CN102508297A - 多节点同步采集时间误差的精确测量和校正方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理勘探领域。提供一种信号传输延时测量模型及方法。通过此模型和方法，能精确测量需要被校正的同步误差量，本发明采取的技术方案是，一种多节点同步采集时间误差的精确测量和校正方法及装置，应用于拖缆采集***，拖缆采集***主要包括控制与处理中心、数据预处理模块、采集节点，控制与处理中心产生主时钟，所述装置构成为延时测量模块DMM、延时校正模块DCM_i，i＝1，2，…，n，表示第i个采集节点，延时测量模块DMM设置在数据预处理模块中，延时校正模块DCM_i设置在相应的第i个采集节点中。本发明主要应用于地球物理勘探。

Description

多节点同步采集时间误差的精确测量和校正方法及装置

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，特别涉及多节点同步采集时间误差的精确测量和校正装置。

背景技术

理想情况下，地震拖缆采集***中所有采集节点(以下简称节点)应在同一时刻接收到“上传地震数据命令(用于通知所有节点上传地震数据的命令)”，并将同一时刻被转换完成的地震数据上传至控制与处理中心。传统的地震拖缆采集***中，在拖缆最前端设置一个具有高稳定度的同步采集主时钟，各个节点在这个同步采集主时钟的控制和协调下对模拟信号进行同步转换。但实际情况下，“上传地震数据命令”从***控制与数据处理中心传输到节点或从一个节点传输到另一个节点时，会产生传输延时，且这种传输延时随着节点数量的增加(即传输距离的增大)而增大。正因为这种传输延时的存在，从而使各个节点不能同时接收到“上传地震数据命令”。由于各个节点接收到“上传地震数据命令”的时刻不同，所以上传的地震数据不再是同一时刻被转换完成的地震数据，即存在采集的同步误差。目前主流的地震仪器标明的同步精度为微秒级，但由于实际采集和记录的数据以样点为单位，所以第一个样点的处理方法是***同步采集精度的关键，目前国外主流地震探测拖缆的同步精度只能够达到一个采样周期，如System Four和ARIE；占市场主要份额的法国Sercel公司的探测拖缆***的同步采集精度也只有0.25ms[1-3]，因此这些仪器的实际采集同步精度只有毫秒级(详见文献[1]罗兰兵，贾艳芳.首个样点的处理方法对同步精度的影响[J].物探装备，2009，19(4)：219-220.[2]罗兰兵，董世学.地震数据采集***延迟时研究与分析[J].吉林大学学报(地球科学版)，2005，35(S1)：62-65.文献[3]朱德兵，平利姣，朱自强.浅层地震勘探数据拟同步采集时差分析与实践[J].地球物理学进展.2008，23(6)：1958-1962.)。随着地震勘探拖缆采集***中节点数的不断增加，传输延时越来越大，而现有相关文献中的方法只能使采集的同步精度达到微秒级，这样大的同步误差将会对地震数据的后续处理带来诸多不利影响。

发明内容

为克服现有技术的不足，做到：

(1)提供一种信号传输延时测量模型及方法。通过此模型和方法，能精确测量需要被校正的同步误差量。

(2)基于所述的信号传输延时测量模型，提供一种同步误差的校正方法，能将所有节点采集地震信号的同步误差完全消除，从而使采集的同步误差为0。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，一种多节点同步采集时间误差的精确测量和校正装置，应用于拖缆采集***，拖缆采集***主要包括控制与处理中心、数据预处理模块、采集节点，控制与处理中心产生主时钟，其特征是，所述装置构成为延时测量模块DMM、延时校正模块DCM_i，i＝1，2，…，n，表示第i个采集节点，延时测量模块DMM设置在数据预处理模块中，延时校正模块DCM_i设置在相应的第i个采集节点中：

延时测量模块DMM用于：(1)采用内同步的方式将主时钟信号调制到命令数据流中，并通过信号线向各个采集节点传输；(2)测量模块DMM发出一个用于测量传输延时的特征信号，然后记录并保存下此特征信号经过所有采集节点后，被回传到延时测量模块DMM的时间；(3)完成传输延时校正量的运算过程；(4)采用异步通信的方式将传输延时校正量传输到各个对应的节点中；(5)实现上行信号驱动器的使能与非使能的工作状态；

延时校正模块DCM_i主要完成以下功能：(1)接收同步信息和命令数据；(2)命令解码及控制；(3)延时校正量的接收及传输延时的校正。

延时测量模块DMM中设置有定时器、计算模块，首先由延时测量模块DMM在t₀时刻发送出一个特征信号，并与此同时，启动延时测量模块DMM中的计时器开始计时，采集节点i，i＝1，2，…，n，接收到这个特征信号后，将此特征信号传回到延时测量模块DMM中，当延时测量模块DMM接收到此被传回的特征信号时，记下所对应的时刻，然后通过计算模块进行相应的数学运算，计算出传输延时量Δt_i。

延时校正模块DCM_i，当第i个节点接收到上传地震数据命令后，i＝1，2，…，n，启动延时校正模块DCM_i进行Δt_n-Δt_i时间量的延时，然后通过信号线启动自身采集节点中地震数据的传送过程，最后一个节点接收到上传地震数据命令的延时为Δt_n，Δt_i表示从延时测量模块DMM发出特征信号到此特征信号被传回至延时测量模块DMM所产生的传输延时量。

一种多节点同步采集时间误差的精确测量和校正方法，借助于权1所述装置实现，并包括下列步骤：

第一步是确定特征信号的信号形式：信号被命名为Signal_g，其中Signal_g被设置成周期T_Sg为无穷大，具有20ns正脉宽的单极性矩形波信号；

第二步是详细叙述信号由延时测量模块DMM25传送到各个采集节点所产生的传输延时的测量过程：

在延时测量模块DMM中设置有一个时钟周期为T_CLK的计数器CTer，延时测量模块DMM在t₀时刻启动CTer开始计数，并同时发出Signal_g信号，延时校正模块DCM_1接收到Signal_g后，一方面将Signal_g信号传向第2个节点，另一方面将Signal_g信号进行时长为TT的延时后，传回至延时测量模块DMM，当延时测量模块DMM检测到被第1个节点回传的Signal_g时，保存计数器的计数值CTer_t_1；依此类推，当延时测量模块DMM检测到被第i个节点回传的Signal_g时，保存计数器的计数值CTer_t_i；假设Signal_g信号从延时测量模块DMM25传送到第i个节点由FPGA内部逻辑产生的总的传输延时为T_{Di_T}，且假设Signal_g信号从第i个节点回传到延时测量模块DMM25中由FPGA内部逻辑产生的总的传输延时为T_{iD_T}，则Signal_g信号从延时测量模块DMM传送到第i个节点传输延时为：

$\mathrm{\Δ}{t}_i=\frac{\mathrm{CTer}\_t\_i\×T_{\mathrm{CLK}}+T_{\mathrm{Di}\_T}-T_{\mathrm{iD}\_T}}{2};$

第三步是所有采集节点传输延时的校正过程：

通过上述延时校正方法可知，各个采集节点的延时校正量T_i为：

$T_i=\mathrm{\Δ}{t}_n-\mathrm{\Δ}{t}_i=t_n-t=\frac{(\mathrm{CTer}\_t\_n-\mathrm{CTer}\_t\_i)}{2}$

延时测量模块DMM通过上式，计算出各个节点的延时时间校正量T_i，假设节点i的节点地址为address_i，i＝1，2，…，则延时测量模块DMM采用点对点的异步通信方式将各个节点的延时校正量T_i传送到各个对应节点地址的采集节点中。

本发明具有如下技术效果：

(1)突破现有地震仪器采集地震信号的同步采集误差高达几百微秒的现状，本发明能将多节点采集地震信号的同步误差减小到纳秒的量级。

(2)在不增加***中传输信号线的情况下，利用***中本身所具有的传输信号线32、35、53以及结合本发明中设计的特殊的传输延时测量模型，实现“上传地震数据命令”从数据预处理模块18出发，传输到所有节点的传输延时(同步采集误差)的精确测量。本发明中的延时测量方案能巧妙利用现有***的结构特点进行延时测量与校正，***的开销小，结构巧妙，实现简单。

(3)采用将所有节点的传输延时对准到最后一个节点的传输延时的方法，实现了传输延时的精确校正，此方法简单易行。

(4)对节点的数量没有限制，不管节点的数量有多少，运用此方法均能对所有节点的传输延时(同步采集误差)进行精确的测量与校正，从而实现***中所有节点的同步采集。

附图说明

图1示出本发明的拖缆采集***总体方案框图。

图2示出本发明中用于测量传输延时的模型。

图3示出本发明中数据预处理模块的结构。

图4示出本发明中采集节点的结构。

图5示出本发明的各节点的延时量及校正过程。

图6示出本发明中Signal_g信号的形式。

图7示出本发明中延时校正量的数据帧格式。

图1中：1为控制与处理中心；2为声源；3为声波；4为拖缆头部连接器；5为数据预处理模块；6为海平面；7为***控制命令及同步采集主时钟下行传输链路；8为数据和状态上行传输链路；9、10、11、12为传感器；13为海床；14为采集节点；15为尾部连接器；16为尾部浮标。

图2中：17为控制与处理中心；18为数据预处理模块；19、20、21和22为采集节点。

图3中：23为命令、数据和状态总线；24为主时钟；25为延时测量模块DMM；26为数据、状态接收与预处理模块；27和28为信号线；29为下行信号驱动器；30为上行信号驱动器；31为RS485芯片；32为传输双绞线；33为上行驱动器30的使能控制信号线；34为地震数据传输线。

图4中：35和53为双绞线；36和50为上行信号驱动器；37和51为下行信号驱动器；38和52为RS485驱动芯片；39、40、48和49为信号线；41为上行控制模块；42为延时校正模块；43为主时钟恢复锁相环PLL；44为信号线；45为地震数据接收与转发模块；46为采集节点中的FGPA模块；47为模数转换ADC电路；54为地震数据传输线；55为下行驱动器37的使能控制信号线；56为上行驱动器50的使能控制信号线。

图5中：57为数据预处理模块18传出“上传地震数据命令”的时刻；58为第1个采集节点19接收“上传地震数据命令”的时刻；59为第2个采集节点20接收“上传地震数据命令”的时刻；60为第n个采集节点22接收“上传地震数据命令”的时刻。61为经校正后第1个采集节点18上传地震数据的时刻；62为经校正后第2个采集节点19上传地震数据的时刻；63为经校正后第n个采集节点22上传地震数据的时刻。

图6为Signal_g信号的形式。

图7中：64为延时校正量的数据帧格式。

具体实施方式

为克服现有技术的前述不足，本发明主要解决的技术问题是：(1)克服现有技术中采用粗略估计的方法估计传输延时量时误差大的缺点，提供一种传输延时测量模型及方法。通过此模型和方法，能精确测量“上传地震数据命令”从控制与处理中心传输到各个节点时所产生的信号传输延时量(同步采集误差量)。(2)针对现有技术中大量节点同步采集精度只有微秒级的问题，基于(1)中所述的传输延时测量模型，提供一种同步误差的校正方法，能将所有节点采集的同步误差完全消除，从而使采集的同步误差为0。

本发明采用的技术方案是，精确测量各个采集节点上传地震数据时间误差的方法及将这些时间误差完全消除的校正方法，包括下列步骤：

第一步是确定拖缆采集***总体方案。

拖缆采集***总体方案框图主要由拖船中的控制与处理中心1，声源2，拖缆头部连接器4，数据预处理模块5，***控制命令及同步采集主时钟下行传输链路7，数据和状态上行传输链路8，传感器9，数据节点14，尾部连接器15和尾部浮标16组成。

第二步是提出在拖缆采集***中测量信号传输延时的模型。

信号传输延时的测量模型由第1个节点19、第2个节点20、第i个节点21、……、第n个节点22等n个采集节点，控制与处理中心17，数据预处理模块18组成，如图2所示。所述数据预处理模块18主要由主时钟24，延时测量模块DMM(Delay Measurement Module)25，数据、状态接收与预处理模块26，上行信号驱动器29和下行信号驱动器30组成，如图3所示。主时钟24由一个具有高精度、高稳定度和低相位误差的温度补偿晶体压控振荡器提供。延时测量模块DMM25主要完成如下功能：(1)采用内同步的方式将主时钟信号调制到命令数据流中，并通过信号线27向各个采集节点传输；(2)测量模块DMM25发出一个用于测量传输延时的特征信号，然后记录并保存下此特征信号经过所有节点后，被回传到延时测量模块DMM25的时间；(3)完成传输延时校正过程的运算过程；(4)采用异步通信号的方法将传输延时校正量传输到各个对应的节点中；(5)实现上行信号驱动器30的使能与非使能的工作状态。数据、状态接收与预处理模块26在控制与处理中心17的控制下，实现地震数据和采集节点工作状态的接收与预处理功能。上行信号驱动器29和下行信号驱动器30由一片RS485接口芯片31组成，通过巧妙的连接，实现了只需要一对传输双绞线32就能完成信号的上行与下行分时传输的功能。

所有采集节点的内部结构及功能相同，如图4所示。节点i(node_i，i＝1，2，…，n)21主要由驱动芯片38，上行控制模块UCM_i(Uplink Control Module)41，延时校正模块DCM_i(DelayCorrection Module)42，数字锁相环PLL43，模数转换ADC电路47，驱动芯片52组成。驱动芯片38和52用于实现特征信号的下行与上行的传输。上行控制模块UCM_i(i＝1，2，…，n)41主要完成对特征信号的回传控制功能。延时校正模块DCM_i(i＝1，2，…，n)42主要完成以下功能：(1)接收同步信息和命令数据；(2)命令解码及控制；(3)延时校正量的接收及传输延时的校正。锁相环PLL43用于从命令数据流中恢复主时钟信号。模数转换ADC电路47用于将地震模拟信号转换成地震数字信号。地震数据接收与转发模块45一方面接收自身采集节点接收到的地震数据，另一方面接收下一级采集节点传送来的地震数据；然后将这些地震数据打包后传向上一个采集节点。

所述其它的节点，如第1个节点19、第2个节点20、第n个节点22和其它被省略的n-3个节点，与第i个节点21所述的结构和功能相同，这里不一一列举。

第三步是根据以上所述，确定各节点传输地震信号的时间误差的测量及校正方法。

所述拖缆采集***中不同节点之间传输地震数据的时间误差是由于“上传地震数据命令”在传输线和各节点中传输产生的。假设“上传地震数据命令”从数据预处理模块18中的延时测量模块DMM25中传出的时刻为t0，如图5所示，则由于传输延时，采集节点1接收到“上传地震数据命令”的时刻不是t₀时刻，而是t₁时刻，依此类推，采集节点n在t_n时刻接收到“上传地震数据命令”。显然，如果不对这些传输延时进行校正处理，测各个采集节点在接收到“上传地震数据命令”后，传送地震数据的时刻肯定是不一样的，即会产生多节点同步采集地震信号的时间误差。为了克服此同步采集误差，本发明提出了一种同步采集时间误差的校正方法。此校正方法的前提是需要知道信号从预处理模块出发，传输到各个节点的精确的传输延时量，所以本发明首先在上述第一步和第二步中对测量传输延时的模型进行了详细的描述，并通过本发明中所提出的传输延时测量模型，能精确测量出图5中Δt₁～Δt_n的大小。传输延时的测量过程如下：如图2中所示，首先由延时测量模块DMM25在t₀时刻发送出一个特征信号，并与此同时，启动延时测量模块DMM25中的计时器开始计时。采集节点i(i＝1，2，…，n)通过ai→di通路接收到这个特征信号后，将通过di→bi→ai通路将此特征信号传回到延时测量模块DMM25中，当延时测量模块DMM25接收到此被传回的特征信号时，记下所对应的时刻，然后通过相应的数学运算，计算出传输延时量Δt_i。说明：由于不同频率信号在双绞线上产生的传输延时变化很微小，所以本发明可认为不同频率信号在双绞线上产生的传输延时不变，由此，我们可得在双绞线上传输特征信号产生的延时与传输“上传地震数据命令”产生的延时相同，即都为Δt_i。

下面进行传输延时校正方法的阐述。由图5可知，最后一个节点接收到“上传地震数据命令”的延时Δt_n最大，各个节点上传自身地震数据的时刻不同，即存在同步采集误差；所以本发明提出了一种同步采集误差的校正方法。方法是：在每个采集节点的延时校正模块DCM中设置一个校正延时模块；当第i(i＝1，2，…，n)个节点接收到“上传地震数据命令”后，启动校正延时模块进行Δt_n-Δt_i时间量的延时，然后通过信号线44启动自身采集节点中地震数据的传送过程，如图4所示。当所有节点的传输延时量被校正后，各个采集节点上传自身地震数据的时刻都被校正到t_n时刻，即所有采集节点都在t_n时刻开始上传自身的地震数据。

经上述过程校正后，所有节点采集地震数据的时刻相同，即实现真正的同步采集。

本发明所述同步采集主时钟传输延时测量部分的优点是：(1)突破现有地震仪器采集地震信号的同步采集误差高达几百微秒的现状，本发明能将多节点采集地震信号的同步误差减小到纳秒的量级。(2)在不增加***中传输信号线的情况下，利用***中本身所具有的传输信号线32、35、53以及结合本发明中设计的特殊的传输延时测量模型，实现“上传地震数据命令”从数据预处理模块18出发，传输到所有节点的传输延时的精确测量。本发明中的延时测量方案能巧妙利用现有***的结构特点进行延时测量与校正，***的开销小，结构巧妙，实现简单。(3)采用将所有节点的传输延时对准到最后一个节点的传输延时的方法，实现了传输延时的精确校正，此方法简单易行。(4)对节点的数量没有限制，不管节点的数量有多少，运用此方法均能对所有节点的传输延时进行精确的测量与校正，从而实现***中所有节点的同步采集。

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

本发明的技术方案是，先通过延时测量模型精确测量出“上传地震数据命令”从数据预处理模块传送到各个节点的传输延时。然后通过传输延时校正方法将各个节点上传自身地震数据的时刻校正到同一时刻。

第一步是确定特征信号的信号形式，此信号被命名为Signal_g。其中Signal_g被设置成周期T_Sg为无穷大，具有20ns正脉宽的单极性矩形波信号，如图6所示。

第二步是详细叙述信号由延时测量模块DMM25传送到各个采集节点所产生的传输延时的测量过程。

在延时测量模块DMM25中设置有一个时钟周期为T_CLK的计数器CTer。延时测量模块DMM25在t₀时刻启动CTer开始计数，并同时发出Signal_g信号，信号经a0→d0→e0→a1→d1传送到第1个节点19中的延时校正模块DCM_1。延时校正模块DCM_1接收到Signal_g后，一方面将Signal_g信号沿d1→e1→a2通路传向第2个节点20，另一方面将Signal_g信号进行时长为TT的延时后，再沿d1→b1→a1→e0→c0→a0通路传回至延时测量模块DMM25。当延时测量模块DMM25检测到被第1个节点19回传的Signal_g时，保存计数器的计数值CTer_t_1。同理，延时校正模块DCM_2接收到Signal_g后，一方面将Signal_g信号沿d2→e2→a3通路传向第3个节点，另一方面将Signal_g信号进行时长为TT的延时后，再沿沿d2→b2→a2→e1→c1→b1→a1→e0→c0→a0通路传回至延时测量模块DMM25。当时测量模块DMM25检测到被第2个节点20回传的Signal_g时，保存计数器的计数值CTer_t_2。依此类推，当延时测量模块DMM25检测到被第i个节点21回传的Signal_g时，保存计数器的计数值CTer_t_i。

说明：在该延时测量模型中，当延时测量模块DMM25发送出Signal_g信号后，延时测量模块DMM25第1次接收到的Signal_g信号是经a0→d0→e0→c0→a0通路回传的，而不是被采集节点回传的，故计数器CTer不保存第1次接收到Signal_g信号时所对应的计数值。同理，上行控制模块UCM_i(i＝1，2，…，n)第1次接收到的Signal_g信号是经di→ei→ci通路回传的，而不是经下级采集节点回传的，故上行控制模块UCM_i不对第1次接收到的Signal_g信号进行回传转发，而是从第2次开始进行回传转发。为了保证Signal_g信号被延时校正模块DCM回传之前，DMM已经将Signal_g信号传送完成，所以在DCM回传Signal_g信号之前，先对Signal_g信号产生时长为TT的延时，TT可设置在500ns-lus之间。

将Signal_g信号从ai点传到di点(图2)，所产生的传输延时用t_ai→di表示；其它传输延时用同样的方法表示。假设Signal_g信号从延时测量模块DMM25中的a0点传送到第i个节点21中的di点，由信号驱动器及传输线产生的总的传输延时为T_{Di_L}，由FPGA内部逻辑产生的总的传输延时为T_{Di_T}，则：

T_{Di_L}＝t_e0→a1+t_e1→a2+t_e2→a3+…+t_e(i-1)→ai  (1)

T_{Di_T}＝t_a0→d0→e0+t_a1→d1→e1+…+t_{a(i-1)→d(i-1)→e(i-1)}+t_ai→di  (2)

假设Signal_g信号从采集节点i中的di点回传到延时测量模块DMM25中的a0点，由信号驱动器及传输线产生的总的传输延时为T_{iD_L}，由FPGA内部逻辑产生的总的传输延时为T_{iD_T}，则：

T_{iD_L}＝t_ai→e(i-1)+…+t_a3→e2+t_a2→e1+t_a1→e0  (3)

T_{iD_T}＝t_di→bi→ai+t_{e(i-1)→c(i-1)→a(i-1)}+…+t_e2→c2→a2+t_e1→c1→a1+t_e0→c0→a0+i×TT  (4)

由以上所述延时测量模型可知，Signal_g信号从a0点传送到di点，然后再从di点回传到a0点，总的传输延时T_{Totel_i}为：

T_{Totel_i}＝T_{Di_L}+T_{Di_T}+T_{iD_L}+T_{iD_T}  (5)

易知：

T_{Totel_i}＝CTer_t_i×T_CLK  (6)

由于信号传输线是同一根信号传输线，故有：

T_{Di_L}＝T_{iD_L}  (7)

由于所有采集节点的硬件和处理过程相同，故可认为：

t_a1→d1→e1＝t_a2→d2→e2＝…＝t_{a(i-1)→d(i-1)→e(i-1)}  (8)

此时(2)式写为：

T_{Di_T}＝t_a0→d0→e0+(i-1)t_a1→d1→e1+t_ai→di  (9)

同理，可得：

t_e1→c1→a1＝t_e2→c2→a2＝…＝t_{e(i-1)→c(i-1)→a(i-1)}  (10)

此时(4)式写为：

T_{iD_T}＝t_di→bi→ai+(i-1)t_e1→c1→a1+t_e0→c0→a0+i×TT  (11)

在FPGA中，通过时序仿真可得到t_a0→d0→e0、t_a1→d1→e1、t_ai→di、t_di→bi→ai、t_e1→c1→a1、t_e0→c0→a0和TT的精确值。将这些已知量代入到(9)式和(11)式中可计算出T_{Di_T}与T_{iD_T}的值，然后再结合(5)、(6)和(7)式可求得T_{Di_L}的值。用T_a0→di表示Signal_g信号从a0点传送到di点的总的传输延时，则：

$T_{a0\→\mathrm{di}}=T_{\mathrm{Di}\_L}+T_{\mathrm{Di}\_T}=\frac{\mathrm{CTer}\_t\_i\×T_{\mathrm{CLK}}+T_{\mathrm{Di}\_T}-T_{\mathrm{iD}\_T}}{2}---\left(12\right)$

即： $\mathrm{\Δ}{t}_i=\frac{\mathrm{CTer}\_t\_i\×T_{\mathrm{CLK}}+T_{\mathrm{Di}\_T}-T_{\mathrm{iD}\_T}}{2}---\left(13\right)$

同理，Signal_g信号从a0点传送到其它采集节点中的传输延时采用上述方法均能一一求出。

双绞线每米的传输延时K_tr如(14)式所示。

$K_{\mathrm{tr}}=3.35\×{10}^{-9}\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_r}---\left(14\right)$

其中，ξ_r为有效相对介电常数。随环境温度的变化时，ξ_r变化很小，所以在本发明中忽略环境温度变化对双绞线传输延时的影响。同样，由(13)式可知，双绞信号线对不同频率信号的传输延时是一样的，所以通过上述公式计算出的特征信号Signal_g的传输延时与实际的“上传地震数据命令”信号的传输延时相等。

第三步是所有采集节点传输延时的校正过程。

通过上述图5中延时校正方法可知，各个采集节点的延时校正量T_i为：

$T_i=\mathrm{\Δ}{t}_n-\mathrm{\Δ}{t}_i=t_n-t=\frac{(\mathrm{CTer}\_t\_n-\mathrm{CTer}\_t\_i)}{2}---\left(15\right)$

延时测量模块DMM25通过(15)式，计算出各个节点的延时时间校正量T_i。假设节点i的节点地址为address_i(i＝1，2，…)，则延时测量模块DMM25采用点对点的异步通信方式以图7中的数据帧结构64将各个节点的延时校正量T_i传送到各个对应节点地址的采集节点中。

当每个采集节点接收到延时校正量T_i后，将其保存在节点中。在每个采集节点的延时校正模块DCM中设置一个校正延时模块；当第i(i＝1，2，…，n)个节点接收到“上传地震数据命令”后，启动校正延时模块进行Δt_n-Δt_i时间量的延时，然后通过信号线44启动自身采集节点中地震数据的传送过程，如图4所示。当所有节点的传输延时量被校正后，各个采集节点上传自身地震数据的时刻都被校正到t_n时刻，即所有采集节点都在t_n时刻开始上传自身的地震数据，而达到多传感器的精度同步采集的目标。

对***的供电进行说明：***中所有的电源模块均未体现在图中，但所有需要供电的模块都采用相应的电源模块进行供电，以使其能获得工作时所需要的能量。

Claims (2)

1.一种多节点同步采集时间误差的精确测量和校正装置，应用于拖缆采集***，拖缆采集***主要包括控制与处理中心、数据预处理模块、采集节点，控制与处理中心产生主时钟，其特征是，所述装置构成为延时测量模块DMM、延时校正模块DCM_i，i＝1，2，…，n，表示第i个采集节点，延时测量模块DMM设置在数据预处理模块中，延时校正模块DCM_i设置在相应的第i个采集节点中：

延时测量模块DMM用于：(1)采用内同步的方式将主时钟信号调制到命令数据流中，并通过信号线向各个采集节点传输；(2)测量模块DMM发出一个用于测量传输延时的特征信号，然后记录并保存下此特征信号经过所有采集节点后，被回传到延时测量模块DMM的时间；(3)完成传输延时校正量的运算过程；(4)采用异步通信的方式将传输延时校正量传输到各个对应的节点中；(5)实现上行信号驱动器的使能与非使能的工作状态；

延时校正模块DCM_i主要完成以下功能：(1)接收同步信息和命令数据；(2)命令解码及控制；(3)延时校正量的接收及传输延时的校正。

延时测量模块DMM中设置有定时器、计算模块，首先由延时测量模块DMM在t₀时刻发送出一个特征信号，并与此同时，启动延时测量模块DMM中的计时器开始计时，采集节点i，i＝1，2，…，n，接收到这个特征信号后，将此特征信号传回到延时测量模块DMM中，当延时测量模块DMM接收到此被传回的特征信号时，记下所对应的时刻，然后通过计算模块进行相应的数学运算，计算出传输延时量Δt_i。

延时校正模块DCM_i，当第i个节点接收到上传地震数据命令后，i＝1，2，…，n，启动延时校正模块DCM_i进行Δt_n-Δt_i时间量的延时，然后通过信号线启动自身采集节点中地震数据的传送过程，最后一个节点接收到上传地震数据命令的延时为Δt_n，Δt_i表示从延时测量模块DMM发出特征信号到此特征信号被传回至延时测量模块DMM所产生的传输延时量。

2.一种多节点同步采集时间误差的精确测量和校正方法，其特征是，借助于权1所述装置实现，并包括下列步骤：

第一步是确定特征信号的信号形式：信号被命名为Signal_g，其中Signal_g被设置成周期T_Sg为无穷大，具有20ns正脉宽的单极性矩形波信号；

第二步是详细叙述信号由延时测量模块DMM传送到各个采集节点所产生的传输延时的测量过程：

在延时测量模块DMM中设置有一个时钟周期为T_CLK的计数器CTer，延时测量模块DMM在t₀时刻启动CTer开始计数，并同时发出Signal_g信号，延时校正模块DCM_1接收到Signal_g后，一方面将Signal_g信号传向第2个节点，另一方面将Signal_g信号进行时长为TT的延时后，传回至延时测量模块DMM，当延时测量模块DMM检测到被第1个节点回传的Signal_g时，保存计数器的计数值CTer_t_1；依此类推，当延时测量模块DMM检测到被第i个节点回传的Signal_g时，保存计数器的计数值CTer_t_i；假设Signal_g信号从延时测量模块DMM传送到第i个节点由FPGA内部逻辑产生的总的传输延时为T_{Di_T}，且假设Signal_g信号从第i个节点回传到延时测量模块DMM中由FPGA内部逻辑产生的总的传输延时为T_{iD_T}，则Signal_g信号从延时测量模块DMM传送到第i个节点传输延时为：

$\mathrm{\Δ}{t}_i=\frac{\mathrm{CTer}\_t\_i\×T_{\mathrm{CLK}}+T_{\mathrm{Di}\_T}-T_{\mathrm{iD}\_T}}{2};$

第三步是所有采集节点传输延时的校正过程：

通过上述延时校正方法可知，各个采集节点的延时校正量T_i为：

$T_i=\mathrm{\Δ}{t}_n-\mathrm{\Δ}{t}_i=t_n-t=\frac{(\mathrm{CTer}\_t\_n-\mathrm{CTer}\_t\_i)}{2}$

延时测量模块DMM通过上式，计算出各个节点的延时时间校正量T_i，假设节点i的节点地址为address_i，i＝1，2，…，则延时测量模块DMM采用点对点的异步通信方式将各个节点的延时校正量T_i传送到各个对应节点地址的采集节点中。

Images