一種混疊激發(fā)控制時(shí)間產(chǎn)生方法

甘志強(qiáng)，孫祥娥，魏建

（1. 長(zhǎng)江大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，湖北荊州 434023；2. 東方地球物理公司西安物探裝備分公司，陜西西安 710061）

0 引言

地震勘探作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生人工地震波的常用激發(fā)源有可控震源和脈沖源兩種。多年來(lái)，人們希望通過(guò)改變?nèi)斯さ卣鸩ぐl(fā)方式以提升混疊數(shù)據(jù)的分離效果，取得了一定成效。在可控震源激發(fā)控制方面， Silverman［1］開(kāi)創(chuàng)性地提出多震源同時(shí)激發(fā)方法，利用可控震源相位編碼方式從多源記錄中分離單炮信號(hào)；Allen 等［2］提出HFVS（High Fidelity Vibratory Seismic）方法，使用一套獨(dú)特震源編碼進(jìn)行多震源同時(shí)采集，不同于Silverman提出的方法［1］，它采用記錄的震源產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)分離數(shù)據(jù)，而棄用理論信號(hào)，故數(shù)據(jù)保真度相對(duì)較高；Sallas 等［3］提出SPST（Simultaneous Pseudorandom Sweep Technology）掃描方式，掃描信號(hào)以隨機(jī)相位編碼形式做長(zhǎng)時(shí)掃描，基于互相關(guān)算法分離出目標(biāo)數(shù)據(jù)；Bagaini 等［4］提出DSS（Dithered Slip-Sweep）采集技術(shù)，應(yīng)用固定滑動(dòng)掃描和小窗口抖動(dòng)的激發(fā)控制方式，波場(chǎng)分離后數(shù)據(jù)偏移的質(zhì)量與傳統(tǒng)激發(fā)方式相當(dāng)。

上述方法僅適用于陸上地震勘探可控震源混疊采集作業(yè)，已作為成熟的工業(yè)技術(shù)得到規(guī)?；瘧?yīng)用，但目前對(duì)于脈沖激發(fā)源的混疊研究相對(duì)較少。關(guān)于使用脈沖源激發(fā)得到的混疊數(shù)據(jù)分離方法的討論熱點(diǎn)，是將隨機(jī)激發(fā)的混疊數(shù)據(jù)中不同激發(fā)源導(dǎo)致的混疊噪聲在非共炮點(diǎn)域（共檢波點(diǎn)道集、共炮檢距道集、共中心點(diǎn)道集等）看作是隨機(jī)噪聲，采用隨機(jī)噪聲去除方法實(shí)現(xiàn)波場(chǎng)分離。由于有效信號(hào)的連續(xù)性特征和混疊噪聲的隨機(jī)性特征會(huì)影響數(shù)據(jù)的分離效果，不同激發(fā)源產(chǎn)生人工地震波的隨機(jī)性即顯得更為重要。Fromyr等［5］提出使用導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)激發(fā)設(shè)備的移動(dòng)速度和位置信息，結(jié)合一個(gè)小的抖動(dòng)時(shí)間作為炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)間，提高了炮點(diǎn)激發(fā)隨機(jī)性；Hampson 等［6］通過(guò)設(shè)置隨機(jī)顫動(dòng)延遲時(shí)間提高激發(fā)時(shí)間的隨機(jī)性；吉林大學(xué)聯(lián)合中海油深圳分公司分別于2013和2014年在渤海和南海開(kāi)展了2D 和3D 雙源隨機(jī)混合震源采集試驗(yàn)［7］，但該方法僅考慮海上勘探作業(yè)時(shí)兩個(gè)脈沖激發(fā)源同時(shí)激發(fā)的情形，存在一定局限性。

為了增加同時(shí)激發(fā)脈沖源的數(shù)量，并進(jìn)一步提高脈沖源激發(fā)的隨機(jī)性，本文提出一種隨機(jī)時(shí)間產(chǎn)生算法，以提高地震勘探高效混疊采集時(shí)兩個(gè)及以上激發(fā)源同時(shí)激發(fā)概率。該算法基于衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)，以當(dāng)前炮的上一炮激發(fā)時(shí)間的整秒部分為基礎(chǔ)，根據(jù)激發(fā)源所處位置、備好的炮點(diǎn)激發(fā)順序、時(shí)—距規(guī)則參數(shù)等信息，以高精度ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）芯片和振動(dòng)傳感器采集的數(shù)值為種子，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)指定窗口內(nèi)小抖動(dòng)的隨機(jī)數(shù)作為炮點(diǎn)激發(fā)的顫動(dòng)時(shí)間，從而提高抖動(dòng)激發(fā)時(shí)間的隨機(jī)性，實(shí)現(xiàn)高效勘探。

1 相關(guān)理論

1.1 衛(wèi)星授時(shí)

北斗、GPS 及GLONASS 是目前世界上普遍使用的定位授時(shí)系統(tǒng)，可持續(xù)不斷地發(fā)射導(dǎo)航定位及授時(shí)信息。地面接收機(jī)從接收到的導(dǎo)航電文中解析出本地時(shí)鐘相對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)差，并不斷修正以實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星時(shí)鐘的同步（圖1）。

圖1 衛(wèi)星時(shí)鐘同步示意圖

本地時(shí)鐘與衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間的差值計(jì)算式為

式中：tL′為接收機(jī)的時(shí)鐘時(shí)刻；tS為衛(wèi)星時(shí)刻；ΔtPR為偽距產(chǎn)生的延遲，計(jì)算式為

式中：R*為偽距；c為光速。

根據(jù)圖1對(duì)式（2）做進(jìn)一步推導(dǎo)，得到

式中：ΔtS為衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間與星載原子鐘時(shí)間tclock的差值；τSG為星地總時(shí)延，可由下式計(jì)算

式中：τR為信號(hào)傳輸?shù)睦碚撗舆t；τE、τA分別為電離層和對(duì)流層導(dǎo)致的延遲；τL為接收機(jī)本身延遲。

隨著相關(guān)領(lǐng)域科技水平的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，北斗、GPS 等衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已成熟地應(yīng)用于各行各業(yè)，相關(guān)配套產(chǎn)品完備，能方便購(gòu)置的衛(wèi)星接收模塊輸出的授時(shí)信號(hào)精度達(dá)30～150 ns，在電路設(shè)計(jì)、選用天線(xiàn)等諸多因素的影響下，最大誤差也不會(huì)超過(guò)1 μs［8-12］，并且衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)自身噪聲小，傳播過(guò)程中抗干擾能力強(qiáng)，具備全球性、全天時(shí)、全天候覆蓋、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，完全滿(mǎn)足地震勘探對(duì)時(shí)鐘精度的要求。

近年來(lái)，衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)已逐步融入地震勘探數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，基于衛(wèi)星授時(shí)的節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)等新型地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及有線(xiàn)地震儀器，也都支持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集并使用基于衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)的時(shí)間標(biāo)記采集樣點(diǎn)的功能。因此，使用衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)間作為地震勘探隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的基準(zhǔn)具有很強(qiáng)的可行性，且應(yīng)用成本低、授時(shí)精度高。

功耗和時(shí)鐘精度是隨機(jī)激發(fā)時(shí)間發(fā)生器需考慮的兩個(gè)重點(diǎn)因素。Pallier 等［13］提出采用周期性的同步方式結(jié)合相應(yīng)的校正算法就可保證衛(wèi)星時(shí)間同步精度，且可大幅度降低系統(tǒng)功耗，但該方法使用軟件算法補(bǔ)償本地時(shí)鐘的偏差，而不是直接調(diào)整系統(tǒng)晶振輸出的振蕩頻率，存在一定的應(yīng)用局限性。常用的高精度晶體振蕩器大致可分為三類(lèi)，即恒溫晶振（Oven-Controlled Crystal Oscillator，OCXO）、溫補(bǔ)晶振（Temperature - Compensated Crystal Oscillator，TCXO）和壓控晶振（Voltage-Controlled Crystal Oscillator，VCXO）［14-15］。其中，OCXO 是利用恒溫槽使晶體振蕩器中石英晶體諧振器的溫度保持恒定，將由周?chē)鷾囟茸兓鸬恼袷幤鬏敵鲱l率變化量削減到最小的晶體振蕩器，功耗一般超過(guò)1 W，振蕩信號(hào)精度高；TCXO 是通過(guò)附加的溫度補(bǔ)償電路削減由周?chē)鷾囟茸兓a(chǎn)生的振蕩頻率變化量的一種石英晶體振蕩器，實(shí)際應(yīng)用中因焊接溫度遠(yuǎn)高于TCXO 的最大允許溫度，會(huì)使晶體振蕩的頻率發(fā)生變化，對(duì)焊接工藝、電路設(shè)計(jì)等有特殊要求，后期維護(hù)困難；VCXO 是通過(guò)電壓調(diào)節(jié)信號(hào)微調(diào)振蕩頻率，以保持輸出頻率恒定的一種石英晶體振蕩器，具有傳輸性能高、抗干擾性強(qiáng)、節(jié)省功率等優(yōu)點(diǎn)。TCXO 和VCXO 功耗一般為5～200 mW，輸出振蕩信號(hào)精度相對(duì)較高［16］。因此，從功耗、頻率精度、漂移特性及工業(yè)化應(yīng)用的便捷性等方面考慮，選用VCXO 作為系統(tǒng)時(shí)鐘源。

1.2 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

生成隨機(jī)激發(fā)時(shí)間需解決的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)特性和隨機(jī)特性良好的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。按隨機(jī)性來(lái)源和生成原理的不同，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器主要分為真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（True RNG，TRNG）和偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（Pseudo RNG，PRNG）［17］。其中，TRNG 是采集某些物理現(xiàn)象（如溫度、電路噪聲、核裂變）中的隨機(jī)成分，經(jīng)數(shù)字化處理后生成隨機(jī)數(shù)［18-19］；PRNG 則是采用確定的拉伸函數(shù)算法將一個(gè)預(yù)先得到的數(shù)值或序列（也稱(chēng)為種子）擴(kuò)展為所需的隨機(jī)數(shù)［20-22］。地震勘探中，采用高效混疊采集作業(yè)方式時(shí)，對(duì)炮點(diǎn)的激發(fā)控制有特殊要求：一方面激發(fā)時(shí)間須具有較強(qiáng)隨機(jī)分布特征；另一方面還需按設(shè)計(jì)規(guī)則輸出的激發(fā)時(shí)間能在某一小的時(shí)間窗口內(nèi)抖動(dòng)。從本質(zhì)上講，要求產(chǎn)生的隨機(jī)激發(fā)時(shí)間是一個(gè)在某確定數(shù)值附近呈隨機(jī)分布的隨機(jī)數(shù)。

正態(tài)分布（也稱(chēng)高斯分布）是一個(gè)在數(shù)學(xué)、物理及工程等領(lǐng)域都很常用的概率分布，其概率密度函數(shù)為

式中：x為隨機(jī)變量；μ為隨機(jī)變量的正態(tài)分布的期望值，決定隨機(jī)數(shù)所處位置；σ為正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差，決定分布的幅度。當(dāng)μ=0，σ=1時(shí)，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

不同μ和σ值的正態(tài)分布曲線(xiàn)如圖2所示。顯然，選用正態(tài)分布函數(shù)作為生成隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的概率密度函數(shù)，可在有效保證數(shù)據(jù)隨機(jī)性的同時(shí)，還具有一定的分布區(qū)間可控性。地震勘探用的模擬地震檢波器是一種電磁式振動(dòng)傳感器，本質(zhì)是一種質(zhì)量體—彈簧的電磁系統(tǒng)，其響應(yīng)特性會(huì)隨著溫度變化而發(fā)生細(xì)微的變化。因此，選用模擬檢波器作為產(chǎn)生隨機(jī)激發(fā)數(shù)的種子，能夠利用振動(dòng)、溫度引起的采集振動(dòng)數(shù)據(jù)的隨機(jī)特征，進(jìn)一步增強(qiáng)生成的混疊激發(fā)時(shí)間數(shù)據(jù)的隨機(jī)性。

圖2 不同期望值（a）和標(biāo)準(zhǔn)差（b）的正態(tài)分布（概率）曲線(xiàn)

2 算法設(shè)計(jì)

本文提出的多源混疊激發(fā)時(shí)間發(fā)生算法的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)主要由衛(wèi)星接收模塊、高精度壓控晶體振蕩器、微控制器、高精度ADC 芯片、振動(dòng)傳感器及相關(guān)輔助電路組成（圖3）。

圖3 地震勘探隨機(jī)激發(fā)時(shí)間發(fā)生器構(gòu)成示意圖

施工開(kāi)始時(shí)，衛(wèi)星接收模塊周期性啟動(dòng)，獲取并成功解析接收到衛(wèi)星信號(hào)后，輸出時(shí)間信息（包括秒脈沖信號(hào)和對(duì)應(yīng)歷元信息）到微控制器；微控制器接收來(lái)自衛(wèi)星接收模塊的時(shí)間信息，計(jì)算本地時(shí)鐘的準(zhǔn)確度及其與衛(wèi)星時(shí)鐘的時(shí)間偏差，利用選用的晶體振蕩器的壓控特性和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的高精度、高分辨率特性輸出調(diào)節(jié)電壓，“牽引”晶振的頻率，使運(yùn)行頻率靠近晶振的中心頻率，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星時(shí)間同步和本地時(shí)鐘的校準(zhǔn)。在完成上述操作功能后，微控制器即可根據(jù)激發(fā)炮點(diǎn)的當(dāng)前位置、時(shí)距控制參數(shù)及振動(dòng)傳感數(shù)據(jù)，生成所需的隨機(jī)激發(fā)時(shí)間。本文所提基于振動(dòng)傳感和衛(wèi)星授時(shí)的地震勘探隨機(jī)時(shí)間產(chǎn)生方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用衛(wèi)星時(shí)間作為地震勘探隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的基準(zhǔn)，一方面能以較低經(jīng)濟(jì)成本達(dá)到高精度的時(shí)間同步精度；另一方面更加適用于具有良好衛(wèi)星信號(hào)接收條件的現(xiàn)場(chǎng)施工，便于工業(yè)化應(yīng)用；

（2）衛(wèi)星接收模塊運(yùn)行功耗一般約為100 mW，是整個(gè)隨機(jī)激發(fā)時(shí)間發(fā)生器的主要功耗部件，而采用基于壓控晶體振蕩器和衛(wèi)星接收模塊周期性休眠的時(shí)鐘同步方式，可大幅度降低系統(tǒng)平均運(yùn)行功耗；

（3）使用振動(dòng)傳感數(shù)據(jù)作為生成隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的種子，有助于提高生成的正態(tài)分布數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，便于使用現(xiàn)行的地震勘探數(shù)據(jù)處理算法。

本文側(cè)重兩個(gè)關(guān)注點(diǎn)：一是低功耗、高精度衛(wèi)星時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)；二是符合正態(tài)隨機(jī)分布特征的地震勘探激發(fā)控制時(shí)間的生成。

2.1 頻率校準(zhǔn)參數(shù)

壓控晶體振蕩器是通過(guò)控制電壓“牽引”輸出振蕩信號(hào)的頻率。選用的晶體振蕩器的輸出頻率會(huì)隨著控制電壓升高而升高，但緣于制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)批次不同等多方面因素，使同一型號(hào)的壓控晶體振蕩器的電壓—頻率曲線(xiàn)也會(huì)存在差異。因此，獲取壓控晶體振蕩器牽引電壓與頻率變化對(duì)應(yīng)關(guān)系是衛(wèi)星時(shí)鐘同步需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

考慮到實(shí)際作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生劇烈變化，可將該較小頻率范圍內(nèi)的控制電壓與輸出頻率關(guān)系近似看作線(xiàn)性關(guān)系。圖4 中V0為中心頻率（f0）控制電壓；f為壓控晶振輸出頻率；ΔfL為晶振輸出頻率變化下限，ΔVL為對(duì)應(yīng)的控制電壓調(diào)整量；ΔfH為晶振輸出頻率變化上限，ΔVH為對(duì)應(yīng)的控制電壓調(diào)整量；（V0－ΔVL，V0+ΔVH） 為微調(diào)的控制電壓區(qū)間，（f0－ΔfL，f0+ΔfH） 為頻率變化范圍。

圖4 壓控晶振電壓—頻率特性曲線(xiàn)

結(jié)合圖 3 的硬件架構(gòu)，獲取晶體輸出頻率調(diào)節(jié)參數(shù)步驟如下：

（1）微控制器根據(jù)選用晶體振蕩器的技術(shù)參數(shù)，由DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）輸出對(duì)應(yīng)壓控晶振中心電壓的初始控制值C1，控制晶體振蕩器輸出振蕩信號(hào)頻率在其標(biāo)稱(chēng)的輸出頻率附近；

（2）初始化微控制器內(nèi)置定時(shí)器Timer1、Timer2和Timer5 的時(shí)鐘頻率為同一頻率f。設(shè)置Timer1 為上升沿捕獲模式，設(shè)置Timer2 輸出模擬秒脈沖（Pulse Per Second，PPS）信號(hào)，設(shè)置Timer5 為向上計(jì)數(shù)模式；

（3）在Timer1 捕獲到第一個(gè)來(lái)自衛(wèi)星接收模塊的PPS 信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)Timer2輸出仿真PPS 信號(hào)，并同時(shí)開(kāi)啟Timer5計(jì)數(shù)；

（4）在微控制器DAC 輸出初始控制值C1的條件下，Timer5 對(duì)連續(xù)的k（k≥1）個(gè)PPS 上升沿進(jìn)行周期計(jì)數(shù)，記為N1；

（5）微控制器調(diào)節(jié)DAC 輸出控制值增至C2，Timer5 對(duì)連續(xù)的k（k≥1）個(gè)PPS 上升沿進(jìn)行周期計(jì)數(shù)，記為N2；

（6）根據(jù)Timer5兩次計(jì)數(shù)N1、N2，按下式

計(jì)算微控制器的DAC每變化1個(gè)控制值對(duì)應(yīng)Timer5的計(jì)數(shù)值c0。

2.2 周期性衛(wèi)星時(shí)鐘同步

地震勘探中，要求數(shù)據(jù)采集與炮點(diǎn)激發(fā)嚴(yán)格同步，不同地質(zhì)目標(biāo)對(duì)同步精度有不同要求，一般要求不大于10 μs。圖3 中微控制器在收到來(lái)自衛(wèi)星接收模塊有效時(shí)間信息后，在PPS 上升沿時(shí)刻配置實(shí)時(shí)時(shí)鐘（Real Time Clock，RTC），之后每隔一個(gè)固定時(shí)間間隔獲取本地時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘的偏差，并利用晶體振蕩器的特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保RTC 的準(zhǔn)確度。該過(guò)程中，使用增量比例積分微分控制（Proportional Integral Derivative，PID）算法調(diào)整壓控晶體振蕩器的輸出信號(hào)頻率。

設(shè)u（k）是某次衛(wèi)星接收模塊啟動(dòng)后，第k次PID算法輸出的控制量。根據(jù)PID 算法思路可得到u（k）與Timer5計(jì)數(shù)值的關(guān)系

式中：e（k）為第k次PID 預(yù)設(shè)值與需調(diào)節(jié)Timer5計(jì)數(shù)值的誤差；Kp為PID 控制的比例放大系數(shù)；Ki、Kd分別為積分和微分參數(shù)。由式（7）可見(jiàn)，u（k）為輸出的控制量，若某次計(jì)算溢出等原因輸出錯(cuò)誤的控制量，會(huì)引起晶振頻率發(fā)生大幅度變化，則可通過(guò)只輸出控制量的增量解決

式中Δu(k)為本次與上次PID 算法輸出控制量的差值。將式（7）代入式（8），得到

式中 Δe(k)=e(k)-e(k-1)為第k次與第k-1 次需調(diào)節(jié)的晶振計(jì)數(shù)值的差值。再由式（6）與式（9）聯(lián)合計(jì)算得到微控制器DAC 輸出變化量

2.3 小窗口隨機(jī)數(shù)生成

在地震數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，也有用于濾除或衰減符合正態(tài)分布隨機(jī)噪聲的成熟方法和流程。因此，本文提出使用高精度ADC 芯片采集振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)作為產(chǎn)生符合正態(tài)分布抖動(dòng)時(shí)間的種子。

假設(shè)隨機(jī)采集到的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)t0作為產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的種子，產(chǎn)生小窗口隨機(jī)數(shù)的過(guò)程如下。

首先使用種子t0生成n個(gè)處于（0，1）區(qū)間均勻分布的隨機(jī)數(shù)x1，x2，…，xn，其中n為生成隨機(jī)數(shù)的個(gè)數(shù)

式中：a、b、base均為預(yù)先設(shè)定的常數(shù)；ti為計(jì)算過(guò)程參數(shù)，當(dāng)i=0 時(shí)，即t0表示隨機(jī)采集的振動(dòng)傳感數(shù)據(jù)，作為產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的種子；xi為（0，1）區(qū)間隨機(jī)數(shù)；“??」”表示向下取整。

再用由式（11）生成的（0，1）區(qū)間均勻分布的隨機(jī)數(shù)x1，x2，…，xn，得到正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)

式中：用于生成隨機(jī)激發(fā)時(shí)間時(shí)，μ表征據(jù)時(shí)—距曲線(xiàn)得到的當(dāng)前炮與上一炮的最小時(shí)間間隔；σ用于控制在μ基礎(chǔ)上的時(shí)間抖動(dòng)范圍。

3 算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提算法的有效性，選用內(nèi)置有溫度傳感器的STM32L475 作為微控制器，衛(wèi)星接收模塊選用Ublox 公司的MAX-8C，ADC 模塊使用TI 公司低功耗、高精度的ADS1292，振動(dòng)傳感器選用地震勘探常見(jiàn)的動(dòng)圈式檢波器，按圖3 所示硬件架構(gòu)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。測(cè)試過(guò)程中，使用高精度示波器分析模擬PPS信號(hào)與真實(shí)PPS 信號(hào)的一致性程度，從另一角度驗(yàn)證衛(wèi)星時(shí)間同步精度。

3.1 衛(wèi)星時(shí)間同步精度

使用A、B 兩塊測(cè)試板，讓其運(yùn)行于衛(wèi)星信號(hào)接收條件良好的相同測(cè)試環(huán)境。測(cè)試板A 每5 min記錄一次本地時(shí)鐘相對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘的偏差，并使用本文校準(zhǔn)算法對(duì)該時(shí)鐘偏差進(jìn)行校正；測(cè)試板B 每5 min 記錄一次本地時(shí)鐘相對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘的偏差，但不做校正。測(cè)試開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，分別使用示波器抓取測(cè)試板A、B 輸出模擬PPS 脈沖與真實(shí)PPS 脈沖的時(shí)間偏差。由圖5可見(jiàn)，未做時(shí)鐘偏差校正的測(cè)試板B 的時(shí)間偏差隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)呈不斷累加的趨勢(shì)，1 h 的時(shí)鐘偏差近100 μs，而做過(guò)時(shí)鐘偏差校正的測(cè)試板A 的時(shí)間偏差一直維持在5 μs 以下。測(cè)試板輸出的仿真PPS 脈沖信號(hào)與真實(shí)PPS 信號(hào)時(shí)間差值的示波器分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 校準(zhǔn)和未校準(zhǔn)時(shí)鐘偏移曲線(xiàn)

圖6 測(cè)試板輸出模擬PPS 與真實(shí)PPS 的時(shí)間差

圖6 中黃色信號(hào)為微控制器輸出的模擬PPS 信號(hào)，藍(lán)色線(xiàn)為輸出的真實(shí)PPS 信號(hào)。其中圖6a、圖6b分別為應(yīng)用和未應(yīng)用周期性衛(wèi)星時(shí)鐘同步算法的初始時(shí)間差；圖6c 為應(yīng)用周期性衛(wèi)星時(shí)鐘同步算法的測(cè)試板在1 h 后的時(shí)間差，可見(jiàn)不大于10 μs；圖6d 為未應(yīng)用周期性衛(wèi)星時(shí)鐘同步算法的測(cè)試板1 h后的時(shí)間差，可見(jiàn)已達(dá)近100 μs，印證了時(shí)鐘校正算法的有效性。

3.2 隨機(jī)激發(fā)時(shí)間

測(cè)試板A、B 使用ADS1292采集和振動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)作為生成隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的種子，生成2000個(gè)激發(fā)間隔時(shí)間為8 s、抖動(dòng)范圍為300 ms的隨機(jī)激發(fā)時(shí)間，樣本數(shù)據(jù)的分布見(jiàn)圖7所示，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

圖7 生成隨機(jī)激發(fā)時(shí)間數(shù)據(jù)的分布圖

相鄰兩炮或多炮間相互的時(shí)間抖動(dòng)程度也直接影響生成隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的質(zhì)量。以隨機(jī)時(shí)間生成的順序?yàn)闄M軸，生成隨機(jī)數(shù)幅度為縱軸對(duì)生成隨機(jī)數(shù)進(jìn)行顯示（圖8），相鄰激發(fā)時(shí)間具有較強(qiáng)非相干性。

3.3 討論

隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的準(zhǔn)確性決定于本地時(shí)鐘的精度。眾所周知，晶體振蕩器的輸出頻率會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而變化，壓控晶振也不例外。本文算法采用按一定時(shí)間間隔進(jìn)行衛(wèi)星時(shí)鐘同步的方式保持本地時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，故衛(wèi)星同步周期會(huì)直接影響產(chǎn)生的隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的準(zhǔn)確性。

圖9 給出24 h 不同同步周期的時(shí)鐘偏差曲線(xiàn)，可見(jiàn)同步周期越短，算法對(duì)環(huán)境溫度變化的適應(yīng)能力就越強(qiáng)，但MAX-8C 的運(yùn)行功耗約為48 mW，待機(jī)功耗約11 mW，為了降低地震勘探隨機(jī)激發(fā)時(shí)間發(fā)生器的綜合運(yùn)行功耗，最終選擇衛(wèi)星時(shí)鐘同步周期為5 min，測(cè)試板整機(jī)平均運(yùn)行功耗約50 mW。

圖9 不同衛(wèi)星同步周期的時(shí)鐘偏移曲線(xiàn)

激發(fā)時(shí)間的隨機(jī)性強(qiáng)弱是衡量所提算法優(yōu)劣的另一重要指標(biāo)，而種子的隨機(jī)性決定生成數(shù)據(jù)隨機(jī)性的關(guān)鍵，本文使用高精度的ADS1292 和振動(dòng)傳感器拾取的數(shù)據(jù)作為產(chǎn)生隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的種子。

圖10 給出自帶的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和本文算法生成隨機(jī)數(shù)的概率分布特征。其中圖10a 分別展示隨機(jī)數(shù)發(fā)生函數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)樣本分布圖和概率圖；圖10b 是本文算法產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)樣本分布圖和概率圖。無(wú)論是數(shù)據(jù)樣本的分布圖還是概率圖，均表明使用高精度振動(dòng)傳感數(shù)據(jù)作為種子，能生成隨機(jī)性很強(qiáng)，且數(shù)值大小、范圍可控的隨機(jī)數(shù)，可完全滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用的需求。

4 結(jié)論與展望

激發(fā)源啟動(dòng)的隨機(jī)性對(duì)于實(shí)現(xiàn)地震勘探混疊采集具有重要意義。本文提出一種基于振動(dòng)傳感和衛(wèi)星授時(shí)的多源混疊激發(fā)時(shí)間產(chǎn)生算法，用于地震勘探數(shù)據(jù)采集時(shí)激發(fā)源啟動(dòng)控制。首先，利用衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)及壓控晶振在較短時(shí)間內(nèi)的電壓—頻率呈線(xiàn)性關(guān)系的特點(diǎn)，以固定時(shí)間間隔方式進(jìn)行本地時(shí)鐘的校準(zhǔn)與衛(wèi)星時(shí)間同步，確保用于生成隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的時(shí)間基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性；然后，以高精度ADC 芯片采集的振動(dòng)傳感數(shù)據(jù)作為種子，生成數(shù)值大小、偏差程度可控的隨機(jī)數(shù)作為抖動(dòng)激發(fā)時(shí)間，從而提高激發(fā)時(shí)間的隨機(jī)性。

使用基于本文設(shè)計(jì)的硬件架構(gòu)的測(cè)試板驗(yàn)證所提算法的正確性、可靠性和工業(yè)應(yīng)用的可行性。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，按照5 min 的衛(wèi)星時(shí)鐘同步周期能確保本地時(shí)鐘誤差長(zhǎng)時(shí)間保持在10 μs 以下，且可大幅度削減功率損耗，使測(cè)試板平均運(yùn)行功耗在50 mW 以下。相比于直接使用微控制器自帶隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，本文算法求取的隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的抖動(dòng)幅度具有數(shù)值大小及范圍可控、隨機(jī)性強(qiáng)的特征，更貼合工業(yè)化應(yīng)用的實(shí)際需求。

在將來(lái)，擬將本文算法應(yīng)用于高密度、高效率油氣勘探實(shí)踐，而施工現(xiàn)場(chǎng)存在隨機(jī)的振動(dòng)干擾，將進(jìn)一步提高生成激發(fā)時(shí)間的隨機(jī)性。同時(shí)，苛刻的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也會(huì)對(duì)本文算法的硬件實(shí)施效果帶來(lái)巨大考驗(yàn)，如何確定能滿(mǎn)足不同環(huán)境溫度變化曲線(xiàn)的自適應(yīng)衛(wèi)星同步周期是確保生成隨機(jī)激發(fā)時(shí)間準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，也是下一步的技術(shù)探討的焦點(diǎn)。另外，如何充分考慮地震勘探的需求，選擇隨機(jī)激發(fā)時(shí)間的抖動(dòng)值，也是側(cè)重關(guān)注的內(nèi)容。