分布式地震数据采集器的高精度时间同步系统研制

为了解决分布式地震数据采集系统的同步授时问题,本文研制了一套高精度时间同步授时系统。该系统在通信过程中周期性地发送同步授时秒脉冲,并通过授时秒脉冲传输实现实时传输延时测量及时间校正,从而实现多通道高精度同步授时。基于此设计原理,采用高速硬件可编程器件研制了同步授时系统,并通过测试证实该系统在2 km通信距离时同步授时精度优于200 ns,表明该同步授时系统稳定、可靠并具有一定实用性。      

控制海底电磁激发脉冲发射的时间同步技术

为达到海洋可控源电磁探测和远参考测量的目的,研究控制海底电磁激发脉冲发射的时间同步技术,包括发射前与GPS的对钟技术和发射中的同步技术,保证仪器工作的时间和公共的时间基准GPS信号保持精确一致,为后期的数据处理解释提供统一的时间坐标.对钟技术是指,在海洋调查船上完成仪器内部RTC芯片分频所得的秒脉冲信号RTC_PPS与GPS秒脉冲信号PPS时钟沿的同步;同步技术是指,海底工作过程中,仪器在预定的时钟沿将可控源信号精确发射出去.本论文采用CPLD芯片、RTC芯片、GPS模块和AVR单片机来完成对钟和同步模块的设计.     

分布式多通道电法电磁法数据同步采集系统

采集系统是电磁法仪器的重要组成部分,设计出高精度、低功耗的分布式采集系统是电磁法仪器研制的重点和难点.本文设计的采集系统集成了6个采集通道,每个采集通道的A/D转换器都选用了32位的ADS1282,并通过DAC1282来提供ADS1282校准和自检所需要的外部信号.采集部分的控制中心选用了MachXO2 ZE系列这款功耗极低的CPLD.为了保证同步采集的精度,设计中采用了GPS和OCXO协同授时的方案来提供同步时钟.采集系统具备MT、CSEM、SIP等测量功能.测试结果表明,本采集系统同步精度维持在1E-11以下,待机状态下功耗为0.32 W,运行功耗2.76 W,各通道短路噪声值均在μV级,信噪比在118 dB附近,满足设计要求.     

采用同步计时提高GPS钟的时间脉冲输出精度

全球定位系统GPS (GlobalPositioningSystem)是美国研制的导航、授时和定位系统。论述了采用GPS时间同步技术 ,实现GPS钟输出时间脉冲精度小于 10 -6s的方法。指出仅用软件计时 ,GPS钟输出时间脉冲精度将大于 10 -5s;而采用软件、硬件相结合的GPS时间同步技术 ,能充分利用单片机的资源 ,弥补软件计时的不足 ,从而大幅度提高了GPS钟时间脉冲的输出精度 (达到 0 5× 10 -7s)。     

基于Protues的GPS守时授时时钟装置的设计与仿真

本文设计了一种以GPS时间为标准信号的守时授时时钟装置,阐述了该装置的硬件组成、软件实现、程序流程图及程序说明,介绍了一种应用较广的新兴单片机仿真软件—Protues。经仿真表明,本设计实现了守时授时功能,可为其他设备提供高精度时间信号和秒脉冲信号。     

一种新型的钟差测定仪器——捕捉笼式数字秒差计

近年来,为了提高地震记录的时间服务质量,各类石英钟陆续问世,对钟的技术要求也越来越高。中国科学院陕西天文台发播的“BPM 标准时间、标准频率”授时信号,系国家确认的高精度时间基准。我国地震系统就是采用这个标准来测定时钟的“钟差”。测量钟差的仪器是“毫秒计”、“钟差计”等时间间隔测定器(基本原理见《地震》1981年第4期、第5期刊载的“数字对钟技术”一文)。测定器所采用的是一种基本的测定时间差的方法。但是,它不具备有分辨相关秒脉冲的能力,在使用中,仪器可能记录的是非相关     

MCSEM发射电流波形的高精度时间标识技术

加紧研究和发展海洋可控源电磁法(MCSEM)对我国海域能源资源的调查具有重要意义.在MCSEM勘探中,发射机记录的电流波形若没有精确时间标记,则无法与接收机采集到的数据进行同步处理,进而影响到感应电磁场相位信息的提取.本文对海底环境下发射电路所面临的这一亟需解决的特殊问题展开了研究.采用硬件同步分频和超长计数的时间标识技术,基于LPC2368微处理器、GPS对钟电路、高精度温度补偿晶振、CPLD、RTC模块、USB移动硬盘、霍尔电流传感器及其外围电路等搭建的新硬件平台,将高精度时间标记脉冲计数值连同发射电流波形数据一同记录至存储设备中,同时上传至甲板端,便于上位机对水下发射机进行远程监控.最后依托国家专项进行了海洋试验,验证了高精度时间标识技术的可靠性和准确性.     

电磁法观测系统采样时钟不确定度及误差研究

电磁法观测系统中,采样时钟质量直接影响高精度ADC的信噪比,而高精度ADC芯片的信噪比作为电磁法观测系统信号检测非常关键的指标,决定了获取数据的质量.采样时钟的时间抖动是时钟孔径不确定度产生的原因,导致电磁法观测系统中ADC数据转换的信噪比变差,严重影响电磁系统观测质量,为此提出了ADC采样时钟不确定度最大时间抖动的确定方法.该方法通过对ADC采样过程进行时域、频域分析,借助正弦波导数给出采样时钟孔径不确定度引起的采样数据误差数学描述,结合极大值法与ADC信噪比计算方法获取系统信噪比需求范围内的最差时钟孔径不确定度,进而计算出相应采样时钟的最大时间抖动误差.以地球物理仪器中常用的ADC芯片AD7760为例进行了相应的时钟抖动误差计算,确定时钟的孔径不确定度抖动时间.根据信噪比指标确定了时钟孔径不确定度后,采用压控恒温晶振跟踪GPS信号中的秒脉冲的方法,保证时钟抖动误差能够满足AD7760的要求,根据测试表明,在GPS失锁4 h内,时钟输出能够满足技术要求.     

BSR-2宽频带地震记录仪的研制

介绍了一种完全自主研发的新型数字地震记录仪,系统采用双CPU结构、GPS授时同步与高精度恒温晶振相结合的时钟机制、新型24位A/D、完全超大容量电子固态存储以及内建自测试(BIST)等新技术,非常适合于天然地震的野外流动观测,也可应用在人工源反射、折射地震勘探等其他领域,是一种数据可靠、使用方便、具有较高性能价格比的宽频带地震数据采集系统.     

鲇鱼 Parilurus otus 坛形电感受器的传入特性

本文用电生理方法研究了电感受器的自发和诱发活动,结果是:(1)18尾鱼的126个感官的自发发放率自15——85脉冲/秒,众值为50脉冲/秒.(2)分析了正弦电刺激下反应的周期直方图和脉冲间隔直方图,确定了频率特性.频率响应曲线呈带通型,带宽为5——30Hz,最适频率在15Hz 附近.(3)向坛内注入正弦电流测量了47个感官的反应阈值,其中35个感官(占74%)的反应阈值低于0.1nA,9个感官(占19%)低于0.01nA,分别相当于水中电场强度61V/cm 和6.1V/cm.      

海洋地球物理测量中GPS数据问题与处理

海上走航式地球物理测量的精度在很大程度上依赖于GPS（全球导航定位授时系统）数据观测的精度.由于各种原因,船载GPS测量会遇到多种问题.对记录到的GPS数据进行处理是获得高质量GPS数据一个不可缺少的环节.本文通过对多个海洋重磁调查航次的GPS观测数据进行处理,介绍了船载GPS测量中遇到的一些典型问题,以及相应的数据处理方法.本文指出,为保证数据采集的质量,船载GPS测量一般应使用两台GPS接收机同时进行测量.在数据处理时,将其中记录较稳定、可靠的一台GPS接收机作为主机,而另一台作为辅机.数据处理时,以主机记录的数据为主,当主机数据缺失时,则使用附机的数据作为补充.我们的长期观测结果表明,主机和附机之间总是存在时间差,目前我们没有发现时间差出现的规律和这种时间差出现的确切原因.用附机的数据来补充主机数据时,应该进行时间差调整.对于同一台GPS接收机的数据,本文介绍了野值、零值、重复值、时间间断和航迹间断等现象.同时文章中介绍了对于野值、零值、重复值、时间间断和航迹间断等数据,在进行数据处理时,可用剔除、插值、补遗等办法对上述出现的问题进行处理.本文认为,天气状况、卫星分布、天线运动姿态、接收机工作的稳定性、解码模块、运算〖JP3〗速度、多路径效应等都可能对GPS观测造成影响,但目前我们还并不能确定造成海上GPS测量出现问题的确切原因.     

航空重力测量中载体运动加速度的确定

航空重力测量是使用重力仪、GPS及其他传感器测定地球重力场的一种新型技术，其基本原理是利用重力仪测定包括重力加速度、载体运动加速度以及其他一些加速度在内的总加速度，从观测值中减去利用GPS确定的载体运动加速度，再加上一些改正，得到了重力加速度. 本文推导了确定载体运动加速度的直接解算法的公式，利用某次航空重力测量数据，分别在静态、动态两种情况下，分析了确定载体运动加速度精度. 结果表明：在静态、60s的平滑间隔条件下，载体加速度的确定精度是0.4—0.9mGal；在动态、90s的平滑间隔条件下，整个飞行测段载体运动加速度的确定精度是1—3mGal.     

GPS天线相位中心变化精确检测试验研究

天线相位中心误差是高精度地壳形变监测中制约定位精度的重要误差源,天线相位中心改正已成为提高观测精度的有效手段.文中对基于精密测量机器人的GPS天线相位中心变化精确检测方法进行了试验研究,并对试验数据进行初步分析,得到的天线平面校正精度约为2mm,高程方向校正精度约为3mm.研究结果表明,天线相位中心的精确校正除了可以提高GPS测量定位精度之外,还可为中国自主北斗导航系统提供精确的天线相位中心校正参数,推动北斗导航系统在高精度地壳形变监测领域的应用.     

利用主动震源检测汶川地震余震引起的浅层波速变化

为了监测汶川地震后断裂带附近的波速变化,2008年6月,我们利用快速响应探测系统,在龙门山断裂带北端进行了为期3周的连续观测实验.实验使用电动落锤作为主动震源,GPS连续同步授时的高精度数采作为接收系统.利用记录到的高时间精度观测数据,结合互相关时延检测技术,计算了P波和面波走时的相对变化,来表征地下波速的变化.我们观测到两次面波波速的异常变化,变化幅度最高达到2%,远远大于气压变化所能引起的波速变化.结合该时段内地震活动记录,我们认为面波的波速变化是由在附近发生的两次地震事件的同震效应引起的,该观测结果同理论计算结果相符.     

GPS扼径圈天线相位中心偏差检验

GPS接收机天线相位中心偏差是指GPS天线接收卫星信号的电气中心与其机械几何中心之差,在GPS高精度测量中,这是不容忽视的。讨论了采用基线测量相对定位法确定天线相位中心偏差的原理和方法,并利用这一方法计算出天线相位偏差结果。     

基于短周期地震仪内置GPS位置数据的东南极冰流速测定

冰川表面流速是冰川和冰盖的基本特征,冰流速的测定对于南北极冰盖物质平衡估算至关重要.常见的冰流速测定方法包括采用花杆、雪坑及现场GPS地面测量以及遥感测量法.地面GPS测量技术具有高精度优点,然而目前南极大陆冰盖地面GPS监测点覆盖较少;基于遥感测量技术的冰盖表面流速测量其分辨率和精度较低.短周期地震仪内置的导航级GPS接收器记录的位置数据,尽管其精度不如大地测量GPS的位置精度,但是可以通过在足够长的时间内采集的导航级GPS数据来准确测量冰流速.本文利用中国第36次南极科学考察期间被动源地震观测时获得的导航级GPS位置信息,准确的对东南极拉斯曼丘陵冰盖和泰山站区冰盖运动特征进行了追踪.结果表明,两地的冰盖基本都向西偏北运动,且月均位移大小约1m;本文在泰山站区的结果与通过大地测量GPS结果基本吻合,说明利用短周期地震仪内置GPS位置信息进行冰盖运动特征的追踪是可行的.靠近中山站的拉斯曼丘陵局部冰流复杂,本文获得的间距200m的测量结果有助于认识该冰流.总之,本文结果对于冰盖动力学研究、冰川质量平衡研究和在地震成像中评估由冰盖流动带来的系统误差具有重要意义.     

北斗卫星导航系统/美国全球定位系统载波相位相对定位全球精度分析

文章推导了载波相位相对定位精度的计算公式;分析了影响载波相位相对定位精度的各项因素;提出了频率精度衰减因子的概念,用以表达不同频率组合对定位精度的定量影响;在此基础上,计算并绘制了美国全球定位系统(GPS)、北斗二号(BDS2)、北斗三号(BDS3)及其融合系统的单天解、半小时解和单历元解的相对定位精度因子全球分布图;利用自主知识产权的处理软件(GCN和VENUS/ARSNet)解算了实测数据,检验了GPS和BDS2的单天解和单历元解的定位精度.分析表明:BDS的B1/B2频率定位精度优于GPS L1/L2频率; BDS2在其服务区内精度总体上与GPS相当; BDS3在亚太地区定位精度高于GPS.根据上述结论,文章在导航系统信号频率和全球定位系统(GPS)测量规范方面提出了优化建议,可为系统性能优化和制定标准提供参考.     

GPS在探地雷达探测城市道路塌陷隐患中的应用研究

在城市道路塌陷隐患探测中,回溯定位探地雷达剖面中病害异常的现场位置是对其进行复测验证及处治修复的关键.测距轮属于相对定位技术,具有难以消除的累积误差,且探地雷达剖面越长,其累积误差越大,回溯定位病害异常的现场位置越难,而GPS测量定位属于绝对坐标定位技术,没有累积误差,但在复杂的城市环境中,其干扰因素较多,测量误差较大,影响病害现场回溯定位的精度和准确性.联合采用测距轮和GPS对探地雷达进行跟踪测量定位,测距轮按照固定道间距触发探地雷达和GPS同步采集、同步存储,使每一道探地雷达数据与GPS经纬度坐标一一对应、彼此关联、相互追溯;通过绘制GPS路径轨迹,直观形象展示探地雷达实测剖面的测线位置及其工作量完成情况;采用移动平均法对GPS原始数据进行平滑去噪处理,修正测量误差,消除局部突变点,使GPS路径轨迹更平顺,更符合探地雷达检测车实际行驶的路径轨迹,由此计算得到的路径轨迹长度稳定性更高、一致性更好,更符合探地雷达实测剖面长度,同时可以有效提高病害现场回溯定位的精度,显著加快病害异常点加密复测验证工作进度.     

井间电磁成像系统发射和接收同步测量应用研究

井间电磁成像利用低频电磁波对两井或多井之间进行多点扫描,测量出电磁信号经过地层产生的相位变化和幅度衰减情况,反演得到地层电阻率信息.相位反映地层电参数以及位置的敏感性要优于幅度信息.在进行相位测量时,必须保证在同一时刻对发射监测信号和接收信号进行采集.针对发射和接收系统精确同步测量方法展开研究,提出使用GPS时钟接收机在两口井各自地面系统产生同步时钟信号,把同步时钟信号通过电缆传送到井下,井下通过PLL锁相同步电路和频率补偿电路,完成井下工作主频时钟源的建立,达到地面和井下同步目的.在发射地面和接收地面设置有数传电台,相互之间可传送指令,与同步时钟结合起来,实现井下发射监测信号和接收信号的同步采集.经过测试井间电磁成像发射和接收系统同步误差≤±100 ns.     

基于GPS的人工地震测深零时仪研制

在人工地震测深野外数据观测系统中,通过人工爆破激发地震波,利用布设在测线观测点位上的地震仪采集来自地壳上地幔的地震波震相信息来进行地震成像,获得研究区地壳上地幔精细结构、深浅部构造关系和发震构造的空间展布特征,进而研究岩石圈演化和动力学过程。为进行后期地震波资料信息的精确处理,需获得人工爆破地震波激发时刻的高精度时间和地理坐标信息。设计一种基于AT89C5115微处理器的GPS同步零时仪装置,介绍其硬件结构设计和固件程序实现方法,授时精度达微秒级,具有人机交互控制和信息数据通信功能。经室内测试和野外实验,零时仪装置运行稳定可靠,能完全满足野外测深工作的需要。