CN108535772B - 一种用于井下多节点采集***时间同步的补偿方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温井下多节点地震信号采集***的同步误差精确测量和补偿方法及装置。所述井下多节点采集***由地面***和井中***构成，补偿装置设置在井中***的采集短节中，主要由晶振计数模块、延时设定模块和脉冲补偿模块构成。本发明在地面端设置延时测量模块，有效避免了晶振在井下高温环境中的漂移所引起的累计误差；利用GPS模块产生的PPS秒脉冲信号实现井下地震仪器的同步采集，结合本发明提出的补偿方法，能将电缆延时产生的同步误差从微秒级提升到纳秒级；不限制采集节点的数量，能对所有采集节点的延时做出精确测量及补偿。

Description

一种用于井下多节点采集***时间同步的补偿方法及装置
技术领域
本发明属于测井技术领域，涉及一种地球物理勘探中的地震数据采集***，尤其涉及一种高温井下多节点地震信号采集***的同步误差精确测量和补偿方法及装置。
背景技术
在地球物理勘探领域中，采用井地联合监测的方法进行微地震定位时，需要保证定位的精度，要求井中设备和地面设备的采集时间严格同步。地面监测仪器可利用GPS授时来保证不同采集节点的采集时间一致，而井中仪器同地面设备由几千米的测井电缆相连接，信号经过电缆传输的过程会有延时产生，导致井中仪器和地面仪器的采集时间产生误差。
US6002339公开了一种地震勘探***采集地震信号的时间同步方法。但此发明是针对陆地上的勘探***，且采用无线通信的形式，同步过程比较复杂。
US20100198561AI公开了一种节点采集地震信号的同步方法。但该方法为了达到同步采集的目的，需要在各个节点中设置专门的存储器去存储地震数据，同步协议复杂，且同步精度不高。
CN102508297A公开了一种多节点同步采集时间误差的精确测量和校正方法及装置。此专利用于海底拖缆地震勘探***中，但需要在每一个节点内置一个高精度时钟。而晶振在井下高温环境中易产生累积误差，导致时钟计时不准确。
CN106499389A公开了一种井间电磁测井仪收发时钟同步***及方法，此专利虽然实现了一定程度的时间同步，但是同步精度不高，且额外需要标准时钟及驱动模块，实现方法复杂。
此外，针对采集链路，还能利用锁相环和IEEE1588协议来同步不同采集节点间的时钟。但是，锁相环适用于传输距离较短的环境，并不适用于长电缆的数据传输。而IEEE1588协议需要基于网络通讯协议，会浪费数据传输的有限带宽。
综上，上述方法应用在井中仪器时都存在着一定的制约，难以满足井中设备和地面设备间采集时间的严格同步，因此需要做出一些针对性的设计和补偿。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于井下多节点采集***时间同步的补偿方法，还提供用于井下多节点采集***时间同步的补偿方法的补偿装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于井下多节点采集***时间同步的补偿方法，包括以下步骤：
A、在晶振计数模块中，利用PPS秒脉冲作为门控信号进行计数，当接收到一次PPS秒脉冲使能，再接收到回传的新PPS秒脉冲后，即为完成一次计数，并将计数值传送至延时设定模块；
B、在延时设定模块中，根据晶振计数模块测量的计数值，判定延时补偿所需的脉冲数量，并判断是要进行加脉冲补偿还是减脉冲补偿，最终将补偿值传送至脉冲补偿模块；
C、在脉冲补偿模块中，接收延时设定模块传送的设定值，并对模块使能，当新的PPS秒脉冲到达后，根据设定值计数，计数完成后发送同步脉冲使能AD开始采集。
进一步地，所述步骤B，具体为：设定电缆延时为tdelay，需要补偿的延时为tD，晶振计数为countd，频率的准确值以及上限和下限分别为：count、countup和countdown，假设完成延时tD的晶振真实的计数值为x，可根据公式求取：
延时设定模块在完成计数后，通过求取计数值和标准值的差值，直接对延时值进行加减运算即可，而误差在晶振的一个振荡周期以内。
上述用于井下多节点采集***时间同步的补偿方法的补偿装置，所述井下多节点采集***由地面***和井中***构成，其特征在于：所述补偿装置设置在井中***的采集短节中，主要由晶振计数模块、延时设定模块和脉冲补偿模块构成；
所述晶振计数模块经延时设定模块与脉冲补偿模块连接，高温晶振分别与晶振计数模块和脉冲补偿模块连接；所述晶振计数模块通过计数器以地面***中GPS模块产生的PPS秒脉冲为门控信号对晶振脉冲进行计数，并将计数值传送至延时设定模块；延时设定模块根据晶振计数模块测量的计数值，判定延时补偿的方向及脉冲数量，将补偿值传送至脉冲补偿模块；脉冲补偿模块接收延时设定模块传送的设定值，并对模块进行使能，当有新的PPS秒脉冲到达后，开始根据设定值进行计数，计数完成后发出同步脉冲使能AD开始采集。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、将延时测量模块设置在地面***中，有效避免了晶振在井下高温环境中的漂移所引起的累计误差；
2、将GPS授时模块与井地联合地震勘探相结合，大大提高了地面信号与井中信号同步的精度，利用本发明的补偿方法，能将电缆延时产生的同步误差从微秒级提升到纳秒级；
3、在井中***针对各采集节点不同延时的情况，利用FPGA对晶振脉冲进行计数，采用本发明设计的延时补偿方法，保障所有采集节点的AD能够同步采集；
4、不限制采集节点的数量，能对所有采集节点的延时做出精确测量及补偿；
5、仅使用现有仪器的模块就能实现延时测量并对其补偿，具体补偿功能是基于设置在采集短节的FPGA实现的，装置结构简单，便于实现及应用。
附图说明
图1为用于井下多节点采集***时间同步的补偿装置的总体示意图；
图2为延时测量的具体实现方式；
图3为延时补偿的原理框图；
图4为延时补偿的结构框图。
具体实施方式
本发明提供一种用于井下多节点采集***时间同步的方法及装置。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种用于井下多节点采集***时间同步的补偿装置，所述井下多节点采集***由地面***和井中***构成。所述地面***包括GPS模块、延时测量模块、恒温晶振。井中***包括采集短节和测井电缆，其中采集短节包括信号转发模块和本发明补偿装置。
本发明采用将GPS模块产生的PPS秒脉冲发送至各采集节点来达到同步采集的目的。该秒脉冲是持续时间为100ms的高电平脉冲，针对其在电缆传输过程产生的延时，做出如下测量及补偿方案。
由于在井中各采集节点所使用的一般都是精度较差的耐高温晶振，故若采用高温晶振测量时会产生较大的测量误差。本实施例选用精度为1ppm的温度补偿晶振，频率为100MHz，将延时测量模块设置在地面，利用FPGA计数。
所述延时测量模块将产生的模拟PPS秒脉冲信号通过测井电缆传输至各采集节点，同时利用FPGA对晶振产生的脉冲计数。各采集节点在接收到脉冲信号的同时产生一个新的脉冲信号并回传。地面***在检测到回传的脉冲信号时停止计时，记录延时时间为Ti，则实际在单向传输过程中所产生的延时为Ti/2，多次测量后取平均值Tdi，即为准确的延时时间。所述的各个采集节点中，当有PPS秒脉冲信号到达时，由本节的FPGA转发生成一个新的脉冲信号发送至下一个采集节点。因此能够依次测量出第1、第2至第i个采集节点的延时时间，具体如图2所示。
针对PPS秒脉冲在传输至各个采集节点的过程中有不同程度的延时，因此在各采集节点接收到PPS秒脉冲信号后，利用晶振分别再进行一定时间的延时，以保证所有采集节点的AD能够在第一个采样点同步开始采集。
在数据处理过程中，采集到的第1s数据通常被视为缺少第一个采样点的不完整数据，这使得在封装时所有数据都要后移一个采样点，造成数据存储的不便，因此将第1s数据舍去。本发明选用将所有采集节点延时至下一整秒开始采集，具体原理过程如图3，结构框图如图4。所述延时补偿模块包括晶振计数模块、延时设定模块和脉冲补偿模块。
本发明提出的补偿方法是利用FPGA对晶振脉冲进行计数，在电缆延时的基础上，继续延时至下一整秒，使所有AD开始同步采集。
具体补偿方法如下：
A、所述晶振计数模块受PPS秒脉冲使能，对高温晶振产生的脉冲进行计数。当一个PPS秒脉冲信号到达时，计数器开始根据晶振输出的脉冲进行计数。当下一个新的PPS秒脉冲到达时，保存上一秒晶振的计数值，并开始重新计数。高温晶振受其他因素影响较大，但当使用环境相对固定时，可将其输出视为相对稳定的状态。故对其测量n次，能获得当前情况下较准确的测量值，本实施例将n取值为10。
B、所述延时设定模块根据晶振计数模块测量的计数值，判定延时补偿的方向及脉冲数量。以3000米测井电缆为例，信号在电缆上延时约为15μs，再加上FPGA逻辑控制、上升沿衰减等产生的延时，将电缆延时设定为tdelay＝20μs，则需要补偿的延时为tD＝999980μs。本实施例中使用的高温晶振工作频率f＝100MHz，精度为70ppm，则晶振计数为次，频率的准确值以及上限和下限分别为：count＝100000000，countup＝100007000，countdown＝99993000。假设完成延时tD的晶振真实的计数值为x，可根据公式求取：
计算得到xup＝100004999.86、xdown＝99991000.14。
但在FPGA中实现上述的比值计算较困难，且得到的数值精度也不够高，会严重影响延时计数的精度。通过简单的加减计算发现xup、xdown与count的差值均为6999.86，与极限值仅相差0.14。因此采用加减计算代替上述的比值运算，即延时设定模块在完成计数后，通过求取计数值和标准值的差值，直接对延时值进行加减运算即可，而误差在晶振的一个振荡周期以内，即小于10ns。
C、当新的PPS秒脉冲信号到达时，使能脉冲补偿模块接收延时设定模块传送的设定值，并进行计数。计数完成后，发送同步脉冲使能AD开始采集。
本实施例中，采用的GPS模块是Ublox公司的LEA-5T，RMS为30ns，最大测量误差为60ns。在计算补偿值时利用加减运算代替比值运算产生的误差为10ns。各采集节点间在开始采集时刻可能存在大小随机的相位误差，最大为一个晶振振荡周期，即10ns。上述电缆延时最大值为20ns。综合在测量及补偿阶段所产生的误差，本发明提供的方法能将井下地震仪器同步采集误差减小至100ns以内。

Claims (1)

1.一种用于井下多节点采集***时间同步的补偿方法，其特征在于，所述井下多节点采集***由地面***和井中***构成，其特征在于：补偿装置设置在井中***的采集短节中，主要由晶振计数模块、延时设定模块和脉冲补偿模块构成；
所述晶振计数模块经延时设定模块与脉冲补偿模块连接，高温晶振分别与晶振计数模块和脉冲补偿模块连接；所述晶振计数模块通过计数器以地面***中GPS模块产生的PPS秒脉冲为门控信号对晶振脉冲进行计数，并将计数值传送至延时设定模块，该方法包括以下步骤：
A、在晶振计数模块中，利用PPS秒脉冲作为门控信号进行计数，当一个PPS秒脉冲信号到达时，计数器开始根据晶振输出的脉冲进行计数，当下一个新的PPS秒脉冲到达时，保存上一秒晶振的计数值，并开始重新计数，并将计数值传送至延时设定模块；
B、在延时设定模块中，根据晶振计数模块测量的计数值，判定延时补偿所需的脉冲数量，并判断是要进行加脉冲补偿还是减脉冲补偿，最终将补偿值传送至脉冲补偿模块；具体为：设定电缆延时为tdelay，需要补偿的延时为tD，晶振计数为countd，频率的准确值以及上限和下限分别为：count、countup和countdown，假设完成延时tD的晶振真实的计数值为x，可根据公式求取：
延时设定模块在完成计数后，通过求取计数值和标准值的差值，直接对延时值进行加减运算即可，而误差在晶振的一个振荡周期以内；
其中，xup和xdown为真实的计数值x的上限和下限；计数值是指PPS秒脉冲1秒内实际的计数值；标准值是指晶振的标准计数值，即晶振计数countd；延时值是指需要补偿的延时时间tD；
C、在脉冲补偿模块中，接收延时设定模块传送的设定值，并对模块使能，当新的PPS秒脉冲到达后，根据设定值计数，计数完成后发送同步脉冲使能AD开始采集，其中，设定值为延时设定模块输出的一个补偿值结果，即差值与延时值的加减结果。
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