時鐘恢復及同步技術在地震勘探儀器中的應用

顏 良，羅蘭兵，程虎軍，饒?zhí)m冰

（英洛瓦（天津）物探裝備有限責任公司中國研發(fā)部 河北 涿州 072751）

時鐘恢復及同步技術在地震勘探儀器中的應用

顏 良，羅蘭兵，程虎軍，饒?zhí)m冰

（英洛瓦（天津）物探裝備有限責任公司中國研發(fā)部 河北 涿州 072751）

隨著石油勘探的發(fā)展，在地震勘探儀器中越來越需要高精度的同步技術來支持高效采集。基于這種目的，采用FPGA技術設計了一種時鐘恢復以及系統(tǒng)同步方案，并完成了系統(tǒng)的固件和嵌入式軟件設計。通過室內測試、野外試驗以及生產(chǎn)應用，證明結合FPGA技術，時鐘恢復和系統(tǒng)同步技術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(wěn)定，實現(xiàn)方便。

石油勘探；地震勘探儀器；FPGA；時鐘恢復；系統(tǒng)同步

地震勘探儀器是一個高度集成的網(wǎng)絡采集系統(tǒng)[1]，在這些地震勘探儀器中，要求系統(tǒng)能長時間連續(xù)采集，且在這種情況下能達到各個采集樣點的嚴格時間同步，而且要求在同步精度上要達到微秒級，因此涉及到時鐘同步和系統(tǒng)時間同步的2個技術難點，即時鐘恢復技術以及系統(tǒng)同步技術這兩個核心技術。因此，圍繞這兩項技術，以前的地震勘探儀器采用了各種各樣的實現(xiàn)方法，但是精度不高，甚至有的系統(tǒng)沒有完全實現(xiàn)這兩種技術，對高精度、高效率石油地震勘探的發(fā)展不利。

本項目結合FPGA可編程邏輯技術，對通信中用到的時鐘恢復技術以及系統(tǒng)同步方法進行探討，并設計了一種方案，經(jīng)過了試驗和實際應用考驗，證明其精度高，實現(xiàn)靈活，并取得了良好的應用效果。

圖1 地震勘探儀器平面圖Fig.1 Diagram of seismic instrument

1 通信中的時鐘恢復設計

地震勘探儀器的有線系統(tǒng)結構如圖1所示。

其包含了主機系統(tǒng)（中央控制系統(tǒng)），交叉站（通過光纖把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x器車的設備），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(shù)據(jù)的設備），交叉線，排列電纜這些野外設備。一般主機系統(tǒng)和交叉站之間的數(shù)據(jù)傳輸采用光纖（交叉線）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(shù)據(jù)傳輸中，涉及到命令的發(fā)送以及數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中有2個基本的技術需要解決，一個是時鐘恢復，另外一個就是數(shù)據(jù)恢復，有的系統(tǒng)不需要時鐘恢復，只需要將數(shù)據(jù)恢復出來即可，但是有的系統(tǒng)需要兩個都要恢復出來，這需要依據(jù)系統(tǒng)的要求而定，本設計需要同時進行時鐘恢復以及數(shù)據(jù)恢復。

圖2是地震勘探儀器中采用的通信鏈路結構[2-3]。

圖2 地震勘探儀器串行數(shù)據(jù)通信結構Fig.2 Structure of data communication in seismic instrument

圖中數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)的特點（即存在下行與上行數(shù)據(jù)通道），采用重傳控制機制來實現(xiàn)糾錯目的。

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

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

圖3 時鐘恢復結構Fig.3 Structure of clock and data recover

圖中的相頻檢測器為數(shù)字鑒相器[4]，完成VCO時鐘與輸入串行數(shù)據(jù)的時鐘的同步，其包括頻率與相位的同步。參考時鐘為中心頻率與串行數(shù)據(jù)隨路時鐘一樣，用于對串行數(shù)據(jù)時鐘的快速鎖定。

數(shù)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(shù)字鑒相器本質上是對輸入串行數(shù)據(jù)進行采樣，采樣的時間窗口為一個數(shù)據(jù)時鐘周期，然后根據(jù)采樣的信息進行時鐘相位超前或者滯后判斷，從而調節(jié)VCO的相位和頻率。

數(shù)字鑒相器的實現(xiàn)方案如圖4所示[5]。

圖4 鑒相器結構圖Fig.4 Structure of phase detector

此鑒相器為在1個時鐘周期內對輸入的數(shù)據(jù)流進行相位變化檢測，并將檢測結果（超前或者滯后）由o1和o2進行編碼表示。

在本方案設計中，無論是光纖傳輸還是銅纜傳輸，其命令通道都實現(xiàn)了時鐘恢復功能，因此能達到全網(wǎng)與主機時鐘同步，因此能支持長時間連續(xù)采集。系統(tǒng)時鐘恢復由自定義模塊實現(xiàn)，其系統(tǒng)結構圖如圖5所示。

圖5 地震勘探儀器系統(tǒng)時鐘恢復結構圖Fig.5 Diagram of seismic instrument

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

光纖通道的時鐘恢復由FPGA的IP硬核實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)同步

地震勘探儀器的同步需要實現(xiàn)以下幾個技術：

1）全網(wǎng)時鐘同步；

2）延遲測試；

3）全網(wǎng)時間同步，即TOD同步；

4）采集開始時刻同步；

對本方案來說，其全網(wǎng)時鐘同步已經(jīng)在時鐘恢復中實現(xiàn)，下面對其他3個技術點進行設計。

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間，此值在TOD設置時候需要，延遲測試過程如流程圖6所示。

圖6 站體延遲測試流程圖Fig.6 Flow of station delay test

2個站體之間的延遲測試涉及的參數(shù)包括：

1）大線或光纜延遲；

銣是一種非常活潑的稀有堿金屬，不僅在傳統(tǒng)的電子器件、催化劑及特種玻璃等領域應用廣泛，而且在新能源、航空航天等高科技領域顯示出極大的應用前景[1-3]。銣作為分散元素，至今仍未發(fā)現(xiàn)單純的銣礦，而是以伴生狀態(tài)賦存于鋰云母、銫榴石、銫鋰云母、光鹵石、鉀長石、鹽湖鹵水、地熱水及海水中[4-5]。由于沒有獨立的銣礦可以直接利用，從浸出液和鹵水中回收是獲取銣的主要方式。從溶液中分離提純銣的關鍵是去除其中性質極為相似的鋰、鉀、鈉元素[6]。

2）上一站體pps發(fā)送處理延遲時間；

3）站體內部延遲；

2.2 TOD同步設置

TOD設置用于設置全網(wǎng)的時間一致，其設置流程如圖7所示。

圖7 站體TOD設置流程圖Fig.7 Flow of setting station TOD

圖中的TOD值由主機通過命令下傳。

2.3 采集開始時刻同步

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

圖中分為主機系統(tǒng)、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行采集開始同步設置。

圖8 采集開始時刻設置流程圖Fig.8 Flow of setting the collection start time

3 實驗及應用效果

本方案設計成功后，經(jīng)過了實驗測試，測試平臺包括：

1）力科SDA13000串行數(shù)據(jù)分析儀；

2）安捷倫MSO6104A示波器；

系統(tǒng)從以下2個方面進行評估。

①傳輸性能測試

測試平臺采用力科SDA13000串行數(shù)據(jù)分析儀，2節(jié)點之間傳輸距離為220米，速率為10.24 Mbps，分析參數(shù)包括眼圖，抖動等。測試得到的眼圖參數(shù)如表1。

從表1可以看出，系統(tǒng)傳輸性能良好，在時鐘恢復良好情況下，進一步提高了系統(tǒng)的傳輸質量，并且經(jīng)過了實際應用的證明。

表1 數(shù)傳通道眼圖參數(shù)測試結果表Tab.1 Data channel eye diagram test results

②系統(tǒng)同步精度測試

系統(tǒng)同步精度我們通過測試采集開始時刻T0來驗證，我們采用測試任意2個站體之間的T0同步脈沖相位差的方式[6]，此脈沖由主機系統(tǒng)的放炮命令啟動，表示采集開始時刻T0的同步。測試儀器為高精度數(shù)字示波器，上升沿觸發(fā)，測試多次結果，統(tǒng)計如表2。

表2 T0同步精度統(tǒng)計表Tab.2 Differential T0 statistics between two station

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

4 結 論

通過實驗和實際應用，可以看出：

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

2）采用FPGA邏輯來實現(xiàn)系統(tǒng)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邏輯來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，不但能最大發(fā)揮數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽瑫r能實現(xiàn)高效的硬實時性能，時鐘恢復實現(xiàn)手段靈活簡單。

[1] 易碧金，姜耕.地震數(shù)據(jù)采集站原理與測試[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2] John G.Proakis.數(shù)字通信[M].4版.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3] Bernard Sklar.數(shù)字通信—基礎與應用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4] LIN Shao-hung，LIU Shen-luan.Full-rate bang-bang phase/frequency detectors for unilateral continuous-rate CDRs [J].IEEE，Dec，2008，55（22）：1214-1218.

[5] Ahmed S I，Kwasniewski T A.Overview of oversampling clock and data recovery circuits[J].IEEE，May，2005，55（22）：1876-1881.

[6] 劉益成，姜耕，易碧金.地震數(shù)據(jù)采集站系統(tǒng)延遲測試方法[J].石油天然氣學報，2010，32（3）：55-58.

LIU Yi-cheng，JIANG Geng，YI Bi-jin.The test method of data acquisition station in seismic instrument [J].Journal of Oil and Gas Technology，2010，32（3）：55-58.

Application of CDR and system synchronization in seismic instrument

YAN Liang，LUO Lan-bing，CHENG Hu-jun，RAO Lan-bing
（INOVA ，Zhuozhou 072751，China）

With the development of petroleum prospecting，it requests higher synchronization accuracy for high efficiency acquisition with seismic instrument.So we design a solution of CDR and system synchronization implementation with FPGA to meet this requirement，and we also finished the firmware and embedded software.By room and field test，it shows that this solution has a good performance with FPGA technology.It has high accurate，better than one microsecond，and it is stable，easy to match our requirements.

petroleum prospecting；seismic instrument；FPGA；CDR；system synchronization

TN919.3+4

A

1674-6236（2014）11-0171-03

2014-02-17 稿件編號：201402070

“十二五”國家重大科技專項項目（2011ZX05019-002）

顏 良（1979—），男，廣西梧州人，碩士，工程師。研究方向：石油地震勘探儀器中的通信以及采集技術。