CN111064540A - 一种矿井微地震监测时钟同步装置及方法 - Google Patents

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云美厚
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Abstract

本发明涉及一种矿山微地震监测系统的时钟同步方法，基于GPS授时对地面中央记录系统获得时钟一致性匹配，井下现场控制站则采用原子时钟获得时钟一致性匹配，基于现场总线发送同步时钟信号和时间戳协议，由于信号采集单元和现场控制站均采用独立的晶振作为时钟，时间(x,y)间的相互关系可用一系列成对的数据，采用最小二乘法一阶求出现场控制站、信号采集单元时钟矫正初始值，然后利用二分法根据给定的精度要求对信号采集单元时钟频率多次校准，本发明的有益效果：可以满足矿山大规模微地震长时间连续监测的时钟同步要求，较现有技术，克服持续长时间采集时钟误差累积大，具有实现成本低、同步精度高、可靠性好和适用面广的特点。

Description

一种矿井微地震监测时钟同步装置及方法
技术领域
本发明涉及一种矿井微地震监测系统的时钟同步方法。具体地，本发明基于GPS时钟或原子钟对现场控制站授时，并对采集单元时钟频率进行校准的同步机制及方法。
背景技术
矿山开采过程中，由于矿山井巷或者采场周围矿体和围岩应力被破坏而发生弹性变形，超过了岩体能承受高压的脆性岩体极限平衡状态，向自由空间突然释放巨大能量，因此而产生的以急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象称之矿山动力灾害，如矿山冲击地压、冒顶、矿震、水害突出、煤与瓦斯突出等。微地震监测系统就是一种及时的动力灾害监测手段，具有远距离、动态、三维、实时监测的特点，能够给出震动后的各种信息，并根据震源情况确定破裂尺度和性质，具有不损伤岩体、劳动强度小、时间和空间连续，还可以根据震源情况进一步分析破裂尺度、强度和性质等优点，能够为评价范围内的矿山动力灾害隐患提供依据。
矿井微地震监测系统是由地面中央控制系统及井下现场控制站构成的网络体系，微地震信号采集时间上的误差将成为影响地震数据成像的主要因素，如何保证设备之间的时钟同步是需要解决的关键技术之一。现有地震勘探采集记录系统的时钟同步方法，采用单次采集前的同步校准机制，即在开始采集前，从上至下发送同步码字，收到同步码字后，所有采集站在相同的时刻开始采集，从而保证能够在同步校准之后的短时间内实现全网同步采集和传输。但这种机制不适合长时间矿井微地震持续采集，这是由于矿井微地震现场控制站和信号采集单元采用独立晶振作为时钟源，长时间连续采集会产生时钟漂移会造成时钟误差累积，无法满足矿山安全微地震监测时钟一致性需求。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种矿井微地震监测时钟同步装置及方法，实现中央记录系统、现场控制站与基于现场总线技术的信号采集单元全局时钟同步，实现矿井微地震持续长时间采集时钟同步要求。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案。
首先，矿井微地震监测系统包括用于地面中央记录系统、矿山通讯系统、现场控制站、信号采集单元、电源工作站、现场总线和时钟匹配装置。其中现场控制站、信号采集单元、电源工作站、现场总线和时钟匹配装置构建成矿山井下微地震采集子系统。
所述的时钟匹配装置为高精度的GPS授时或原子钟，主要为地面中央记录系统、现场控制站提供同步时间脉冲和精准时间戳协议，对于地面的监测工作站、超级计算中心可利用GPS授时获得时钟一致性匹配，井下采掘工作面现场控制站采用原子时钟获得时钟一致性匹配，现场控制站通过现场总线实现不同信号采集单元的时钟一致性匹配，即发送同步时钟信号和时间戳协议。
所述基于现场总线技术的信号采集单元和现场控制站均采用独立的晶振作为时钟，时间(x,y)间的相互关系可用一系列成对的数据(x1,y1),(x2,y2)……(xm,ym)，设一次系数方程：
y＝a0+a1x (1)
其中：a0、a1是任意实数。为确定a0和α1，采用最小二乘法构建函数
φ＝∑(yi-yj)2 (2)
式中yi为实测值，yj＝a0+a1xi为理论值，把(1)代入(2)中得：
φ＝∑(yi-a0-a1xi)2 (3)
为得到∑(yi-yj)2最小值，对函数φ对a0、a1求偏导数，令这两个偏导数等于零。
Figure BDA0002348823910000021
Figure BDA0002348823910000022
亦即：
∑yi＝ma0+(∑xi)a1 (6)
∑xiyi＝(∑xi)a0+(∑xi)a1 (7)
得到的两个关于a0、a1为未知数的两个方程组，解这两个方程组得：
Figure BDA0002348823910000023
Figure BDA0002348823910000024
把a0、a1代入试(1)中得到一元线性回归方程。由于回归的关联式不可能通过每个回归数据点(x1,y1),(x2,y2)……(xm,ym)，借助相关系数“R”，统计量“m”，进行判断关联式优劣；“R”越趋近于1越好；“m”的绝对值越大越好，并得到剩余标准偏差值。
Figure BDA0002348823910000025
在式(10)中，m为样本容量；xi、yi分别为任意一组实验数据x、y的数值。借助最小二乘法一阶拟合求解出晶振频率变化情况下的现场控制站、信号采集单元矫正时钟。
考虑到矿井微地震采集记录系统长时间连续数据采集时，温度、老化、激励电平、晶体单元感受到的加速度变化和运算的拟合精度等因素的影响，GPS或原子时钟、现场控制站、信号采集单元时间不是单纯线性的关系。最小二乘法一阶拟合后，授时同步装置、现场控制站、信号采集单元时间误差比较大，而且由于授时同步装置、现场控制站、信号采集单元时间不是单纯线性的关系，用一阶拟合参数会存在明显的累计误差。故在上述计算基础上引入二分法。
将方程y＝f(x)有根区间[a0,b0]分为两个小区间(称二分)，取a0、b0的中点x1＝(a0+b0)/2，并计算f(x1)的值；如果f(x1)与f(a0)同号，则方程的根必在[x1,b0]区间，反之，f(x1)与f(a0)异号，则根在[a0,x1]区间。通过这样的方法找出并确定新的有根区间[a1,b1]，然后再将新的有根区间二分为两个小区间，如此继续下去，就可得到一个有根区间
Figure BDA0002348823910000031
直到某区间[ak,bk]的长度小于给定的精度ε，即根的绝对误差小于ε，变可以得到一个满意的近似值。
|x*-xk|≤(bk-ak)≤ε (12)
Figure BDA0002348823910000032
上述的同步机制过程为概述为最小二乘法一阶拟合求出拟合参数，求出的拟合参数作为现场控制站、信号采集单元时钟矫正初始值，然后利用二分法根据给定的精度要求进而多次矫正。
本发明的有益效果：基于GPS或原子时钟高精准的同步脉冲和时间戳信息，最小二乘法和二分法对现场控制站、信号采集单元时钟频率进行校准的同步机制，可以满足矿山大规模微地震长时间连续实时监测系统的时间同步要求。较现有技术，克服持续长时间采集时钟误差累积大，具有实现成本低、同步精度高、可靠性好和适用面广的特点，从而获得同步效果较好的微地震采集数据。
附图说明
图1为矿山区域微地震监测系统示意图。
图2时钟同步控制原理框图。
图1中:1、地面中央记录系统；2、矿井调度室；3、电源工作站；4、现场控制站；5、时钟匹配装置；6、信号采集单元；7、通讯网络；8、矿山通讯系统；9、现场总线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
首先，根据拟监测矿井区域的地质条件和开采情况布置微地震观测系统示意图，如图1所示，其可通过以下步骤实现。
第一步：根据矿井地质条件和开采情况设计并布置微地震监测系统，包括地面中央记录系统、矿井调度室和现场采集子系统。
第二步：采用GPS授时为地面中央记录系统、现场控制站提供同步时间脉冲和时间戳信息，井下现场采集子系统采用原子钟获得时间脉冲一致性匹配和时间戳信息，通过现场总线自动实现不同信号采集单元的时钟一致性匹配，即发送同步时钟信号和时间戳协议。
第三步：地面中央记录系统、矿井调度室和现场控制站接收时钟匹配装置的时间戳协议，并解析时间参数，并将得到的结果更新自身系统时间，基于通讯网络或矿山通讯系统向现场控制站发送自身修正时钟，保持时钟一致。
第四步：现场控制站基于现场总线向信号采集单元发送时间戳信息，信号采集单元接收时间戳信息，结合信号采集单元独立晶振时钟的相互关系形成一系列成对的数据(x1,y1),(x2,y2)……(xm,ym)，其中yi为信号采集单元时钟实测值，xi为现场控制站时间戳信息，根据公式(1)构建相互关系。
第五步：信号采集单元持续接收一段时间现场控制站时间戳信息，如100个时间戳信息，采用最小二乘法构建函数，根据公式(9)解得相互关系未知数a1；进一步根据公式(8)解得相互关系未知数a0,从而得到信号采集单元时钟矫正初始值。
第六步：利用公式(10)评价为了判断时间戳信息和信号采集单元关联式的好坏，并得到剩余标准偏差值±σ。
第七步：由于微地震信号采集单元长时间连续数据采集时，温度、老化、激励电平、网络延时单元、晶体单元感受到的加速度变化和运算的拟合精度等因素的影响，由于时间GPS、FCU时间不是单纯线性的关系，在最小二乘法的基础上再引入二分法。由此，根据矫正初始值计算ym+1-(a0+a1xm+1)，若大于0，则对标准偏差区间+σ之间，并进一步计算ym+1-(a0+a1xm+1+σ/2)，如此继续，就可得到一个小于给定的精度ε的近似值。反之，小于0，则对标准偏差区间-σ之间，并进一步计算ym+1-(a0+a1xm+1-σ/2)，如此同样可得到一个小于给定的精度ε的近似值。
此时信号采集单元得到最终的修正时间，GPS时钟地面中央记录系统、原子钟授时、现场控制站和微地震信号采集单元时间精度误差小于300ns，满足矿井微地震数据采集时钟同步要求。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种矿井微地震监测时钟同步装置及方法，其特征在于：包括用于地面中央记录系统、矿山通讯系统、现场控制站、信号采集单元、电源工作站、现场总线和时钟匹配装置，信号采集单元和现场控制站均采用独立的晶振作为时钟，时间(x,y)间的相互关系可用一系列成对的数据(x1,y1),(x2,y2)……(xm,ym)，采用最小二乘法构建函数得到一元线性回归方程拟合参数，求解出晶振频率变化情况下的现场控制站、信号采集单元时钟的矫正初始值，然后利用二分法多次迭代矫正获得给定的同步精度。
2.根据权利要求1所述一种矿井微地震监测时钟同步装置及方法，其特征在于：时钟匹配装置主要为地面中央记录系统、现场控制站提供同步时间脉冲，对于地面的监测工作站、超级计算中心可利用GPS授时获得时钟一致性匹配，井下采掘工作面则采用原子时钟获得时钟一致性匹配，通过现场总线自动实现不同信号采集单元的时钟一致性匹配，即发送同步时钟信号和时间戳协议。
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