基于WR协议的有线地震仪时间同步系统及方法与流程

本发明属于城市地下空间探测技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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，本发明的有益效果在于：

本发明基于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发明作进一步说明：

如图9所示，本发明基于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，两端从地震仪汇集过来的数据并入交叉站中，由于电缆传输大量数据的可靠性太差，交叉站通过光纤将数据高速传输回主机，至此，地震主机便可以从交叉站获取采集站的连接信息，启动交叉站和采集站ip转发功能，地震仪主机便可以基于tcp/ip协议进行数据传输了。通常，野外工程作业中采用udp协议进行控制命令的交互，采用ftp协议从采集站获取采集的地震数据。主机首先与交叉站进行建排，主机按照顺序为各个交叉站分配ip地址，并建立相应的路由表，路由表建立完成以后，就可以知道地震仪的位置，当地震仪出现故障或者电源没有电之后，就可以对地震仪进行快速的维护或者更换电源。本申请的最大创新点是利用wr技术，通过各个模块的配合，将系统的时间同步精度相比使用ieee1588v2协议大大提高了。

所述地震仪由arm嵌入式模块、采集单元、sdram、mini-wr模块和以太网卡等组成。其地震仪系统控制板结构图连接图如图10所示。该系统以arm内核控制器stm32f429vg为核心处理器，256msdram用于系统内存，max-10用来扩展stm32f429vg的接口来接收八通道的数据和对采集板的芯片进行复位、开启等控制，两个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。

mini-wr模块是用来实现wr协议的关键模块，里面集成了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。

wr技术中的时间同步包含两层意义，一是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，二是利用ptp技术与ddmtd技术相结合实现亚纳秒的时间同步。

whiterabbi时钟同步技术是cern和gsi基于同步以太网、精密定时协议(ieee1588v2)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。

ieee1588v2精密时钟协议ptpv2的同步机制具体为：

与专用时钟同步系统不同，ptpv2的定时链路与系统的数据链路复用，避免了为定时功能增加额外通讯链路的开销。ptpv2定义了一种主从结构的时钟同步网络，即所有从节点的本地时钟需要与其参考的主节点时钟同步。这种点对点的时钟同步通过交换带有时间戳的网络包实现，如图1所示：

(1)在t1时刻，主节点发送sync报文至从节点，从节点接收到sync报的时刻，即t2；

(2)主节点将时间戳t1嵌入follow_up报文中，并发送至从节点；

(3)从节点发送delay_req报文至从节点，并记录发送的时刻t3；

(4)主节点记录接收到delay_req报文的时刻t4，并将其嵌入至delay_resp报文中，然后发送给从节点。

从节点根据四个时间戳计算出链路传输延时和主从时钟的偏差后，对本地时钟进行相应的补偿。如果主从往返链路完全对称，主节点到从节点的传输延时为：

主从时钟的偏差为：

同步以太网的适用性，具体如下所述：

同步以太网技术在wr技术中扮演的是将时钟源的频率发布到整个wr网络的角色。利用成熟的同步以太网技术通过低成本电缆或光纤传输时钟和数据是wr技术的一大特点。与传统的以太网不同，同步以太网中每一个节点的时钟都是经过节点内部的pll消除抖动后恢复出来的主端点的时钟，网络中节点时钟具有±10^-11的长期稳定度。wr技术的优势是，它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。图2展示了传统的以太网与同步以太网的区别。

全数字双频频鉴相器的作用是：

whiterabbit采用了一种全数字双混频鉴相器，其工作原理如图3所示：利用外部锁相环产生一个辅助时钟信号，该信号频率与被测信号(clka和clkb)的频率存在微小的差别(fpll＝n/(n+1)fclk)。在fpga内部使用该辅助时钟信号分别对clka和clkb进行采样。由于采样频率非常接近被测信号的频率，所以d触发器会输出一个非常低频的信号。被测信号的相位差在混频之后被放大了，因此通过测量触发器输出信号的相位差可以计算出原信号的相位差：

其中，phasedmtd为混频信号的相位差。由上式可知，被测相位差的时间分辨被提高了n+1倍。在whiterabbit中，n为16384，phasedmtd是通过125mhz时钟驱动的计数器测量的，因此ddmtd的时间分辨为0.5ps(8ns/16384)。由于被测信号和采样信号存在抖动，且当n值较大时采样过程出现亚稳态的概率也会增加，因此d触发器输出信号的边沿会存在毛刺，whiterabbit采用bitvaluemedian的算法找到最佳的时钟沿。

该基于whiterabbit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：

建立全局时钟参考源，主机外接时钟参考源，例如gps和原子钟。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，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。

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。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。

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)。

whiterabbit主从节点的同步链路如图1所示，往返链路的总延时由三部分构成，具体为：

主从节点收发电路的硬件延时(δtxm，δrxm，δtxs，δrxs)，包括fpga内部逻辑的确定性延时、fpga内部走线延时、pcb走线延时、高速串行收发器以及光纤收发器的延时，这部分延时可以认为是相对固定的；

比特位滑动(bitslide)延时(εm，εs)，这是由于串并转换电路在进行字对齐操作时引起的比特位滑动，这部分延时在光纤链路建立连接后保持不变，可以在每一次链路建立后通过bitslide状态机自动获取；

光纤链路传输延时(δms，δsm)，这部分延时对温度波动非常敏感，需要实时刻度并补偿。

whiterabbit往返链路的总延时可以表示为：

dealymm＝δms+δsm+δ+εm+εs

其中δ＝δtxm+δrxs+δtxs+δrxm

whiterabbit使用ptpv2的包交换机制实时刻度链路传输延时的变化，在该过程中的各部分时钟的关系如图4所示。主节点以参考时钟(1)编码数据并发送至从节点，记录发送时间戳t1；从节点从数据流中恢复出时钟(2)后，利用锁相环技术完成本地时钟(3)与恢复时钟的相位锁定(频率同步)，并记录接收时间戳t2；从节点使用本地时钟(3编码数据并发送至主节点，记录发送时间戳t3；主节点从数据流中恢复出时钟(4)，记录接收时间戳t4。

时间戳t1、t4以及t2、t3分别来自主从节点的本地时钟驱动的一个计时器，时钟频率为125mhz，时间戳分辨率为8ns。

接收包的到达时刻与从接收数据流中恢复的时钟是同步的，但是相对于接收方的本地时钟而言却是异步的，因此需要对接收时间戳t2和t4进行校正，t2校正值为phases,,t4校正值为phasem,phasem和phases分别为主从节点的数据恢复时钟与本地时钟的相位差。得益于物理层时钟分布技术，接收时钟与本地时钟频率相同，因此phasem和phases的测量可以由主从两端的鉴相器完成，其精度要远好于时间间隔测量技术。

校正后的时间为：

t2p＝t2-phases

t4p＝t4-phasem

往返链路总延时为：

dealymm＝dealyms+dealysm＝t4p-t3+t2p-t1

往返光纤链路的延时为：

δms+δsm＝dealymm-(εm+εs+δ)

为了精确计算光纤链路的单向延时，需要考虑光纤链路的不对称性。whiterabbit使用一根单模光纤连接主从节点，采用波分复用技术实现全双工通信，主节点发出的光的波长为1490nm，从节点发出的光的波长为1310nm。使用波分复用技术可以节约成本，但是更重要的在于单根光纤里的往返链路长度完全一致，延时不对称性完全由不同波长的光在光纤中的折射率决定。

whiterabbit定义了光纤非对称系数α，其表达式为：

n1490和n1310为两种波长的光纤折射率，由于不同厂家生产的光纤的折射率略有差别，导致由公式计算出的α值并不准确，需要在实验室提前对光纤的非对称系数进行标定。由光纤的非对称性可以计算出主从链路的单向总延时为：

dealyms＝δms+δtxm+δrxs+εs

＝(1+α)(dealymm-(εm+εs+δ))/(2+α)+δtxm+δrxs+εs

结合公式可知主从时钟的偏差为：

offsetms＝t1-t2p+(1+α)(dealymm-(εm+εs+δ))/(2+α)+δtxm+δrxs+εs

从节点时钟偏差的调整可以分为三个步骤，如图5所示。

tai时间校正：offsetms中整秒的偏差通过校正国际原子时计时器完成；

corrtai＝[offsetms/1s]

时钟周期计数器校正：调整计数器补偿整数倍周期(8ns)的偏差；

corrcnt＝[(offsetms-corrtai)/8ns]

相位调整：小于一个周期的偏差由从节点的锁相环进行相位调整。

corrphase＝offsetms-[offsetms]

这样，就完成了主从时钟的亚纳秒级同步，由于温度等环境因素的影响，offsetms会随着时间发生变化，因此需要定期测量主从节点的时间偏差的变化，并且将其补偿到当前的相位上。

corrphase＝offsetms-offsetms_previous

当地震仪节点(wr节点)开启后，地震仪节点通过八个单分量的检波器对地震信号进行拾取采集，采集数据经过多个级联的交叉站高速传回主机，可以在多个交叉站中进行有线的多跳，避免了一般串联式的有线地震仪因为线断裂而造成传输数据失败的问题，大大提高了野外施工的效率。

最终数据汇集到主机，即为数据监管中心。它由基础设施层、信息资源层、应用支撑层、应用层和支撑体系五大部分构成，基础设施层可以支持整个系统的底层支撑，包括机房、主机、存储、网络通信环境、各种硬件和系统软件；信息资源层包括数据中心的所有数据、数据库、负责整个数据中心数据信息的存储和规划，涵盖了信息资源层的规划和数据流程的定义，为数据中心提供统一的数据交换平台；应用支撑层构建应用层所需要的各种组件，是基于组件化设计思想和重用的要求提出并设计的，也包括采购的第三方组件；应用层是指为数据中心定制开发的应用系统，它包括地震采集节点呼叫、地震数据实时处理、数据服务类应用和网络管理运维类应用；支撑体系包括标准规范体系、运维管理体系、安全保障体系和容灾备份体系。安全保障体系侧重于数据中心的立体安全防护，容灾备份体系专注于数据中心的数据和灾难恢复。所述数据中心监管系统，在现场提供的ups电源下可以不间断地工作，保证了市电断电时候的系统设备的正常运行，不因断电而导致的系统瘫痪；还采用了双机冗余设计机制，在现场中心架设两台相同配置的服务器，确保主服务器故障时，备份服务器能够无中断地自动接替主服务器的全部工作；系统还采用了先进的多线程轮询技术，根据所监测设备的多少来自动分配线程，实现负载均衡，并采用实时数据库技术，可实时处理和采集站节点回传的数据。

wr协议相对于ieee1588v2协议，具有高带宽和超高时间同步精度，并且它避免了同步报文和额外通讯链路的使用，有效解决了由于地震勘探统长时间高效持续采集所造成各节点间时钟漂移和通讯延时等问题。针对上述wr协议和ieee1588v2协议对比的基础上，采用不同的仿真场景。分别对一个地震采集节点和多个地震采集进行对比分析，用来对比改进后协议的性能。

通过gei438建立ieee1588v2的测试环境，地震仪系统上电以后，运行上位机程序实现系统建排。为满足测网中所有地震仪都能与主机实现双向数据传递，实验通过终端手动添加了实验地震仪的路由表。地震仪网络建立成功后，即可实现地震仪的网络同步测试。

将地震仪通过2m光纤与wr交换机进行连接，wr交换机同步2m光纤和主机相连。whiterabbit交换机的级联会降低同步精度。

第一次实验，主机通过连接wr交换机对wr节点进行测量。主机通过连接串联的两个地震仪进行测量时间精度。具体结果如图7所示。

第二次实验，实验分别连接5、10、15、20、25、30、35、40、45、50台地震仪节点进行对比和分析。

通过对比仿真实验结果，可以得出wr协议相对于ieee1588v2协议大大提升了有线网络同步精度，并且解决了地震勘探统长时间高效持续采集带来的各节点间时钟漂移和通讯延时所造成的时间同步精度大大降低的难题。

本发明具有以下优势：

1、将wr技术应用到浅层三维地震仪中，该技术具有长距离(<10km)、多节点(>1000)和高精度(<1ns)的巨大优势。

2、whiterabbit采用同步以太网技术实现多地震仪的频率分布，利用ieee1588v2精密定时协议实现时间的同步，并利用全数字双混频鉴相器进一步提高同步精度至亚纳秒级。

3、在同步以太网中，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)

4、ieee1588v2中，ptpv2的定时链路与系统的数据链路复用，避免了为定时功能增加额外通讯链路的开销。ptpv2定义了一种主从结构的时钟同步网络，即所有从节点的本地时钟需要与其参考的主节点时钟同步。。

5、由于ptpv2技术在千兆以太网中固有局限性，即报文时间戳的最小间隔为8ns的限制，使得精度受到限制。wr技术中引入了全数字双混频鉴相技术，使得同步精度提升至皮秒量级。全数字双混频鉴相模块可以将主从端的时钟相位差线性放大，从而提高测量的精度。