CN108535772A - 一种用于井下多节点采集系统时间同步的补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温井下多节点地震信号采集系统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系统由地面系统和井中系统构成，补偿装置设置在井中系统的采集短节中，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系统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系统，尤其涉及一种高温井下多节点地震信号采集系统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系统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系统，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系统中，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系统及方法，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系统时间同步的补偿方法，还提供用于井下多节点采集系统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系统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t_delay，需要补偿的延时为t_D，晶振计数为count_d，频率的准确值以及上限和下限分别为：count、count_up和count_down，假设完成延时t_D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系统时间同步的补偿方法的补偿装置，所述井下多节点采集系统由地面系统和井中系统构成，其特征在于：所述补偿装置设置在井中系统的采集短节中，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系统中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系统中，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、在井中系统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系统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系统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系统时间同步的补偿装置，所述井下多节点采集系统由地面系统和井中系统构成。所述地面系统包括GPS模块、延时测量模块、恒温晶振。井中系统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。地面系统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t_delay＝20μs，则需要补偿的延时为t_D＝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，count_up＝100007000，count_down＝99993000。假设完成延时t_D的晶振真实的计数值为x，可根据公式求取：

计算得到x_up＝100004999.86、x_down＝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x_up、x_down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 (3)

1.一种用于井下多节点采集系统时间同步的补偿方法，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种用于井下多节点采集系统时间同步的补偿方法，其特征在于，所述步骤B，具体为：设定电缆延时为t_delay，需要补偿的延时为t_D，晶振计数为count_d，频率的准确值以及上限和下限分别为：count、count_up和count_down，假设完成延时t_D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。

3.如权利要求1所述的一种用于井下多节点采集系统时间同步的补偿方法的补偿装置，所述井下多节点采集系统由地面系统和井中系统构成，其特征在于：所述补偿装置设置在井中系统的采集短节中，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系统中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。