楊敬紅，吳秋云，朱耀強(qiáng)，曾 翔，阮福明

（中海油服股份有限公司物探研究院 天津 300451）

海洋多纜地震勘探系統(tǒng)的同步采集方法研究＊

楊敬紅，吳秋云，朱耀強(qiáng)，曾 翔，阮福明

（中海油服股份有限公司物探研究院 天津 300451）

文章介紹了一種用于海洋地震勘探系統(tǒng)的同步采集方法。該方法采用高精度時(shí)鐘分發(fā)、實(shí)時(shí)FPGA硬件延遲補(bǔ)償算法結(jié)合高效的系統(tǒng)控制協(xié)議，對(duì)多纜不同通道前端采集系統(tǒng)間的延遲差異進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)的同步采集。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高以及同步性能好等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)海上試驗(yàn)表明，本同步采集方法能夠滿足4纜6 000m范圍內(nèi)、8 000通道規(guī)模的系統(tǒng)級(jí)同步采集。本方法在遠(yuǎn)距離分布式系統(tǒng)以及傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中也有著重要的參考價(jià)值。

地震勘探；多纜多通道；同步采集；遠(yuǎn)距離

地震勘探是近代發(fā)展變化最快的地球物理勘探方法之一，它的基本原理是利用人工激發(fā)的地震波在彈性不同的地層內(nèi)傳播規(guī)律來(lái)勘探地下的地質(zhì)情況。具體操作時(shí)，采用專門的儀器記錄反射波或折射波信號(hào)，然后通過(guò)專用的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特定的分析處理，就能較準(zhǔn)確地測(cè)定這些界面的深度和形態(tài)，從而為判斷地層的巖性提供最直接的參考。因此，地震勘探方法稱為勘探含油氣構(gòu)造甚至直接找油的主要方法［1］。

隨著地震勘探儀器的發(fā)展，能夠適應(yīng)海量數(shù)據(jù)記錄（萬(wàn)道）的高速磁盤記錄逐漸成為主流，常規(guī)三維觀測(cè)向?qū)挿较蚋呙芏热S觀測(cè)發(fā)展，與之配套的高精度成像、疊前反演和多信息融合的解釋技術(shù)也得到極大的發(fā)展，多波地震、時(shí)移地震、井中地震和微地震監(jiān)測(cè)等技術(shù)也得到快速發(fā)展［2－3］。這就使得地震勘探儀器逐漸發(fā)展成為大型、分布式的系統(tǒng)架構(gòu)。如，斯倫貝謝公司的Q－Marine海上設(shè)備可以達(dá)到20條拖纜，總通道數(shù)可達(dá)8萬(wàn)道，每條纜長(zhǎng)度達(dá)到12km［4］。要實(shí)現(xiàn)這樣的大型高精度海上地震勘探系統(tǒng)，需要解決很多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，包括高精度數(shù)據(jù)采集、海量數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)、多通道高精度同步采集等，而其中高精度的同步采集技術(shù)顯得尤為重要，這將直接影響著采集數(shù)據(jù)的后期處理和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。另一方面，由于海洋拖纜地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備的特殊結(jié)構(gòu)，需要數(shù)據(jù)采集、傳輸、同步結(jié)構(gòu)等能夠盡量簡(jiǎn)單，這樣便于成本的降低和野外施工的便捷［5］。

大型分布式系統(tǒng)中常用的IEEE－1588同步方法［6］，可以實(shí)現(xiàn)亞納秒的同步精度。然而該技術(shù)是基于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)和協(xié)議過(guò)于復(fù)雜，并不適合海洋拖纜系統(tǒng)。此外，還包括GPS全球定位技術(shù)［7］、同步以太網(wǎng)技術(shù)（SyncE）［8］、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP技術(shù)［9］等，但都由于其復(fù)雜性而不能在海洋拖纜系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

本研究提出一種用于大型海洋多通道地震勘探系統(tǒng)的同步采集方法。該方法基于高速串行數(shù)據(jù)通信的技術(shù)進(jìn)行高精度時(shí)鐘分發(fā)、海量地震數(shù)據(jù)的傳輸和系統(tǒng)控制命令的下發(fā)，通過(guò)精心設(shè)計(jì)的同步采集控制算法和系統(tǒng)同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)了單纜1 920通道和3纜960通道規(guī)模的系統(tǒng)級(jí)同步能力。實(shí)際的海上試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究所提方法完全能夠滿足高精度海上地震勘探數(shù)據(jù)采集的要求。

1 分布式海洋地震勘探系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上地震勘探系統(tǒng)由一至多條水下電纜組成，每條電纜由甲板電纜、光纖前導(dǎo)段、工作段、數(shù)字包以及尾靶等部分串聯(lián)而成。其中，工作段是水下系統(tǒng)的核心組成部分之一，在其中等間距地放置大量的水聽(tīng)器（單個(gè)或組合形式），從而形成一個(gè)有著巨大覆蓋面積的傳感器陣列。

圖1是分布式工作段的典型結(jié)構(gòu)。在該種分布式拖纜工作段中，采集板被等間距地放置在纜中，每塊負(fù)責(zé)4通道水聽(tīng)器信號(hào)的數(shù)字化處理，數(shù)字化后的信號(hào)通過(guò)本地RS485協(xié)議傳輸?shù)綌?shù)字包上。水下系統(tǒng)所有數(shù)字包都通過(guò)高速串行通道進(jìn)行級(jí)聯(lián)，從而保證水下所有采集板的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)數(shù)字包逐級(jí)上傳到船載記錄系統(tǒng)中［10－11］。因此，數(shù)字包起著3個(gè)方面的作用，即工作段間的物理連接、本地8塊采集板的電源分配和數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)逐級(jí)上傳和命令逐級(jí)下發(fā)。

圖1 分布式拖纜工作段結(jié)構(gòu)

分布式的工作段拖纜結(jié)構(gòu)，使得水聽(tīng)器模擬信號(hào)的傳輸距離大大降低，從而十分有利于信號(hào)的高質(zhì)量傳輸。同時(shí)由于傳輸?shù)男盘?hào)全是數(shù)字化后的數(shù)據(jù)，模擬信號(hào)經(jīng)限于工作段內(nèi)的局部傳輸，因此整條水下拖纜的總通道數(shù)規(guī)模就完全由數(shù)字信號(hào)的傳輸能力和電源系統(tǒng)的供電能力所決定了，從而大大提高了單纜的帶道能力。這種分布是一種二級(jí)流水線數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)，它在該數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)便利的同時(shí)，也給系統(tǒng)同步帶來(lái)了麻煩。

2 大范圍系統(tǒng)級(jí)同步時(shí)鐘分發(fā)

為了適應(yīng)大范圍地震勘探數(shù)據(jù)采集的要求，并具備三維甚至是時(shí)移地震勘探的能力，多纜規(guī)模的系統(tǒng)是必然的趨勢(shì)。然而，如果這種系統(tǒng)中的每個(gè)模塊都采用獨(dú)立的本地時(shí)鐘進(jìn)行工作，則會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。首先，各個(gè)模塊時(shí)鐘的頻率不可能完全一致，這會(huì)造成各模塊采樣間隔和工作步調(diào)的不一致性；其次，各模塊獨(dú)立時(shí)鐘變化（包括自身的穩(wěn)定性、環(huán)境的影響等）的不一致性，同樣會(huì)造成系統(tǒng)不同步，本系統(tǒng)采集時(shí)序圖如圖2所示。為滿足要求我們?cè)O(shè)計(jì)了一種適用于大范圍系統(tǒng)級(jí)的同步時(shí)鐘分發(fā)方案如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)采集時(shí)序

圖3 大范圍時(shí)鐘同步分發(fā)結(jié)構(gòu)

為了保證系統(tǒng)時(shí)鐘的同源性，本時(shí)鐘分發(fā)結(jié)構(gòu)采用主時(shí)鐘分發(fā)模塊中的時(shí)鐘作為系統(tǒng)的主時(shí)鐘源。結(jié)合時(shí)鐘數(shù)據(jù)融合技術(shù)，借助于8B/10B編碼，將該主時(shí)鐘與從控制系統(tǒng)來(lái)的命令數(shù)據(jù)一起通過(guò)高速串行通道進(jìn)行傳輸。該信號(hào)首先發(fā)送到各個(gè)拖纜接口板的后插板（船載系統(tǒng)基于Compact PCI平臺(tái)［12］實(shí)現(xiàn)），各后插板彼此級(jí)聯(lián)形成一個(gè)菊花鏈。后插板模塊在接到該高速串行信號(hào)的時(shí)候，首先通過(guò)CDR（時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)）技術(shù)從數(shù)據(jù)中提取出系統(tǒng)發(fā)送時(shí)鐘，并將有效的發(fā)送數(shù)據(jù)分離出來(lái)［11］?；謴?fù)出來(lái)的時(shí)鐘直接送到PLL鎖相環(huán)中進(jìn)行去抖和提純處理，從而有效濾除由于傳輸干擾所帶來(lái)的時(shí)鐘相位噪音，降低性能的損失，保證發(fā)送時(shí)鐘的高質(zhì)量。同時(shí)，鎖相環(huán)的加入還可以提高時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)能力，滿足長(zhǎng)距離多級(jí)時(shí)鐘傳輸?shù)囊?。?jīng)過(guò)提純處理的高質(zhì)量時(shí)鐘分為兩個(gè)方向繼續(xù)進(jìn)行分發(fā)處理：一個(gè)是橫向發(fā)送到另一塊拖纜接口板；另一個(gè)是縱向發(fā)送大本級(jí)拖纜上所有的數(shù)字包上（圖3）。而采用的技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法則與主時(shí)鐘源模塊發(fā)送時(shí)鐘和數(shù)據(jù)時(shí)完全一致，大大簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)難度的同時(shí)，也能夠?qū)⒖刂葡到y(tǒng)下發(fā)的命令同步分發(fā)到所有前端接收數(shù)字包上。數(shù)字包接收到該信號(hào)的時(shí)候，采用于前面一樣的方法和技術(shù)，將恢復(fù)的時(shí)鐘用于下級(jí)分發(fā)和本級(jí)命令和數(shù)據(jù)采集使用。如此往復(fù)，就可以將高精度時(shí)鐘同步分發(fā)到同一拖纜上的各個(gè)數(shù)字包以及不同拖纜間的數(shù)字包，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)級(jí)和大范圍的時(shí)鐘同步分發(fā)。

由于每條拖纜的尾包（拖纜上最后一個(gè)數(shù)字包，距離船最遠(yuǎn)）都不存在后繼命令接收模塊和前級(jí)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，因而，此時(shí)尾包上的數(shù)據(jù)發(fā)送通道的參考時(shí)鐘采用命令通道的恢復(fù)時(shí)鐘。如此處理，就可以將系統(tǒng)源時(shí)鐘通過(guò)命令通道發(fā)送下去，再通過(guò)數(shù)據(jù)通道上傳回來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的系統(tǒng)級(jí)高精度同步時(shí)鐘的分發(fā)。

由于每個(gè)時(shí)鐘接收模塊都存在著兩個(gè)方向相反的傳輸通道，即命令和數(shù)據(jù)通道，這就造成各模塊上同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)恢復(fù)時(shí)鐘。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于時(shí)鐘是編碼進(jìn)數(shù)據(jù)中一起傳輸?shù)模m然所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)千差萬(wàn)別，可是時(shí)鐘只有一個(gè)。然而，在經(jīng)過(guò)一段距離的傳輸并返回后，命令通道和數(shù)據(jù)通道恢復(fù)的時(shí)鐘在相位上會(huì)出現(xiàn)一定的差異（尾包由于命令和數(shù)據(jù)模塊共用同一個(gè)時(shí)鐘，固不存在該差異）。因此，為了保證系統(tǒng)工作時(shí)序的穩(wěn)定性，兩恢復(fù)時(shí)鐘不能混用，正如圖3所表示的那樣。

此外，需要指出的是，圖3所提方法僅對(duì)高速串行通道的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)和鎖相環(huán)技術(shù)有要求，并不限定是采用光纖傳輸還是電傳輸方式。因此，頭包（靠近船的第一個(gè)數(shù)字包）直接采用光傳輸方式即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)不影響高精度時(shí)鐘的分發(fā)。

3 系統(tǒng)同步采集控制

高精度時(shí)鐘的分發(fā)只能使得每個(gè)數(shù)字包工作在同一個(gè)頻率下，并能始終保持變化的一致性。但要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的同步工作，還需要進(jìn)行系統(tǒng)同步采集控制的處理。

由于拖纜工作段的長(zhǎng)度會(huì)帶來(lái)信號(hào)傳輸延遲，從而導(dǎo)致各數(shù)字包接收和執(zhí)行系統(tǒng)命令在時(shí)間上出現(xiàn)差異，這會(huì)嚴(yán)重影響采集板采集時(shí)刻的同步，因此首先要解決的問(wèn)題是傳輸延遲的不一致性，基本思路是將所有數(shù)字包執(zhí)行命令的時(shí)刻調(diào)為一致。這有兩種方法：一是采用時(shí)鐘樹(shù)技術(shù)［13］，即將所有通道傳輸路徑的延遲調(diào)為一致，這就使得所有通道接收命令的時(shí)刻完全一樣，但這種方法對(duì)通道一致性要求過(guò)高，很難在拖纜中將通道的傳輸延遲調(diào)為一致；另一種方法就是將各通道命令執(zhí)行的時(shí)刻通過(guò)延遲補(bǔ)償?shù)姆椒ㄕ{(diào)為一致，該方法適合于沒(méi)有辦法精確調(diào)節(jié)通道本身延遲的情況。還有其他非在線補(bǔ)償?shù)姆椒?，而只是將延遲的不一致性記錄下來(lái)，然后在離線數(shù)據(jù)分析的時(shí)候再進(jìn)行補(bǔ)償。然而該方法在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)候需要額外的空間，同時(shí)也增加了數(shù)據(jù)分析時(shí)的復(fù)雜性。

本系統(tǒng)采用在線延遲補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)命令的同步執(zhí)行，即每個(gè)數(shù)字包在接收到系統(tǒng)下傳命令時(shí)，并不立即執(zhí)行，而是各自先延遲一段時(shí)間，最后再在同一個(gè)時(shí)刻同步執(zhí)行。由于命令傳輸?shù)矫總€(gè)數(shù)字包的時(shí)刻不一樣，因此延遲值的大小顯然因包而異。圖4顯示了延遲值的測(cè)量原理。船載控制系統(tǒng)下發(fā)系統(tǒng)同步延遲補(bǔ)償（synchronization delay compensation，SDC）命令至拖纜接口板，由于前面采用的數(shù)據(jù)時(shí)鐘融合傳輸?shù)募夹g(shù)，可以很容易滿足該SDC命令同步到達(dá)拖纜接口板，因?yàn)橥侠|間命令通道級(jí)聯(lián)在一個(gè)Compact PCI機(jī)箱內(nèi)，長(zhǎng)度小于1m，因而同步誤差在5ns以內(nèi)。SDC命令通過(guò)拖纜接口板下發(fā)到各個(gè)數(shù)字包的時(shí)候，順著拖纜傳輸線依次到達(dá)水下數(shù)字包。數(shù)字包i在接收到SDC的時(shí)候，觸發(fā)本地時(shí)間測(cè)量模塊工作的同時(shí)，將SDC傳遞給下一級(jí)。當(dāng)傳遞到尾包的時(shí)候，尾包立即將該命令通過(guò)數(shù)據(jù)通道回環(huán)至前一級(jí)數(shù)字包。這樣當(dāng)數(shù)字包i從數(shù)據(jù)通道中檢測(cè)到SDC命令時(shí)，停止時(shí)間測(cè)量模塊工作，從而可以得到SDC命令發(fā)送到回環(huán)接收的時(shí)間間隔，該值的一半即為數(shù)字包i到尾包的延遲時(shí)間大小，包括各級(jí)數(shù)字包處理開(kāi)銷。因此，通過(guò)該命令回環(huán)延遲測(cè)量過(guò)程，每個(gè)數(shù)字包都可以得到與之所對(duì)應(yīng)的延遲值大小。當(dāng)實(shí)際同步執(zhí)行某個(gè)命令時(shí)，只要將該命令往后延遲這個(gè)時(shí)間值后再執(zhí)行，即可將所有數(shù)字包命令執(zhí)行時(shí)刻調(diào)整到尾包的時(shí)刻，從而達(dá)到命令同步的目的。

圖4 延遲補(bǔ)償同步原理

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，數(shù)字包內(nèi)的時(shí)間測(cè)量模塊采用高頻計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其工作頻率通過(guò)FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)倍頻至200MHz，即延遲補(bǔ)償精度為5ns，表明本系統(tǒng)可以補(bǔ)償拖纜1m左右的長(zhǎng)度誤差。拖纜工作時(shí)，由于各級(jí)工作段都會(huì)對(duì)前級(jí)工作段施加張力，從而會(huì)造成拖纜系統(tǒng)發(fā)生軸向形變，造成傳輸延遲會(huì)隨著工作段數(shù)量、拖拽時(shí)速和海洋阻力等多方面的影響，顯然本延遲測(cè)量原理可以較好地解決該問(wèn)題。圖5顯示的是該測(cè)量原理在FPGA中實(shí)現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)圖。

圖5 數(shù)字包延遲補(bǔ)償控制邏輯

數(shù)字包在上電復(fù)位后自動(dòng)進(jìn)入配置狀態(tài)，等待來(lái)自控制系統(tǒng)的配置命令。當(dāng)拖纜接口模塊接收到同步延遲補(bǔ)償命令的時(shí)候，會(huì)將該命令分發(fā)到每個(gè)與之相連的數(shù)字包。當(dāng)數(shù)字包識(shí)別出該SDC命令時(shí)，將工作模式調(diào)整為同步模式，此時(shí)數(shù)字包一方面下傳SDC命令至后級(jí)數(shù)字包；另一方面將上傳數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)作為命令進(jìn)行解析，并從中檢測(cè)SDC命令。為了能夠獲得傳輸延遲的大小，在數(shù)字包中采用一個(gè)高頻計(jì)數(shù)器在作為時(shí)間測(cè)量模塊，并鎖存其測(cè)量的結(jié)果。計(jì)數(shù)器的開(kāi)始由下傳命令通道中的SDC命令觸發(fā)，而停止則由上傳數(shù)據(jù)通道（同步模式下僅用來(lái)傳遞命令參數(shù)，而不是地震數(shù)據(jù)）中的SDC命令觸發(fā)。鎖存器的值既可以由高頻計(jì)數(shù)器寫(xiě)入，也可以通過(guò)接收控制系統(tǒng)的配置參數(shù)進(jìn)行寫(xiě)入。因此，為了避免水下系統(tǒng)在工作之前都進(jìn)行復(fù)雜而耗時(shí)的同步延遲補(bǔ)償參數(shù)的測(cè)量過(guò)程，當(dāng)同步模式下測(cè)量出延遲補(bǔ)償大小的時(shí)候，可以在配置模式下將該參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)通道上傳到船載控制系統(tǒng)，從而可以記錄下來(lái)作為系統(tǒng)的工作參數(shù)。這樣當(dāng)系統(tǒng)重新上電工作的時(shí)候，就可以直接在配置模式下獲得補(bǔ)償參數(shù)。

數(shù)字包逐級(jí)向后傳遞SDC命令直到尾包上。尾包不會(huì)將下傳的SDC命令向后級(jí)傳遞，而是將該命令直接通過(guò)數(shù)據(jù)通道向前級(jí)返回，從而完成SDC命令在整個(gè)水下拖纜數(shù)字包間的回環(huán)傳遞，達(dá)到測(cè)量傳輸延遲的目的。當(dāng)數(shù)字包切換到工作模式時(shí)，系統(tǒng)傳遞的所有命令都會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)計(jì)數(shù)延遲模塊，延遲補(bǔ)償參數(shù)則為上述過(guò)程獲取鎖存值的一半。

延遲技術(shù)會(huì)導(dǎo)致所有采集數(shù)據(jù)往后延遲一定的時(shí)間大小，從而會(huì)造成采集數(shù)據(jù)的丟失。因此需要對(duì)地震采集數(shù)據(jù)進(jìn)行流水線緩存，當(dāng)接收到TB觸發(fā)信號(hào)的時(shí)候，將該信號(hào)前一段時(shí)間內(nèi)的采集數(shù)據(jù)一起上傳，即可獲得對(duì)應(yīng)于真正TB觸發(fā)發(fā)生時(shí)刻之后的所有采集數(shù)據(jù)。假設(shè)拖纜總長(zhǎng)度為6 000m，則命令延遲時(shí)刻為30μs，而本系統(tǒng)常規(guī)采樣時(shí)間間隔為1ms，遠(yuǎn)大于該延遲值。另一方面，由于采用高速串行數(shù)據(jù)發(fā)送技術(shù)，數(shù)字包轉(zhuǎn)發(fā)命令的處理開(kāi)銷為納秒量級(jí)。因此，不需要考慮命令整體的延遲執(zhí)行會(huì)造成采樣數(shù)據(jù)的丟失。然而，如果系統(tǒng)采樣率較高，如0.25ms及以上，再加上各級(jí)數(shù)字包處理開(kāi)銷的延遲影響，那就必須要考慮命令整體延遲執(zhí)行對(duì)采樣數(shù)據(jù)的影響了。

至此，雖然已經(jīng)解決了同步時(shí)鐘分發(fā)和命令的同步執(zhí)行，但還沒(méi)有完全解決同步采集的問(wèn)題，因?yàn)橛捎诜植际酵侠|數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)的原因，此時(shí)的命令還沒(méi)有傳遞到前端采集板，僅僅到達(dá)了數(shù)字包。為解決此問(wèn)題，我們?cè)跀?shù)字包中將接收到命令通過(guò)RS485協(xié)議同步扇出至采集板（共8塊，見(jiàn)圖5），由于數(shù)字包工作時(shí)鐘以及命令執(zhí)行時(shí)刻已經(jīng)同步完成，顯然扇出命令可以同步地到達(dá)采集板并完成同步執(zhí)行。因此，各采集板采用不同源的本地工作時(shí)鐘，但在系統(tǒng)開(kāi)始采集命令的控制下，并且在每一次TB命令產(chǎn)生的時(shí)刻，都會(huì)重新同步采集一次，從而可以消除各采集板工作誤差的累積效應(yīng)，并最終完成整個(gè)大范圍系統(tǒng)級(jí)的同步采集。

4 測(cè)試

為了測(cè)試和驗(yàn)證本同步采集方法，我們進(jìn)行了大量的各單元模塊測(cè)試、實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)聯(lián)合測(cè)試以及野外試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試，我們采用24MHz的時(shí)鐘作為高速數(shù)據(jù)通道的工作時(shí)鐘，并直接用來(lái)分發(fā)該24MHz時(shí)鐘至所有數(shù)字包。由于所采用SerDes芯片在8B/10B編碼狀態(tài)下工作的相位不穩(wěn)定性［14－15］，最終時(shí)鐘分發(fā)同步精度為一個(gè)工作時(shí)鐘周期，即約42ns，完全滿足海洋石油勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。

由于數(shù)字包通過(guò)RS485協(xié)議向各采集板扇系統(tǒng)命令，考慮到RS485協(xié)議工作的特點(diǎn)，我們將該命令工作時(shí)鐘設(shè)置為2MHz，而該時(shí)鐘則由各采集板所獲同步時(shí)鐘產(chǎn)生。另一方面，我們?cè)O(shè)置專用的命令時(shí)鐘同步命令來(lái)控制各數(shù)字包所產(chǎn)生RS485工作時(shí)鐘的起始相位，從而可以保證系統(tǒng)下發(fā)命令可以同步地傳遞到各個(gè)采集板上。由于采集板采用各自獨(dú)立的本地時(shí)鐘，為進(jìn)一步提高命令接收時(shí)刻的一致性，我們采用本地24MHz高頻時(shí)鐘來(lái)采集RS485發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，而不是先生成2MHz時(shí)鐘然后再來(lái)采集命令數(shù)據(jù)，從而可以將命令收集同步精度由0.5μs提高到42ns，并最終將整個(gè)系統(tǒng)的同步采集能力控制在100ns以內(nèi)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證整個(gè)海上地震勘探系統(tǒng)同步采集的實(shí)際效果，以及整個(gè)系統(tǒng)的其他各方面的指標(biāo)和可靠性穩(wěn)定性等，我們于2012年2月在北部灣潿洲的工作區(qū)內(nèi)進(jìn)行了實(shí)際的海上試驗(yàn)。圖6顯示的是6 000m單纜1 920道的采集地震剖面，圖7顯示的是3纜960道的采集地震剖面。可以看到，二維單纜的初至波從第1到第1 920道所用時(shí)間大約為4s，3條纜第一道的初至波在100ms時(shí)刻到達(dá)，而當(dāng)時(shí)水溫較低，聲波在海水中的傳播速度大約為1 500m/s，證明我們的系統(tǒng)同步性能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，并能夠滿足海洋地震勘探的要求。

圖6 二維1 920道海上試驗(yàn)地震剖面

5 結(jié)論

圖7 三維3x960道海上試驗(yàn)地震剖面

本研究提出一種適合于大型海上地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步采集方法，并詳細(xì)介紹了其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。為了達(dá)到大范圍系統(tǒng)級(jí)同步能力，首先采用高速串行數(shù)據(jù)通道將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)進(jìn)行融合傳輸，利用高性能時(shí)鐘提取和去抖提純技術(shù)，將系統(tǒng)工作系統(tǒng)時(shí)鐘高精度同步分發(fā)到各數(shù)字包；其次，設(shè)計(jì)延遲補(bǔ)償方法和實(shí)現(xiàn)邏輯，保證系統(tǒng)發(fā)送命令能夠在各個(gè)數(shù)字包中被同步地執(zhí)行；最后為了保證前端采集模塊同步進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并消除采集時(shí)鐘誤差的長(zhǎng)期累積效應(yīng)，數(shù)字包將采集控制同步扇出至采集板，并采用同步復(fù)位命令來(lái)控制RS485工作時(shí)鐘的相位精確性，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)控制命令的同步傳輸和執(zhí)行。對(duì)采集板而言，為了進(jìn)一步提高執(zhí)行命令時(shí)刻的同步性能，采用本地高頻時(shí)鐘來(lái)識(shí)別提取數(shù)字包扇出的命令。最終，結(jié)合本研究所提出的同步采集方法，以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，我們可以實(shí)現(xiàn)亞微妙量級(jí)的系統(tǒng)同步采集能力，系統(tǒng)規(guī)模為單纜6 000m、1 920通道，或者4纜7 680通道。我們對(duì)兩者進(jìn)行了實(shí)際的海上試驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了本研究方法的實(shí)際可用性。

本研究方法全部采用硬件FPGA邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高以及同步性能好等優(yōu)點(diǎn)。本方法在遠(yuǎn)距離分布式系統(tǒng)以及傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中也有著重要的參考價(jià)值。

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