CN112639630B - 用于估计用于对地震数据样本进行测年的时钟漂移的方法和*** - Google Patents

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Abstract

用于估计用于对地震数据样本进行测年的时钟的物理操作参数随时间的漂移的方法，该时钟与地震数据收集节点相关联，该方法包括在预定时刻或在预定时间段内测量(10)与所述时钟相关联的至少一个量；以及将所述量的预定非线性变化规律应用(12)于所述量，以便获得所述物理操作参数随时间的所述漂移的估计，所述量的预定非线性变化规律取决于在所述测量步骤(10)期间收集的值。

Description

用于估计用于对地震数据样本进行测年的时钟漂移的方法和 ***
技术领域
本发明涉及一种用于估计时钟的物理操作参数随时间的漂移的方法和***，所述时钟用于对地震数据的样本进行测年(dating)。
本发明属于基于海洋或基于陆地的地震勘测领域，并且具体地应用于将地震数据的收集的样本中的测年误差最小化。
背景技术
任何时钟都表现出随时间的一定时间偏移，例如，通过累积的相位误差来表示，通常称为“漂移”。这种漂移是由于各种因素引起的，包括时钟的老化或者甚至时钟所处环境的温度。
这种漂移影响具有石英振荡器(温度控制的晶体振荡器TCXO或微控制器补偿的晶体振荡器MCXO或甚至恒温(oven-controlled)晶体振荡器OCXO)类型的时钟和(铷或铯)原子钟。
当时钟被用于对事件(诸如地震数据的样本的接收)进行测年时，时钟漂移导致这些样本的测年的误差。
当前用于校正时钟漂移的方法通常基于该漂移是线性的假设，并且因此应用本身也是线性的校正。例如，在专利文献US-A-9417359中就是这种情况。这意味着，如果例如在30天的操作之后已经测量到30ms的累积时钟相位误差，则漂移被认为是每天1ms并且被相应地校正。
然而，这种技术不令人满意，因为实际上观察到时钟漂移不是线性的。
发明内容
本发明旨在纠正现有技术中的上述缺点中的至少一个。
为此目的，本发明提出了一种如权利要求1所述的方法，用于估计用于对地震数据的样本进行测年的时钟的物理操作参数随时间的漂移，该时钟与地震数据收集节点相关联，特别是在海上，其中，节点被设计为保持在海床上。
这导致残余时钟测年误差小于在对时钟漂移应用线性校正时获得的残差。
此外，该方法可以在地震数据收集设备本身内或在单独的计算机中实现。
此外，可以在地震数据收集活动之后的任何时间，或者甚至在该活动期间特别长的持续时间期间，估计时钟漂移。
此外，如果时钟是OCXO时钟，则该方法关于时钟的炉加热(oven heating)时间是鲁棒的。
此外，该方法可以任意地应用于任何类型的时钟，包括石英时钟(包括TCXO、MCXO和OCXO)和原子钟(包括铷和铯原子钟)。
本发明使得可以实现时钟漂移的良好质量估计，从而使得可以对地震数据的收集样本应用相关校正。
在从属权利要求中阐述了特定实施例。
为了与上述目的相同的目的，本发明还提出了一种如权利要求9所述的方法，用于估计用于对地震数据的样本进行测年的时钟的物理操作参数随时间的漂移，该时钟与地震数据收集节点相关联，特别是在海上，其中，节点被设计为保持在海床上。
仍然为了与上述目的相同的目的，本发明还提出了一种如权利要求14所述的***，用于估计用于对地震数据的样本进行测年的时钟的物理操作参数随时间的漂移，该时钟与地震数据收集节点相关联。
由于***的具体优点和特征类似于方法的具体优点和特征，所以在此不重复描述。
附图说明
通过阅读以下参照附图对本发明的通过完全非限制性的示例给出的特定实施例的详细描述，本发明的其它方面和优点将变得显而易见，在附图中：
图1是一般地示出用于估计用于对地震数据的样本进行测年的时钟的物理操作参数随时间的漂移的方法的步骤的流程图；
图2是示出第一特定实施例中图1的方法的步骤的流程图，其中，物理工作参数是时钟的瞬时频率；
图3是示出第二特定实施例中图1的方法的步骤的流程图，其中，物理操作参数是时钟的相位；
图4是示出包括模拟任务的第三特定实施例中的图1的方法的步骤的流程图；以及
图5是示出在2阶校正的情况下和在3阶校正的情况下作为时间的函数的累积相位误差的曲线图。
具体实施方式
在下文中，考虑地震数据收集节点。这些数据通过各种地震传感器(包括速度传感器、加速计或者甚至是水听器和/或地震检波器)收集。可以将给定节点与例如三个地震检波器、或水听器和三个地震检波器，或水听器和三个加速度计相关联，传感器的任何其它组合都是可想象的。具体地，尽管可以在陆地上或在井中收集数据，但是在一个特定实施例中，感兴趣的是通过节点在海上收集地震数据，该节点具体能够在被恢复之前被放置在海床上进行地震活动。
时钟与该节点相关联，以便对由该节点接收的地震数据的样本进行测年。
已知例如在海上的地震数据收集活动期间，节点可能在海床上保持几个月，地震数据的样本由具有高稳定性的高端时钟加时间戳。
该时钟可以是石英振荡器时钟(例如，TCXO、MCXO或OCXO)或原子钟(例如，铷或铯原子钟)。它由物理操作参数定义，该物理操作参数例如可以是其相对于参考时钟的相位，或者甚至是其瞬时频率。
如在背景技术中所解释的，随着时间的推移并且在初始同步之后，时钟经历漂移，该漂移在预定持续时间之后导致累积相位误差或累积瞬时频率误差。
图1一般地示出根据本发明的用于估计这种漂移的方法。
它包括测量与时钟相关联的物理变量的步骤10。在预定时刻测量该物理变量或在预定时间段内测量该物理变量。
在该测量步骤10之后是步骤12，在步骤12中，将预定的非线性变化规律(具体地，大于或等于2阶的多项式规律)应用于该物理变量。然后，这给出了时钟的累积相位误差的估计，该误差表示时钟漂移。
下面根据所选择的物理变量是否是时钟的瞬时频率和/或相位来详细描述这种估计方法的两个特定实施例。
在第一实施例中，其中，时钟的瞬时频率和相位被用作要被测量的物理变量，测量步骤10的细节在图2中被示出。
该测量步骤分两个阶段进行：在第一阶段中，所述第一阶段在节点被部署以用于地震数据收集任务之前发生，在步骤100中测量时钟的初始瞬时频率fi，并且在步骤102中，将节点的内部时间信息信号相对于参考时间信息信号同步。
节点的内部时间信息信号由时钟产生。时钟通常在几MHz的频率(例如，10MHz)下操作，并且使用时钟分频器，时钟还提供另一频率(例如，1Hz)下的信号，所述信号用作内部时间信息信号或PPS(脉冲每秒)。
该内部PPS允许微控制器使用模数转换器对由地震传感器接收的地震数据的样本加时间戳。接收的地震数据被存储在存储器中，所述存储器例如可以是闪存。
在步骤102中，已知当节点在地震勘测船上时，其通常连接到GPS接收器，该内部PPS被校准到外部参考信号或PPS，所述外部参考信号或PPS可以例如由全球定位***或GPS提供。
这种同步或校准操作可以通过微控制器向时钟发送复位信号来执行。
在同步之后，在内部PPS和外部PPS之间不再存在相位差。
在该第一阶段结束时，节点被部署，并且地震数据收集任务发生特定天数、星期或甚至月，时钟在任务期间连续操作。
在海上地震数据收集的示例中，由于GPS信号是电磁的，因此其不通过水柱。因此，它保持不能被时钟访问。当在陆地上收集地震数据时，GPS信号也可能是不可访问的。
随着时间的过去，时钟的瞬时频率误差导致内部PPS和外部PPS之间的累积相位误差。具体地，电子装置通过在这里描述的示例中被假设具有1Hz的恒定频率的信号来对地震数据加时间戳，但是实际上不是这种情况，因为温度不稳定性和石英振荡器(TCXO、MCXO或OCXO)和原子振荡器(铷或铯)的老化是不可忽略的。
当外部PPS可用时，也就是说，在海上任务的示例中，当节点被带回到地震勘测船上并且重新连接到GPS接收器时，可以测量累积相位误差。
因此，在地震数据收集任务结束时发生的第二阶段中，在步骤104中，测量时钟的最终瞬时频率ff以及内部PPS和外部PPS之间的最终相位偏移。
作为变型，该第二阶段可以在任务期间的预定时刻发生，在这种情况下，测量时钟在该时刻的瞬时频率以及内部PPS和外部PPS之间在该时刻的相位偏移。
在应用时钟的瞬时频率的预定非线性变化规律的步骤12中，基于初始瞬时频率fi和最终瞬时频率ff和最终相位偏移，来估计时钟的最终瞬时频率误差。
为此，根据本发明，假设时钟的瞬时频率根据2阶多项式等式变化，由此得出时钟的相位根据3阶多项式等式变化；可以采用更高阶多项式。
令ε(t)为作为时间t的函数的时钟的瞬时频率误差。2阶多项式等式写成如下：
ε(t)＝εi+α.t+β.t2
其中，εi＝ε(0)表示初始频率误差，且α和β表示预定系数。
累积相位误差由下式给出：
Figure GDA0003041768280000051
因此，累积相位误差由以下3阶多项式等式给出：
Figure GDA0003041768280000061
令T为任务的结束时刻。在时刻T测量的最终瞬时频率误差和最终相位误差表示为：
ε(T)＝εf
Figure GDA0003041768280000062
给出有两个未知数的以下两个方程，然后可以计算系数α和β
Figure GDA0003041768280000063
Figure GDA0003041768280000064
这些系数可以在节点中计算，或者在后处理中在单独的计算机中计算。
根据3阶等式描述时钟的时间漂移的该实施例只有当节点具有用于精确测量其时钟的瞬时频率的装置时才是可能的。
使用三次等式来估计时钟的时间漂移使得可以相对于2阶或抛物线等式减小对地震样本进行测年的最大误差。
具体地，使用2阶等式是基于频率随时间线性演变的假设。然而，时钟的老化现象导致频率根据非线性规律变化。
因此，如图5所示，其示出了作为时间(以天为单位)的函数的累积相位误差(以秒为单位)，当所应用的校正是2阶时，对地震样本进行测年中的残差具有钟形，其中，最大误差在任务的中间(图5中的顶部曲线)。
当使用三次等式时，消除了这种现象(图5中的底部曲线)，从而使最大测年误差最小化。
作为变型，代替基于多项式等式的频率变化规律，可以使用其它形式的演变，诸如例如，对数演变。
在部署节点之前，可以通过执行调整时钟的输出频率的预备步骤来减小时钟的瞬时频率误差，以便减小时钟的瞬时频率误差。
该步骤可以在时钟被制造时或在时钟的维护期间执行。现有时钟特别具有允许该校准的输入。这使得可以进一步最小化残余时钟测年误差。
为了考虑具体在任务开始或结束时可能发生的温度变化，例如在海上任务的情况下，由于节点和相关电子装置在冷水中的部署或从冷水中返回到船上，可以通过引入温度参数来改善对时钟漂移的估计。具体地，在时钟漂移的估计中考虑温度使得可以提高该估计的精度。
为此，在部署节点以用于地震数据收集任务之前，测量作为时钟的温度的函数的时钟的瞬时频率的演变。然后，在任务期间，测量时钟的温度。
然后将表示由于温度变化引起的瞬时时钟频率误差的参数εTemp引入时钟的瞬时频率的非线性变化规律中。给出时钟的累积相位误差的3阶多项式等式则变为：
Figure GDA0003041768280000071
其中
Figure GDA0003041768280000072
Figure GDA0003041768280000073
图3示出根据本发明的方法在第二实施例中的进展，其中，使用的时钟的物理操作参数不是瞬时频率，而是时钟的相位。
在该实施例中，测量步骤10分两个阶段进行。
首先，在节点被部署用于地震数据收集任务之前，在步骤200中，在预定时间段ΔT1内连续测量时钟的相位，以便确定在该时间段ΔT1期间累积相位误差的演变。
然后，在任务结束时，在步骤202中，在预定时间段ΔT2内再次连续测量时钟的相位，以便确定在该时间段ΔT2期间累积相位误差的演变。
接下来，在步骤204中，使用插值法(诸如例如，样条(spline)法，样条是由多项式分段地定义的函数)估计在任务期间(即，在两个时间段ΔT1和ΔT2之间)的累积相位误差。这种插值法本身是已知的。该示例不是限制性的：可以使用另一种插值法。
该实施例的优点在于，它不需要测量时钟的瞬时频率。因此，可以使用比第一实施例中更简单的电子装置来实现。
在图4所示的第三实施例中，在任务之前，在生产或维护中，在步骤300中，在各种温度下测量模拟地震数据收集任务期间的累积相位误差。这构成了一种校准形式。然后在步骤302中，应用上述规律以便估计在实际任务期间的累积相位误差。
根据本发明的用于估计时钟随时间的漂移的***可以包括电子装置或计算模块，所述电子装置或计算模块位于节点或处理器或计算机中的远程节点，或位于单独的电子电路中，能够在任务开始和结束时测量时钟的频率误差和/或相位误差，从而使得能够根据3阶多项式来估计累积相位误差，而常规设备仅能够测量相位漂移，并且因此能够根据1阶多项式来估计累积相位误差。
更具体地，上述模块被配置为执行上面结合图1至4描述的步骤。当模块被嵌入节点中时，它可以由与已经存在于节点中的功能单元分离的单元(诸如节点的微控制器)组成，或者它可以在功能上被集成到这样的单元中。作为示例，节点的微控制器被配置为进一步执行以上结合图1至图4描述的步骤中的至少一些。

Claims (14)

1.一种用于估计时钟的物理操作参数随时间的漂移的方法，所述时钟用于对地震数据的样本进行测年，所述时钟与地震数据收集节点相关联，其中：
在测量步骤中，在预定时刻或在预定时间段内测量与所述时钟相关联的至少一个变量；以及
将所述变量的预定非线性变化规律应用于所述变量，以便获得所述物理操作参数随时间的所述漂移的估计，所述变量的预定非线性变化规律取决于在所述测量步骤中收集的所述至少一个变量的值，
并且其中，在所述测量步骤中：
在部署所述节点用于地震数据收集任务之前，测量所述时钟的初始瞬时频率，并且相对于参考时间信息信号同步所述节点的内部时间信息信号；
在所述数据收集任务期间的预定时刻，测量所述时钟的最终瞬时频率以及在所述节点的所述内部时间信息信号与所述参考时间信息信号之间的相位偏移；
并且其中，在应用所述变量的所述预定非线性变化规律的所述步骤中，基于所述初始瞬时频率、所述最终瞬时频率和所述相位偏移，来估计所述时钟的瞬时频率误差，
并且其中，根据所述变量的所述预定非线性变化规律，所述时钟的瞬时频率根据大于或等于2阶的多项式等式变化，使得所述时钟的相位根据大于或等于3阶的多项式等式变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在预备步骤中，调整所述时钟的输出频率，以便减小所述时钟的所述瞬时频率误差。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预备步骤在制造所述时钟的阶段期间被执行。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预备步骤在维持所述时钟的阶段期间被执行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考时间信息信号由GPS定位***提供。
6.根据权利要求1所述的方法，其中：
在部署所述节点用于地震数据收集任务之前，还测量所述变量的演变作为所述时钟的温度的函数；
在所述任务期间，测量所述时钟的所述温度；以及
所述变量的所述预定非线性变化规律考虑了所述温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述任务期间的所述预定时刻对应于所述任务的结束。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述变量的所述预定非线性变化规律，所述时钟的瞬时频率根据2阶多项式等式变化，使得所述时钟的所述相位根据3阶多项式等式变化。
9.一种用于估计时钟的物理操作参数随时间的漂移的方法，所述时钟用于对地震数据的样本进行测年，所述时钟与地震数据收集节点相关联，其中：
在测量步骤中，在预定时刻或在预定时间段内测量与所述时钟相关联的至少一个变量；以及
将所述变量的预定非线性变化规律应用于所述变量，以便获得所述物理操作参数随时间的所述漂移的估计，所述变量的预定非线性变化规律取决于在所述测量步骤中收集的所述至少一个变量的值，
并且其中，在所述测量步骤中，在部署所述节点进行地震数据收集任务之前，在第一预定时间段内测量所述时钟的相位，并且在所述任务结束时，在第二预定时间段内测量所述时钟的相位，并且在应用所述规律的所述步骤中，使用插值法以便获得所述时钟的累积相位误差的估计，并且其中，根据所述变量的所述预定非线性变化规律，所述时钟的相位根据阶数大于或等于3阶的多项式等式变化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述测量步骤中，在对应于模拟地震数据收集任务的时间段内测量所述时钟的所述累积相位误差。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述时钟的所述相位根据3阶多项式等式变化。
12.根据权利要求10所述的方法，其中：
在部署所述节点用于地震数据收集任务之前，还测量所述变量的演变作为所述时钟的温度的函数；
在所述任务期间，测量所述时钟的所述温度。
13.根据权利要求1或9所述的方法，其中，所述节点被设计成在海床上使用。
14.一种用于估计时钟的物理操作参数随时间的漂移的***，所述时钟用于对地震数据的样本进行测年，所述时钟与地震数据收集节点相关联，其中，所述***包括被设计为实现根据权利要求1所述的方法的步骤的模块。
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