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地震數據采集無線同步技術研究
地震數據采集無線同步技術研究

1 前 言
    地震波勘探方法是地球物理勘探方法中運用最早、最廣的方法之一,它是以人工地面激發的地震波在近地面介質中傳播時發生的折射,根據折射波到達檢波器的時間,分析獲得地下介質的空間分布特征的一種地球物理方法。地震波在地下傳播中,當地層巖石的彈性參數發生變化,從而引起地震波場發生變化,通過人工接收變化后的地震波,經數據處理,解釋后即可反演出地下地質結構及巖性,達到地質勘探的目的。

    時間服務是地震觀測中的一個極為重要的內容。時間同步的測量精度直接影響到地震觀測記錄的質量,是地震數據分析和地震波反演工作所需的極有價值的數據。地震勘探中,地震波到達的******時間及其測量的精度,是進行震相分析和確定震源位置的重要依據。地震震源位置的確定,主要是依靠地震波的震源到各觀測點之間的走時差,地震波P 波的速度在地殼為6 km/s,在地幔******可達13.5 km/s,如果時間不準,相差零點幾秒就可以使定位誤差達到幾公里甚至幾十公里之多。更重要的是,時間同步系統誤差將會造成一系列地震參數計算的誤差,如P 波到達時、發震時刻、震中位置、震源深度、地震震級計算精度及由上述參數導出的地震模型、震源機制、地震動力學等諸項結果誤差,使后期的科研成果的可信度降低。所以在地震觀測臺站中,絕不能忽視時間同步問題。本研究利用GPS 授時信號*********、實時性、連續性和高精度的特點,以GPS 的
PPS 信號為基準來校準本地時鐘,采用單片機和無線通信技術實現數據采集同步技術,對無線遙測各道的地震數據進行的同步處理??上到y地解決現有同步的傳輸延遲大、分布采集單元的電路轉發延遲等因素造成的非同步采集,反映所采集的地震數據的真實性、******性。

2 多道地震儀的無線同步采集系統方案在地震波勘探中,地震檢波器和多道地震儀分部如圖1 所示,由于受地形(高山、河流、公路、鐵路、建筑等)和距離的限制,分布的多道地震儀之間的同步大都采用無線方式同步,震源信號由主控制器接收,通過有線或無線傳送到各多道地震儀進行數據采集,在無線傳送過程中,由于無線發送、中繼和接收存在時延,從而使同步產生誤差。無線同步系統分為檢波器數據同步無線發送系統和采集端的無線同步接收處理系統兩個部分,原理框圖如圖2 所示。前者主要負責通過檢波器模擬電路對系統產生測試所需同步信號,其中檢波器模擬信號采用了24 位的AD 采集,提高信號數據處理的精度,拾取的同步信號通過無線數傳模塊(或電臺)以比較******的數字方式發送,保證勘探儀器各道采集同步數據。該部分主要是保證測試信號及后來實測數據的時間同步基準,其觸發時間為一個高精度的時間數值,精度小于1 μs。后者是在利用無線數傳模塊(或電臺)接收各個采集所傳送的具有延時誤差的相關數據后,利用GPS 的PPS 信號對由有源晶振和定時器組成的時基系統進行同步調
整,使得同步信號的誤差降至預期目標,最終使系統以同步方式進行數據采集并將同步數據傳輸的顯示終端。

    由于GPS 地面控制系統將各個原子頻標同步比相對于美國海軍天文臺(USNO)的原子時而建立GPS 系統,因此,GPS 系統時的******穩定性非常好,相應表示GPS 系統時的GPS 接收機秒脈沖的******穩定性也非常好,可以接收到導航授時電文并產生******的1PPS 信號(精度為50 ns~1 μs),因而無線同步系統的精度可小于2 μs,并與無線發送、中繼和接收存在的時延無關。圖 1 地震勘探中檢波器和多道地震儀分部圖

3 GPS 授時原理及其在本系統的應用
3.1 GPS 授時原理
    GPS 衛星信號包含三種信號分量:載波、測距碼和數據碼。時鐘頻率選用10.23 MHz,利用頻率綜合器產生所需要的頻率。每顆GPS 衛星都以L 波段上的兩種載頻:L1=1 575.42 MHz 和L2=1 227.60 MHz發射信號。

   在L1 載頻上,由數據流和兩種偽隨機碼分別進行同相調制和正交方式調制,其中偽隨機碼信號是一種頻率為10.23MBPS 的精密偽隨機碼,稱之為P碼,另一種是頻率為1.023MBPS 的粗捕獲碼,稱之為C/A 碼。

   在L2 載頻上,只有P 碼進行雙相調制,P 碼的作用是與L1 上調制的P 碼相配合,測量出或消除由于電離層效應而引起的延遲誤差。GPS 的導航電文信息由P 和C/A 兩個相互正交的偽隨機碼對兩個載波L1、L2 進行二次調制之后采用調相技術調制到載波上,然后向全球發射,從而在一定程度上使得其能夠傳輸實時性更高的電文信息。

   基于以上原因,使得GPS 時鐘可以成為世界協調時———UTC(USNO)。它既可以滿足人們對均勻時間間隔的要求,又可以滿足人們對以地球自轉為基礎的******世界時刻的要求。在GPS 衛星上載有與UTC 時間同步的銫原子或氫鐘,這樣它就成為一種空間的時間基準,地上的用戶可接收發自GPS 衛星的時間服務信號校正本地時鐘,使之與GPS 時鐘同步完成時間傳遞任務,稱為 GPS 授時。

3.2 GPS 授時在本系統中的應用針對多道地震儀的時間同步技術指標的高精度要求,從以上分析我們考慮利用并不昂貴的GPS接收機,其秒脈沖精度為500 ns。在井口處拾取同步脈沖后,通過自行設計的高效通信協議和通信線路將同步信息傳送到各同步測量點,在通過各測量點的GPS 的PPS 信號來延時同步,以GPS 秒脈沖信號為時間基準的時測模塊原理和時延模塊原理是本設計中實現同步脈沖輸出的關鍵技術。時測原理:用秒脈沖作為每個多道地震儀的時間同步基準,再根據每個多道地震儀的收發電路延時,來確定一個******的延時時間。利用GPS 時鐘信號與有源晶振時鐘信號互補,通過單片機計算出t10,t20,t1,t2,其工作原理如圖3 所示。

 

   時延原理:在地震勘探中,由井口檢波器得到爆炸信號,發送模塊檢測到爆炸信號后,發出同步信號,每個多道地震儀根據時測模塊測得t10,t20,t1,t2,進行相應的延時。延時時間一旦達到,時延模塊就會發出同步脈沖。此時多道地震儀通過同步脈沖信號進行數據采集,其工作原理如圖4 所示。

    為了有效利用上述原理,通過檢波器模擬電路發出測試同步信號,接收機接收后根據實測原理******計算出同步信號到達測試通道1、2 的時間t10、t20,同時利用PPS 信號調整并計算兩者達到同步的時間t1、t2,在實際的測試當中也是在前級系統發出爆炸信號后利用t1、t2 對系統進行相應處理并發出同步信號,控制數據同步采集。
4 創新點
(1)各模塊所產生的同步信號精度高。******誤差為±2 μs;
(2)各模塊產生的同步信號不受地域限制,可實現寬地域范圍甚至全球范圍的同步測量和控制;
(3)利用本同步技術設計的模塊具有體積小、重量輕、成本低等特點,具有廣泛應用前景??捎糜谶b測各道的地震數據的同步采集和數字式檢波器的地震數據同步采集和其他同步測量領域;
(4)同步模塊還可******標識測點的地理位置。
5 總結

   本研究分析了時測、時延原理,通過運算得出系統的時間同步精度。GPS 模塊的精度為±50 ns,8 253 分頻時的基頻每個延遲時間約為100 ns,加之
在信號傳輸的過程中由于硬件等造成的時間延遲,故系統的同步精度******誤差為±2 μs。本研究設計了無線同步模塊的各個功能模塊,在硬件上依據“低功耗、高精度”的整體思想,確定了各模塊的具體器件及實現電路,根據設計制作了多個樣品,測試后指標均達到了設計要求,可以解決大范圍的地震儀分布式時的授時同步和空間定位(經度、緯度、海拔)問題。該時間同步系統與國外新型的記錄儀授時方式統一,便于國際間地震記錄數據的交流與對比,也為GPS 在其它領域的應用提供了一個范例,具有廣泛的應用前景?;贕PS 的高精度無線同步技術的研究,它對數據的采集同步和地震勘探儀器的同步本身都是一種新的觀念,用這種同步技術研究的儀器產品可滿足多種同步儀器和地震勘探需求,對數字式檢波器的研究有著非常重要的意義。

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