CN104204856A - 用于线性拓扑的线缆网络的高精度时间同步 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于在进行勘测的同时降低传播延迟不确定性的方法和装置。该装置包括沿一通信路径的多个节点，该通信路径被配置为允许节点之间的仅具有一个时钟域边界穿越的通信。每个节点可以包括时钟、存储器和处理器。所述多个节点以线性拓扑设置。该线性拓扑可以具有在该线路的两端上的第一节点和第二节点。该方法可以包括：使用至少一个时标来降低传播延迟不确定性，所述至少一个时标被发送至所述多个节点中的每个节点，而不穿过任何其它节点的时钟域边界。

Description

用于线性拓扑的线缆网络的高精度时间同步

技术领域

本公开通常涉及在进行勘测的同时降低传播延迟不确定性。

背景技术

执行地震勘测来勘查地下结构以便识别并且开发油气藏。通常执行地震勘测来在开发(钻井)油气田之前对油气田的位置和数量进行评估，以及也确定在钻井之后随着时间推移油气藏的变化。在陆地上，通过在所选择的地理区域上部署地震传感器(也称为地震接收器)阵列来进行地震勘测。这些阵列通常覆盖75～125平方公里或更大的地理区域并且包括2000～5000个地震传感器。放置的地震传感器(地震检波器或加速器)以网格的形式耦合到地。能量源，诸如，炸药(例如，埋入的炸药)或者移动的震动源，被用于地理区域内选定的间隔开的位置处，以生成或诱发进入地下的声波或信号(也称为声能)。所生成的进入地下的声波从地下地层不连续处，诸如那些由油气藏所形成的地下地层不连续处，被反射回地表。该反射在地表处被地震传感器(水中地震检波器，地震检波器，等等)感测或检测。部署在油气田中地震传感器附近的数据采集单元可以被配置为接收来自它们相关联的地震传感器的信号，至少部分地处理所接收的信号，并且将处理后的信号发送到远程单元(通常为放置在移动单元上的中央控制或计算机单元)。中央单元通常控制数据采集单元的至少一些操作并且可以处理从所有数据采集单元接收的地震数据和/或将处理后的数据记录在数据存储设备上以便进一步处理。地震波的感测、处理和记录被称为地震数据采集。

用于采集地震数据的传统传感器是地震检波器。然而，与单分量传感器相比，多分量(三轴)加速器更常用于获取三维地震图，使用多分量传感器的地震勘测布局需要使用该领域内更复杂的数据采集和记录装备以及用于向中央位置传输数据的实质上更大的带宽。

地震数据采集系统的通用结构是所有地震传感器的点到点的线缆连接。通常，阵列中的传感器的输出信号被附接于一个或多个传感器的数据采集单元收集，被数字化并且沿着线缆线路被中继到高速主干网场处理设备或者场盒。高速主干网通常经由与其它场盒的点到点的中继方式连接到中央记录系统，其中，所有数据都被记录到诸如磁带之类的存储介质上。

地震数据可以记录在场盒处以供后期检索，并且，在一些情况下，主要的场盒被用于通过无线电链路(射频链路或“RF”链路)与中央控制系统就指令和控制信息进行通信。即使使用这种RF链路，在传感器和各种场盒之间也需要几千米的敷设线缆。这种线缆系统结构会导致部署在勘测区域之上的线缆多于150千米。通常，在环境敏感区域内，在不同地形上部署几千米的线缆需要相当多的设备和艰苦劳动。

传统上，地震传感器产生模拟信号，模拟信号被转换成数字信号并且由记录设备来记录。地震传感器、模数转换器以及记录设备均从电源接收电力。模数转换器通常位于离电源较远的地方(10～100米)以便限制电源噪声对模数转换的影响。在该距离上向转换器提供电力通常导致电力传输损耗，这减少了来自电源的用于操作其它设备的可用电力。本公开在维持用于模数信号转换的低噪声环境的同时解决了降低功率损耗的问题。

发明内容

在各个方面中，本公开涉及用于在进行勘测的同时降低传播延迟不确定性的方法和装置。

根据本公开的一个实施例包括一种用于进行勘测的方法，包括：使用至少一个时标来降低以线性拓扑设置的多个节点中的传播延迟不确定性，所述至少一个时标在仅穿过一个钟控域边界的路径上被发送至所述多个节点中的每个节点，其中所述多个节点的每个节点均具有一钟控域边界。

根据本公开的另一实施例包括一种用于进行勘测的系统，其包括：通信路径；以及沿通信路径以线性拓扑设置的多个节点，其中，每个节点均具有一时钟域，并且通信路径被配置为在所述多个节点的任意两个节点之间仅具有一个时钟域边界。

根据本公开的另一实施例包括一种其上带有指令的非暂时性计算机可读介质产品，所述指令在被至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行一种方法，所述方法包括：使用至少一个时标来降低以线性拓扑设置的多个节点中的传播延迟不确定性，所述至少一个时标在仅穿过一个钟控域边界的路径上被发送至所述多个节点的每个节点，其中所述多个节点的每个节点均具有一钟控域边界。

已经对本公开的更重要的特征的示例进行了相当广泛的概述，以便随后对其的详细描述可被更好地理解并使其对本领域所做的贡献可以得到认同。

附图说明

为了详细理解本公开，应该参考以下对实施例的详细描述并且结合附图，其中，对相同元素已经给出相同标号，其中：

图1示出了根据本公开的一个实施例的地震勘测系统的示意图；

图2(a)示出了根据本公开的一个实施例的出站时标接收的示意图；

图2(b)示出了根据本公开的一个实施例的入站时标接收的示意图；

图3示出了根据本公开的一个实施例的方法的流程图；

图4示出了根据本公开的一个实施例的接收时间的图表；和

图5示出了用于执行根据本公开的一个实施例的计算机系统的示意图。

具体实施例

本公开涉及用于进行与数据采集相关的勘测活动的设备和方法。本公开可以以不同形式的实施例实现。本文所示的附图和所提供的描述对应于本公开的某些具体实施例，这些具体实施例用于解释本公开所包含的概念，应当理解，本公开应被视为本公开的原理的例示，并不旨在将本公开的范围限于本文所示的附图和描述。以下描述用于进行勘测的一些实施例。

图1描述了线缆地震数据采集系统100的实施例。该系统包括间隔开的地震传感器单元102的阵列(串)。地震传感器单元102可以包括但不限于地震检波器和水中地震检波器中的一个以上。每个传感器102通常经由敷设线缆耦合到数据采集设备(诸如，远程采集模块(RAM)103)，并且，数据采集设备和所关联的传感器中的几个经由敷设线缆110耦合以形成线路或组108。然后，该组108经由敷设线缆112耦合到线路抽头(诸如，光纤TAP单元(FTU)104)。几个FTU104与所关联的线路112通常通过敷设线缆，诸如通过基线线缆118所示出的敷设线缆，而耦合到一起。

RAM103可以被配置为记录由地震传感器102产生的模拟地震信号，地震传感器102包括但不限于地震检波器和水中地震检波器。RAM103可以被配置为将来自地震传感器102的模拟信号转换成数字信号。然后，数字化的信息可以发送到FTU104。一些RAM103被配置为除接收来自一个或多个地震传感器102的信号之外还要中继来自组108内的其它RAM103的信号。由RAM103发送的数字化的信息可以增加状态信息。FTU104可以被配置为向中央记录系统(CRS)106发送数字化的信息。在一些实施例中，RAM103可以被配置为接收来自CRS106的编程和/或参数信息下载。RAM103通常接收来自另一设备的电力，另一设备诸如是电源单元(PSU)114或FTU104，然而，RAM103可以被配置为包括电池。

FTU104可以被配置为接收来自一个或多个RAM103的数字信息并且向CRS106重传那个信息。在一些实施例中，所重传的数字信息可以针对FTU104增加状态信息。FTU104也可以被配置为向一个或多个RAM103提供电力。FTU104自身可以接收来自电池126或PSU114的电力。FTU104可以包括多个电池端口，使得当更换电池126时，可以保持不间断地向FTU104和任何所连接的RAM103提供电力。

PSU114包括电源，并且可以被配置为向RAM103传送电力。在一些配置中，来自PSU114的电力可以通过FTU104传送到RAM103。PSU114可以接收来自电池130的电力。在地震数据采集中所涉及的设备可以统称为“地震设备”，其可以包括但不限于地震传感器102、RAM103、以及FTU104、CRS106、以及辅助设备116。

在一些实施例中，RAM103和/或FTU104可以用作辅助设备116。辅助设备116可以被配置为用作计时设备。辅助设备116可以位于记录车或其它相当的位置内。在一些实施例中，辅助设备116可以专用为计时设备。辅助设备116可以与基线线缆118进行通信，并且被配置为地震拍摄系统的精确计时以便确保T-零点保持一致。在一些实施例中，CRS106可以提供计时信号。CRS106可以位于记录车或其它相当的位置内。

在该领域内，传感器102通常间隔10～15米。所述FTU104的每个FTU通常执行一些信号处理，然后储存处理过的信号作为地震信息。FTU104可以与用作CRS106与一个或多个FTU104之间的接口的所述单元104a的其中一个单元并联或串联地耦合。在图1中的线缆系统中，数据通常从RAM103被中继到下一个RAM103，并且在该数据到达CRS106之前通过几个FTU104。

在通常的配置中，多个RAM103可以被间隔地(诸如1255米)布置，并且被连接到接收器线缆线路。该接收器线缆线路也可以被连接到FTU104和PSU114。PSU114也可以被间隔地布置。PSU114可以以一对一或一对多的关系被连接到RAM103。FTU104可以被布置在接收器线路线缆112和基线光纤线缆118的交叉点处。FTU104可以经由光纤基线线缆118被连接到其它FTU104和/或CRS106。

在无线实施例中，FTU104可以使用射频传输与CRS106进行通信，并且通常是带宽受限的。在传统的无线地震数据采集系统中，影响数据质量的属性(物理或地震)退化通常通过在记录之后立即监测(打印和观察)所拍摄的(源激活)记录来进行检测。

图2(a)示出了使用线性拓扑设置的组108内的数据采集单元(RAM103)的示例性集。组108的第一端处的第一节点104包括时标产生器210，其被配置为产生将被传播到RAM103的出站时标。第一节点可以包括以下中的至少一个：RAM103、FTU104、CRS106、专用于计时的辅助设备116、以及被配置为产生出站时标的任何其它设备。随后的节点(非第一节点)103a……103n可以包括它们自己的时钟，其被配置为产生用于调节数据流的时钟周期。末端节点(在组108的第二端上的节点)103n可以被配置为产生将被传播到非第二节点104，103a……103n_-1的入站时标。所述节点104，103a……103n的每个节点均具有一时钟(未示出)，时钟控制节点104，103a……103n的时钟域内的计时。所述节点104，103a……103n的每个节点也通过通信路径212进行通信，并且包括时标检测器220，时标检测器220被配置为检测出站时标的接收时间并且将其记录在存储器230内。

因为所述节点104，103a……103n的每个节点均具有一时钟域，所以在任意两个时钟域之间的接口处形成时钟域边界。此外，任何非节点钟控设备可以具有时钟域。因此，时标要从一个节点行进到另一个节点，必须穿过至少一个时钟域边界。时钟域跨越可能引入传播延迟不确定性。事实上，节点的传播延迟不确定性的大小可以与沿着两个节点之间的该时标的路径所发生的时钟域跨越的数目相关。因此，减少传播延迟不确定性可以包括：针对时标的给定路径减少钟控域跨越的数目。

通信路径212还可以包括所述节点104，103a……103n的一个或多个节点的非钟控域部分，以及与接收器线路线缆112相关联的基本上非钟控的设备(中继器，FPGA，等等)。物理上，通信路径212可以包括接收器线路线缆112的一个或多个段。通信路径212可以被配置为通过相同线路或者一对以相反方向操作的单向线路进行双向通信。出站时标的发送时间在第一节点处是T＝0，接收器线路线缆112可以包括沿从第一节点104到第二节点103n的传播路径的非钟控电路，但不包括可以引入传播延迟不确定性的钟控电路。非钟控电路可以包括但不限于线缆连接器、PCB迹线、收发器、转换器、隔离设备、电线、非钟控逻辑设备、以及钟控设备的非钟控部分(FPGA，等等)。

图2(b)示出了出站时标到达第二节点103n时图2(a)中的节点的示例性集。响应于出站时标的接收，第二节点103n可以被配置为使用时标产生器240来产生入站时标。在一些实施例中，不会产生入站时标，诸如当系统仅需要用于信号(诸如时标)的单向行进路径时。入站时标可以被传播到所有的非第二节点104，103a……103n_{- 1}。时标检测器220被配置为检测入站时标并且将接收时间储存在存储器250中。在一些实施例中，存储器230和存储器250可以是相同的存储设备的不同的存储器插槽或位置。第二节点103n的存储器250被配置为储存用于入站时标的时间零点。入站时标可以与出站时标相同或不同，并且将被配置为沿节点的线性拓扑从第二节点行进到第一节点。所述节点104，103a……103n的每个节点中的时钟可以互相同步。

图3示出了根据本公开的一个实施例的方法300的流程图。在步骤310中，可以使用用于多个节点104，103a……103n的每个节点的通信路径212来降低传播延迟不确定性，使得当从产生沿通信路径212行进的时标的节点104和接收该时标的节点103a……103n开始行进时，时标将仅穿过单个的时钟域边界。在步骤320中，第一节点105使用时标产生器210来产生出站时标。在步骤330中，出站时标沿通信路径212被发送至非第一节点103a……103n。在步骤340中，当出站时标被发送时，将时间零点记录在第一节点104的存储器230中作为本地时间值T₀₁。在步骤350中，非第一节点103a……103n检测并且在存储器230中记录在它们的本地时间T_i1处的出站时标接收。出站时标通过线性拓扑行进到每个非第一节点103a……103n，而不穿过任何其它的非第一节点103a……103n的时钟域边界。在步骤360中，响应于出站时标的检测，在线性拓扑的第二端处的第二节点103n产生入站时标。第二节点103n被配置为使用时标产生器240来产生入站时标。入站时标可以与出站时标相同(除了行进方向)或不同。在步骤370中，入站时标沿通信路径212被发送至非第二节点104，103a……103n_-1。当入站时标出去时，在本地时间值T_n2将用于入站时标的时间零点记录在第二节点103n的存储器250中。在步骤380中，非第二节点104，103a……103n_-1检测并且在存储器250中记录它们的本地时间T_i2的入站时标接收。入站时标通过线性拓扑行进到每个非第二节点104，103a……103n_-1，而不穿过任何其它非第二节点104，103a……103n_-1的时钟域边界。入站时标的行进路径可以或者不可以与出站时标的行进路径的逆向相同。在步骤390中，组108中的每个节点103a……103n的时钟均可以基于下面的公式通过调整其时间计数器值与节点104中的时钟相适配。

T_ipd＝((T_i1-T₀₁)-(T_i2-T₀₂))/2

Δ＝((T₀₁+T₀₂)–(T_i1+T_i2))/2

使用用于执行地震勘测的装置和方法仅仅是说明性的和示例性的。本公开的实施例可以使用线性拓扑在任何涉及到数据采集的勘测上实现，线性拓扑包括树形拓扑。

图4示出了支持传播延迟估计的理论。曲线410示出了具有在第一节点104(服务器)，非第一节点103a的第一个，以及第二节点103n(U_n)处的接收时间的交叉点的事件的本地时间线。线U_i可以是介于节点103a和103n之间的任何节点。因为时间不同步，所以设备U_i的时间计数器在时间差Δ之前可能达不到时间值T₀₁。同样也适用于T₀₂。

在第一节点104的本地T₀₁，第一节点104沿线路发送出站时标，并且出站时标在其本地时间T_i1到达节点103i。当第二节点103n(U_n)在T_n1接收到出站时标时，第二节点103n在T_n2向第一节点104发送回入站时标。该入站时标在T_i2到达节点103i(U_i)，并且在T₀₂到达第一节点104。

第一节点104与节点103i之间的传播延迟可以表示为：

T_ipd＝T_i1–Tⁱ ₀₁+Δ＝Tⁱ ₀₂–T_i2–Δ

其中，T_ipd是节点103i的传播延迟。

第一节点104与节点103i之间的时间差将为：

T_i1–Tⁱ ₀₁+Δ＝Tⁱ ₀₂–T_i2–Δ

2Δ＝Tⁱ ₀₂–T_i2–T_i1+Tⁱ ₀₁

Δ＝((Tⁱ ₀₁+Tⁱ ₀₂)–(T_i1+T_i2))/2

因此，

T_ipd＝((Tⁱ ₀₂–Tⁱ ₀₁)–(T_i2–T_i1))/2

因为Tⁱ ₀₁,Tⁱ ₀₂和T₀₁,T₀₂均具有相同的时间值，所以公式如下所示：

Δ＝((T₀₁+T₀₂)–(T_i1+T_i2))/2

T_ipd＝((T₀₂–T₀₁)–(T_i2–T_i1))/2

在一些实施例中，使用该高精度时间同步方法可以导致小于大约4个主时钟周期的最大同步误差。在一些实施例中，最大同步误差可以降低到小于大约2倍的主时钟周期。例如，如果使用32.768MHz的时钟，那么能够实现来自服务器的小于±30.52ns的误差。

如图5所示，本公开的某些实施例可以使用硬件环境来实现，该硬件环境包括信息处理器500、信息存储介质510、输入设备520、处理器存储器530，并且可以包括外围信息存储介质540。硬件环境可以在井内，在钻探设备处，或者在远处位置。而且，硬件环境的几个组件可以分布在这些位置之间。输入设备520可以是任何信息阅读器或者用户输入设备，诸如数据卡阅读器、键盘、USB接口、等等。信息存储介质510存储由检测器提供的信息。信息存储介质510可以是任何非暂时性计算机信息存储设备，诸如ROM、USB驱动、记忆棒、硬盘、可移除RAM、EPROM、EAROM、EEPROM、闪存以及光盘或本领域的普通技术人员所熟知的其它常用存储器储存系统，包括基于因特网的储存。信息储存介质510储存当其被执行时导致信息处理器500执行所公开的方法的程序。信息储存介质510还可以储存由用户提供的地层信息，或者地层信息可以储存在外围信息储存介质540中，其可以是任何标准计算机信息储存设备，诸如USB驱动、记忆棒、硬盘、可移除RAM、或本领域的普通技术人员所熟知的其它常用存储器储存系统，包括基于因特网的储存。信息处理器500可以是任何形式的计算机或者数学处理硬件，包括基于因特网的硬件。当将程序从信息储存介质510下载到处理器存储器530(例如，计算机RAM)时，程序在被执行时导致信息处理器500从信息储存介质510或外围信息储存介质540检索出检测器信息并且处理该信息以估计出感兴趣的参数。信息处理器500可以位于地表或井底。

虽然上述公开涉及本公开的一个模式实施例，但是各种修改例对于本领域的技术人员是显而易见的。期望的是前述公开涵盖所有变形例。

Claims (20)

1.一种用于执行地层的地震勘测的系统，包括：

至少一个地震传感器，其被配置为提供指示声能从地表的反射的模拟信号；

地震设备，其包括与所述至少一个地震传感器进行电气通信的模数转换器，所述地震设备被配置为接收所述模拟信号并且提供表示所述模拟信号的数字信息；

中央记录系统，其被配置为接收来自所述地震设备的所述数字信息；

通信路径，其位于所述地震设备与所述中央记录系统之间；和

多个节点，其沿所述通信路径以线性拓扑设置，其中，每个节点均具有一时钟域，并且所述通信路径被配置为在所述多个节点中的任意两个节点之间仅具有一个时钟域边界；

其中，所述多个节点中的一个节点是第一节点，第一节点被配置为产生出站时标，并且所述多个节点中的另一个节点是第二节点，第二节点被配置为产生入站时标，并且其中，所述多个节点中在第一节点与第二节点之间的每个节点包括：

存储器；

时钟；和

处理器，其被配置为：

接收所述出站时标的接收时间和所述入站时标的接收时间并将其储存在所述存储器中；以及

使用来自第一节点的所述出站时标的发送时间、第一时标的接收时间、第二时标的接收时间、和在第一节点处第二时标的接收时间来调整所述时钟使得用于地震拍摄的系统的T-零点保持一致。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述通信路径包括所述多个节点中的一个或多个节点的非钟控域部分。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述通信路径被配置为通过单条线路进行双向通信。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述通信路径包括一对单向线路。

5.一种执行地层的地震勘测的方法，包括：

使用至少一个时标来降低以线性拓扑设置的多个节点中的传播延迟不确定性，所述至少一个时标在仅跨越一时钟域边界的路径上被发送至所述多个节点的每个节点，其中所述多个节点的每个节点均具有一时钟域。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

使用时标产生器产生所述至少一个时标；和

发送所述至少一个时标。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述至少一个时标包括从所述线性拓扑的第一端上的节点发送的第一时标和从所述线性拓扑的第二端上的节点发送的第二时标。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

记录第一时标的发送时间；

发送第二时标；

在所述多个节点的每个节点处记录第一时标接收时间和第二时标接收时间；

使用第一时标的发送时间、第二时标的发送时间、第一时标接收时间和第二时标接收时间来调整所述多个节点中的每个节点上的时钟。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，至少一个节点是地震设备，所述方法还包括：

在地震设备处接收模拟信号，该地震设备包括节点，所述信号指示声能从地表的反射；

依据来自所述节点上的经调整的时钟的时钟信号在所述地震设备处将所述模拟信号转换成数字信息；

依据来自所述地震设备的所述数字信息将地表之下的区域成像。

10.根据权利要求5所述的方法，还包括：

记录在所述多个节点的每个节点处所述至少一个时标的接收时间。

11.根据权利要求5所述的方法，其中，所述至少一个时标包括时钟信号的频率变化。

12.根据权利要求5所述的方法，其中，降低的传播延迟不确定性小于大约4倍的时钟周期。

13.根据权利要求5所述的方法，其中，所述勘测包括地震勘测。

14.一种用于执行地层的地震勘测的系统，包括：

通信路径；和

多个节点，其沿所述通信路径以线性拓扑设置，其中，每个节点均具有一时钟域，并且所述通信路径被配置为在所述多个节点中的任意两个节点之间仅具有一个时钟域边界；

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述多个节点中的一个节点是被配置为产生出站时标的第一节点，所述多个节点中的另一个节点是被配置为产生入站时标的第二节点，并且其中，所述多个节点中的每个节点包括：

存储器；

时钟；和

处理器，其被配置为：

接收所述出站时标的接收时间和所述入站时标的接收时间并且将其储存在所述存储器内。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述处理器进一步被配置为：

使用来自第一节点的所述出站时标的发送时间、第一时标的接收时间、第二时标的接收时间和在第一节点处第二时标的接收时间来调整所述多个节点的每个节点的时钟。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述时标包括时钟信号的频率变化。

18.根据权利要求14所述的系统，其中，所述多个节点中的每个节点均具有一时钟周期，并且，降低的传播延迟不确定性小于大约4倍的钟控周期。

19.一种其上具有指令的非暂时性计算机可读介质产品，所述指令在由至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行一种方法，所述方法包括：

使用至少一个时标来降低以线性拓扑设置的多个节点中的传播延迟不确定性，所述至少一个时标在仅穿过一个时钟域边界的路径上被发送至所述多个节点中的每个节点，其中所述多个节点的每个节点均具有一时钟域。

20.根据权利要求19所述的非暂时性计算机可读介质产品，进一步包括以下中的至少一个：(i)ROM、(ii)EPROM、(iii)EEPROM、(iv)闪存和(v)光盘。