基于WR协议的有线地震仪时间同步系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于WR协议的有线地震仪时间同步系统及方法，系统包括地震仪、交叉站和主机，主机为WR主时钟，接收外部的时钟参考源并以其作为时间参考进行时间同步；交叉站是WR交换机，以主机为参考点进行时间同步，地震仪是WR节点，以交叉站为参考时间点进行时间同步，次级的地震仪以上一级地震仪的时钟为参考。WR技术中的时间同步包含两层意义，利用同步以太网技术完成时钟源频率的发布，使网络中各个节点的时钟在同一频率上运行，利用PTP技术与DDMTD技术相结合实现亚纳秒的时间同步。WR时钟同步技术是CERN和GSI基于同步以太网、精密定时协议和全数字双混频鉴相器等技术提出的一种新的分布式时钟同步方案，以实现大范围内主从节点高时钟同步精度。

Time synchronization system and method of wired seismograph based on WR protocol

【技术实现步骤摘要】
基于WR协议的有线地震仪时间同步系统及方法
本专利技术属于城市地下空间探测
，具体涉及一种抗干扰高精度的浅层三维地震仪时间同步的系统及方法，特别涉及一种基于WR协议的有线地震仪时间同步系统及方法。
技术介绍
目前，投入地震仪应用中较广泛的同步技术主要有：GPS、NTP、IEEE1588，现上述技术已广泛应用于电信、电力系统、交通运输、金融等国防建设和国民经济相关领域。同时，新出现的同步技术如WhiteRabbit简称WR和SAEAS6802协议也得到了快速的发展。SAEAS6802定义了一种高精度且容错的同步技术，可为TTE建立和保持低延迟、低抖动、高精度的全局同步时钟，提高TTE的服务质量。WR技术能够应用于对精度要求更高的大型物理实验装置和长时间高效持续采集的多节点时间同步系统中。在地震勘探统进行长时间高效持续采集时，现有同步系统的各节点间存在时钟漂移和通讯延时等问题。有线遥测地震仪GEIST438应用的有线同步IEEE1588V2协议整个系统的数据传输部分基于10/100M以太网。根据实际地震勘探施工中系统搬移较多的特点，采用了接力式的网络拓扑结构，并针对地震勘探中数据传输特点提出了多采集站同步数据上传策略，以提高接力式网络数据传输效率。IEEE1588V2标准定义了一个精确时间协议PTPV2。但是，PTPV2协议具有一定的局限性：主从时钟的频率存在偏差，高同步精度需要高频率的同步报文，网络占用率高；同步过程是基于计算报文的时间戳的差实现的，而报文时间戳的最小间隔是有限的(如千兆以太网为8ns)；低抖动钟恢复需要每一个从端都拥有非常稳定的振荡器，或者高频率的同步报文；未考虑传输介质的非对称性，假设收发链路是完全相等的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于WR协议的抗干扰高精度的浅层三维有线地震仪时间同步系统及方法，以克服地震勘探统长时间高效持续采集时各节点间时钟漂移和通讯延时等缺点，并避免了同步报文和额外通讯链路的使用。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于WR协议的有线地震仪时间同步系统，包括多个地震仪、多个交叉站和主机；所述各地震仪之间通过电缆相连，所述各交叉站之间通过光缆相连，所述各条电缆线上串联的地震仪通过交叉站及光纤与主机相连；所述地震仪采集站采取接力式以太网结构分布，通过对动态IP路由建排进行数据传输，每个地震仪采集站均与八个高分辨率单通道的地震检波器相连，两端从地震仪采集站汇集过来的数据并入交叉站中，交叉站通过光纤将数据高速传输回主机；所述主机从交叉站获取采集站的连接信息，启动交叉站和采集站IP转发，并基于TCP/IP协议进行数据传输；所述主机为WR主时钟，接收外部的时钟参考源并以其作为时间参考进行时间同步；所述交叉站为WR交换机，以主机为参考点进行时间同步；所述地震仪为浅层三维地震仪，是WR节点，以交叉站为参考时间点进行时间同步，次级的地震仪以上一级地震仪的时钟为参考，所有节点构成一个时钟网络拓扑结构，子节点或子交换机利用时钟恢复从数据链路中恢复出时钟；所述地震仪包括ARM嵌入式模块、采集单元、SDRAM、MINI-WR模块和以太网卡，能够接收八通道的数据和对采集板的芯片进行复位、开启控制，两个以太网接口用于指令和数据的接力式传输，MINI-WR模块用于时钟同步和数据传输。所述MINI-WR模块集成有实现全数字双混频鉴相器、IEEE1588V2协议和调节主从时钟偏差的电子器件和芯片。上述基于WR协议的有线地震仪时间同步系统的同步方法，包括以下步骤：A、建立全局时钟参考源，主机外接时钟参考源；进行采集站建排，按连接顺序为各个站分配IP地址并建立相应的路由表，然后每个站将自己的状态信息返回至主机，若为尾站，则在状态信息中设定尾部信息标志位，通知主机建排过程结束，主机端可根据IP地址信息获得各个站的逻辑连接关系；B、交叉站通过光纤链路与主机相连，它以主机为参考点进行时间同步，使得网络节点可以从以太网物理链路中恢复出统一频率的时钟，该时钟具有±10PPT的长期稳定性；C、浅层三维地震仪的时钟以交叉站的时钟作为参考源进行对比，浅层三维地震仪利用时钟恢复技术从数据链路中恢复出时钟；次级地震仪以上级地震仪的时钟为参考源进行调整，循环操作，直到尾站；D、通过浅层三维地震仪和交叉站利用时钟恢复技术从数据链路中恢复出时钟，这样整个网络的所有节点的时钟频率都与主节点时钟频率精确同步(±10ppt的长期准确度)。进一步地，步骤A，所述参考源为GPS或原子钟。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术基于WR协议的有线地震仪时间同步方法，利用WR协议，时钟系统能够将时钟分布10公里范围内时，同时仍然可达到数百皮秒量级的时钟同步精度；建立在同步以太网之上，而以太网是一种相当成熟的主流数据传输技术，许多网络设备接口可以通用，因此具有很好的可扩展性；同步以太网与PTP协议的结合使得主从节点获得频率一致的时钟，因此大大降低了PTP协议对高频率同步报文的要求；提出了全数字双混频鉴相器，将PTP的时间戳精度提高到了皮秒量级，此外WhiteRabbit建立了准确的网络链路延时模型，精确计算主从来回链路的不对称性；多种技术的结合，使得WhiteRabbit实现了亚纳秒级的同步精度,并且可实现千兆带宽的传输速率，满足了大范围分布式地震仪的时间同步精度和传输速率的要求。附图说明图1PTPv2同步报文交换过程；图2WR传统以太网与时间同步以太网的对比；图3全数字双混频鉴相器的工作原理；图4WhiteRabbit同步链路以及各部分时钟关系；图5从节点时钟偏差调整过程；图6WhiteRabbit同步网络拓扑结构；图7单台地震仪采集节点的六次网络同步精度对比；图8同步时间精度与地震仪采集节点数量的关系；图9分布式地震仪时间同步系统图10地震仪系统控制板结构图具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明：如图9所示，本专利技术基于WhiteRabbit协议的有线地震仪时间同步系统，该系统浅层三维地震仪、交叉站、电源、电缆、光缆和主机构成。图6为WhiteRabbit同步网络拓扑结构。所述多个浅层三维地震仪之间通过由电缆相连；所述各条电缆线上串联的地震仪通过交叉站及光纤与主机相连；所述多个交叉站之间通过光缆相连。所述主机为WR主时钟，接收外部的时钟参考源并以其作为时间参考进行时间同步；所述交叉站是WR交换机，以主机为参考点进行时间同步；所述浅层三维地震仪是WR节点，以交叉站为参考时间点进行时间同步，次级的浅层三维地震仪以上一级地震仪的时钟为参考；所有节点构成一个时钟网络拓扑结构，子节点或子交换机利用时钟恢复从数据链路中恢复出时钟。所述地震仪采取接力式以太网结构分布，通过对动态IP进行路由建排进行数据传输，每个地震仪都具有八通道数据采集的能力，与八个高分辨率单通道的地震检波器相连，两端从地震仪汇集本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于WR协议的有线地震仪时间同步系统，其特征在于：包括多个地震仪、多个交叉站和主机；所述多个地震仪之间通过电缆相连，所述多个交叉站之间通过光缆相连，所述各条电缆线上串联的地震仪通过交叉站及光纤与主机相连；/n所述地震仪采集站采取接力式以太网结构分布，通过对动态IP路由建排进行数据传输，每个地震仪采集站均与八个高分辨率单通道的地震检波器相连，两端从地震仪采集站汇集过来的数据并入交叉站中，交叉站通过光纤将数据高速传输回主机；所述主机从交叉站获取采集站的连接信息，启动交叉站和采集站IP转发，并基于TCP/IP协议进行数据传输；/n所述主机为WR主时钟，接收外部的时钟参考源并以其作为时间参考进行时间同步；所述交叉站为WR交换机，以主机为参考点进行时间同步；所述地震仪为WR节点，以交叉站为参考时间点进行时间同步，次级的地震仪以上一级地震仪的时钟为参考，所有节点构成一个时钟网络拓扑结构，子节点或子交换机利用时钟恢复从数据链路中恢复出时钟。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于WR协议的有线地震仪时间同步系统，其特征在于：包括多个地震仪、多个交叉站和主机；所述多个地震仪之间通过电缆相连，所述多个交叉站之间通过光缆相连，所述各条电缆线上串联的地震仪通过交叉站及光纤与主机相连；
所述地震仪采集站采取接力式以太网结构分布，通过对动态IP路由建排进行数据传输，每个地震仪采集站均与八个高分辨率单通道的地震检波器相连，两端从地震仪采集站汇集过来的数据并入交叉站中，交叉站通过光纤将数据高速传输回主机；所述主机从交叉站获取采集站的连接信息，启动交叉站和采集站IP转发，并基于TCP/IP协议进行数据传输；
所述主机为WR主时钟，接收外部的时钟参考源并以其作为时间参考进行时间同步；所述交叉站为WR交换机，以主机为参考点进行时间同步；所述地震仪为WR节点，以交叉站为参考时间点进行时间同步，次级的地震仪以上一级地震仪的时钟为参考，所有节点构成一个时钟网络拓扑结构，子节点或子交换机利用时钟恢复从数据链路中恢复出时钟。


2.根据权利要求1所述的一种基于WR协议的有线地震仪时间同步系统，其特征在于：所述地震仪包括ARM嵌入式模块、采集单元、SDRAM、MINI-WR模块和以太网卡，能够接收八通道的数据和对采集板的芯片进行复位、开启控制，两个以太网接口用于指令和数据的接力式传输，MINI-WR模块用于时钟同步和数据传输。


3.根据权利要求2所述的一种基于WR协议的有线地震仪时间同步系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈祖斌，李昊，李学强，张焕钧，杨欣然，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22