CN101836132B - 用于校正节点地震数据采集单元中的计时功能的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种无线地震数据采集单元，具有提供对由地震系统中的多个无线地震数据采集单元所共享的公共的远程时间基准访问的无线接收器。接收器能够复制使地震传感器的模数转换器与之同步的远程时间历元的本地版本。接收器能够为了对本地节点事件进行时间戳记的目的而复制远程的公共时间基准的本地版本。接收器能够在地震数据采集单元继续记录地震数据的时间周期内被置于低功率的非工作状态，从而保存单元的电池功率。系统实现了基于对公共的远程时间基准的间断访问来校正本地时间时钟的方法。方法经由压控振荡器来校正本地时钟以解决在环境中引入的计时误差。本发明还提供校正本地时间时钟漂移的更稳定的方法。

Description

用于校正节点地震数据采集单元中的计时功能的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求在2007年9月21日(21.09.2007)申请的美国临时专利申请No.60/994,711以及在2007年10月25日(25.10.2007)申请的美国非临时专利申请No.11/977,580的优先权，其中它们的标题为“Method and Apparatus for Correcting the timing function in aNodal Seismic Data Acquisition Unit”，在此并入作为参考。
技术领域
本发明涉及地震勘探领域。更特别地，本发明涉及用于在分布式节点地震采集系统中所使用的时基(time base)的控制及校正的方法和装置。
背景技术
地震勘探一般地利用地震能量源来产生传播到大地中并由地下地震反射物(即，特征在于弹性性质不同的在地下岩性层或流体层之间的界面)部分反射的声信号。反射信号(被称为“地震反射”)由位于地面上或靠近地面的地震接收器测得并记录，从而产生地下的地震测量。然后，能够处理所记录的信号，或地震能量数据，以产生关于岩性地下地层、将该特征识别为例如岩性地下地层界面的信息。
典型地，地震接收器成阵列布置，其中该阵列包括一行站点(stations)，其中每个站点包括接收器的串，接收器串被布置为使得记录来自接收器行之下的地震横截面的数据。对于遍及较大面积的数据以及对于地层的三维表示，多个单行阵列可以并排地布置，以致形成接收器网格。通常，站点及其接收器分开地散布或者位于远程区域。例如，在陆地地震测量中，几百到几千个接收器(被称为地震检波器)可以按空间上不同的方式来部署，例如每条线路以每隔25米一个接收器的方式延续5000米并且连续的线路被隔开500米的典型网格配置。由许多地球物理的因素以及归因于设备或天气条件的操作停机时间而定，散布的单元可以按超过两周的时间间隔来部署。
在地震勘探中所使用的声波典型地由通过动态的勘探、气枪射击、振荡器扫描等来初始化能量事件的集中的能量源控制系统产生。使采集系统(即，地震接收器及其控制机制)与能量事件同步使得采集周期的第一数据采样在时间上对应于能量事件的峰值，例如振动工作的扫描的起始。采集周期在第一采样之后典型地持续6～16秒，同时对每个地震传感器按.5～4毫秒的间隔来采样。
任意地震系统的基础重要性是时基方法，通过该时基方法来完成能量事件与声波场的采样的同步。图1示出了在经由硬线12与多个个体地震数据采集传感器14连接的典型的现有技术的地震采集系统10中所包含的主要元件。各个元件被用来控制时基并且将时基分发给每个个体地震数据采集传感器14，从而使整个系统10能够达到时间同步。如所示，现有技术使用单个的、集中的时基，集中的时基确保所有个体地震数据采集传感器14在采集周期内由相同的时间基准来排序。同步的时间基准被维持于集中的基础单元16，例如工作管理车辆。该时基典型地由连续工作的无线接收器18(例如全球定位系统(“GPS”)接收器)来规训(discipline)，其中对该无线接收器18进行布置以与外部时间基准20通信，其中在GPS接收器的情况下该外部时间基准20是GPS卫星。GPS接收器18直接规训用来驱动系统时钟24的高稳定性的压控振荡器(“VCO”)22，其中所有元件典型地被锁相至该系统时钟24。采集系统控制器26利用锁相环路(PLL)来使其输出的命令帧与系统时钟24同步。输出的命令帧进而在与采集系统控制器26电缆连接的多个地震数据采集传感器14中由PLL锁定。嵌入命令帧中的是用来使传感器14中的模数(A/D)转换器28与GPS信号同步的采样时钟信号，其中该GPS信号典型地是1脉冲/秒(1PPS)信号或遵循该时间历元(timeepoch)的采样间隔的整数倍的任意时间间隔。在任何情况下，通过分立的硬件接口使能量源控制器30与系统时钟24同步，其中分立的硬件接口不是被直接连接至集中的GPS规训的时钟24就是将利用锁定于由系统时钟24所提供的中央计时基准上PLL。重要的是要注意大部分现有技术的源控制系统不利用GPS规训的时基来执行计时功能，而是，使用GPS时间标记来对由系统所记录的某些重要事件进行时间印戳(time stamp)，例如点火(FIRE)事件或时断(TIMEBREAK)事件(其代表峰值源的能量事件的时间)的接收或者振动扫描的起始。现有技术的采集系统控制器引导点火(FIRE)事件所发生的时间以确保时断(TIMEBREAK)事件在与散布的地震传感器的A/D转换同步的时间发生，正如为精确的波场采样所要求的。
与图1的硬连线的、集中的时基系统相比，最新近的现有技术的地震采集系统已经尝试消除或最小化在集中的基础单元与个体地震数据采集传感器之间的电缆连接。在这样的情况下，地震传感器与其它硬件集成于个体地震数据采集单元或节点中，使得之前由基础单元所执行的某些控制及操作功能现在于个体地震数据采集单元中执行，例如计时功能。在这些“节点的”现有技术的系统的某些系统中，每个地震数据采集单元继续与集中的基础单元进行无线通信，然而在其它“自主的”节点现有技术的系统中，每个地震数据采集单元独立于集中的基础单元而工作。
除了在集中的单元与地震单元的场分布之间的物理层连接(有线的或无线的)被去除以外，在利用自主的地震数据采集单元的典型的现有技术的“节点”地震采集系统中所包含的主要元件与图1中所示的框图相似，使得个体地震采集单元相对中央单元至少半自主地工作。在去除有线的物理层连接的情况下，由电缆引起的许多缺点得以消除，例如重量、成本及高故障率。类似地，在去除无线的物理层连接的情况下，由无线连接引起的许多缺点得以消除，例如带宽限制、易受干扰、以及需要无线电信道许可。
这些自主的地震采集单元的特征在于以空间分布阵列的方式部署于节点周围的一个或多个地震传感器。每个个体传感器经由电缆与节点通信。一般地，多个传感器连线至单根电缆以建立阵列。
在自主的地震数据采集中的一个重大改进是完全集成的、自包含的自主地震采集单元的开发，例如在美国专利申请No.10/448,547和No.10/766,253中所描述的那些地震采集单元。在这些申请中描述了连续记录的、自包含的、自主的无线地震采集单元。自包含的单元包括具有在壳体之内界定至少一个内部腔室的壁的完全封闭的壳体；内部地固定于所述内部腔室之内的至少一个地震检波器；布置于所述的内部腔室之内的时钟；布置于所述内部腔室之内的电源；以及布置于所述内部腔室之内的地震数据记录器，其中每个所述电元件包括电连接，并且在任意电元件之间的所有电连接都包含于所述壳体之内。因而，与现有技术不一样，地震传感器或地震检波器同样包含于壳体自身之内，使整个系统成为自包含的并且消除了任何类型的外部的连线或电缆连接。调整壳体形状以增强部署并且通过最大化与地面接触的壳体的表面积来增强与地面的耦接。优选地，壳体包括具有第一外围的第一板以及具有第二外围的第二板，其中所述板由界定内部腔室的壁沿着它们的外围接合。类似地，壳体可以是圆盘形状的或管状形状的。不仅由于壳体的形状，而且由于外部电缆连接(例如在电子封装与地震传感器/地震检波器之间)因为单元是完全自包含的而被去除了，因而该单元是所希望的。
在任何情况下，当与集中的单元的物理层连接被去除时，自主的地震单元必须用分布的时基来实现，这意味着控制时钟系统被布置于每个个体地震单元上。而且，在没有用于同步或数据遥测的电缆连接的情况下，自主的节点地震系统必须依靠用于个体地震单元电子设备的基于电池的电源的使用。像这样的无线地震采集单元独立于能量源控制系统及与其关联的计时时钟而工作。相反地，它们依靠计时信号的连续采集的概念，并且在以上所引用的专利申请的情形中，还依靠数据的连续采集。在知道源事件与地震数据的采样间隔同步的情况下，数据能够在检索节点之后非实时的过程中与正确的源事件关联。
随着分布式无线地震采集单元的物理层连接的去除，获得每个地震单元的采样时钟的方式以及该采样时钟与能量源事件的同步必须解决图1中的现有技术的系统的命令帧同步的损失。
在现有技术中，自主的地震采集单元通常使用由集中的时基架构系统所实现的相同的方法及装置来同步并规训它们的本地时基。具体地，同步通过实现与连续的、公共的时间基准(例如卫星的GPS系统)的无线接口来完成。在这样的情况下，每个个体地震采集单元经由安装于船上的GPS接收器利用GPS卫星时基用作系统时钟，这与集中单元的安装于船上的GPS接收器不同。但是，由于许多原因，这种用于自主单元的时基系统是不希望的。
第一，具有连续工作的功能(例如时钟)的系统使用相当大量的功率。虽然集中的单元可以使用持续电源，但自主的地震采集单元则不行，而必须依靠容量有限的电源，即电池。具体地，使用连续工作的无线接收器来规训VCO是功率很低效的。例如，连续工作的GPS接收器能够消耗地震单元的总的电池功率的20～50％之间。要解决这个问题，现有技术的采集系统最常用地是使用以上所述的“孤立的”节点，其中多个地震传感器以空间分布矩阵的方式部署于节点周围，每个传感器经由电缆与节点通信。虽然该系统在多个地震传感器上分发持续规训的时钟的功率负荷，但该系统再引入了不可靠电缆的使用以连接空间上分布的地震传感器。然而，由于与采集单元连接的地震传感器的数量接近一个，维持无线同步所使用的单元的总的功率预算的百分率变得更加重要，并且功率变成了管理地震采集单元的部署长度的限制因素。
第二，到外部时间基准20的无线访问，与集中的基础单元的接收器(例如记录车)相比，对于节点采集地震单元将显著是更加困难的。节点地震采集单元的无线接收器及天线位于单元自身之内(或者与其紧密接近)并且这样的单元一般靠近地面部署(或者在某些情况下实际上可以位于地表之下)。而且，单元的物理布置受制于其自身散布的几何形状，因此，不能改变物理布置来获得更好的无线访问。而且，浓密的叶子、崎岖的地形及城市障碍全都能够对节点无线接收器维持连续计时方案的能力起限制作用。结果是来自GPS卫星或其它源的连续的外部时间基准信号在发射的过程中可能被中断并且是间断的。相反地，基础单元(例如记录车)一般能够布置于到时间基准的无线访问是无障碍的并且不是问题的位置上。
由于具有到外部时间基准20的限制的无线访问，节点时基必须依靠控制回路中的VCO的稳定性或“保持”能力以在控制环路不具有连续的基准来规训VCO的期间维持稳定的频率输出。一种现有技术的解决方案利用高稳定性的炉控式的或基于原子的振荡器来充当“保持”时基。但是，这样的振荡器的成本及功率要求使得它们的使用不实用。更典型的解决方案是使用高稳定性的、温度补偿的石英振荡器作为“保持”振荡器。这类VCO在节点的工业工作范围上能够将固定的频率维持于±5E-7之内。
将连续的GPS接收器用作系统时钟的自主的地震采集单元的实现的第三个缺点由无线接收器在长时间的不良的无线可用性之后校正VCO频率的方式引起。当前现有技术的方法引起了在使用于该采集单元内的增量求和(Δ-∑)转换器的A/D过程中的变形。对在这些现有技术的GPS规训的时基中所实现的控制回路进行设计以引导规训的时钟的1PPS输出与GPS 1PPS信号对齐。这通过改变VCO的频率以补偿两个1PPS基准之间的时间差来完成。设计执行该频率校正的发生率以最小化进行校正的时间使得规训的时钟快速地恢复与GPS时间基准的同步。尽管这些GPS规训的时基典型地允许对控制回路的发生率的某些有限的控制，从而使由VCO工作频率的改变所引起的变形得到某些减小，发生率的这种减小大大地增加了进行校正的以及GPS接收器必须保持于高电能消耗的状态下的时间间隔。
存在着建立这样一种方法的需要，通过该方法能够在最小化单元的电能消耗的同时使分布于广阔的空间区域上的自主的节点地震采集单元相互同步并且与地震能量控制器同步。该方法必须解决在节点或控制单元之间的有线的或无线的物理层连接的缺少问题并且必须以低功率的方式来这样进行。用来实现与外部时间基准(例如GPS)的时基接口的装置解决归因于单元必须于其中起作用的工作变量及环境变量的时基的间断的且不可靠的性质。由此，应希望对控制回路进行设计来实现时基以便在不可能访问外部时间基准的时候稳定振荡器的性能。控制回路的算法应当适应于振荡器的性能特性并且预测的方法应当在成功连接至外部时间基准的可能性为低的期间被用来避免访问外部时间基准的需要。
发明内容
本发明提供了一种从空间分布式节点地震采集系统中访问公共的时间基准的装置以及一种能够用来在分布式节点内建立具有到公共时间基准的有限访问的低功率的、同步的时基的方法。本发明描述了该装置的控制过程，其中该装置实现了在地球物理上可接受的有界的同步误差容限之内的低功率时基的目标。
本发明提供允许在保存单元的电池功率的同时于无线的节点地震采集单元中使用外部的精确时基的装置及方法。更具体地，本发明提供了通过板上的无线接收器的间断工作来非连续地访问外部精确时基以不定期地调谐开环回路的变量并校正由开环回路方法的稳定性限制所引起的同步误差。本发明还提供了用于校正本地时钟与外部的精确时基之间的漂移误差的方法。
地震单元中涉及时基的部分一般地包括与节点控制器对接的无线接收器，其中该节点控制器对能够产生可调计时信号的可调计时信号设备进行调谐，该可调计时信号驱动用来给A/D增量求和转换器提供计时的规训的采样时钟。节点控制器实现对影响单元的一个或多个内部的或外部的环境条件(例如外部温度、斜度(tilt)、电压、晶体老化等)进行解决的开环回路控制算法以估计VCO的频率并校正所估计频率的误差。因而，单元优选地包括各种传感器，例如温度传感器、电压传感器和/或斜度传感器。在一种优选的实施方案中，VCO的历史频率特性与关联的环境传感器的值一起存储于频率补偿表中并且被用来稳定频率。除了同步本地时基之外，在无线接收器工作时还利用无线接收器来给本地事件提供精确的时间戳记。测得的环境传感器的值将被用来预测应当何时激活无线接收器以获得用于调谐作用的信号。
在漂移误差的校正中，使用采样时钟的时间戳记通过无线接收器来测量计时基准与采样时钟之间的漂移。然后将无线接收器置于低功率的休眠模式下并且故意使VCO的频率偏离其正常值以增加或减小VCO的频率及同步的采样时钟，以便减小漂移值。要使被锁相至VCO的采集系统的采样数据的变形最小化，则实现偏移小(＜±1E-6)、持续时间长的校正。应用漂移校正偏移的时间长度是待校正的漂移的大小及VCO的频率偏移的大小的线性函数。在去除或减小累积漂移之后，连续的开环回路频率补偿过程仍然在进行以维持高VCO稳定性，直到下一漂移校正过程被执行。
尽管本发明能够用于任意类型的地震单元，有线的或无线的，自主的或与中央基础单元通信的，但在优选的实施方案中，本发明使用独立于其它单元工作的连续记录的、自主的地震数据采集单元。在一种优选的实施方案中，自主的地震数据采集单元包括具有界定至少一个内部腔室的壁的完全封闭的、自包含的壳体，其中在该内部腔室中固定了至少一个地震传感器、非易失性存储器、足够允许单元连续工作的电源及工作的电子设备，工作的电子设备包括上述为时基所使用的电子设备。壳体优选地由界定内部腔室的壁沿着它们的外围接合的第一板及第二板来构成，从而导致大体上的圆盘形状或管状形状。
附图说明
图1是利用单个的集中时基进行系统工作的现有技术的电缆连接的地震数据采集系统的系统框图。
图2是利用外部的、公共分布的时基进行系统工作同步的节点地震数据采集系统的系统框图。
图3是本发明的时基元件的示意图。
图4是节点采样时钟与外部计时基准历元(在本实例中为GPS1PPS)之间在它们被同步的点上的相位关系以及在之后任意时间上的一种可能的相位关系的时序图。
图5是示出能够在不引起所采样的地震数据变形的情况下实现本发明的时钟校准过程的一种方法的时序图。
图6是本发明的漂移校正过程的流程图。
图7是用来使漂移校正之间的间隔最大化的步骤的流程图。
具体实施方式
本发明在如图2所示的地震采集单元(即无线节点地震采集单元)中实现。具体地，在图2中所示的是地震测量系统100的系统级架构的框图，其中该地震测量系统100利用来自外部计时基准的分布的时基来同步多个自主的个体地震数据采集单元102。所分布的时基确保所有个体地震数据采集单元102在采集周期内都由相同的时间基准来排序。虽然图2的地震测量系统100与图1的现有技术的地震测量系统10相似，但是图2的系统100是自主的，与集中的基础单元16没有任意有线的或无线的物理层连接，即，没有来自基础单元的控制信号。相反地，每个个体地震采集单元102包括板上的无线接收器，其中该无线接收器与外部的、精确的时间基准或基础20(例如GPS卫星)通信以规训每个单元102的本地时基。类似地，虽然图2的地震测量系统100与某些自主的现有技术的地震采集单元具有某些相似性，但是现有技术的单元利用精确的卫星时基作为系统时钟本身，从而产生了以上所述的许多缺点。但是，如图2所示，本发明的每个个体地震采集单元102都包括无线接收器106和本地采样时钟110两者，本地采样时钟110被配置为由无线接收器106通过本地控制器104来规训。
在图2中，能量源108与时间基准的同步通过与图1所示的现有技术的系统10几乎相同的方式来完成。但是系统100的能量源控制30在逻辑上，以及在物理上，是与地震采集单元102分离的并且能够位于对操作人群方便的任何地方。图1的采集系统控制器由源同步器元件122所代替，确保来自能量源控制器30的时断(TIMEBREAK)信号相对于GPS 1PPS历元处于采样间隔边界上。分布式节点地震采集单元102访问由系统的源控制部分120所使用的相同的公共时间基准以确保测量系统100之内的同步。
图3示出了在节点地震数据采集单元102中的同步的、分布的时基的一种实施方案。虽然只示出了与节点单元的时基部分相关的那些元素，但是完整的单元102包括地震传感器、足够的非易失性存储器及电池驱动的电源以允许进行时间帧大于两周的连续工作，并且优选地在单元102的整个部署期间。此外，每个地震采集单元包括一个或多个地震传感器，例如地震检波器。优选地，将所有上述电元件封装于完全封闭的壳体中，在该壳体之内具有界定至少一个内部腔室的壁并且保护着元件。本领域技术人员应当意识到所述电元件包括互连上述元件的电连接，并且在本发明的实施方案中优选的是将任意电元件之间的所有电连接包含于壳体之内，使每个数据采集单元102成为完全自包含的并且消除任意类型的外部布线或电缆连接。
虽然壳体可以具有任意形状，但是优选地调整壳体形状以增强部署以及通过使与地面接触的壳体的表面积最大化来提高与地面的耦接。在一种实施方案中，壳体包括具有第一外围的第一板以及具有第二外围的第二板，其中所述板沿着它们的外围由界定内部腔室的壁来接合。壁可以是圆柱形的使得壳体可以具有总体上的圆盘形状或管状形状。
需要不定期地对高精度时间基准的非连续访问以调谐开环回路变量并且校正由开环回路法的稳定性限制引起的同步误差。
虽然本发明将根据精确的卫星时基(例如GPS)来描述，但在其它非限制性的实施方案中，每个系统或子系统所要同步的外部时间基准的源能够以其它时间基准来实现，例如WWVB或专用的调和(propitiatory)UHF/VHF时间广播。本发明与任意具体的时间历元都没有关联，但是优选地所有节点及系统元件为了采集过程的同步必须共享公共的历元。
在图3中示出了根据本发明的节点地震数据采集单元102的本地时基的图表。地震单元102涉及时基的部分一般包括节点控制器104、无线接收器106、可调整的计时设备108(例如压控振荡器(VCO))、规训的采样时钟110、A/D增量求和转换器112及时间标记单元114。D/A转换器116(优选为16位)被用来将来自节点控制器104的模拟控制电压提供给VCO 108。本发明的一个重要方面是以下将更详细描述的环境传感器118及频率补偿电缆119的使用。虽然可调整的计时设备108将被描述为压控振荡器，但本领域技术人员将会意识到该设备能够是起着在此所描述的作用的任意振荡器电缆，包括但不限于：压控晶体振荡器，压控温度补偿晶体振荡器(VCTCXO)或压控炉控晶体振荡器(VCOCXO)。
一般地，规训的采样时钟110被用来对A/D增量求和转换器112直接计时。采样时钟110的时间基准由本地VCO 108来提供，本地VCO 108的频率由本地节点控制器104(与由如同在现有技术的系统中所进行的无线接收器直接控制的VCO相反)所控制。本发明的新颖点之一是本地节点控制器104及其所提供的功能性。由于无线接收器104没有规训本地的VCO 108，所以地震采集单元102能够利用低功率状态来在工作期间保存功率。对本公开内容来说，“低功率状态”指的是无线接收器106不与精确的时基20通信的状态。在没有对外部时间基准的直接的连续访问的情况下，本地节点控制器104既不能直接测量VCO 108的频率也不能确定VCO 108的频率误差。相反地，节点控制器104将实现解决影响单元102的一个或多个内部或外部环境条件的开环回路控制算法，例如外部温度、斜度、电压、晶体老化等，以估计VCO频率并校正所估计的频率误差。这样的环境条件可以由一个或多个环境传感器118来测量。优选地，传感器118是低功率的、连续工作的传感器，例如，温度传感器118a、斜度传感器118b和/或电压传感器118c，其中这些传感器工作于在不需要高精度、高功率、连续工作的时间基准的情况下提高振荡器的稳定性的开环回路控制过程中。在不限制可以使用于本发明中的环境传感器的类型的情况下，预期会对在本地时基中所使用的VCO的工作频率的稳定性具有最重要影响的环境变量包括温度、垂直取向及VCO电源电压，其中温度一般是这些因素中最重要的。在本发明的各种实施方案中，一个或多个变量可以被用来估计VCO的工作频率。本领域技术人员将会意识到每种环境变量一般都可以对VCO整体不稳定性起作用并且优选在本发明的实现中解决。振荡器的频率误差、温度、斜度及电源电压被存储于频率补偿表119之内(优选利用非易失性存储器)以用来规训VCO 108。该表格可以包括维数N的阵列，其中N是由固定的环境条件的分仓(binning)范围所分开的装置工作环境条件范围的整数商。
表1列出了典型的低成本、低功率的晶体振荡器的典型的稳定性因素。
  环境变量   稳定性(ppb)   范围
  温度   ±500   -20～70℃
  电压   ±200   ±5％Vcc
  斜度   ±2   ±180°X或Y平面
表1典型的晶体振荡器的稳定性变量
可由该表明显看出温度在VCO的稳定性上具有最重要的作用，但是如果不通过开环回路控制器对VCO的管理来补偿，则即使振荡器的倾度或斜度也能够在14小时的间隔内导致超过100uSec的同步误差。
为了实现开环回路控制算法，节点控制器104必须建立可测量的环境变量与所导致的VCO 108的频率误差之间的精确关联。为了初始地同步本地时基并且为了测量VCO 108的频率误差，节点控制器104必须具有到外部高精度时间基准的访问。到外部时间基准的访问由无线接收器106来提供。虽然无线接收器106不像现有技术那样被用作系统时钟，但是无线接收器106在本发明的这种实施方案中用于两个目的：首先，它被用来提供使采样时钟110与之同步的初始的1PPS历元，其次，它被用来通过时间标记单元114提供A/D采样时钟的精确的时间戳记。
图4示出了采样时钟与时间基准历元(在图4的实例中为GPS1PPS)的初始同步，以及采样时钟与时间基准在任意时间周期内的散度(divergence)。两个采样时钟之间的时间戳记差别被用来确定VCO的频率误差。如上所述，振荡器的频率误差、温度、倾度及电源电压被存储于频率补偿表119内以用来规训振荡器。这样做时，节点控制器104持续获知振荡器的频率稳定性作为环境变量的函数的特性。然后，规训VCO 108的开环回路控制器利用该函数关系来控制振荡器的频率。优选地，使频率测量之间的时间间隔最大化以减小地震采集单元102处于其高功率工作状态下，即在使用无线接收器106时的时间量。节点控制器104利用使基于之前测量的振荡器稳定性及环境传感器118的幅值变化的校准间隔最大化的自适应算法。对于较稳定的振荡器则间隔将较长而对于较不稳定的振荡器则间隔将较短。虽然基于振荡器的稳定性的这种自适应的且不定期的间隔是本发明的一种优选实现方式，但是该间隔还可以以规则的时间间隔或者只要环境参数有变化就确定。
与能够由规训VCO的开环回路控制器来实现的频率稳定性的水平无关，总是会存在将引起本地VCO 108与外部时间基准20的频率分散度的某些不稳定性。该分散度主要归因于VCO振荡器的稳定性容限并且必须在分散度量值超出地球地理上的显著量之前校正。在图4中该分散度被称作“漂移”。漂移误差的校正方法是与连续的VCO频率校正方法分离的过程。虽然每种方法都能够在地震采集单元中相互独立地实施，但是在该优选实施方案中将这两种方法都使用于本发明的地震采集单元内。漂移校正需要可利用外部计时基准20(在本实例中为GPS)来测量漂移并且在校正算法中不使用任何环境传感器。
图5是时钟校准过程的实例，其中该时钟校准过程包括如何将漂移从图3的采样时钟110中去除的实例。计时基准与采样时钟110之间的漂移使用采样时钟110的时间戳记通过GPS接收器106来测量。然后将GPS接收器置于低功率的休眠模式下并且故意使VCO108的频率偏移其标称值以增加或减小VCO的频率及同步的采样时钟，以便减小漂移值。如图5所示，这能够通过对短的时间周期(如在区域“A”)或者对较长的时间间隔(如在区域“B”)使频率偏移小的值来完成。为了简单地减小漂移间隔的目的，大的频率漂移值将如同通过现存的GPS规训的时钟(例如在图1所示的现有技术的系统中所使用的那些时钟)来完成的那样最快速地减小间隔，如区域A所示。但是，VCO频率的大变化造成被锁相至VCO的采集系统的采样数据变形，因为时钟频率的快速变化造成A/D增量求和转换器112中的带内采样噪音。因此，本发明提供了偏移小(＜±1E-6)、时间长的校正，如区域B所示。本发明的漂移校正偏移所应用的时间长度是待校正漂移的大小及VCO的频率偏移量的线性函数。在去除或减小所积累的漂移之后，连续的开环回路频率补偿过程仍然在进行以维持高的VCO稳定性直到下一漂移校正过程被执行。通过避免如同在现有技术中所进行的突然校正，而是使校正随时间散布开，可最小化数据变形。
再次参考图3，节点控制器104与无线接收器106对接。节点控制器104典型是实现在与本地时基关联的初始化、控制及记录(logging)过程中所包含的算法的微处理器。无线的接收器106提供到外部的高精度时基20的访问，例如GPS卫星星座(constellation)、WWVB、专用无线电信号或近似精确的时基。无线接收器106执行两项功能，即同步本地时基及时间戳记本地事件，例如A/D 110转换采样时钟106的时间。
A/D采样时钟112以规训的采样时钟110为源，其中规训的采样时钟110经由无线接收器106与时间历元(例如1PPS)同步并且其采样间隔由节点控制器104所设置。规训的采样时钟110从由VCO108所提供的频率源中合成由A/D转换器112所使用的采样时钟。VCO 108的工作频率由控制过程来调谐，其中该控制过程在节点控制器104上通过VCO 108上的模拟控制输入的变化来执行。16位的D/A转换器116由节点控制器104所使用以提供VCO 108的模拟控制电压。在节点控制器104上实现的开环回路的控制过程利用由温度传感器118a、电压传感器118c和/或斜度传感器118b所提供的环境测量值来控制VCO 108。VCO 108的历史的频率特性与关联的环境传感器的值一起存储在位于非易失性存储器内的频率补偿表119中。
通过首先经由无线的接收器106建立与由地震系统中所有节点及子系统所使用的外部的公共时间基准的可靠连接，节点控制器104初始化本地时基。节点控制器104校准VCO 108对由D/A转换器116所施加的模拟电压的变化的响应，并且存储所引起的标度值以在后面的校正过程中使用。无线接收器106将复制由规训的采样时钟110将要同步的所有节点及子系统所利用的时间历元(例如1PPS)的本地版本。规训的采样时钟110将在由节点控制器104指定的速率下合成重复的采样时钟，其中该节点控制器104被A/D转换器112用来将地震传感器的模拟表示转换成数字格式。在外部时间历元与采样时钟初始同步之后，能够将无线接收器106置于低功率状态下以保存电池资源并且启动在节点控制器104上的频率补偿过程。
利用频率补偿表119的频率补偿过程定期地在节点控制器104上执行并且利用各种环境变量与VCO 108的工作频率之间的经验地确定的关系来实现“开环回路”控制算法以最大化VCO 108的频率输出的稳定性。开环回路的控制过程使用间接的反馈来规训输出频率，因为频率的直接测量需要访问精确的频率或时间基准。而这又需要使用消耗有限的电池功率资源的无线接收器106。开环回路的控制器通过由温度传感器118a、电压传感器118c及斜度传感器118b，以及频率补偿表119中的VCO 108的历史性能特性所提供的电流值来驱动。在表2中示出了频率补偿表119的一种可能结构。能够将频率补偿表119看作以节点当前环境的工作温度为索引的线性阵列。将节点工作温度范围分段成小范围的温度仓(bin)(对于表2的实例为2摄氏度)，该温度仓包含在仓的温度范围内进行VCO 108的上一次频率误差测量的时间。同样存储于仓中的有实际的温度(在测量频率时)、环境变量及所引起的VCO 108的频率误差。
温度仓-摄氏度
＜-40   -40|-38   -38|-36   -38|-34 ....   -4|-2   -2|-0   0|2   2|4   4|6 ....   74|76   76|78   78|80 ＞80
  时间   时间   时间   时间   时间   时间   时间   时间   时间   时间   时间   时间   时间   时间   时间
  平均温度   平均温度   正均温度   平均温度   平均温度   平均温度   平均温度   平均温度   平均温度   平均温度   平均温度   平均温度   平均温度   平均温度   平均温度
  电压   电压   电压   电压   电压   电压   电压   电压   电压   电压   电压   电压   电压   电压   电压
  斜度   斜度   斜度   斜度   斜度   斜度   斜度   斜度   斜度   斜度   斜度   斜度   斜度   斜度   斜度
  频率误差   频率误差   频率误差   频率误差   频率误差   频率误差   频率误差   频率误差   频率误差   频率误差   频率误差   频率误差   频率误差   频率误差   频率误差
表2频率补偿表的结构
开环回路控制器将为了当前工作温度仓以及其平均温度仅次于最接近当前工作温度的仓的仓匹配而开发与频率误差及平均温度值相关的内插方程。然后，使用实际的当前工作温度来估计要校正的频率误差以求解所引起的方程。开环回路的控制器使用所估计的频率误差，以及在初始化过程期间算出的标度值，来调整VCO 108上的控制电压以提高振荡器频率的稳定性。
如果上一次测量在当前时间之前已执行了5天以上，为了校正VCO 108的老化，开环回路的控制器将要求对频率进行新的测量。如果振荡器的当前电压电平与仓内的值相差大于±5％或者如果当前斜度值与仓内的值相差大于±15度，则将同样要求对频率误差值进行更新。
振荡器的频率误差的测量需要可利用由无线接收器106所提供的外部时间基准。通过在精确的时间间隔内测量图4所示的漂移来算出频率误差。下面的方程被用来计算VCO 108的频率误差。
FreqError＝(FNominal*(Drift1-Drift2)/(T2-T1))方程1
其中FreqError的单位为赫兹，FNominal是VCO 108所期望的理想频率或目标频率(单位为赫兹)，Drift1和Drift2及T1和T2的单位为秒。第一漂移值(Drift1)与第二值(Drift2)的测量之间的时间间隔是值T2-T1。该测量间隔所要求的长度是频率误差测量所期望的精度以及能够进行漂移值测量的精度的函数。方程2被用来计算测量频率误差所要求的间隔。
MI＝2*ME*(FNominal+FT)/FT方程2
其中MI(测量间隔)和ME(测量误差)的单位为秒并且FNominal和FT(频率容限)的单位为赫兹。例如，如果FNominal的频率为10.24MHz，ME为55nSec并且FT为5mHz，那么需要测量间隔至少为226秒。在该间隔期间将无线接收器106置于其低功率的休眠状态下以保存功率资源。
上述的过程描述了为允许使用外部时基进行本地时钟校准而提供的本发明的频率补偿方法，其中对该外部时基的访问是非连续的或间断的。这形成了本发明的新颖点之一，在该新颖点中校正基于对外部条件的分析以及它们对间断性地从外部时基获得的本地计时基础的作用优选是“不定期的”。另外，本发明提供了对地震数据采集单元的本地计时设备进行漂移校正的方法。漂移校正方法能够与频率补偿方法一起或者独立于频率补偿方法来使用。
优选地，只要应用频率补偿方法以及频率补偿表119随频率误差的新测量而更新，就应用漂移校正方法。当更新频率补偿表时，则测量采样时钟相对外部时基的漂移。为了使采样时钟保持于指定的容限内必须去除这种漂移(如图4所示)。图5是包括漂移校正过程以及在上文的频率补偿过程中所描述的VCO 108的频率误差测量过程的时钟校准过程的实例。
在图6和图7的流程图中示出了频率补偿方法的步骤以及漂移的校正方法。下列步骤(a)及(b)实现频率补偿方法，而步骤(c)、(d)及(e)则实现漂移校正方法：
a)启用无线接收器106以接收外部时间基准并且对本地的规训的采样时钟110进行时间戳记(步骤200)。计算方程1的Drift1(步骤202)。步骤200的时间戳记与采样时钟本应发生的理论时间之间的时间差是Drift1测量。记录相关的环境因素的当前值(步骤202)，例如来自温度传感器118a、电压传感器118c及斜度传感器118b的值。禁用无线接收器106以保存功率并且等待一段至少比使用方程2算出的间隔长的时间间隔(步骤204)。
b)启用无线接收器106以接收外部时间基准并且对本地的规训的采样时钟110进行时间戳记(步骤206)。计算Drift2及关联的环境值(步骤208)。步骤206的时间戳记与采样时钟本应发生的理论时间之间的时间差是方程1中的Drift2测量。两个时间戳记之间的差别是可以从中算出频率误差的方程1的间隔T2-T1(步骤210)。在测量间隔内计算单元的各种环境值的平均值，例如温度、电压及斜度。禁用无线接收器106以保存功率。用当前时间及环境变量的平均值来更新频率补偿表119(步骤212)。确保频率补偿过程对VCO108的工作频率进行更新。
c)基于Drift2的测量，计算时间长度，即，漂移校正间隔，如果VCO 108的频率偏移了VCO 108的标称频率的±1E-6倍则要求消除该漂移值(步骤214)。使VCO 108的频率偏移±1E-6位移(步骤216)并且等待漂移校正间隔的完成(步骤218)。
d)启用无线接收器106以接收外部时间基准并且对本地的规训的采样时钟110进行时间戳记(步骤222)。使无线接收器106断电。步骤222的时间戳记与采样时钟本应发生的理论时间之间的时间差是第三漂移测量值。该第三漂移测量值应当接近0。在步骤224中，确定该值是否是可接受的或者确定是否需要再次执行漂移校正过程。若在±2uSec的间隔之外，则需要再次执行该过程。新的漂移校正间隔应当在该过程的步骤之后算出并且应当继续应用该±1E-6的频率偏移。应当注意，偏移的极性在所应用的初始校正超过预期的漂移校正的那些情形中可以是不同的。
e)去除±1E-6漂移校正频率偏移并且继续执行周期性的频率补偿过程(步骤226)。
需要将漂移校正之间的间隔保持于最大值以便最小化无线接收器106的激活并由此最小化功率消耗。该间隔根据图7的过程通过计算自上一次漂移校正之后以及还在上一个24小时的工作之内的VCO108的平均稳定性的自适应算法来确定。因而，上一次漂移校正在步骤300中被识别。在步骤302中，启用无线接收器106以接收外部时间基准。不管哪个稳定性数值是最大的都将被用来预测何时VCO108将要超过最大同步间隔的预定百分比。在一种实施方案中，预定的百分比为70％。然后，计划下一频率补偿表119的更新及漂移校正周期的时间表以在该时间执行。但是，如果所计划的时间落在对外部时间基准的访问已知要被降级的时间间隔之内，则校准过程将被计划为出现于所算出间隔之前的而又在已知的不良接收期间之外的时间上。例如，如果时间基准是GPS系统并且所下载的年历(Almanac)指出在计划时间X没有卫星可用，那么就会将时钟校准过程计划于有多个卫星可用的时间Y并且时间Y在时间X之前。
根据上文，应当意识到本发明的方法通过只是间断地利用无线接收器访问外部精确的时间基准来最小化自主的地震数据采集单元的功率消耗。还应当意识到本发明还解决了无线信号不可用于建立精确的时间基准的那些情形。
虽然在此已经详细讨论了本发明的某些特征及实施方案，但是应当容易理解本发明包括在权利要求书的范围和精神之内的所有修改及改进。

Claims (10)

1.一种地震数据采集单元，包括：
a.地震传感器；
b.控制处理器，在其上实现本地时基的控制过程；
c.采样时钟，用来启动所述地震传感器的输出的模数转换；
d.环境传感器，与所述控制处理器通信并且能够提供关于本地环境条件的数据；以及
e.可调计时信号设备，能够给时钟产生可调计时信号，其中对所述可调计时信号设备进行配置以便由所述控制处理器利用来自所述环境传感器的数据来规训。
2.根据权利要求1的装置，还包括频率补偿表，其含有作为所述环境条件数据的函数的时间戳记振荡器频率的误差测量值。
3.根据权利要求1的装置，其中所述环境传感器是温度传感器。
4.根据权利要求1的装置，其中所述环境传感器是能够监视振荡器电源电压的电压传感器。
5.根据权利要求1的装置，其中所述环境传感器是斜度传感器。
6.根据权利要求1的装置，还包括与所述控制处理器对接的无线接收器，所述接收器在不工作时能够被置于低功率状态下。
7.一种自主的地震数据采集单元，包括：
a.具有界定至少一个内部腔室的壁的完全封闭的、自包含的壳体；
b.至少一个刚性地固定于所述壳体内的地震检波器，所述地震检波器具有至少一个电连接，其中用于所述刚性地固定的地震检波器的所有电连接都包含于所述壳体之内；
c.布置于所述壳体之内的并且能够启动来自地震传感器的数据的模数转换的采样时钟；
d.布置于所述壳体之内的电源；
e.布置于所述壳体之内的地震数据记录器；
f.布置于所述壳体之内的并且在其上实现本地时基的控制过程的控制处理器；
g.布置于所述壳体之内的并且与所述控制处理器对接的无线接收器，所述接收器能够从外部时间基准中接收计时信号并且当所述接收器不工作时被置于低功率状态；
h.与所述控制处理器通信的并且能够提供关于本地测得条件的数据的环境传感器；以及
i.能够给所述时钟产生可调计时信号的可调计时信号设备，其中对所述可调计时信号设备进行配置以由所述控制处理器利用来自所述环境传感器的数据来规训；
j.其中所述壳体包括由界定所述内部腔室的所述壁接合在一起的第一板及第二板。
8.根据权利要求7的采集单元，其中所述壳体是管状形状的。
9.根据权利要求1或7的采集单元，其中所述可调计时信号设备是压控振荡器。
10.一种自主的地震数据采集单元，包括：
a.具有界定至少一个内部腔室的壁的完全封闭的、自包含的壳体；
b.至少一个刚性地固定于所述壳体内的地震检波器，所述地震检波器具有至少一个电连接，其中所述刚性地固定的地震检波器的所有电连接都包含于所述壳体之内；
c.布置于所述壳体之内的并且能够启动来自所述地震传感器的数据的模数转换的采样时钟；
d.布置于所述壳体之内的电源；
e.布置于所述壳体之内的地震数据记录器；
f.布置于所述壳体之内的并且在其上实现本地时基的控制过程的控制处理器；
g.与所述控制处理器通信的并且能够提供关于本地测得条件的数据的环境传感器；以及
h.能够给所述时钟产生可调计时信号的可调计时信号设备，其中对所述可调计时信号设备进行配置以由所述控制处理器利用来自所述环境传感器的数据来规训；
i.其中所述壳体包括由界定所述内部腔室的所述壁接合在一起的第一板及第二板。
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