任意具體的時(shí)間歷元都沒(méi)有關(guān)聯(lián)，但是優(yōu)選地所有節(jié)點(diǎn)及系統(tǒng)元件為了采集過(guò)程的同步必須共享公共的歷元。
在圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)地震數(shù)據(jù)采集單元102的本地時(shí)基的圖表。地震單元102涉及時(shí)基的部分一般包括節(jié)點(diǎn)控制器104、無(wú)線接收器106、可調(diào)整的計(jì)時(shí)設(shè)備108 (例如壓控振蕩器(VCO))、規(guī)訓(xùn)的采樣時(shí)鐘110、A/D增量求和轉(zhuǎn)換器112及時(shí)間標(biāo)記單元114。D/A轉(zhuǎn)換器116(優(yōu)選為16位)被用來(lái)將來(lái)自節(jié)點(diǎn)控制器104的模擬控制電壓提供給VCO 108。本發(fā)明的一個(gè)重要方面是以下將更詳細(xì)描述的環(huán)境傳感器118及頻率補(bǔ)償電纜119的使用。雖然可調(diào)整的計(jì)時(shí)設(shè)備108將被描述為壓控振蕩器，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到該設(shè)備能夠是起著在此所描述的作用的任意振蕩器電纜，包括但不限于壓控晶體振蕩器，壓控溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(VCTCXO)或壓控爐控晶體振蕩器(VCOCXO)。一般地，規(guī)訓(xùn)的采樣時(shí)鐘110被用來(lái)對(duì)A/D增量求和轉(zhuǎn)換器112直接計(jì)時(shí)。采樣時(shí)鐘110的時(shí)間基準(zhǔn)由本地VCO 108來(lái)提供，本地VCO 108的頻率由本地節(jié)點(diǎn)控制器104 (與由如同在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中所進(jìn)行的無(wú)線接收器直接控制的VCO相反)所控制。本發(fā)明的新穎點(diǎn)之一是本地節(jié)點(diǎn)控制器104及其所提供的功能性。由于無(wú)線接收器104沒(méi)有規(guī)訓(xùn)本地的VCO 108，所以地震采集單元102能夠利用低功率狀態(tài)來(lái)在工作期間保存功率。對(duì)本公開(kāi)內(nèi)容來(lái)說(shuō)，“低功率狀態(tài)”指的是無(wú)線接收器106不與精確的時(shí)基20通信的狀態(tài)。在沒(méi)有對(duì)外部時(shí)間基準(zhǔn)的直接的連續(xù)訪問(wèn)的情況下，本地節(jié)點(diǎn)控制器104既不能直接測(cè)量VCO108的頻率也不能確定VCO 108的頻率誤差。相反地，節(jié)點(diǎn)控制器104將實(shí)現(xiàn)解決影響單元102的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部或外部環(huán)境條件的開(kāi)環(huán)回路控制算法，例如外部溫度、斜度、電壓、晶體老化等，以估計(jì)VCO頻率并校正所估計(jì)的頻率誤差。這樣的環(huán)境條件可以由一個(gè)或多個(gè)環(huán)境傳感器118來(lái)測(cè)量。優(yōu)選地，傳感器118是低功率的、連續(xù)工作的傳感器，例如，溫度傳感器118a、斜度傳感器118b和/或電壓傳感器118c，其中這些傳感器工作于在不需要高精度、高功率、連續(xù)工作的時(shí)間基準(zhǔn)的情況下提高振蕩器的穩(wěn)定性的開(kāi)環(huán)回路控制過(guò)程中。在不限制可以使用于本發(fā)明中的環(huán)境傳感器的類型的情況下，預(yù)期會(huì)對(duì)在本地時(shí)基中所使用的VCO的工作頻率的穩(wěn)定性具有最重要影響的環(huán)境變量包括溫度、垂直取向及VCO電源電壓，其中溫度一般是這些因素中最重要的。在本發(fā)明的各種實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)變量可以被用來(lái)估計(jì)VCO的工作頻率。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到每種環(huán)境變量一般都可以對(duì)VCO整體不穩(wěn)定性起作用并且優(yōu)選在本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)中解決。振蕩器的頻率誤差、溫度、斜度及電源電壓被存儲(chǔ)于頻率 補(bǔ)償表119之內(nèi)(優(yōu)選利用非易失性存儲(chǔ)器)以用來(lái)規(guī)訓(xùn)VCO108。該表格可以包括維數(shù)N的陣列,其中N是由固定的環(huán)境條件的分倉(cāng)(binning)范圍所分開(kāi)的裝置工作環(huán)境條件范圍的整數(shù)商。表I列出了典型的低成本、低功率的晶體振蕩器的典型的穩(wěn)定性因素。
權(quán)利要求
1. 一種自主的地震數(shù)據(jù)采集單元，包括 a.具有界定至少一個(gè)內(nèi)部腔室的壁的完全封閉的、自包含的殼體； b.至少一個(gè)剛性地固定于所述殼體內(nèi)的地震傳感器，所述地震傳感器具有至少一個(gè)電連接，其中用于所述地震傳感器的所有電連接都包含于所述殼體之內(nèi)； c.布置于所述殼體之內(nèi)的并且能夠啟動(dòng)來(lái)自地震傳感器的數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)鐘； d.布置于所述殼體之內(nèi)的電源； e.布置于所述殼體之內(nèi)的地震數(shù)據(jù)記錄器； f.布置于所述殼體之內(nèi)的并且在其上實(shí)現(xiàn)本地時(shí)基的控制過(guò)程的控制處理器； g.布置于所述殼體之內(nèi)的并且與所述控制處理器對(duì)接的無(wú)線接收器，所述接收器能夠從外部時(shí)間基準(zhǔn)中接收計(jì)時(shí)信號(hào)并且當(dāng)所述接收器不工作時(shí)被置于低功率狀態(tài)； h.與所述控制處理器通信的并且能夠提供關(guān)于本地測(cè)得條件的數(shù)據(jù)的環(huán)境傳感器；以及1.能夠給所述時(shí)鐘產(chǎn)生可調(diào)計(jì)時(shí)信號(hào)的可調(diào)計(jì)時(shí)信號(hào)設(shè)備，其中對(duì)所述可調(diào)計(jì)時(shí)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行配置以由所述控制處理器利用來(lái)自所述環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)規(guī)訓(xùn)； j.其中所述殼體包括由界定所述內(nèi)部腔室的所述壁接合在一起的第一板及第二板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的采集單元，其中所述殼體是管狀形狀的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的采集單元，其中所述可調(diào)計(jì)時(shí)信號(hào)設(shè)備是壓控振蕩器。
4.一種自主的地震數(shù)據(jù)采集單元，包括 a.具有界定至少一個(gè)內(nèi)部腔室的壁的完全封閉的、自包含的殼體； b.至少一個(gè)剛性地固定于所述殼體內(nèi)的地震傳感器，所述地震傳感器具有至少一個(gè)電連接，其中所述地震傳感器的所有電連接都包含于所述殼體之內(nèi)； c.布置于所述殼體之內(nèi)的并且能夠啟動(dòng)來(lái)自所述地震傳感器的數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)鐘； d.布置于所述殼體之內(nèi)的電源； e.布置于所述殼體之內(nèi)的地震數(shù)據(jù)記錄器； f.布置于所述殼體之內(nèi)的并且在其上實(shí)現(xiàn)本地時(shí)基的控制過(guò)程的控制處理器； g.與所述控制處理器通信的并且能夠提供關(guān)于本地測(cè)得條件的數(shù)據(jù)的環(huán)境傳感器；以及 h.能夠給所述時(shí)鐘產(chǎn)生可調(diào)計(jì)時(shí)信號(hào)的可調(diào)計(jì)時(shí)信號(hào)設(shè)備，其中對(duì)所述可調(diào)計(jì)時(shí)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行配置以由所述控制處理器利用來(lái)自所述環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)規(guī)訓(xùn)；1.其中所述殼體包括由界定所述內(nèi)部腔室的所述壁接合在一起的第一板及第二板。
全文摘要
用于校正節(jié)點(diǎn)地震數(shù)據(jù)采集單元中的計(jì)時(shí)功能的方法和裝置。一種無(wú)線地震數(shù)據(jù)采集單元，具有提供對(duì)由地震系統(tǒng)中的多個(gè)無(wú)線地震數(shù)據(jù)采集單元所共享的公共的遠(yuǎn)程時(shí)間基準(zhǔn)訪問(wèn)的無(wú)線接收器。接收器能夠復(fù)制使地震傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器與之同步的遠(yuǎn)程時(shí)間歷元的本地版本。接收器能夠?yàn)榱藢?duì)本地節(jié)點(diǎn)事件進(jìn)行時(shí)間戳記的目的而復(fù)制遠(yuǎn)程的公共時(shí)間基準(zhǔn)的本地版本。接收器能夠在地震數(shù)據(jù)采集單元繼續(xù)記錄地震數(shù)據(jù)的時(shí)間周期內(nèi)被置于低功率的非工作狀態(tài)，從而保存單元的電池功率。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于對(duì)公共的遠(yuǎn)程時(shí)間基準(zhǔn)的間斷訪問(wèn)來(lái)校正本地時(shí)間時(shí)鐘的方法。方法經(jīng)由壓控振蕩器來(lái)校正本地時(shí)鐘以解決在環(huán)境中引入的計(jì)時(shí)誤差。還提供校正本地時(shí)間時(shí)鐘漂移的方法。
文檔編號(hào)G01V1/24GK103064109SQ201210289548
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2008年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月4日
發(fā)明者C·H·雷, G·D·費(fèi)斯勒, W·蓋伊頓 申請(qǐng)人:費(fèi)爾菲爾德工業(yè)公司