一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，包括：船上时钟模块，由低功耗的FPGA进行控制，用于产生标准主时钟，做为拖缆的同步时钟船上GPS模块，用于接收GPS信号，为船上时钟模块提供时间信息。由船上时钟模块的FPGA进行直接控制；拖缆命令传输线，用于将船上时钟模块产生的报文下发至各拖缆上的各个节点，并将节点产生的报文上传至船上时钟模块；拖缆时钟传输线，用于将船上时钟模块产生的时钟下发至各个拖缆上的各个节点；节点同步控制模块，由低功耗FPGA和MLVDS收发器组成，用于接收，解析和转发船上时钟模块下传的报文，根据报文的内容完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于节点其他部分的工作。

A Long-distance Data Synchronization Acquisition System for Marine Seismic Exploration Towline

The invention relates to a long-distance data synchronization acquisition system for marine seismic exploration towline, which includes a ship clock module controlled by a low-power FPGA, used to generate a standard master clock, as a synchronous clock module for towline, used to receive GPS signals and provide time information for the ship clock module. It is directly controlled by the FPGA of the on-board clock module; the towline command transmission line is used to send messages generated by the on-board clock module to each node of the towline, and upload messages generated by the node to the on-board clock module; the towline clock transmission line is used to send clocks generated by the on-board clock module down to each node of the towline; and the node synchronization control module is used by the node synchronization control module. The low-power FPGA and MLVDS transceivers are used to receive, parse and forward the messages downloaded from the onboard clock module. According to the contents of the messages, they synchronize with the main clock in the onboard clock module, and generate synchronous PPS signals for the work of other parts of the node.

【技术实现步骤摘要】
一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统
本专利技术涉及一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，属于海洋地震勘探领域。
技术介绍
海洋地震勘探拖缆是海洋地震勘探设备的重要组成部分，其主要用于采集并传输海洋地震勘探作业中人工激发地震产生的水声信号。受限于海洋拖缆的机械强度以及物探船的拖拽能力，勘探作业中，拖缆只能悬浮于浅层海水中，为了勘探更深的海底地层结构，海洋地震勘探设备需要装备尽可能长的拖缆展开作业任务。系统同步精度是海洋地震勘探拖缆的重要性能指标之一。在以往的海洋地震勘探拖缆上所使用的同步技术是：从船载控制台发送一个脉冲信号，拖缆尾部数字包接收到信号后将信号传回船载控制台，这样船载控制台可以得到信号在拖缆上往返一次所用时间，除以二则得到信号从船载控制台到尾部数字包的时间延迟，再根据各级间时间延迟大致相等的依据得到各级延迟，并将延迟信息固化在各级数字包中，在接收到采集命令时用固化的延迟信息进行补偿。同时使用时钟数据恢复技术进行时钟相位的补偿，来完成同步。虽然该方式简单易行，但事实上各级的延迟由于电路和芯片固有的误差并不相同，信号下行使用的命令通道和上行的数据通道延迟也不同。随着拖缆节点个数的增加，该误差会逐级累积，越来越大。在每一级由于使用了时钟数据恢复技术，需要专门的时钟数据恢复芯片，对于需要尽可能降低功耗的数字包而言带来了很多额外的功耗开销。因而限制了海洋地震勘探作业中拖缆的工作长度，进而限制了海洋地震勘探设备对海底地层的勘探深度。因此，在已有的海洋地震勘探拖缆系统中，同步采集精度不够，拖缆长度增加，同步误差增大。为了解决海洋地震勘探拖缆的长距离同步问题，需要改变原有的同步方式，采用具有更高精度和更低功耗的同步系统。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，具有高精度、低功耗、实时性好、适用于更长拖缆的同步采集，长缆多道同步采集，有利于提高采集数据精度，提高反演精度，市场潜力大，具有广阔的应用前景。本专利技术技术解决方案：一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，包括：船上时钟模块、船上GPS模块、节点同步控制模块、末级节点同步控制模块、拖缆命令传输线和拖缆时钟传输线；同步是通过在各上述个模块之间传递四种报文完成的，所述四种报文分别为：同步报文、跟随报文、延时报文和延时回复报文；在下面的叙述中，如果不是指某一种特定的报文则统称为报文，其中：船上时钟模块，由第一FPGA实现，用于产生标准主时钟和三种报文，分别为同步报文、随报文和延时回复报文，其中标准主时钟作为拖缆的同步时钟；船上GPS模块，用于接收GPS信号，为船上时钟模块提供时间信息，由实现船上时钟模块的第一FPGA进行直接控制；拖缆命令传输线，用于将船上时钟模块产生的报文下发至海洋地震勘探拖缆上的各个节点，并将节点产生的报文上传至船上时钟模块；拖缆时钟传输线，用于将船上时钟模块产生的标准主时钟下发至各个海洋地震勘探拖缆上的各个节点；节点同步控制模块，由第二FPGA和多点低电压差分信号收发器，简称MLVDS收发器组成，用于接收来自船上时钟模块和末级节点同步控制模块的报文，并利用第二FPGA中的逻辑解析所述报文，根据所述报文的内容进行相应操作，所述相应操作包括对报文进行修改、转发，产生节点从时钟，完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于海洋地震勘探拖缆上节点和数据采集模块和数据发送模块的工作；末级节点同步控制模块，由第三FPGA和MLVDS收发器组成，用来接收来自上一级节点的同步控制模块的报文，并使用第三FPGA中的逻辑解析所述报文，根据所述报文的内容进行相应操作，所述相应操作包括对报文进行修改、转发，产生节点从时钟，完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于海洋地震勘探拖缆上节点和数据采集模块和数据发送模块的工作，并产生延时报文向上一级节点的同步控制模块发送；由船上时钟模块，接收船上GPS模块传输的时间信息以后，产生一个时钟作为标准主时钟，同步开始后产生同步报文和跟随报文向末级节点同步控制模块发送，跟随报文包含同步报文发送时的时间信息，称为t1时间戳，海洋震勘探拖缆的第一级节点接收到同步报文后，记录接收同步报文的时间，称为t2时间戳，并将同步报文继续转发到第二级节点，并记录发送同步报文的时间，根据上述的记录的两个时间，第一级节点得到同步报文停留在节点中的时间，称为驻留时间1，第一级节点在接收到跟随报文时，提取出跟随报文中的t1时间戳，将驻留时间写入跟随报文的校正域中，然后转发跟随报文到第二级节点，以此类推直到末级节点，末级节点的同步控制模块接收到同步报文和跟随报文以后产生延时报文向船上时钟模块发送，由每一级节点接收并转发延时报文，并记录接收和转发的时间，其中转发延时报文的时间称为t3时间戳；计算得到延时报文在节点中停留的时间，称为驻留时间2；船上时钟模块接收到延时报文以后，记录接收到延时报文的时间，称为t4时间戳，产生延时回复报文，其中包含t4时间戳，海洋地震勘探拖缆的第一级节点会接收延时回复报文，将驻留时间2写入延时回复报文的校正域，并将其转发到第二级节点，以此类推直到末级节点；每一个接收到延迟恢复报文的节点用总共接收到的4种报文中的时间信息来计算得到与船上时钟模块中主时钟的时间差；利用所述时间差对节点同步控制模块中的从时钟进行纠正使该节点的时钟与船上时钟模块中的主时钟进行同步。所述船上时钟模块中，报文的组装和发送功能，时钟的产生由第一FPGA实现；节点同步控制模块中，报文的接收，转发，分析，修改和接受完报文以后同步过程的完成由第二FPGA实现；末级节点控制模块中，报文的接收，组装，分析，发送和接受完报文以后同步过程的完成由第三FPGA实现。所述第一FPGA包括：锁相环PLL、数字时钟、时间戳获取模块、报文产生模块；PLL，用于对输入的外部时钟信号进行倍频后输出系统使用的工作时钟；数字时钟模块，输出本地时间和本地PPS，实现记录本地时间的数字时钟；输出的本地时间的纠正值由控制模块进行控制；时间戳获取模块，接收报文，在检测到同步报文后，记录下输入的时间戳，并根据同步报文的内容决定该时间戳的种类，将附上相应标记的时间戳输入报文生成模块；报文产生模块，用于产生同步报文，跟随报文和延时回复报文。所述第二FPGA包括：锁相环PLL，数字时钟，时间戳获取模块，时间戳解析模块，报文处理模块，控制模块，数字时钟；PLL，用于对输入的外部时钟信号进行倍频后输出系统使用的工作时钟；数字时钟模块，输出本地时间和本地PPS，实现记录本地时间的数字时钟；输出的本地时间的纠正值由控制模块进行控制；时间戳获取模块，接收报文，在检测到同步报文后，记录下输入的时间戳，并根据同步报文的内容决定该时间戳的种类，若为t2，t3时间戳则附上相应标记，将附上相应标记的时间戳输入时间戳解析模块；时间戳解析模块，负责解析时间戳，接收报文处理模块从跟随报文和延时回复报文中提取出的t1时间戳和t4时间戳和校正域中的驻留时间；接收时间戳获取模块截取到的同步报文和延时报文的接收时间和转发时间，计算出对应报文在节点的驻留时间，将计算出的驻留时间发送给报文处理模块；将t1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于，包括：船上时钟模块、船上GPS模块、节点同步控制模块、末级节点同步控制模块、拖缆命令传输线和拖缆时钟传输线；同步是通过在各上述个模块之间传递四种报文完成的，所述四种报文分别为：同步报文、跟随报文、延时报文和延时回复报文；在下面的叙述中，如果不是指某一种特定的报文则统称为报文，其中：船上时钟模块，由第一FPGA实现，用于产生标准主时钟和三种报文，分别为了同步报文、随报文和延时回复报文，其中标准主时钟作为拖缆的同步时钟；船上GPS模块，用于接收GPS信号，为船上时钟模块提供时间信息，由实现船上时钟模块的第一FPGA进行直接控制；拖缆命令传输线，用于将船上时钟模块产生的报文下发至海洋地震勘探拖缆上的各个节点，并将节点产生的报文上传至船上时钟模块；拖缆时钟传输线，用于将船上时钟模块产生的标准主时钟下发至各个海洋地震勘探拖缆上的各个节点；节点同步控制模块，由第二FPGA和多点低电压差分信号收发器MLVDS组成，用于接收来自船上时钟模块和末级节点同步控制模块的报文，并利用第二FPGA中的逻辑解析所述报文，根据所述报文的内容进行相应操作，所述相应操作包括对报文进行修改、转发，产生节点从时钟，完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于海洋地震勘探拖缆上节点和数据采集模块和数据发送模块的工作；末级节点同步控制模块，由第三FPGA3和MLVDS即多点低电压差分信号收发器组成，用来接收来自上一级节点的同步控制模块的报文，并使用第三FPGA中的逻辑解析所述报文，根据所述报文的内容进行相应操作，所述相应操作包括对报文进行修改、转发，产生节点从时钟，完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于海洋地震勘探拖缆上节点和数据采集模块和数据发送模块的工作，并产生延时报文向上一级节点的同步控制模块发送；由船上时钟模块，接收船上GPS模块传输的时间信息以后，产生一个时钟作为标准主时钟，同步开始后产生同步报文和跟随报文向末级节点同步控制模块发送，跟随报文包含同步报文发送时的时间信息，称为t1时间戳，海洋震勘探拖缆的第一级节点接收到同步报文后，记录接收同步报文的时间，称为t2时间戳，并将同步报文继续转发到第二级节点，并记录发送同步报文的时间，根据上述的记录的两个时间，第一级节点得到同步报文停留在节点中的时间，称为驻留时间1，第一级节点在接收到跟随报文时，提取出跟随报文中的t1时间戳，将驻留时间写入跟随报文的校正域中，然后转发跟随报文到第二级节点，以此类推直到末级节点，末级节点的同步控制模块接收到同步报文和跟随报文以后产生延时报文向船上时钟模块发送，由每一级节点接收并转发延时报文，并记录接收和转发的时间，其中转发延时报文的时间称为t3时间戳；计算得到延时报文在节点中停留的时间，称为驻留时间2；船上时钟模块接收到延时报文以后，记录接收到延时报文的时间，称为t4时间戳，产生延时回复报文，其中包含t4时间戳，海洋地震勘探拖缆的第一级节点会接收延时回复报文，将驻留时间2写入延时回复报文的校正域，并将其转发到第二级节点，以此类推直到末级节点；每一个接收到延迟恢复报文的节点用总共接收到的4种报文中的时间信息来计算得到与船上时钟模块中主时钟的时间差；利用所述时间差对节点同步控制模块中的从时钟进行纠正使该节点的时钟与船上时钟模块中的主时钟进行同步。...

【技术特征摘要】
1.一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于，包括：船上时钟模块、船上GPS模块、节点同步控制模块、末级节点同步控制模块、拖缆命令传输线和拖缆时钟传输线；同步是通过在各上述个模块之间传递四种报文完成的，所述四种报文分别为：同步报文、跟随报文、延时报文和延时回复报文；在下面的叙述中，如果不是指某一种特定的报文则统称为报文，其中：船上时钟模块，由第一FPGA实现，用于产生标准主时钟和三种报文，分别为了同步报文、随报文和延时回复报文，其中标准主时钟作为拖缆的同步时钟；船上GPS模块，用于接收GPS信号，为船上时钟模块提供时间信息，由实现船上时钟模块的第一FPGA进行直接控制；拖缆命令传输线，用于将船上时钟模块产生的报文下发至海洋地震勘探拖缆上的各个节点，并将节点产生的报文上传至船上时钟模块；拖缆时钟传输线，用于将船上时钟模块产生的标准主时钟下发至各个海洋地震勘探拖缆上的各个节点；节点同步控制模块，由第二FPGA和多点低电压差分信号收发器MLVDS组成，用于接收来自船上时钟模块和末级节点同步控制模块的报文，并利用第二FPGA中的逻辑解析所述报文，根据所述报文的内容进行相应操作，所述相应操作包括对报文进行修改、转发，产生节点从时钟，完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于海洋地震勘探拖缆上节点和数据采集模块和数据发送模块的工作；末级节点同步控制模块，由第三FPGA3和MLVDS即多点低电压差分信号收发器组成，用来接收来自上一级节点的同步控制模块的报文，并使用第三FPGA中的逻辑解析所述报文，根据所述报文的内容进行相应操作，所述相应操作包括对报文进行修改、转发，产生节点从时钟，完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于海洋地震勘探拖缆上节点和数据采集模块和数据发送模块的工作，并产生延时报文向上一级节点的同步控制模块发送；由船上时钟模块，接收船上GPS模块传输的时间信息以后，产生一个时钟作为标准主时钟，同步开始后产生同步报文和跟随报文向末级节点同步控制模块发送，跟随报文包含同步报文发送时的时间信息，称为t1时间戳，海洋震勘探拖缆的第一级节点接收到同步报文后，记录接收同步报文的时间，称为t2时间戳，并将同步报文继续转发到第二级节点，并记录发送同步报文的时间，根据上述的记录的两个时间，第一级节点得到同步报文停留在节点中的时间，称为驻留时间1，第一级节点在接收到跟随报文时，提取出跟随报文中的t1时间戳，将驻留时间写入跟随报文的校正域中，然后转发跟随报文到第二级节点，以此类推直到末级节点，末级节点的同步控制模块接收到同步报文和跟随报文以后产生延时报文向船上时钟模块发送，由每一级节点接收并转发延时报文，并记录接收和转发的时间，其中转发延时报文的时间称为t3时间戳；计算得到延时报文在节点中停留的时间，称为驻留时间2；船上时钟模块接收到延时报文以后，记录接收到延时报文的时间，称为t4时间戳，产生延时回复报文，其中包含t4时间戳，海洋地震勘探拖缆的第一级节点会接收延时回复报文，将驻留时间2写入延时回复报文的校正域，并将其转发到第二级节点，以此类推直到末级节点；每一个接收到延迟恢复报文的节点用总共接收到的4种报文中的时间信息来计算得到与船上时钟模块中主时钟的时间差；利用所述时间差对节点同步控制模块中的从时钟进行纠正使该节点的时钟与船上时钟模块中的主时钟进行同步。2.根据权利要求1所述的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于：所述船上时钟模块中，报文的组装和发送功能，时钟的产生由第一FPGA实现；节点同步控制模块中，报文的接收，转发，分析，修改和接受完报文以后同步过程的完成由第二FPGA实现；末级节点控制模块中，报文的接收，组装，分析，发送和接受完报文以后同步过程的完成由第三FPGA实现。3.根据权利要求1所述的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于：所述第一FPGA包括：锁相环PLL、数字时钟、时间戳获取模块、报文产生模块；PLL，用于对输入的外部时钟信号进行倍频后输出系统使用的工作时钟；数字时钟模块，输出本地时间和本地PPS，实现记录本地时间的数字时钟；输出的本地时间的纠正值由控制模块进行控制；时间戳获取模块，接收报文，在检测到同步报文后，记录下输入的时间戳，并根据同步报文的内容决定该时间戳的种类，将附上相应标记的时间戳输入报文生成模块；报文产生模块，用于产生同步报文，跟随报文和延时回复报文。4.根据权利要求1所述的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：余晗，宋克柱，杨俊峰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34