CN102497262A

CN102497262A - 一种多通道数据采集同步系统

Info

Publication number: CN102497262A
Application number: CN2011104486208A
Authority: CN
Inventors: 汤亮; 乔东海; 严锋; 张俊; 严明; 王中兴; 底青云
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN102497262B

Abstract

本发明涉及一种多通道数据采集同步系统，该系统包括GPS天线(102)、基地站守时设备(100)、与基地站守时设备(100)连接的至少一个接口设备(200)、安插在接口设备(200)上的至少一个授时子卡(300)。本发明可以有效提高时间精度和稳定度、并减少对GPS的依赖，以及减少系统的整体功耗。

Description

一种多通道数据采集同步系统

技术领域

本发明涉及数据采集同步系统领域，特别涉及一种多通道数据采集同步系统。

背景技术

我国在工业进程中，社会经济可持续发展正面临资源紧缺的严重压力。我国是一个资源大国，目前己发现的矿产有170余种，资源开采量居世界第二，支撑了50年社会主义经济建设和工业化发展，使我国的综合国力跃居世界第四。然而，随着矿产开发力度的加大，资源储备急剧下降，己勘探的能源和固体矿产资源对工业化的保障程度日趋下滑，资源的供需矛盾日益突出。我国浅部矿产资源，如露头矿、浅部矿，己大幅减少。从国土资源部对全国1010座大中型矿山资源潜力的调查结果可知，60％以上的矿山可开采的潜力严重不足。铁、铜、铝、钾盐等重要矿产高度依赖进口，对外依存度高达50％～80％，远高于国家经济的安全警戒线(对外依存40％)。矿产资源短缺日益严重，后备探明储量严重不足的现状令人堪忧，己成为制约我国经济发展的重大瓶颈。而另一方面，我国的深部矿产资源和沙漠、森林等覆盖区的矿产资源大有潜力可挖，多数矿产资源均有较大找矿前景。世界上一些矿业大国矿床的勘探开采深度己达2000～4000m，而我国己有矿床的勘探开采深度大都小于500m，因此己有矿山的深部和外围仍有很大找矿能力。

地壳是由不同的岩石、矿体和各种地质构造所组成，它们具有不同的导电性、导磁性、介电性和电化学性质。根据这些性质及其空间分布规律和时间特性，可以推断矿体或地质构造的存储状态(形状、大小位置、产状和埋藏深度)和物性参数等，从而达到地质勘探的目的。电磁法勘探就是根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布规律和时间特性的观测和研究，寻找不同类型有用矿床和查明地质构造及解决地质问题的地球物理勘探方法，主要用于寻找金属、非金属矿床，勘查地下水资源和能源，解决某些工程地质及深部地质问题等。

电磁法勘探的方法，按场源性质可分为人工场法(主动源法)、天然场法(被动源法)；按观测空间可分为航空电磁法、地面电磁法、地下电磁法等。其中，航空电磁法由于其探测深度和精度的限制，主要用于矿区普查。矿体尺度上的勘探须采用人工源地面电磁法。瞬变电磁法是矿体详查的人工电磁法主要手段，它通过接收地球电磁场响应来获取地下地质体或矿体电导率分布信息。对于瞬变电磁法而言，系统主要由发射机和多个采集站组成。由于发射机与各采集站间的时间同步部分决定了测量的精度和深度，因此对于系统的时间同步要求较高。

现有技术中使用较多的电磁法仪器，如加拿大凤凰公司的V8采集系统，该系统采用全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)进行同步，在发射机发射功率有限的情况下，可以通过精确时间同步控制下的多次测量叠加来增强接收信号信噪比，以达到提高测量精度和深度的目的。另外，如果借鉴油气勘探中的地震技术，采用多次发射，阵列式多道接收多次覆盖的全波场信息，可以在同等发射源强度的条件下大幅度提高探测精度和深度，使探测深度达到2000米以上，可以有效提高我国的找矿能力，缓解我国资源紧缺问题。但同时，阵列式采集系统也对系统的时间同步提出了更高的要求。

以加拿大凤凰公司的V8采集系统为例，所采用的GPS同步技术具有如下优点：

1、使用GPS卫星信号作大面积全系统不间断同步；

2、发射机及各接收机与GPS的初始时间同步精度达到±100ns，省去了发射机和各接收机之间的连接电缆；

3、采用恒温晶振作为守时设备，能够保证V8系统在GPS失锁的情况下继续同步工作4小时左右。

但同时存在如下缺点：

1、每次工作前，发射机和各采集站均需要连接GPS天线，等待GPS接收机预热、搜索并锁定卫星，过程较为繁琐耗时；在有植被和丛林覆盖等GPS信号不好的地点，该过程更为繁琐耗时；另外，在布置阵列式采集系统(如几十道至百道采集站)的情况下，该过程的繁琐耗时程度将难以接受。

2、在完成一个测点移向另一个测点时，需要重新完成GPS天线连接、GPS接收机预热、搜索并锁定卫星的过程。

3、GPS接收机处于常开状态，系统消耗功耗相对较大，而对于野外使用的轻便型采集系统而言，希望功耗越小越好。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多通道数据采集同步系统，该系统包括GPS天线；基地站守时设备，用于通过所述GPS天线接收GPS第一时钟信号，并将该第一时钟信号分配成同步的多路第二时钟信号；与所述基地站守时设备连接的至少一个接口设备，该接口设备用于将所述第二时钟信号分配成多路同步时码信号；和安插在所述接口设备上的至少一个授时子卡，该授时子卡用于对所述时码信号进行解码，并同步发射机和各采集站时间。

本发明可以有效提高系统的时间精度和稳定度、并减少对GPS的依赖，以及减少系统的整体功耗。

附图说明

图1为本发明实施例一种多通道数据采集同步系统；

图2为本发明实施例基地站守时设备的系统框图；

图3为本发明实施例基地站守时设备的前面板示意图；

图4为本发明实施例基地站守时设备的后面板示意图；

图5为本发明实施例接口设备的系统框图；

图6为本发明实施例接口设备的俯视图；

图7为本发明实施例接口设备的后面板示意图；

图8为本发明是实施例授时子卡的系统框图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明实施例一种多通道数据采集同步系统。如图1所示，该系统包括GPS天线102；与GPS天线102连接的基地站守时设备100，该基地站守时设备100用于通过GPS天线102接收GPS第一时钟信号，并将第一时钟信号分配成同步的多路第二时钟信号，在跟踪GPS时，授时精度达到100纳秒以内，在无法接收到GPS信号时，则进入保持模式，在24小时内输出时间精度优于1微秒时间；与基地站守时设备100连接的至少一个接口设备200，用于将第二时钟信号分配成多路同步时码信号，和安插在接口设备200上的至少一个授时子卡300，授时子卡300用于对时码信号进行解码，该授时子卡300在完成充电和时钟信号同步后，可从接口设备200上拔出，并安插在瞬变电磁仪器的发射机和各采集站中，保持时间同步。

图2为本发明实施例基地站守时设备100的系统框图。图3为本发明实施例基地站守时设备100的前面板示意图。图4为本发明实施例基地站守时设备100的后面板示意图。如图2、图3和图4所示，基地站守时设备100包括基地站机框101、GPS信号输入端口103、GPS授时模块104、与GPS授时模块104相连接的基地站守时模块105、基地站电源输入端口106、基地站开关电源107、与GPS授时模块104连接的时码分配模块108、多个时码输出端口109、监控串口110、信号指示灯111、以及LCD显示屏112。

上述机框101为标准机架式框。GPS授时模块104包括GPS授时芯片、ARM控制器、现场可编程门阵列芯片(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)、存储器，且带有时间跟随和修正算法。基地站守时模块105可以是铷原子钟，也可以是铯原子钟。基地站守时模块105同步于经GPS授时模块104解码后的GPS的UTC(Coordinated Universal Time，即世界统一时间)，当GPS失锁或不可用时，高稳定度的基地站守时模块105可以继续提供高稳定度的时频信号。基地站电源输入端口106在工作时可以选择连接一般市电，也可以连接发电机输出电。基地站开关电源107用于控制基地站守时设备100的开关，并带有稳压模块，可保证基地站守时设备100在低电压或电压不稳的环境下能正常工作。基地站守时设备100通过时码分配模块108将时钟信号分成同步的多路时钟信号，并通过上述时码输出端口109分配给接口设备200。监控串口110用于与外部计算机互联，通过外部设备对GPS授时模块的算法进行观察和修改，对基地站守时模块105的状态进行观测，并对基地站守时模块105的设置参数进行调整。信号指示灯111用于基地站守时设备100的工作状态显示，包括电源状态显示、检测的卫星数量显示、锁定卫星状态显示和报警显示。LCD显示屏112用于显示基地站守时设备的输出时间信息和工作状态。

图5为本发明实施例接口设备200的系统框图。图6为本发明实施例接口设备200的俯视图。图7为本发明实施例接口设备200的后面板示意图。如图5、图6和图7所示，接口设备200包括机框201、时码输入端口202、接口设备电源输入端口203、接口设备开关电源204、背板205、风冷装置206，时码及电源分配模块207、时码及电源输出端口208、至少一个授时子卡插卡口209和授时子卡工作指示灯210。

上述接口设备200是基地站守时设备100与授时子卡300的连接界面，主要完成对基地站守时设备100的同步信号进行多路分配，对电源的多路分配，以及完成对授时子卡300的充电和时钟同步。机框201为标准机架式框。时码输入端口202通过电缆与基地站守时设备100的时码输出端口109相连接。接口设备电源输入端口203在工作状态下可以连接一般市电，也可以连接发电机输出电。接口设备开关电源204用于控制接口设备200的开关，并带有稳压模块，能够保证接口设备200在低电压和电压不稳的环境下正常工作。背板205主要起支撑作用。风冷装置206用于接口设备200在对授时子卡300充电时进行散热，以避免接口设备200内部由于充电引起的高温所导致的危险。时码及电源分配模块207用于将1路电源和1路时码信号分配成至少一路电源和至少一路同步的时码信号，其中分配后的电源为3.3V或5V，分配后的同步信号之间的同步性差异小于1纳秒。时码及电源输出端口208用于与授时子卡300的接口302相连，用于对授时子卡进行充电和时钟同步。授时子卡插卡口209至少一个，用于插入授时子卡300。授时子卡工作指示灯210用于授时子卡的连接状态显示、充电状态显示和同步状态显示。

图8为本发明实施例授时子卡300的系统框图。如图8所示，该授时子卡300包括：授时子卡外壳301、授时子卡接口302、接口保护电路303、时钟驯服及解码模块304、电源及电池管理模块305、锂电池306和守时模块307。

本发明实施例授时子卡300用于同步瞬变电磁法仪器的发射机和各采集站时间，在24小时内时间保持精度优于1微秒时间，其功耗小于600毫瓦，续航时间长于12小时。上述授时子卡外壳301为能够满足一般野外工作防护等级要求的机械外壳。授时子卡接口302采用航天器接口。接口保护电路303用于防止授时子卡300热插拔时产生的损害，例如静电、电荷浪涌等。时钟驯服及解码模块304是由ARM控制器、FPGA芯片、存储器等构成的带有时间跟随和修正算法的时钟驯服和解码功能的电路模块，用于将接口设备200分配的时码信号进行解码。守时模块307同步于经时钟驯服及解码模块304解码后的时间信号，当授时子卡300脱离接口设备200后，高稳定度的守时模块307可以继续提供高稳定度的时频信号，使得授时子卡300在24小时内保持时间精度优于1微秒时间。电源及电池管理模块305用于对授时子卡300充放电流程进行控制，并对授时子卡300的电池进行管理，以减小授时子卡功耗。锂电池306采用适合野外应用的宽温电池。守时模块307为功耗小于200毫瓦的微型原子钟。

以下针对本发明实施例一种多通道数据采集同步系统的工作流程进行详细阐述：

首先，通过基地站电源输入端口106对基地站守时设备100进行供电，通过接口设备电源输入端203对接口设备200进行供电。基地站守时设备100由GPS授时模块104通过与GPS信号输入端口103相连接的GPS天线102接收GPS第一时钟信号，并将第一时钟信号分配成同步的多路第二时钟信号。在跟踪GPS时，其授时精度达到100纳秒以内。当基地站守时设备100无法接收到GPS信号时，则进入保持模式，在24小时内输出时间精度优于1微秒时间。

接着，基地站守时设备100通过时码分配模块108将第一时钟信号分成同步的至少一路第二时钟信号，并通过时码输出端口109分配给接口设备200。接口设备200将从基地站守时设备100接收到的同步信号进行多路分配，并发送给授时子卡300，授时子卡300针对分配的同步时间信号进行解码，并对解码后的时间信号进行驯服。

最后，在授时子卡300完成充电和时钟同步之后，将授时子卡300插入到瞬变电磁法仪器的发射机和各采集站进行时间同步，由于授时子卡300采用低功耗芯片级原子钟作为守时模块，且采用先进的跟踪补偿伺服算法，可以保证授时子卡在24小时内保持精度优于1微秒时间，续航在12小时以上。

本发明实施一种多通道数据采集同步系统通过使用低功耗芯片级原子钟作为守时模块，减少了对GPS的依赖，弥补了原有瞬变电磁法仪器采用GPS同步方案在野外工作时存在的缺陷。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多通道数据采集同步系统，其特征在于包括：

GPS天线(102)；

基地站守时设备(100)，用于通过所述GPS天线(102)接收GPS第一时钟信号，并将所述第一时钟信号分配成同步的多路第二时钟信号；

与所述基地站守时设备(100)连接的至少一个接口设备(200)，用于将所述第二时钟信号分配成多路同步时码信号；

安插在所述接口设备(200)上的至少一个授时子卡(300)，用于对所述时码信号进行解码，并同步发射机和各采集站时间。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基地站守时设备(100)包括：

基地站机框(101)；

GPS授时模块(104)，用于通过所述GPS天线(102)接收GPS信号；

与所述GPS授时模块(104)相连接的基地站守时模块(105)；

基地站开关电源(107)，所述基地站开关电源(107)带有稳压模块，用于在电压不稳环境下能够正常工作；

与所述GPS授时模块(104)连接的时码分配模块(108)，用于将时钟信号分成同步的多路时钟信号；

监控串口(110)，用于与外部计算机互联，监测所述GPS授时模块(104)和/或基地站守时模块(105)的相应参数。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基地站守时设备(100)在无法接收到GPS信号时，则进入保持模式，并在24小时内输出时间精度优于1微秒时间。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述基地站守时模块(105)是铷原子钟或铯原子钟。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接口设备(200)包括：机框(201)、接口设备开关电源(204)、背板(205)、风冷装置(206)，时码及电源分配模块(207)、至少一个授时子卡插卡口(209)和授时子卡工作指示灯(210)。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述接口设备开关电源(204)带有稳压模块，用于在电压不稳环境下能够正常工作。

7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述授时子卡工作指示灯(210)包括显示授时子卡的连接状态、充电状态和同步状态中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述授时子卡(300)包括：授时子卡外壳(301)、授时子卡接口(302)、接口保护电路(303)、时钟驯服及解码模块(304)、电源及电池管理模块(305)和守时模块(307)。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述守时模块(307)是铷原子钟或铯原子钟。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述时钟驯服及解码模块(304)包括ARM控制器、FPGA芯片和存储器。