一种井下多节点信号采集同步误差校正装置及方法
【技术领域】
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[0001]本发明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校正装置及方法。
【背景技术】
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[0002]在地球物理勘探领域，美国专利公开号US20100198561A1，公开日2010年8月5日，发明创造的名称为数据采集装置及方法，正如该专利中所述，所有的采集节点必须被同步以使它们有相同的采样时刻。在陆地地震勘探系统中，通常会在探测区域中布设成百上千道的地震数据采集节点。常用的铺设方法是，将许多条由采集节点组成的采集链互连成探测阵进行铺设。每个采集节点的采集过程就是将地震信号转换成数字信号。在井下地震信号采集中，通常是通过测井电缆将多个采集节点串接，下放到目标层位进行地震信号采集。
[0003]理想情况下，井下地震信号采集系统中所有采集节点，应在同一时刻收到“开始采集的命令”，用于控制所有节点同步开始进行采集。传统的井下地震采集系统中，在地面控制中心设置一个具有高稳定度的同步采集主时钟，各个节点在这个同步采集主时钟的控制和协调下对模拟信号进行同步转换。但实际情况下，从地面控制中心传输到节点或从一个节点传输到另一个节点时，会产生传输延时，且这种传输延时随着节点数量的增加(即传输距离的增大)而增大，目前主流的地震仪器标明的同步精度为微秒级，但由于实际采集和记录的数据以样点为单位，所以第一个样点的处理方法是系统同步采集精度的关键。美国专利公开号US6002339，公开日1999年12月14日，发明创造的名称为地震同步系统，该申请案公开了一种地震勘探系统采集地震信号的时间同步方法。但此专利也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。美国专利公开号US20100198561AI,公开日2010年8月5日，发明创造的名称为数据采集装置及方法，该专利中设计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。中国专利公开号CN102508297A，公开日2012年6月20日，发明的名称为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，井下高温环境中，晶振易产生累积误差，导致时钟计时不准确。
【发明内容】
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[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种能将电缆延时所产生的同步误差完全消除，实现每个采集节点高精度同步采集，并且同步过程简单的井下多节点信号采集同步误差校正装置及方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明的井下多节点采集信号同步误差校正装置包括延时测量单元，测井电缆，遥测单元，各采集节点处的脉冲接收转发模块，延时校正单元；所述延时测量单元和延时校正单元通过测井电缆与遥测单元连接，遥测单元通过级间电缆与各采集节点处的脉冲接收转发模块顺次连接；
[0006]延时测量单元:模拟产生一个PPS秒脉冲并通过测井电缆、遥测单元和级间电缆向地震信号采集系统各采集节点处的脉冲接收转发模块发送该PPS秒脉冲信号，测量从发送PPS秒脉冲时刻起至PPS秒脉冲经各采集节点回传到地面时刻止产生的脉冲测量时间；
[0007]脉冲接收转发模块:将延时测量单元发送的PPS秒脉冲回传；
[0008]延时校正单元:根据延时测量单元测得的与各采集节点对应的脉冲测量时间计算延时校正量并以表格的方式存储，然后根据每个采集节点对应的延时校正量，将各采集节点收集的地震信号数据延时相应的时间后重新封装成独立的数据。
[0009]所述延时测量单元和延时校正单元采用可编程逻辑器件。
[0010]所述延时测量单元包括模拟PPS秒脉冲产生单元，脉冲发送与接收单元，时钟模块；所述时钟模块在脉冲发送与接收单元下传PPS秒脉冲时刻开始计时，在脉冲发送与接收单元接收到回传的PPS秒脉冲时刻停止计时，由此得到各采集节点i对应的脉冲测量时间V
[0011]所述延时校正单元包括延时校正量计算单元和存储单元；延时校正量计算单元根据延时测量单元测得的与各采集节点对应的脉冲测量时间计算延时校正量；各采集节点对应的延时校正量存储在存储单元中。
[0012]所述脉冲接收转发模块采用可编程逻辑器件。
[0013]本发明的井下多节点信号采集同步误差校正方法包括下述步骤:
[0014]—、延时测量单元模拟产生一个PPS秒脉冲，并在t。时刻发送该PPS秒脉冲，与此同时启动其内部时钟模块开始计时；PPS秒脉冲通过测井电缆传输到遥测单元，再通过级间电缆传输到采集节点i，i = 1，2，3...，η ;各采集节点i的脉冲接收转发模块接收到PPS秒脉冲后，将此PPS秒脉冲沿原路回传到延时测量单元中；延时测量单元接收到此被回传的PPS秒脉冲后时钟模块停止计时，记下对应的时刻，由此得到各采集节点i对应的脉冲测量时间T1;n为采集节点的数量；
[0015]二、延时校正单元根据式(I)、式(2)计算PPS秒脉冲从地面传输到各采集节点的传输延时Td和各采集节点的延时校正量t i，并将延时校正量h以表格的方式存储；
[0016]td= (T「Tdl_Td2)/2 (I)
[0017]ti= t d+Tdi= (T i+Tdl-Td2) /2 (2)
[0018]Tdl为pps秒脉冲从延时测量单元传输到采集节点由作为延时测量单元和延时校正单元的可编程逻辑器件产生的总的传输延时，Td2为pps秒脉冲信号从采集节点回传到延时测量单元由作为脉冲接收转发模块的可编程逻辑器件产生的总的传输延时；
[0019]三、工作时，地面控制中心下传PPS秒脉冲，采集节点在接收到PPS秒脉冲后开始采集并上传地震信号；地面控制中心在井下遥测单元开始传输各采集节点上传的地震信号数据后，将数据重新封装成每个采集节点独立采集的数据山，i = 1，2，3...，n ;延时校正单元根据查表的方法从延时测量单元中提取出每个采集节点对应的延时校正量h，将数据(Ii延时相应的时间后重新封装成独立的数据文件，然后将所有数据文件的第一秒数据截掉，从第二秒的数据开始保存。
[0020]本发明具有如下技术效果:
[0021](I)通过地面授时单元解析GPS信号下传PPS秒脉冲，实现井下地震仪器地震信号的同步采集，并克服了电缆延时高达几百微妙的现状，本发明能将多节点采集地震信号的同步误差减小到纳米的量级。
[0022](2)本发明延时测量单元和延时校正单元设置在地面上，解决了井下高温环境下晶振易发生漂移，计时器易产生累积误差的缺点。
[0023](3)在井地联合地震勘探中，运用GPS授时系统，使井中、地面信号采集高精度同步，便于后期进行数据处理。
[0024](4)本发明可以利用现有仪器的结构进行延时的测量及校正，系统的开销小，结构巧妙，便于实现及应用。
[0025](5)对节点的数量没有限制，突破了节点数量的限制，运用此方法能够对所有节点的传输延时进行准确的测量与校正，从而实现了系统中所有节点的同步采集。
【附图说明】
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[0026]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0027]图1:井下地震信号采集系统的总体方案框图。
[0028]图2:本发明的井下多节点采集信号同步误差校正装置结构框图。
[0029]图3:传输的模拟PPS秒脉冲的信号构成。
[0030]图4:延时测量传输的示意图。
[0031]图5:延时校正传输的示意图。
[0032]图6:校正延时后数据保存的示意图。
【具体实施方式】
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[0033]如图1所示，井下地震信号采集系统包括地面控制中心，井下七芯铠装测井电缆，遥测单元，采集节点。地面授时模块集成在地面控制中心中，由GPS天线，GPS信号解析模块，授时模块组成。地面控制中心还集成有一个FPGA，各采集节点包含有地震信号传感器和一个 FPGA。
[0034]如图2所示，本发明的井下多节点采集信号同步误差校正装置包括延时测量单元，测井电缆，遥测单元，各采集节点处的脉冲接收转发模块，延时校正单元；所述延时测量单元直接利用地面控制中心的FPGA实现；脉冲接收转发模块直接利用各采集节点处的FPGA实现。地面控制中心的FPGA通过测井电缆与遥测单元连接，遥测单元通过级间电缆与各采集节点处的FPGA顺次连接。
[0035]所述延时测量单元包括集成在地面控制中心FPGA中的模拟PPS秒脉冲产生单元，脉冲发送与接收单元，时钟模块(计数器)；所述计数器在脉冲发送与接收单元下传PPS秒脉冲时刻开始计数，在脉冲发送与接收单元接收到回传的PPS秒脉冲时刻停止计数，由此得到各采集节点i对应的脉冲测量时间！\。延时校正单元包括集成在地面控制中心FPGA中的延时校正量计算单元和存储单元(FLASH);延时校正量计算单元根据延时测量单元测得的与各采集节点对应的脉冲测量时间计算延时校正量，各采集节点对应的延时校正量以表格的方式存储在FLASH中；根据每个采集节点对应的延时校正量，延时校正单元将各采集节点收集的地震信号数据延时相应的时间后重新封装成独立的数据。
[0036]地面控制中心主时钟由一个具有高精度，高稳定和低相位误差的温度补偿晶体压控振荡器提供。地面控制中心通过地面授时单元解析GP