時(shí)鐘恢復及同步技術(shù)在地震勘探儀器中的應用

摘要：隨著(zhù)石油勘探的發(fā)展，在地震勘探儀器中越來(lái)越需要高精度的同步技術(shù)來(lái)支持高效采集?；谶@種目的，采用FPGA技術(shù)設計了一種時(shí)鐘恢復以及系統同步方案，并完成了系統的固件和嵌入式軟件設計。通過(guò)室炔饈?、野宛}匝橐約吧產(chǎn)應用，證明結合FPGA技術(shù)，時(shí)鐘恢復和系統同步技術(shù)在地震勘探儀器中具有獨到的優(yōu)勢，其精度可達us級，而且穩定，實(shí)現方便。

地震勘探儀器是一個(gè)高度集成的網(wǎng)絡(luò )采集系統，在這些地震勘探儀器中，要求系統能長(cháng)時(shí)間連續采集，且在這種情況下能達到各個(gè)采集樣點(diǎn)的嚴格時(shí)間同步，而且要求在同步精度上要達到微秒級，因此涉及到時(shí)鐘同步和系統時(shí)間同步的2個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，即時(shí)鐘恢復技術(shù)以及系統同步技術(shù)這兩個(gè)核心技術(shù)。因此，圍繞這兩項技術(shù)，以前的地震勘探儀器采用了各種各樣的實(shí)現方法，但是精度不高，甚至有的系統沒(méi)有完全實(shí)現這兩種技術(shù)，對高精度、高效率石油地震勘探的發(fā)展不利。

本項目結合FPCA可編程邏輯技術(shù)，對通信中用到的時(shí)鐘恢復技術(shù)以及系統同步方法進(jìn)行探討，并設計了一種方案，經(jīng)過(guò)了試驗和實(shí)際應用考驗，證明其精度高，實(shí)現靈活，并取得了良好的應用效果。

1 通信中的時(shí)鐘恢復設計

地震勘探儀器的有線(xiàn)系統結構如圖1所示。

其包含了主機系統(中央控制系統)，交叉站(通過(guò)光纖把數據傳輸到儀器車(chē)的設備)，電源站(給野外站體提供電源的設備)，采集站(用于采集地震數據的設備)，交叉線(xiàn)，排列電纜這些野外設備。一般主機系統和交叉站之間的數據傳輸采用光纖(交叉線(xiàn))傳輸，電源站和采集站之間的采用銅纜(排列電纜)傳輸。

在這些數據傳輸中，涉及到命令的發(fā)送以及數據的收發(fā)。其中有2個(gè)基本的技術(shù)需要解決，一個(gè)是時(shí)鐘恢復，另外一個(gè)就是數據恢復，有的系統不需要時(shí)鐘恢復，只需要將數據恢復出來(lái)即可，但是有的系統需要兩個(gè)都要恢復出來(lái)，這需要依據系統的要求而定，本設計需要同時(shí)進(jìn)行時(shí)鐘恢復以及數據恢復。

圖2是地震勘探儀器中采用的通信鏈路結構。

圖中數據糾錯模塊可以用RS前向糾錯碼，也可以用應答式的糾錯控制。如果系統的誤碼率比較低，糾錯模塊也可以不用。本設計充分利用系統的特點(diǎn)(即存在下行與上行數據通道)，采用重傳控制機制來(lái)實(shí)現糾錯目的。

在地震勘探儀器中，當涉及到高效連續采集時(shí)候，時(shí)鐘恢復是必不可少的。其需要全網(wǎng)時(shí)鐘同步，其時(shí)鐘需要同步到主機系統的GPS時(shí)鐘。如果不需要震源高效采集，只需要同步到主機時(shí)鐘即可，此時(shí)可以不用CPS時(shí)鐘同步。

設計中通信編碼方式采用8B10B，采用此類(lèi)編碼有利于時(shí)鐘的快速恢復，可以避免長(cháng)1或者0的編碼方式。在通信中，采用的時(shí)鐘恢復技術(shù)就是利用鎖相環(huán)PLL技術(shù)，其系統框圖如圖3所示。

圖中的相頻檢測器為數字鑒相器，完成VCO時(shí)鐘與輸入串行數據的時(shí)鐘的同步，其包括頻率與相位的同步。參考時(shí)鐘為中心頻率與串行數據隨路時(shí)鐘一樣，用于對串行數據時(shí)鐘的快速鎖定。

數字鑒相器為鎖相環(huán)的核心部分。只有完成了頻率和相位的準確定位和比較，才能輸出控制VCO的信號，從而達到頻率和相位一致。數字鑒相器本質(zhì)上是對輸入串行數據進(jìn)行采樣，采樣的時(shí)間窗口為一個(gè)數據時(shí)鐘周期，然后根據采樣的信息進(jìn)行時(shí)鐘相位超前或者滯后判斷，從而調節VCO的相位和頻率。

數字鑒相器的實(shí)現方案如圖4所示。

此鑒相器為在1個(gè)時(shí)鐘周期內對輸入的數據流進(jìn)行相位變化檢測，并將檢測結果(超前或者滯后)由o1和o2進(jìn)行編碼表示。

在本方案設計中，無(wú)論是光纖傳輸還是銅纜傳輸，其命令通道都實(shí)現了時(shí)鐘恢復功能，因此能達到全網(wǎng)與主機時(shí)鐘同步，因此能支持長(cháng)時(shí)間連續采集。系統時(shí)鐘恢復由自定義模塊實(shí)現，其系統結構圖如圖5所示。

通過(guò)此種方案，能讓主機系統，交叉站，電源站以及采集站等野外設備都同步到同一個(gè)時(shí)鐘源。

光纖通道的時(shí)鐘恢復由FPGA的IP硬核實(shí)現。

2 系統同步

地震勘探儀器的同步需要實(shí)現以下幾個(gè)技術(shù)：

1)全網(wǎng)時(shí)鐘同步;

2)延遲測試;

3)全網(wǎng)時(shí)間同步，即TOD同步;

4)采集開(kāi)始時(shí)刻同步;

對本方案來(lái)說(shuō)，其全網(wǎng)時(shí)鐘同步已經(jīng)在時(shí)鐘恢復中實(shí)現，下面對其他3個(gè)技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行設計。

2.1 延遲測試

此延遲測試為測試相鄰站體間的命令傳輸延遲，為命令下行通道的延遲時(shí)間，此值在TOD設置時(shí)候需要，延遲測試過(guò)程如流程圖6所示。

2個(gè)站體之間的延遲測試涉及的參數包括：

1)大線(xiàn)或光纜延遲;

2)上一站體pps發(fā)送處理延遲時(shí)間;

3)站體內部延遲;

2.2 TOD同步設置

TOD設置用于設置全網(wǎng)的時(shí)間一致，其設置流程如圖7所示。

圖中的TOD值由主機通過(guò)命令下傳。

2.3 采集開(kāi)始時(shí)刻同步

在上述的TOD設置正確以及時(shí)鐘步調ticks一致后，就可以進(jìn)行采集開(kāi)始時(shí)刻的設置，此步驟根據施工需要進(jìn)行設置，由主機命令啟動(dòng)。其設置流程圖如下：

圖中分為主機系統、主機接口卡以及野外站體3大部分，其中放炮采集和測試采集都需要進(jìn)行采集開(kāi)始同步設置。

3 實(shí)驗及應用效果

本方案設計成功后，經(jīng)過(guò)了實(shí)驗測試，測試平臺包括：

1)力科SDA13000串行數據分析儀;

2)安捷倫MS06104A示波器;

系統從以下2個(gè)方面進(jìn)行評估。

①傳輸性能測試

測試平臺采用力科SDA13000串行數據分析儀，2節點(diǎn)之間傳輸距離為220米，速率為10.24 Mbps，分析參數包括眼圖，抖動(dòng)等。測試得到的眼圖參數如表1。

從表1可以看出，系統傳輸性能良好，在時(shí)鐘恢復良好情況下，進(jìn)一步提高了系統的傳輸質(zhì)量，并且經(jīng)過(guò)了實(shí)際應用的證明。

②系統同步精度測試

系統同步精度我們通過(guò)測試采集開(kāi)始時(shí)刻TO來(lái)驗證，我們采用測試任意2個(gè)站體之間的TO同步脈沖相位差的方式，此脈沖由主機系統的放炮命令啟動(dòng)，表示采集開(kāi)始時(shí)刻TO的同步。測試儀器為高精度數字示波器，上升沿觸發(fā)，測試多次結果，統計如表2。

從表2可以看出，系統同步精度很高，遠小于1μs，完全能滿(mǎn)足地震系統采集的要求。

4 結論

通過(guò)實(shí)驗和實(shí)際應用，可以看出：

1)全網(wǎng)時(shí)鐘以及時(shí)間同步能有效地解決長(cháng)時(shí)間采集導致的時(shí)鐘漂移(此會(huì )導致采集樣點(diǎn)在時(shí)間上的不同步)，因此是地震勘探儀器高效采集的核心基礎;

2)采用FPGA邏輯來(lái)實(shí)現系統同步控制，在精度控制以及資源利用方面具有優(yōu)勢;

3)采用FPGA邏輯來(lái)實(shí)現數據傳輸，不但能最大發(fā)揮數據傳輸的性能，同時(shí)能實(shí)現高效的硬實(shí)時(shí)性能，時(shí)鐘恢復實(shí)現手段靈活簡(jiǎn)單。