分布式地震信號采集節(jié)點中轉(zhuǎn)換時鐘的同步方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及地球物理勘探領(lǐng)域，為(1)提供一種信號線來傳輸?shù)哪Ｐ图胺椒ǎ?2)提供使不同節(jié)點中分頻器輸出的低頻率信號的相位保持一致；(3)能簡單高效地對轉(zhuǎn)換時鐘的傳輸延時誤差進(jìn)行自動估計與實時校正，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，分布式地震信號采集節(jié)點中轉(zhuǎn)換時鐘的同步方法和裝置，包括上位機、水聽器、節(jié)點；上位機包括計算機及其內(nèi)部的命令模塊、主時鐘模塊和信號驅(qū)動器，計算機一方面發(fā)送各種命令到命令模塊，另一方面接收節(jié)點傳來的探測數(shù)據(jù)；命令模塊一方面負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)來自計算機的命令到各個節(jié)點，另一方面還能傳送估計好的傳輸延時參數(shù)到各個節(jié)點；信號驅(qū)動器用于對發(fā)送的信號進(jìn)行驅(qū)動放大。本發(fā)明主要應(yīng)用于地球物理勘探。
【專利說明】分布式地震信號采集節(jié)點中轉(zhuǎn)換時鐘的同步方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及本發(fā)明屬于地球物理勘探領(lǐng)域，具體講，涉及分布式地震信號采集節(jié)點中轉(zhuǎn)換時鐘的同步方法和裝置。
技術(shù)背景
[0002]利用地震探測系統(tǒng)進(jìn)行地震信號采集時，需要為所有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供一個同步的轉(zhuǎn)換時鐘，以保證所有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能同時將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。一般情況下，此轉(zhuǎn)換時鐘的頻率f。與信號的采樣率fs相同，且是一個低頻信號；例如，主流地震探測系統(tǒng)的最高采樣率一般為fs=4KHz ;因此轉(zhuǎn)換時鐘的頻率也為f；=fs=4KHZ。為了給地震探測系統(tǒng)中分布式地震信號采集節(jié)點(以下簡稱節(jié)點)分配一個同步的轉(zhuǎn)換時鐘，通常的方法是在地震探測系統(tǒng)主節(jié)點(即，位于地震探測系統(tǒng)上位機一側(cè)的最前端的地震信號采集節(jié)點)中設(shè)置一個穩(wěn)定度高的頻率為f。的基準(zhǔn)時鐘(也就是轉(zhuǎn)換時鐘)，然后通過延時不固定的信號驅(qū)動器，并經(jīng)過一對專門的時鐘信號傳輸雙絞線將此頻率為f。的基準(zhǔn)時鐘逐級地發(fā)送到分布式節(jié)點中，例如在文獻(xiàn)[1-3]，就是通過一個延時不固定的RS485接口芯片和一對專門的時鐘信號傳輸雙絞線傳輸頻率為f。的轉(zhuǎn)換時鐘到各個節(jié)點的(詳見文獻(xiàn)[I]何智剛.高分辨率海洋地震拖纜系統(tǒng)同步和傳輸技術(shù)研究[D].天津大學(xué)，2011.[2]何智剛，段發(fā)階，陳勁，蔣佳佳，常宗杰，華香凝.多陣元拖纜勘探系統(tǒng)傳輸方案的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38 (2):73-76.[3]常宗杰，段發(fā)階，蔣佳佳，陳勁，華香凝，李彥超.基于鎖相環(huán)的水聽器陣列多傳感器高精度同步技術(shù)[J].計算機應(yīng)用研究，2013，30 (4):1140-1142.)。然而，文獻(xiàn)[1-3]中所提出的這種常用的方法存在以下3個不足之處:(I)必須為轉(zhuǎn)換時鐘的傳送單獨設(shè)置一個下行的傳輸通路，這也意味著必須有專門的信號驅(qū)動與均衡器以及信號傳輸線被使用去進(jìn)行轉(zhuǎn)換時鐘的傳送；然而，一方面地震探測系統(tǒng)水下部分的拖纜內(nèi)徑是小的，不能容納大量的傳輸線，因此，實際地震探測系統(tǒng)中傳輸線應(yīng)越少越好；另一方面，下行通路的數(shù)量越多，給整個地震探測系統(tǒng)帶來的不穩(wěn)定因素就會越多，地震探測系統(tǒng)的可靠性就會越差，一旦傳送轉(zhuǎn)換時鐘的通路出現(xiàn)故障，整個地震探測系統(tǒng)將不能正常工作，因此，實際地震探測系統(tǒng)中下行鏈路的數(shù)量越少地震探測系統(tǒng)將越可靠；(2)下傳轉(zhuǎn)換時鐘的信號驅(qū)動器以及各個節(jié)點中接收轉(zhuǎn)換時鐘的信號均衡器的信號延時時間不確定且未知，這給轉(zhuǎn)換時鐘的傳輸延時誤差校正帶來不便；(3)在轉(zhuǎn)換時鐘的傳輸過程中，信號驅(qū)動與均衡器以及傳輸線對信號產(chǎn)生的傳輸延時不能得到實時的精確估計值，并根據(jù)此估計值，對傳輸延時進(jìn)行實時的補償；這一方面對轉(zhuǎn)換時鐘的同步精度產(chǎn)生了不利影響，另一方面，對同步誤差的校正帶來了不便。
[0003]此外，若在地震探測系統(tǒng)的主節(jié)點中設(shè)置一個頻率為fm的高頻率的主時鐘，然后在各個節(jié)點中設(shè)置分頻器來對此高頻率的主時鐘進(jìn)行分頻以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換時鐘的話，那么在各個節(jié)點中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換時鐘肯定是不同步的，因為經(jīng)分頻器后信號的相位多值性決定了所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換時鐘會有不同的初始相位，也就是這此經(jīng)分頻后的轉(zhuǎn)換時鐘將不是同步的，也就滿足不了上述所提到的轉(zhuǎn)換時鐘所應(yīng)該具有頻率和相位一致性的要求。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在:
[0005](I)提供一種將低頻率的基準(zhǔn)時鐘信息調(diào)制到高頻率的命令下行通路中，并與命令信息通過相同的信號驅(qū)動與均衡器以及相同的信號線來傳輸?shù)哪Ｐ图胺椒ā?br> [0006](2)提供一種能使不同節(jié)點中分頻器輸出的低頻率信號的相位保持一致的方法。
[0007](3)提供一種能簡單高效地對轉(zhuǎn)換時鐘的傳輸延時誤差進(jìn)行自動估計與實時校正的方法。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，分布式地震信號采集節(jié)點中轉(zhuǎn)換時鐘的同步裝置，包括上位機、水聽器、節(jié)點；上位機包括計算機及其內(nèi)部的命令模塊、主時鐘模塊和信號驅(qū)動器，計算機一方面發(fā)送各種命令到命令模塊，另一方面接收節(jié)點傳來的探測數(shù)據(jù)；命令模塊一方面負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)來自計算機的命令到各個節(jié)點，另一方面還能傳送估計好的傳輸延時參數(shù)到各個節(jié)點；信號驅(qū)動器用于對發(fā)送的信號進(jìn)行驅(qū)動放大；主時鐘模塊由一個高穩(wěn)定度的溫度補償晶體振蕩器提供；
[0009]節(jié)點主要由信號均衡器、信號驅(qū)動器、鎖相環(huán)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、節(jié)點處理模塊組成；信號均衡器用于對接收到的信號進(jìn)行均衡與放大；信號驅(qū)動器用于對發(fā)送的信號進(jìn)行驅(qū)動放大；鎖相環(huán)用于從命令數(shù)據(jù)流中提取位同步時鐘，也就是與主時鐘一致的恢復(fù)時鐘；模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；節(jié)點處理模塊主要由第I解碼器、第2解碼器、分頻器、延時控制器組成；節(jié)點處理模塊一方面通過第I解碼器接收來自上位機的命令，并對命令進(jìn)行解碼后輸出復(fù)位信號輸出給分頻器，以使分頻器中的計數(shù)器重新開始計數(shù)并同時輸出一個高電平信號，另一方面通過第2解碼器接收來自上位機的延時校正參數(shù)，并根據(jù)此延時校正參數(shù)的大小來控制延時控制器產(chǎn)生的延時量大小；最后，延時控制器對轉(zhuǎn)換時鐘進(jìn)行延時后輸出校正時鐘。`
[0010]一種使各個地震信號采集節(jié)點輸出的轉(zhuǎn)換信號變得同步的方法，借助于上述裝置實現(xiàn)，并包括下列步驟:
[0011]第一步，上位機與節(jié)點之間以及節(jié)點與節(jié)點之間，均采用同步傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行命令的下行傳輸；對傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)都首先進(jìn)行8B10B編碼后，再進(jìn)行線路傳輸；在接收端，每個節(jié)點可根據(jù)需要對IOB線路碼進(jìn)行識別處理或?qū)獯a后的SB碼進(jìn)行識別處理；在傳輸線路中，下行命令的同步傳輸比特率速率為Vd ;同步傳輸比特率速率Vd在數(shù)值上與主時鐘的時鐘頻率fm是相等的；
[0012]第二步，節(jié)點(i)(i=l，2，...，!!)通過其自身的鎖相環(huán)PLL從下行命令數(shù)據(jù)流中提取出頻率為fm的位同步時鐘，也就是恢復(fù)時鐘；恢復(fù)時鐘經(jīng)分頻器進(jìn)行分頻后輸出轉(zhuǎn)換時鐘；
[0013]第三步，上位機中的命令模塊以周期Ta周期性地在基準(zhǔn)時鐘的上升沿時刻發(fā)送一個特殊碼Kx.y到各個節(jié)點；節(jié)點(i), i=l，2,…，n中的第I解碼器在接收到所述特殊碼Kx.y后會立即輸出一個復(fù)位信號給分頻器，分頻器在接收到復(fù)位信號后會立即重新開始進(jìn)行分頻計數(shù)并同時輸出一個高電平作為轉(zhuǎn)換時鐘的初始電平；Ta大于或等于T。，而且為了滿足條件“上位機中的命令模塊以周期Ta周期性地在基準(zhǔn)時鐘的上升沿時刻發(fā)送一個特殊碼Kx.y到各個節(jié)點”，Ta與T。之間有如下關(guān)系式:[0014]
【權(quán)利要求】
1.一種分布式地震信號采集節(jié)點中轉(zhuǎn)換時鐘的同步裝置，其特征是，包括上位機、水聽器、節(jié)點；上位機包括計算機及其內(nèi)部的命令模塊、主時鐘模塊和信號驅(qū)動器，計算機一方面發(fā)送各種命令到命令模塊，另一方面接收節(jié)點傳來的探測數(shù)據(jù)；命令模塊一方面負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)來自計算機的命令到各個節(jié)點，另一方面還能傳送估計好的傳輸延時參數(shù)到各個節(jié)點；信號驅(qū)動器用于對發(fā)送的信號進(jìn)行驅(qū)動放大；主時鐘模塊由一個高穩(wěn)定度的溫度補償晶體振蕩器提供； 節(jié)點主要由信號均衡器、信號驅(qū)動器、鎖相環(huán)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、節(jié)點處理模塊組成；信號均衡器用于對接收到的信號進(jìn)行均衡與放大；信號驅(qū)動器用于對發(fā)送的信號進(jìn)行驅(qū)動放大；鎖相環(huán)用于從命令數(shù)據(jù)流中提取位同步時鐘，也就是與主時鐘一致的恢復(fù)時鐘；模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；節(jié)點處理模塊主要由第I解碼器、第2解碼器、分頻器、延時控制器組成；節(jié)點處理模塊一方面通過第I解碼器接收來自上位機的命令，并對命令進(jìn)行解碼后輸出復(fù)位信號輸出給分頻器，以使分頻器中的計數(shù)器重新開始計數(shù)并同時輸出一個高電平信號，另一方面通過第2解碼器接收來自上位機的延時校正參數(shù)，并根據(jù)此延時校正參數(shù)的大小來控制延時控制器產(chǎn)生的延時量大小；最后，延時控制器對轉(zhuǎn)換時鐘進(jìn)行延時后輸出校正時鐘。
2.一種分布式地震信號采集節(jié)點中轉(zhuǎn)換時鐘的同步方法，其特征是，借助于上述裝置實現(xiàn)，并包括下列步驟: 第一步，上位機與節(jié)點之間以及節(jié)點與節(jié)點之間，均采用同步傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行命令的下行傳輸；對傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)都首先進(jìn)行8B10B編碼后，再進(jìn)行線路傳輸；在接收端，每個節(jié)點可根據(jù)需要對IOB線路碼進(jìn)行識別處理或?qū)獯a后的SB碼進(jìn)行識別處理；在傳輸線路中，下行命令的同步傳輸比特率速率為vd ;同步傳輸比特率速率Vd在數(shù)值上與主時鐘的時鐘頻率fm是相等的； 第二步，節(jié)點(i) (i=l,2,-,η)通過其自身的鎖相環(huán)PLL從下行命令數(shù)據(jù)流中提取出頻率為fm的位同步時鐘，也就是恢復(fù)時鐘；恢復(fù)時鐘經(jīng)分頻器進(jìn)行分頻后輸出轉(zhuǎn)換時鐘； 第三步，上位機中的命令模塊以周期Ta周期性地在基準(zhǔn)時鐘的上升沿時刻發(fā)送一個特殊碼Kx.y到各個節(jié)點；節(jié)點(i), i=l, 2，…，η中的第I解碼器在接收到所述特殊碼Kx.y后會立即輸出一個復(fù)位信號給分頻器，分頻器在接收到復(fù)位信號后會立即重新開始進(jìn)行分頻計數(shù)并同時輸出一個高電平作為轉(zhuǎn)換時鐘的初始電平；所述的基準(zhǔn)時鐘與轉(zhuǎn)換時鐘的頻率相同且都為f。，相應(yīng)地，基準(zhǔn)時鐘和轉(zhuǎn)換時鐘的時鐘周期都可用K/f.。表示，1；大于或等于T。，而且為了滿足條件“上位機中的命令模塊以周期Ta周期性地在基準(zhǔn)時鐘的上升沿時刻發(fā)送一個特殊碼Kx.y到各個節(jié)點”，Ta與T。之間有如下關(guān)系式:

3.如權(quán)利要求2所述的分布式地震信號采集節(jié)點中轉(zhuǎn)換時鐘的同步方法，其特征是，還包括對轉(zhuǎn)換時鐘的傳輸延時進(jìn)行自動估計與實時校正的步驟: 采用的信號驅(qū)動器均為型號相同且傳輸延時穩(wěn)定不變的驅(qū)動芯片，且假設(shè)信號驅(qū)動芯片產(chǎn)生的傳輸延時為;米用的信號均衡器均為型號相同且傳輸延時穩(wěn)定不變的均衡芯片，且假設(shè)信號均衡芯片產(chǎn)生的傳輸延時為;采用的傳輸線可以為雙絞線或同軸線，且假設(shè)每米傳輸線對信號產(chǎn)生的傳輸延時為tw，同時假設(shè)節(jié)點之間的傳輸線長度相等，則傳輸延時Λ 能被表不為
Δ tftdr+itdr+itre+H+U-l) laatw 其中，1&為上位機與節(jié)點⑴之間的傳輸線長度，Iaa為節(jié)點之間的傳輸線長度； 進(jìn)一步地，為了校正節(jié)點⑴中的傳輸延時Ati,將節(jié)點⑴中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換時鐘經(jīng)過延時控制器進(jìn)行的延時后輸出經(jīng)過校正的校正時鐘，且td，i= Δ tn- Δ ti=(n-1) (tdr+tre+laatw) 經(jīng)校正后，所有節(jié)點從t2+ Δ tn時刻開始能被同步； 進(jìn)一步地，上位機通過帶有各個對應(yīng)節(jié)點地址的數(shù)據(jù)幀將延時校正量傳輸?shù)礁鱾€對應(yīng) 的節(jié)點中。
【文檔編號】H04J3/06GK103457686SQ201310395343
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】段發(fā)階, 蔣佳佳, 李彥超, 華香凝, 陳勁, 李宸陽, 李驥, 段曉杰 申請人:天津大學(xué)