技术领域
[0001] 本
发明具体地涉及一种用于
地震数据采集的装置和方法，该装置用于形成地震
传感器的一个无线网络的
节点。
[0002] 更具体地，本发明涉及地震数据采集装置，其中，每个装置或地震传感器配置有一个基于卫星的
定位系统和一个模拟/数字转换系统，该模拟/数字转换系统的采集数据可以借助基于卫星的定位系统来补偿。
背景技术
[0003] 本领域技术人员应知晓许多种可在数据采集网络中实现的数据采集装置和方法。
[0004] 在数据采集网络由多个地震传感器的集合所形成的情形下，这些设备传统地和通常地是有通过线或线缆成组地连接到网络的“节点”的传感器构成。这些节点通常是成组地围绕一个“集中器”来组织，而一组节点与其集中器一起形成一个子网，集中器与节点之间的连接也是有线连接。集中器在本地对该子网的节点进行管理、供电以及集中数据。集中器连接到一个本地
计算机网络，与一个有线网络一样，一个中央单元连接到该本地计算机网络，用于驱动该地震传感器的集合和记录由子网发来的数据。这些传统方案是本领域技术人员所公知的，在此不作详细描述。
[0005] 本领域技术人员也已经提出一种无线数据采集网络的方案，该方案具有可免除使用许多线缆的明显优点。在地震应用领域，这些网络还可根据上述描述的结构由节点、集中器和一个中央单元来形成，在该网络的各个组件之间的通信可以无线模式通过射频
信号来实现。
[0006] 在这些无线数据采集网络中，必须提供特定的装置，以使得在网络的每个节点级别的时间基准可以被知晓，并且是该网络的各个节点所共有的，从而可以很好的时间精确度来获得采集数据，这一公共的时间基准很显然不再由将这些节点连接在一起并连接到一个公共基准时钟的电线或
电缆来提供。
[0007] 在这些无线数据采集网络中，在每个节点级别的时间基准可以借助于卫星的定位系统(SPS)来得知，通常这是安装于每个网络节点上的GPS系统(代表“全球定位系统”)。这样，各节点便被同步于卫星定位系统提供的通用时间(universal time)。在地震传感器的电缆网络里，中心单元在t0时刻向网络节点发出一个数据采集指令，时刻t0作为时间参照基准，这个时刻t0与网络节点i上的时刻tk，i有一个偏差，称之为
相位误差，在tk，i时刻由节点i上的
模数转换器输出采样值k。这个相位误差与采集指令传播到节点的时间的不确定性有关。
[0008] 参考文献(美国
专利/专利
申请)US 6 253 156专
门为地震应用提供了一个解决方案，用来校正相位误差，并且保证对测量输出的
质量来说必不可少的
精度，为了做到这一点，本文件提供了一个数字
滤波器，可以补偿一系列采集的数据x[n]，该系列采集的数据是从网络的节点i的模拟/数字转换器发出的，并且是根据参考时刻to，作为重新调整的一系列采集数据y[n]从起始时刻tk，i开始采集的，这样就可以仅仅校正相位误差(重新同步)。频率误差假设为零，这种情况属于
采样频率被平稳地发送(同步)电缆网络的情形。
[0009] 在一个地震传感器的无线网络中，这种平稳的同步就不可能实现，这样就适宜要么使用一个频率非常稳定的
振荡器(通常是非常昂贵的解决方案)，要么寻找一个外在的时间参考基准，如GPS，使得振荡器得到控制。
[0010] 第二种方案需要使用振荡器，其频率与采样频率对应，并永久地受控于卫星定位系统所提供的信息，振荡器的频率就与卫星定位系统同步。这是文件US 6 253 156中的情形，为了做到这一点，这些振荡器必须包含在一个模拟类型(PLL/VCXO)或数字类型(NCO)的闭环设备中，使其适应于采样频率，所述设备便组成了一个同步设备。
[0011] 这种类型系统在
能量消耗方面比较昂贵，考虑到卫星定位系统必须在数据采集的整个时段内开启，否则振荡器的频率就得不到调整，进而不能与卫星定位系统同步，基于卫星的定位系统的可观的功耗，严重影响了节点的自主性，其
电池必须经常充电而且与这些振荡器和与其相关的频率适应环路是非常的昂贵的系统。
发明内容
[0012] 本发明的目的是提供一个装置和一个方法，其中的振荡器是便宜的振荡器，不需要用于与定位系统同步的设备。
[0013] 本发明的另一个目的是提供一个装置和另一个方法，使得可以得到精确的采集数据，同时功耗最小。
[0014] 在本发明中，借助一种数据采集方法就可以达到这些目标，该方法包括以下步骤：
[0015] -以由本地时钟提供的不准确的采样频率，对采集数据进行采样，这样生成一系列的采样定时数据；
[0016] -根据通用时间来确定采样时刻，以测量本地时钟的频率误差；
[0017] -校正采样定时数据。
[0018] 本发明中，还可以借助数据采集装置达到这些目标，所述装置的特征在于，它包括一个用于采用本地时钟提供的不准确的频率对传感器采集到的数据进行采样的模拟/数字转换器，这样便提供系列的采样定时数据；一个用于根据通用时间来检测采样时刻的时间标记模
块，以及一个用来校正采样定时数据的再采样模块。
附图说明
[0019] 以下结合附图和具体实施方式对本发明的其它特性、技术目的以及优势进行描述，其中：
[0020] 图1示出了一个根据本发明的用来由一个卫星定位系统对一个本地时钟的进行采样的设备，以在一定程度上不精确的振荡器的
基础上提供一个非常精确的时钟(频率误差被校正了)；
[0021] 图2示出了一个用来补偿相位误差和采样频率的设备；
[0022] 图3a和图3b示出了根据本发明的一个优选的
实施例，用于采集数据的再采样器的操作原则。
具体实施方式
[0023] 本发明的构思在于，振荡器(为采集数据的采样提供
时钟信号)与基于卫
星系统不同步但校准于卫星定位系统。
[0024] 图1示出了一个用于校准一个TCXO振荡器的操作频率(采样频率)的设备，它包括在一个根据本发明的装置之中，通过卫星定位系统，该校准设备还用于保证对一个本地时钟提供的时间的校准。卫星定位系统的作用在于在校准本地时钟的过程中提供一个参考时钟，该装置用于组成数据采集网络的一个节点。
[0025] 在本发明的设备中，所用的TCXO振荡器是低成本的振荡器，其运行频率不够稳定，不足以用于地震数据采集的应用。特别地，由TCXO振荡器生成的时钟型号表现出100ppm，即10微秒/秒的漂移。在这样的运用中，节点的间的互同步要求优于10微秒。因而有必要根据一个时间参考基准来校准这个漂移，这个时间参考基准是由包含于节点中的一个卫星定位系统200(SPS)提供的，若没有这个卫星定位系统200，则该设备只能在一秒钟内的一个最大时间段内提供有用的数据。如果缺少校准，则有必要每秒提供一个精确时间，换句话说即开启卫星定位系统使得它可以每个一秒钟提供一个精确的时间参考基准。
[0026] 以一个通常的方式，在结合图1所提供的实施例中，一个时间标记模块300包括协同工作的装置310、320和330。一个第一计数器310通过对组成本地时钟100的TCXO振荡器的周期的计数，可以确定距离上一次对卫星定位系统200的
访问的大致时间。卫星定位系统200提供一个精确的时刻UTC(SPS)，每次在系统上电时它被清零。所述大致时间由第二计数器320来校正，该第二计数器320用于记算并存贮本地时钟100的频率误差。一个操作器330将装置310和320结合起来，使其可以在两次对卫星定位系统200的访问期间确定一个准确的时间。其有效的区间依赖于该第二计数器320所进行的的频率测量的精确度。
[0027] 更具体地，在每次基于卫星定位系统200被激活的时刻，从卫星定位系统200的参考时钟为时间标记模块300中的所述第一计数器310提供的时刻UTC(SPS)开始，该第一计数器310对本地时钟100的周期进行计数，记为N1。时刻UTC(SPS)在每次卫星定位系统被激活时再次被提供给所述第一计数器310。
[0028] 一方面，本地时钟100提供一个大约的时间，而另一方面卫星定位系统200的参考时钟与本地时钟100并未同步，由于本地时钟100缺乏频率
稳定性，基于所述由第一计数器310提供的时间进行的估计具有不确定性。特别地，对采集的数据的采样频率FE进行的测量具有不确定性。
[0029] 为避免这种不确定性，有必要校准本地时钟100的频率，时间标记模块300提供一个第二计数器300。所述第二计数器320在1秒的时间(一个区分来自卫星定位系统200的两个信号210和220的时间区间)内对本地时钟100的周期进行计数，记为N2。所述1秒的时间是由卫星定位系统的参考时钟提供的，因此非常准确，也就只存在非常低的不确定性。这两个间隔1s的连续的信号210和220形成卫星定位系统的一个参考信号PPS。得到的计数值N2在数值上就等于对应本地时钟100的频率的频率值。
[0030] 这个校准的不确定性定义了一个有效性的极限，于是，需要在
[0031] 校准不再有效的时候，规律地访问卫星定位系统。
[0032] 特别地，在两个的分离的信号210和220的1秒间隔内，对本地时钟100的周期计数的估计的不确定性的最差为本地时钟100的一个周期，称为±Txo。这导致了相位误差±TXO和对本地时钟100的频率的估计的不确定性。
[0033] 上述称为第一相位误差的±TXO必须加上与卫星定位系统200的参考信号的时间精度有关的第二相位误差±DPPS。
[0034] 举例来说，本地时钟100的操作频率可约为20MHZ，它的周期将约为TXO＝50ns。而且，卫星定位系统的PPS参考信号在相位上的不确定性典型地为DPPS＝±40ns。这样，在所提供的情形中，由关系式EP＝±DPPS±TXO所定义的相位误差EP就处于区间-90ns＜EP＜+90ns。
[0035] 为了提高精确度，卫星定位系统200发出的连续的PPS信号的个数n大于或等于一，例如不限于n＝10，，N2是在n秒的时间内的计数。对本地时钟100的周期(频率)的估计误差，就由关系式±TXO/n定义，卫星定位系统提供的参考信号PPS的相位估计误差，就由关系式±DPPS/n来定义。换句话说，本地时钟100的频率的校准操作是由关系式CF＝EP/n定义，该式指示出误差(或漂移)为9ns/s左右，即1110s后有10μs的误差(或漂移)。
[0036] 最后，时间标记模块300包括一个操作器330，用于提供通用时间UTC(t)。为了做到这一点，操作器300以一个时间UTC(SPS)作为输入，UTC(SPS)是来自于基于对卫星定位系统的访问而得到的卫星定位系统的参考时钟。卫星定位系统200将第一计数器310清零，并向第二计数器320(开始)发出PPS信号210和220，对N1和N2的计数开始了。
[0037] 计数值N1和N2与在上一次对卫星定位系统的访问中得到的时刻UTC(SPS)一起，输入到操作器330。在输入到操作器330之前，本地时钟100的相位误差EP和频率都已经被测量，后者可以计算并提供一个通用时间UTC(t)的输出。特别地，可以以一种精确的方式得知根据时刻UTC(t)确定的采样时刻。更精确地，操作器330确定一个函数它作用在校准的整个有效期内，n＝1的情形特别地在图1中表示出米。
[0038] 通用时间UTC(t)就被本地时钟100保持，直到校准有效期结束，在所述校准有效期内，卫星定位系统可以关闭，因为时间UTC(t)已经足够的精确。
[0039] 当期望执行一个新的采集(最迟在一个校准有效期间结束的时刻)时，或者为了重新校正本地时钟100，卫星定位系统200将UTC(t)重置为零，这直接提供了一个新时刻UTC(SPS)，同时也将N1置零和并开始N2的新的计数。
[0040] 选择的数字n定义了校准的期间为n秒，在此期间卫星定位系统必须开启。超出这个用于校准的n秒的期间，定位系统可以关闭，这可以节省能量。当定位系统关闭后，本地时钟100的漂移也将继续。为了在数据采集期间在相位误差EP的情况下，所述漂移最大不超过10μs，就有必要再次开启卫星定位系统以进行新的校准。
[0041] 在这里以举例的方式提供的情形中，所述新的校准必须最迟开始于一个期间tc＝10μs/(9ns/s)之后，，即大约18分钟30秒，换句话说，这里提供的具有代表性的情形中，卫星定位系统必须开启10秒，随后可以关闭多于18分钟而不对所进行测量的质量造成影响。
在没有用卫星定位系统200对本地时钟100进行校准的情况下，本发明所使用的振荡器将会在1秒内典型地产生10微秒的漂移。
[0042] 这样，卫星定位系统200就可以在校准的有效期内关闭，从而节省能量。这个校准的有效期直接与这里提出的例子的测量精度有关，但是也与影响本地时钟100频率的
温度变化有关。
[0043] 最终，在时间标记模块300的输出端，可以得到本地时钟100的采样频率FE，同时还得到从采集数据开始，所经过的时间的一个非常精确的长度值UTC(t)。采样频率FE和UTC(t)由时间标记模块300提供给再采样模块400。
[0044] 本发明的构思在于，卫星定位系统不必在整个数据采集期间开启。这样本地时钟100就与卫星定位系统校准了。表述“用卫星定位系统200对本地时钟100进行校准”应理解为将本地时钟100的频率的CF与卫星定位系统200校准，并将本地时钟100的时间与卫星定位系统200校准，这样的校准就提供了一个通用时间UTC(t)。
[0045] 图2示出了一个用于对相位误差和采样频率进行补偿的设备。该设备包括示于图1中的本地时钟100、卫星定位系统200和时间标记模块300，时间标记模块300输出采样频率FE、时间UTC(t)，于是可以为再采样模块400提供所述计数值N1。
[0046] 采样频率FE被分派给再采样模块400，该再采样模块还在第一
存储器中保存由传感器510的模拟/数字转换器510所发送的采集数据。从而，该第一存储器401保存有以该频率采用的采集数据E(k)，该频率直接由本地时钟100来提供，也即，该采集数据是一种以不太精确方式进行采样的数据。此外，由时间标记模块300发出的统一时间UTC(t)被分配给在再采样模块400的第二存储器403，因此，该第二存储器存储采样E(k)的日期UTC(tk)，而后者是精确已知的。
[0047] 再采样模块400还包括一个再采样器404，和一个基于一个参考滤波器411来动态进行计算的插值滤波器404。
[0048] 该插值滤波器412的确定是通过对参考滤波器411的线性插值来获得。更确切地说，插值滤波器412是通过对形成该参考滤波器411的一组参考系数的线性插值计算得出的一组系数。插值滤波器412的计算必须是对各系列采样值E(k)的每个采样值E(k)来动态完成的，也即是，对将要插值的每个采样值Ek进行重新计算。
[0049] 插值滤波器412包括一个由第二存储器403中带来数据的第一输入，将所述插值滤波器412连接到参考滤波器411的第二输入和一个将该插值滤波器连接到再采样器404的输出。此外，第一存储器401还被连接到再采样器404。
[0050] 在数据采集期间，可以进行再采样过程。再采样器404确定一个数据t0相对于第一存储器401发出的采样值的
位置。借助于插值滤波器412所提供的数据，再采样器404可以执行在由存储器401所发出的以系数k和k+1标示的两个采样值之间的插值，这两个以系数k和k+1标示的采样值在时间上最接近数据t0的(参见图3)。
[0051] 插值滤波器412是基于参考滤波器和第二存储器403所提供的时间信息来计算，从而可以取回与保存在第一存储器401中的采样值相对应的采样时刻UTC(tk)。随后，再采样器404使用该插值滤波器412来对采样值E(k)进行插值或滤波并获得采样值S(k)。更确切地说，为在再采样器404的输出端获得一个插值的采样值S(k)，必需在第一存储器401的N个采样值Ek上将插值采样器412应用于再采样器404，N为插值滤波器412的系数数目。
[0052] 从而，由再采样器404所实施的插值是借助于插值滤波器412来执行的，该插值是通过基于第二存储器403所发出的数据来对参考滤波器411的线性插值来获得的。
[0053] 在再采样器404的输出端，一个缓存器被用于保存将要发送给形成该无线网络的节点的其他装置的数据。
[0054] 图3a和3b示出再采样器404在采集数据上操作的原则，并用于阐明上述内容。
[0055] 在图3a中，曲线700表示传感器500发出的数据的采集曲线，其中构成序列E[k]的采样值Ek 710被以一个与本地时钟100频率相应的频率抽出。再采样器404对在时间上最靠近时刻t0的两个采样值Ek和Ek+1进行插值，产生一个新的采样值S0，S0的相位误差得到补偿。于是为了生成每个新的采样值，所述再采样操作在每个时刻tk都要同样地进行。基本上，再采样器404将采样序列E[k]转换成一个新的采样序列，在所述新的采样序列中，采样频率和相位误差均得到补偿。
[0056] 更具体地，采样序列E[k]经由再采样器404中的参考滤波器411和插值滤波器412处理，被转换为一个新的采样序列S[k]。为了获得采样序列S[k]，插值参数820作用于信号采样值Ek，插值滤波器的参数820通过对参考滤波器的参数810进行插值来获得，如图
4b所示。对于每个采样值Ek都要重复上述操作，这意味着插值滤波器820的参数在参考滤波器的参数810的基础上进行重算，以逐个采样值地提供采样序列S[k]中的采样值Sk。
[0057] 在本方法中，参考滤波器411的参数的数量足够所述参考滤波器411的线性插值，使得避免插值滤波器412造成信号失真成为可能。
[0058] 所述再采样可以通过延续装置100、200、300的测量以及传感器500的数据采集的方式来完成。同样，还可以通过后加工并将所有再采样需要的数据存储在第一存储器401中。因此，选择进行再抽样的时刻即成为可能。
[0059] 另外，为了完成测量，可能需要关注结合图1描述的内容的可选实施例。
[0060] 具体地，预留另一种类型的计数器来代替图1中的计数器320也是可能的，计数器320最小化了确定本地时钟100的频率时的误差+-Txo/n，而所述另一种类型的计数器消除了误差+-Txo。
[0061] 为了实现上述方案，该计数器包括一个连接到基于卫星定位系统200的参考时钟的输入端口和一个连接到本地时钟100的输入端口，参见图1所示的计数器320。但是，与图1所示的计数器320不同，这个计数器等待参考时钟和本地时钟100对准，也就是说等待参考时钟的一个边缘(一个时钟周期的起始或结束)和本地时钟100的一个边缘在同一时刻来临，以开始测量参考时钟与本地时钟100中该本地时钟100的周期数N3。
[0062] 在本具体实施方式中，该装置通过去除计数中的不确定值+-Txo来使得对参考时钟的准确度的测量的不确定性的降低成为可能。
[0063] 本发明并不强制要求基于卫星定位系统的参考时钟的频率和本地时钟100的频率相同，但是优选地，它们之间是相似的，以使由两个时钟(对准的)共享的公共信号的出现频率尽量高。
[0064] 对N3的测量持续到所述两个时钟的一个信号再次在一个相同的时刻出现，这个时刻上，N3的测量被停止(停止)。测量的N3与分开两个对准时钟的时间之比可以作为本地时钟100的采样频率的一个度量。一旦确定了采样频率，采样频率将被分派给再采样模块400，此后的处理过程与结合图2及图3的描述的内容一致。测量的精确度与度量时间直接相关；因此，使得在参考时钟和本地时钟100的边缘暂时对准时，在停止测量N3前设置一个度量的最小区间成为可能。
