CN102183785A - 无缆地震仪多冗余同步数据采集装置及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无缆地震仪多冗余同步数据采集装置及采集方法。是基于UTC时间***的无缆地震仪多冗余同步地震数据采集方法，通过引入本地辅助UTC时间服务***，结合GNSS授时技术，构建多冗余UTC时间服务***，以保证无缆地震仪采集站在失去GNSS授时信号的情况下仍能同步数据采集。在地震数据采集前，先对本地UTC校时，选择连续记录或UTC时间区间或UTC时间点三种模式之一进行同步采集任务设定，生成同步数据采集任务列表；根据UTC授时信息，将采集到的地震数据打上UTC时标信息，存入本地存储器，最终获得完整的同步单炮记录。本发明能够确保无缆地震仪采集站在任何恶劣卫星信号条件下实现同步地震数据采集，同步精度优于4微秒，完全满足资源勘探的同步要求。

Description

无缆地震仪多冗余同步数据采集装置及采集方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理勘探中的无缆遥测地震仪，尤其是涉及无缆存储式地震仪中以世界协调时为同步基准的多冗余数据采集同步方法。

背景技术：

地震仪发展经历了模拟地震仪、集中式地震仪、现代分布式遥测地震仪三个大的阶段，当前的主流地震仪是有线遥测地震仪，其典型代表是法国Sercel公司的408UL、428XL和美国ION公司的Scorpion地震勘探***。以428XL为例，现代遥测地震仪采用有线连接主从架构，测量***由主控站(控制管理总体测量工作流程)、交叉站(转发测量命令和数据)、采集站(地震数据采集单元)、和电源站(供电单元)组成。上千上万个地震采集站通过数传电缆连接在一起，并同交叉站相连，交叉站通过电缆线与主机相连，构成一个地震数据测量网络。地震采集站为“单站单道”结构，一个站负责一个地震传感器(拾振器，又称地震检波器)的模拟信号采集，所有采集站的总数即为测量***的总数据采集道数，地震勘探要求所有采集通道必须同步启动数据采集。428XL为了实现所有采集通道的同步数据采集，在数传电缆中设定了专用的采集命令和同步信号构建同步机制，所有地震采集站通过数传电缆线监测主控站发出的采集命令和同步信号，采集站在检测到同步信号后立即启动数据采集，从而实现所有采集通道的同步数据采集。采集站完成数据采集后，通过数传电缆线将数据发送到主控站，主控站接收并回放所有采集站同步采集的地震数据，实时监测采集结果并存入硬盘。现代有线遥测地震仪的优点是数据通讯速率快、道带载能力高，得到了广泛的应用；但对于复杂地形地表条件下的地震数据采集，如山地、黄土沟壑区等，有线遥测地震仪由于电缆线的束缚，不便在地表起伏大，沟壑纵横的地区施工。为了解决复杂地形地区的地震数据采集问题，可以采用无缆存储式的地震采集站结构，地震采集站摆脱电缆线，将野外采集的地震数据存储在内部非易失性存储器中，从而适应复杂地区的数据采集，这就是无缆遥测地震仪。无缆遥测地震仪为了同步需要一种共同的时间服务***。

当前，无缆遥测地震仪通常采用GPS卫星定位***授时作为时间服务***，CN01134726.0公开了一种“GPS卫星授时遥测地震仪”和CN200910169540.1公开了一种“利用短信进行地震仪控制和数据传送的方法及短信控制传送型无缆地震仪”都采用GPS卫星授时作为同步时钟，进而实现多地震采集站之间的同步数据采集。但是，在大山附近、丛林茂密地区等卫星信号较差的条件下，GPS定位***授时信息不可获得，或因电磁干扰等原因GPS信号失锁可能导致一批采集站无法实现同步数据采集，使得整个采集***无法正常工作进而陷入瘫痪，这很大程度上限制了无缆地震仪的应用。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种无缆地震仪多冗余同步数据采集装置；

本发明的目的是提供一种无缆地震仪多冗余同步数据采集方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

无缆地震仪多冗余同步数据采集装置，是由PC机经校钟控制器的1-128接口一对一连接1-128个无缆地震仪采集站，1个电源适配器并联连接1-128无缆地震仪采集站，GNSS接收模块经总线驱动并联连接1-128个总线连接器，1-128个总线连接器一对一连接1-128个无缆地震仪采集站。

采集站是由ARM-Linux***分别连接CF卡、GPS接收机、以太网口和同步动态随机存储器，ARM-Linux***经可编程逻辑器件与模拟调理电路连接，可编程逻辑器件连接GPS接收机秒脉冲输出端，恒温晶振连接数字滤波器和可编程逻辑器件，四通道模拟输入经模拟调理电路、Δ∑调制器和数字滤波器与可编程逻辑器件连接构成。

采集站校钟控制器是由GNSS接收模块、FPGA智能时钟***、晶振和采集站主控及采集***构成，GNSS接收模块授时信息经COM2口输出并与采集站主控***及采集***连接，GNSS同步脉冲信号CLK2与自锁控制器和采集站主控及采集***连接，FPGA智能时钟***由自锁控制器、分频器、公历时钟智能计数器、SPI接口和置数模块构成，置数模块接收采集站主控及采集***经CRL2口发送的校钟信息，并置入公历时钟计数器，自锁控制器、分频器和晶振构成公历时钟计数器的计数控制开关，由采集站主控及采集***经CRL1控制，公历时钟智能计数器同步脉冲CLK1与采集站主控及采集***连接，公历时钟智能计数器的授时信息通过SPI接口转换后经COM1口与采集站主控及采集***连接。

采集站同步数据采集是由模拟通道1和模拟通道2分别经Δ∑调制器I连接数字滤波器，模拟通道3和模拟通道4分别经Δ∑调制器II连接数字滤波器，外部同步时钟、晶振分别连接数字滤波器构成。

采集站主控和采集***是由本地UTC时间服务***和接收模块分别经多路时钟切换器、自锁触发控制器和数据采集***与主控***连接，主控***与多路时钟切换器连接，主控***分别连接本地UTC时间服务***和接收模块构成。

无缆地震仪多冗余同步数据采集方法，包括以下顺序和步骤：

a、在开展地震数据采集之前，首先对本地UTC计时***校时，其校时参考为GNSS的UTC授时信息；

b、GNSS接收模块定位成功后每秒钟输出一个固定宽度的正脉冲，CLK2为GNSS接收模块输出的秒同步脉冲序列，其上升沿标识本秒起始时刻；每个秒同步脉冲之后COM2跟随输出UTC授时信息；

c、采集站主控***首先控制自锁控制器关闭分频器时钟输出，使公历时钟计数器处于停止状态，然后于t₂时刻起提取UTC时间并将该时间加1秒后置入公历时钟计数器中，在时间设置完毕后打开自锁控制器；

d、GNSS接收模块的下一个秒同步脉冲会导致自锁触发器状态反转，分频器于t₃时刻启动计时时钟CP输出，驱动公历时钟计数器与UTC时间基准同步计时，从t₄时刻起输出高精度秒同步脉冲CLK1。公历时钟计时器时间信息通过SPI接口输出，协同CLK1信号为采集站提供高精度备用时标；

e、选择连续记录或UTC时间区间或UTC时间点三种模式之一进行同步采集任务设定，生成同步数据采集任务列表；

f、布设无缆地震仪于工作场地，无缆地震仪首先通过专有装置检测GNSS授时同步时钟***，若卫星信号有效，则采用GNSS授时同步时钟作为采集电路的同步参考源，实施步骤e设定的采集任务列表；

g、通过步骤f对卫星信号进行检测，若卫星信号无效，切换同步时钟源，采用本地UTC时间***作为采集电路的同步参考源；

h、各地震采集站根据预设的任务类型及任务列表自主实施数据采集任务，根据自身的UTC时间服务***授时信息，将采集到的地震数据打上UTC时标信息，存入本地存储器；

i、对地震数据中所含UTC时间标签的所有地震数据道进行绝对UTC时间对齐，最终获得完整的同步单炮记录。

有益效果：无缆地震仪数据采集多冗余同步技术能够确保无缆地震仪采集站于任何恶劣卫星信号条件下实现同步地震数据采集，同步精度优于4微秒，完全满足资源勘探的同步要求。

附图说明：

附图1本地UTC时间***总线式批量校钟控制器结构框图

附图2地震采集站结构框图

附图3多冗余UTC时间服务***结构框图

附图4无缆地震仪采集站同步数据采集电路结构框图

附图5多冗余时钟切换电路结构框图

附图6本地UTC时间***对钟时序图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例做进一步的详细说明：

无缆地震仪多冗余同步数据采集装置，是由PC机经校钟控制器的1-128接口一对一连接1-128个无缆地震仪采集站，1个电源适配器并联连接1-128个无缆地震仪采集站，GNSS接收模块经总线驱动并联连接1-128个总线连接器，1-128个总线连接器一对一连接1-128个无缆地震仪采集站。

采集站是由ARM-Linux***分别连接CF卡、GPS接收机、以太网口和同步动态随机存储器，ARM-Linux***经可编程逻辑器件与模拟调理电路连接，可编程逻辑器件连接GPS接收机秒脉冲输出端，恒温晶振连接数字滤波器和可编程逻辑器件，四通道模拟输入经模拟调理电路、Δ∑调制器和数字滤波器与可编程逻辑器件连接构成。

采集站校钟控制器是由GNSS接收模块、FPGA智能时钟***、晶振和采集站主控及采集***构成，GNSS接收模块授时信息经COM2口输出并与采集站主控***及采集***连接，GNSS同步脉冲信号CLK2与自锁控制器和采集站主控及采集***连接，FPGA智能时钟***由自锁控制器、分频器、公历时钟智能计数器、SPI接口和置数模块构成，置数模块接收采集站主控及采集***经CRL2口发送的校钟信息，并置入公历时钟计数器，自锁控制器、分频器和晶振构成公历时钟计数器的计数控制开关，由采集站主控及采集***经CRL1控制，公历时钟智能计数器同步脉冲CLK1与采集站主控及采集***连接，公历时钟智能计数器的授时信息通过SPI接口转换后经COM1口与采集站主控及采集***连接。

采集站同步数据采集是由模拟通道1和模拟通道2分别经Δ∑调制器I连接数字滤波器，模拟通道3和模拟通道4分别经Δ∑调制器II连接数字滤波器，外部同步时钟、晶振分别连接数字滤波器构成。

采集站主控和采集***是由本地UTC时间服务***和接收模块分别经多路时钟切换器、自锁触发控制器和数据采集***与主控***连接，主控***与多路时钟切换器连接，主控***分别连接本地UTC时间服务***和接收模块构成。

无缆地震仪多冗余同步数据采集方法，包括以下顺序和步骤：

a、在开展地震数据采集之前，首先对本地UTC计时***校时，其校时参考为GNSS的UTC授时信息；

b、GNSS接收模块定位成功后每秒钟输出一个固定宽度的正脉冲，CLK2为GNSS接收模块输出的秒同步脉冲序列，其上升沿标识本秒起始时刻；每个秒同步脉冲之后COM2跟随输出UTC授时信息；

c、采集站主控***首先控制自锁控制器关闭分频器时钟输出，使公历时钟计数器处于停止状态，然后于t₂时刻起提取UTC时间并将该时间加1秒后置入公历时钟计数器中，在时间设置完毕后打开自锁控制器；

d、GNSS接收模块的下一个秒同步脉冲会导致自锁触发器状态反转，分频器于t₃时刻启动计时时钟CP输出，驱动公历时钟计数器与UTC时间基准同步计时，从t₄时刻起输出高精度秒同步脉冲CLK1。公历时钟计时器时间信息通过SPI接口输出，协同CLK1信号为采集站提供高精度备用时标；

e、选择连续记录或UTC时间区间或UTC时间点三种模式之一进行同步采集任务设定，生成同步数据采集任务列表；

f、布设无缆地震仪于工作场地，无缆地震仪首先通过专有装置检测GNSS授时同步时钟***，若卫星信号有效，则采用GNSS授时同步时钟作为采集电路的同步参考源，实施步骤e设定的采集任务列表；

g、通过步骤f对卫星信号进行检测，若卫星信号无效，切换同步时钟源，采用本地UTC时间***作为采集电路的同步参考源；

h、各地震采集站根据预设的任务类型及任务列表自主实施数据采集任务，根据自身的UTC时间服务***授时信息，将采集到的地震数据打上UTC时标信息，存入本地存储器；

i、对地震数据中所含UTC时间标签的所有地震数据道进行绝对UTC时间对齐，最终获得完整的同步单炮记录。

基于UTC时间***的无缆地震仪多冗余同步地震数据采集方法，通过引入本地辅助UTC(全球协调时)时间服务***，结合GNSS(全球导航卫星***)授时技术，构建多冗余的UTC时间服务***，以保证无缆地震仪采集站在失去GNSS授时信号的情况下仍能同步数据采集。

无缆地震仪采集站以UTC时间为时间标准，通过指定的时间区段、时间点或是连续记录的时间起点，为野外采集的地震数据附加时标信息；在数据回收之后，再采用专门的同步软件，将数据同步化、***化。

本地UTC时间服务***，通过专用可编程集成芯片，设计一个公历年日历时钟，能进行公历年走时精确计时，具备年、月、日、时、分、秒、星期等计时信息，具备闰年计算修正功能；同时输出秒同步信号。为保证本地UTC时间***的精度，一方面保证其初始时间的精确度，另一方面采用高稳定度的晶振，提高其走时精度。其初始时间精度，通过GNSS授时装置构建总线式的校钟网络，可分批进行每次最多128个采集站的校钟，使其起始时刻与国际标准UTC同步；本地日历时钟的走时精度取决于本地晶振的精度，其误差随走时时间逐步累积，为控制本地日历时钟累积走时误差在一个允许的范围内，采用“周期性校时”工作模式：无缆地震仪每日开展采集任务之前，首先通过校钟网络校钟，然后在其后连续最多n个小时内其走时误差就可控制在一定范围内。经考证，采用10^-10稳定度的晶振作为日历时钟的时钟源，10个小时内的最大累积误差为3.6个微秒，完全能够达到资源勘探领域应用的需求。

为了将无缆地震仪采集站采集到的地震数据打上UTC时标，设计了UTC时钟同步电路，两片CS5372和一片CS5376构成数据采集电路的核心，本地UTC时间***或者GNSS***的秒同步信号作为采集站的同步源，以外部中断事件的方式启动数据采集电路运转，最终实现多个采集站的同步数据采集；两个同步时钟源相互之间在一次校钟之后规定的10个小时内，其同步性能够满足资源勘探的要求，即二者均可作为采集电路的同步时钟源，在GNSS卫星信号可用时，优先采用GNSS授时信号作为数据采集同步时钟源；此外，为了能够在GNSS因外部原因丢失卫星信号之后***仍能同步采集数据，设计了同步时钟切换电路，及时将数据采集电路的同步信号切换到备用本地UTC时间***。

通过上述多冗余UTC同步技术，GNSS授时***和本地UTC时间***作为两个互补的同步时钟源，可以保证在GNSS卫星信号有效和GNSS接收***丢失卫星信号两种情况下均能保证采集站数据采集的同步性，达到可靠同步的目的。

本发明是基于国际协调时构建无缆地震仪采集站本地UTC时间服务***，与GNSS授时***相结合构成多冗余UTC时间服务***，为采集站地震数据采集提供可靠的同步时钟，保证所有地震采集站数据采集同步。其中GNSS授时***作为主同步时钟源，在GNSS卫星信号有效时作为优先时钟源采用；本地UTC时间计时***作为备用同步时钟源，在GNSS卫星信号失效时采用。

无缆地震仪采集站野外施工采用预设任务列表方式，任务类型包括连续记录、UTC时间区间和UTC时间点等模式。各地震采集站根据预设的任务类型及任务列表自主实施数据采集任务，根据自身的UTC时间服务***授时信息，将采集到的地震数据打上UTC时标信息，存入本地存储器。

无缆地震仪采集站的多冗余时间服务***如图1所示，GNSS接收模块通过卫星授时，能够输出UTC时间信息，并辅以秒同步信号，构成地震采集站的主时间服务***，它依赖于工作场地卫星信号的质量，当场地卫星信号有效时，优先采用该同步时钟源；本地UTC计时***如图1虚线框所示，由公历时钟智能计数器、晶振、分频器、自锁控制器、置数模块、SPI接口组成，晶振产生高精度振荡信号，经分频器分频后作为公历时钟智能计数器的工作时钟，公历时钟智能计数器完成年月日、时分秒的计时功能，并输出秒同步信号；自锁控制器、置数模块用于校时；SPI接口用于输出公历时间信息，其与秒同步信号CLK2一起构成地震采集站的备用时间***，在GNSS卫星信号无效时提供UTC同步信息。本地UTC计时***的有效服务期为一次校时之后的连续10个小时范围内。

在开展地震数据采集之前，首先对本地UTC计时***校时，其校时参考为GNSS的UTC授时信息。校时过程如图2所示，GNSS接收机定位成功后每秒钟输出一个固定宽度的正脉冲，CLK2为GNSS接收机输出的秒同步脉冲序列，其上升沿标识本秒起始时刻；每个秒同步脉冲之后COM2跟随输出UTC授时信息。采集站主控***首先控制自锁控制器关闭分频器时钟输出，使公历时钟计数器处于停止状态，然后于t₂时刻起提取UTC时间并将该时间加1秒后置入公历时钟计数器中，在时间设置完毕后打开自锁控制器；GNSS接收机的下一个秒同步脉冲会导致自锁触发器状态反转，分频器于t₃时刻启动计时时钟CP输出，驱动公历时钟计数器与UTC时间基准同步计时，从t₄时刻起输出高精度秒同步脉冲CLK1。公历时钟计时器时间信息通过SPI接口输出，协同CLK1信号为采集站提供高精度备用时标。

为提高校时效率，设计了批量校时控制器，其结构如图3所示。以一个GNSS接收模块为校时参考时钟，通过总线驱动器构建校时总线；各地震采集站通过总线连接器接入校时网络。校时控制器与外部PC相连，它接收来自PC电脑的校时指令，控制相应的采集站打开校时开关进行校时，并将校时状态回传给PC；各个采集站依次完成此过程，达到快速校时的目的。

经过校时后的无缆地震仪采集站，实时监测GNSS接收机的卫星信号状态，当卫星信号有效时，以GNSS授时***为采集站的同步时钟源，逐个处理预设的任务列表，通过秒同步信号触发由CS5372和CS5376构成的地震数据采集***，电路结构如图4所示；当GNSS卫星信号丢失时，即时启用本地日历时钟计时器，时钟切换电路如图5所示，采集站主控***判断到卫星信号丢失后，通过多路时钟切换器和自锁控制触发器设定采集电路的同步参考时钟源。

无缆地震仪采集站按预设的任务列表完成相应的数据采集任务之后，地震数据通过专用回收装置回收到工作站的海量存储设备。通过提取各个采集站地震数据文件中的UTC同步时标信息，将所有采集站的地震数据进行UTC绝对时间对齐，便可得到完整的同步单炮记录。

Claims (6)

1.一种无缆地震仪多冗余同步数据采集装置，其特征在于，是由PC机经校钟控制器的1-128接口一对一连接1-128个无缆地震仪采集站，1个电源适配器并联连接1-128个无缆地震仪采集站，GNSS接收模块经总线驱动并联连接1-128个总线连接器，1-128个总线连接器一对一连接1-128个无缆地震仪采集站。

2.按照权利要求1所述的无缆地震仪多冗余同步数据采集装置，其特征在于，采集站是由ARM-Linux***分别连接CF卡、GPS接收机、以太网口和同步动态随机存储器，ARM-Linux***经可编程逻辑器件与模拟调理电路连接，可编程逻辑器件连接GPS接收机秒脉冲输出端，恒温晶振连接数字滤波器和可编程逻辑器件，四通道模拟输入经模拟调理电路、Δ∑调制器和数字滤波器与可编程逻辑器件连接构成。

3.按照权利要求1所述的无缆地震仪多冗余同步数据采集装置，其特征在于，采集站校钟控制器是由GNSS接收模块、FPGA智能时钟***、晶振和采集站主控及采集***构成，GNSS接收模块授时信息经COM2口输出并与采集站主控***及采集***连接，GNSS同步脉冲信号CLK2与自锁控制器和采集站主控及采集***连接，FPGA智能时钟***由自锁控制器、分频器、公历时钟智能计数器、SPI接口和置数模块构成，置数模块接收采集站主控及采集***经CRL2口发送的校钟信息，并置入公历时钟计数器，自锁控制器、分频器和晶振构成公历时钟计数器的计数控制开关，由采集站主控及采集***经CRL1控制，公历时钟智能计数器同步脉冲CLK1与采集站主控及采集***连接，公历时钟智能计数器的授时信息通过SPI接口转换后经COM1口与采集站主控及采集***连接。

4.按照权利要求2所述的无缆地震仪多冗余同步数据采集装置，其特征在于，采集站同步数据采集是由模拟通道1和模拟通道2分别经Δ∑调制器I连接数字滤波器，模拟通道3和模拟通道4分别经Δ∑调制器II连接数字滤波器，外部同步时钟、晶振分别连接数字滤波器构成。

5.按照权利要求3所述的无缆地震仪多冗余同步数据采集装置，其特征在于，采集站主控和采集***是由本地UTC时间服务***和GNSS接收模块分别经多路时钟切换器、自锁触发控制器和数据采集***与主控***连接，主控***与多路时钟切换器连接，主控***分别连接本地UTC时间服务***和接收模块构成。

6.按照权利要求1所述的无缆地震仪多冗余同步数据采集方法，其特征在于，包括以下顺序和步骤：

a、在开展地震数据采集之前，首先对本地UTC计时***校时，其校时参考为GNSS的UTC授时信息；

b、GNSS接收模块定位成功后每秒钟输出一个固定宽度的正脉冲，CLK2为GNSS接收模块输出的秒同步脉冲序列，其上升沿标识本秒起始时刻；每个秒同步脉冲之后COM2跟随输出UTC授时信息；

c、采集站主控***首先控制自锁控制器关闭分频器时钟输出，使公历时钟计数器处于停止状态，然后于t₂时刻起提取UTC时间并将该时间加1秒后置入公历时钟计数器中，在时间设置完毕后打开自锁控制器；

d、GNSS接收模块的下一个秒同步脉冲会导致自锁触发器状态反转，分频器于t₃时刻启动计时时钟CP输出，驱动公历时钟计数器与UTC时间基准同步计时，从t₄时刻起输出高精度秒同步脉冲CLK1。公历时钟计时器时间信息通过SPI接口输出，协同CLK1信号为采集站提供高精度备用时标；

e、选择连续记录或UTC时间区间或UTC时间点三种模式之一进行同步采集任务设定，生成同步数据采集任务列表；

f、布设无缆地震仪于工作场地，无缆地震仪首先通过专有装置检测GNSS授时同步时钟***，若卫星信号有效，则采用GNSS授时同步时钟作为采集电路的同步参考源，实施步骤e设定的采集任务列表；

g、通过步骤f对卫星信号进行检测，若卫星信号无效，切换同步时钟源，采用本地UTC时间***作为采集电路的同步参考源；

h、各地震采集站根据预设的任务类型及任务列表自主实施数据采集任务，根据自身的UTC时间服务***授时信息，将采集到的地震数据打上UTC时标信息，存入本地存储器；

i、对地震数据中所含UTC时间标签的所有地震数据道进行绝对UTC时间对齐，最终获得完整的同步单炮记录。

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