[发明专利]一种地震勘探系统及其采集数据的处理方法

权利要求书

1.一种地震勘探系统，包括控制中心、GPS卫星、移动站、基准站和若干采集节点，其特征在于，所述采集节点包括中央控制单元MCU、GPS模块、TCXO晶体振荡器、存储模块、电源、DAC模块和ADC模块；

所述电源负责为整个采集节点供电；

所述中央控制单元MCU负责管理节点的数据采集任务；

所述TCXO晶体振荡器为DAC模块与ADC模块提供时间服务和标准时间基准；

所述DAC模块和ADC模块为数据采集单元，用于采集地震数据；

所述GPS模块协同GPS卫星用于获取定位信息和时间信息；

所述存储模块包括FIFO存储器和SD卡，FIFO存储器用于零时缓存数据，SD卡用于存储最终的节点地震数据；

地震勘探时，将若干采集节点布设于野外各区域，并开启电源进行节点自检；自检合格后GPS模块接收GPS卫星同步信号，开始采集地震数据，中央控制单元MCU将采集到的地震数据存入FIFO存储器，当FIFO存储器中的数据存储达到一定容量后，中央控制单元MCU从FIFO存储器中读取数据并以数据块文件的形式存储于SD卡中；勘探结束后回收采集节点，并将各采集节点SD卡中的数据下载聚合到控制中心的数据库中进行后期数据处理。

2.如权利要求1所述的一种地震勘探系统，其特征在于，所述节点自检的具体流程为：采集节点执行节点自检，自检指标包括检波器电阻、灵敏度、阻尼、自然频率、排列噪声和温度；发送包含测试参数的自检消息到控制中心；控制中心接收每个采集节点的自检消息并判断采集节点是否正常；若采集节点正常则自检合格，控制中心将为每个采集节点配置采集参数并启动采集任务，否则给出警示以提醒相关人员进行故障诊断并手动修复。

3.如权利要求1所述的一种地震勘探系统，其特征在于，所述GPS卫星同步信号包括GPS定位信号和GPS时间信号，采集节点根据GPS定位信号获取伪距单点定位观测数据，并将包含伪距单点定位观测数据的地震数据存储于SD卡中，在不需要高精度定位的情况下，可直接使用该伪距单点定位观测数据获取定位信息，采集节点根据GPS时间信号获取GPS时间，并将获取到的GPS时间作为SD卡中时间同步文件夹的名称，SD卡中每个地震数据块都有时间戳。

4.如权利要求3所述的一种地震勘探系统，其特征在于，所述ADC模块采用型号为ADS1282的32位高分辨率ADC，ADS1282的数据输出引脚DRDY与中央控制单元MCU的中断引脚相连，中央控制单元MCU在DRDY输出信号的下降沿读取数据；ADS1282的同步输入引脚SYNC施加有连续时钟信号且其频率为数据输出速率的整数倍；地震数据就绪后中央控制单元MCU产生中断，ADC将32位数据发送到中央控制单元MCU；当DRDY发生中断时，一个数据点就是输出，中央控制单元MCU统计ADC数据点的数量，并在采样点达到一定数量时拍摄GPS时间和ADC数据点数量的快照用于对齐数据；当发生时间同步事件时，ADC生成的数据点数量以及准确的GPS时间将作为时间同步文件存储于SD卡中。

5.如权利要求1所述的一种地震勘探系统，其特征在于，所述TCXO晶体振荡器的震荡频率f_o为16.384MHz±0.2PPM，时间T内任意两个采集节点的累积时间误差Δt_max为2TΔf_max/f_o，Δf_max为晶体振荡器最大偏差；中央控制单元MCU统计FIFO存储器的写入次数，当写入次数达到触发时间时会通知GPS模块串行数据输出中断和PPS中断开始时间同步，触发时间为1/FΔt_max，F为采集节点的数据采样率。

6.如权利要求4或5所述的一种地震勘探系统，其特征在于，当采集到的地震数据大小达到预设的数据块大小时，关闭当前文件并创建下一个数据文件，同时将ADC数据点的计数和FIFO存储器的写入次数计数置零。

7.基于权利要求1所述的一种地震勘探系统的采集数据的处理方法，其特征在于，包括高精度定位信息获取和数据单元解析，具体步骤如下：

步骤1：根据采集到的数据，建立如下单差观测方程：

式中，c为光速，分别为移动站、基准站接收载波关于GPS卫星j的伪距观测值，分别为移动站、基准站接收载波关于GPS卫星j的载波相位观测值，分别为移动站、基准站的位置与GPS卫星j的距离，δt_r、δt_b分别为移动站、基准站的接收机钟差，λ₁、f₁^j分别为接收载波的波长和频率，分别为移动站、基准站关于GPS卫星j的整周模糊度，Δε_1P,rb为伪距单差测量噪声，Δε_1Φ,rb为载波相位单差测量噪声；将单差观测方程进行伪距、载波相位结合，得进而获得单差模糊度浮点解；

步骤2：根据单差观测方程，构建如下双差观测方程：

式中，表示t时刻GPS卫星i与GPS卫星j的载波相位观测值的星间差分，分别表示t时刻移动站、基准站接收载波关于GPS卫星i的载波相位观测值，分别表示t时刻移动站、基准站接收载波关于GPS卫星j的载波相位观测值，表示t时刻GPS卫星i与GPS卫星j的距离的星间差分，分别表示t时刻移动站、基准站与GPS卫星i的距离，分别表示t时刻移动站、基准站与GPS卫星j的距离，表示t时刻GPS卫星i与GPS卫星j的整周模糊度的星间差分，分别表示t时刻移动站、基准站关于GPS卫星i的整周模糊度，分别表示t时刻移动站、基准站关于GPS卫星j的整周模糊度；

步骤3：采用扩展卡尔曼滤波算法将双差观测方程线性化，扩展卡尔曼滤波算法的模型方程为：

式中，X_k、X_k分别表示系统的当前状态和上一时刻的状态，Φ为状态转移矩阵，B为单位矩阵，w_k为系统误差向量且为双差观测方程状态向量的协方差矩阵，Z_k表示系统的当前观测值，H为双差观测方程的系数矩阵，e_k为观测误差向量且e_k～N(0,R_k)，R_k为载波相位-伪距测量误差的协方差矩阵；双差观测方程线性化得：

式中，Q为预测误差的协方差矩阵，K为卡尔曼增益，v₁＝Z_k-H^TX_k，X_p为双差浮点解，Σ_p为状态向量的协方差矩阵；

步骤4：在获得双差浮点解和状态向量的协方差矩阵后，基于自反馈因子的蚁群算法求解整周模糊度，获取最终定位信息；

步骤5：解析地震数据单元，并分析获得地震勘探结果；控制中心的服务器根据GPS时间信息和时间同步文件对地震数据进行更新和标记，并自动分析每个采集节点的时钟偏移，以保证采集数据的时间准确性，达到多采集节点时间同步的目的。