周凱波，莫德欠，陳寰，劉頡，曹攀輝

（1．華中科技大學自動化學院，湖北 武漢430074；2．華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢430074；3．圖像信息處理與智能控制教育部重點實驗室，湖北 武漢430074）

0 引 言

井間電磁成像測井將發(fā)射機置于一口井中向地層發(fā)射電磁波（頻率5Hz～1kHz），將接收機置于另一口井中接收經(jīng)過地層傳播過來的電磁波，通過對接收數(shù)據(jù)進行反演得到反映井間油氣分布的電阻率成像，實現(xiàn)對井間地層結構的描述，是探測井間地層信息最直接的測井方式［1］。井間電磁成像測井系統(tǒng)在測量技術上的優(yōu)越性，其測量結果與其他地球物理系統(tǒng)相比，精度和分辨地層的能力較高，具有較大的應用前景［2－4］。

井間電磁成像測井儀接收信號與發(fā)射信號的相位差與地層電導率密切相關。為了精確測量接收與發(fā)射信號相位差，需要保證收發(fā)同步。20世紀90年代EMI公司推出了井間電磁成像測井儀XBH 2000，其收發(fā)同步是通過電纜把發(fā)射機和接收機相連實現(xiàn)的［5］。隨著井間距的增加，同步精度會受到影響，需要提出一種較少受到井間距影響的收發(fā)同步方法。Schlumberger公司推出的DeepLook－EM井間電磁成像測井儀使用GPS進行收發(fā)同步，其接收機與發(fā)射機同步精度為3μs［1］。GPS發(fā)布系統(tǒng)可以使精確時間在不同設備之間進行時間同步。GPS同步在電力系統(tǒng)［6］、同步數(shù)據(jù)采集［7］、電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測［8］等場合有廣泛應用。傳統(tǒng)的應用場合是在可以直接接收到GPS信號的地面，但是測井儀器處在離地面幾千米的井下，直接在井下使用GPS并不可行。時間同步的方法有應用于計算機網(wǎng)絡中的NTP［9］、IEEE 1588協(xié)議［10］。本文在2種時間同步方法的基礎上提出了一種應用于井間電磁成像測井儀的基于GPS的收發(fā)同步方法，在井下發(fā)射機和接收機內(nèi)實現(xiàn)實時時鐘系統(tǒng)，參考GPS提供的精確時間，采用一定同步方法，對井下接收機和發(fā)射機時間系統(tǒng)進行同步授時，進而實現(xiàn)井下發(fā)射與接收系統(tǒng)的時間同步。在井下接收與發(fā)射系統(tǒng)時間同步的條件下，可以在一個確定的時間點同步觸發(fā)發(fā)射機發(fā)射信號和接收機接收信號，實現(xiàn)收發(fā)同步。

1 基于GPS的收發(fā)同步方法

1．1 同步系統(tǒng)總體框架設計

系統(tǒng)總體框架設計如圖1所示，主要由2套GPS接收機、地面發(fā)射和接收控制臺、井下發(fā)射和接收控制器構成，在地面和井下實現(xiàn)時鐘模塊。地面時鐘模塊能在GPS失鎖的情況下保證地面時間系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

同步系統(tǒng)的GPS接收機采用Trimble導航公司的Resolution T授時型GPS接收機。Resolution T接收機提供的高精度1PPS與UTC同步誤差小于15ns（1σ）。地面控制臺和井下儀器系統(tǒng)使用DSP作為控制器，采用ADI公司的ADSP－BF506F。地面系統(tǒng)和井下系統(tǒng)的時鐘模塊在DSP內(nèi)實現(xiàn)，采用其片內(nèi)32bit定時器，外接高精度高穩(wěn)定的10MHz晶振。地面系統(tǒng)和井下通訊使用RS－485總線（波特率為38400bit／s）。

1．2 傳輸時延測量

圖1 同步系統(tǒng)總體框架圖

地面控制臺與井下部分相隔幾千米，上下通訊有較大傳輸時延；地面系統(tǒng)與井下數(shù)據(jù)傳輸時底層硬件在進行數(shù)據(jù)交換時也存在不確定時延［11－13］。地面系統(tǒng)對井下系統(tǒng)精確時間校準的關鍵在于測量出這個總時延。地面系統(tǒng)通過地面到井下通訊總線向井下系統(tǒng)發(fā)送時間數(shù)據(jù)包，井下系統(tǒng)接收到時間數(shù)據(jù)包后，加上本地時間值后返回時間數(shù)據(jù)包。這個時間數(shù)據(jù)包包含了發(fā)送時刻和接收時刻，通過這個時間數(shù)據(jù)包確定一路時延。時間數(shù)據(jù)包發(fā)送過程見圖2。

圖2 改進的NTP協(xié)議過程

圖2所示，地面系統(tǒng)發(fā)送的時間數(shù)據(jù)包的時刻是T1，井下系統(tǒng)接收到的時刻是T2。返回時間數(shù)據(jù)包時刻是T3，地面系統(tǒng)接收到返回時間數(shù)據(jù)包的時刻是T4。根據(jù)這4個時刻值得出一路時延Tdelay

當?shù)孛姘l(fā)射控制平臺準備同步地面系統(tǒng)與井下時鐘時，地面系統(tǒng)在某個時間點T發(fā)送同步數(shù)據(jù)包命令（包含同步時間值Td）給井下控制器，對其進行時間校準

井下系統(tǒng)接收到這個同步數(shù)據(jù)包后，修改本地時間為Td，即可實現(xiàn)地面與井下的時間同步，即實現(xiàn)了與UTC時間的同步。為了得到更加準確的時延，重復進行上述過程，多次測量取平均值；接收部分和發(fā)射部分的同步過程相同；接收部分和發(fā)射部分與其地面系統(tǒng)的時間同步，即都與GPS時間同步，最后可實現(xiàn)發(fā)射和接收的同步。

2 接收與發(fā)射同步過程

2．1 GPS時間解碼

GPS接收機（Resolution T）每1s輸出1個占空比為1／1000的秒脈沖，即1脈沖／s。隨后通過串口，以波特率9600bit／s的速率按照Trimble標準接口協(xié)議（Trimble Standard Interface Protocol，TSIP）輸出包含有秒脈沖上升沿對應時刻的時間數(shù)據(jù)包［14］；地面系統(tǒng)需及時接收GPS時間數(shù)據(jù)包并解析出所需的時間信息。

2．2 地面對井下系統(tǒng)控制策略

首先地面控制臺及時解碼GPS提供的時間信息，校準其實時時鐘模塊。采用8個字節(jié)記錄時間值，高4個字節(jié)記秒值，低4個字節(jié)記錄秒以下時間值。高4個字節(jié)由GPS接收機提供，因為其只能提供秒以上時間值。秒以下的刻度值由高精度的10MHz晶振計數(shù)得到。在得到GPS提供的精確時間信息后，地面控制臺將包含發(fā)送時刻的精確時間的時間數(shù)據(jù)包通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給井下儀器系統(tǒng)。隨后井下儀器系統(tǒng)加上接收和反饋時刻精確時間的包含3個時刻的精確時間信息的時間數(shù)據(jù)包反饋給地面控制臺，地面控制臺記錄下接收時刻時間值，計算出發(fā)送接收回路的時延Tdelay，重復多次取平均值。經(jīng)過多次測量取平均可以得到相對準確的傳輸時延Tdelay，提高校時精度。最后地面控制臺發(fā)送同步數(shù)據(jù)包給井下儀器系統(tǒng)，發(fā)送時刻選在整秒時刻前的Tdelay時刻點，井下儀器系統(tǒng)接收到同步數(shù)據(jù)包后，重啟定時器，修改秒計數(shù)值。

3 實驗結果與結論

井下接收與發(fā)射系統(tǒng)輸出1個占空比為50%、周期為1Hz的秒脈沖。對比2個方波的上升時延差即可知接收與發(fā)射的時間差。對比GPS的秒脈沖，即可知井下時鐘與地面系統(tǒng)的時間差。這僅僅是確定了秒以下同步誤差，秒以上的誤差通過上位機讀取井下儀器系統(tǒng)反饋的時間數(shù)據(jù)包確定（經(jīng)過反復測量，秒以上不存在誤差，即同步誤差在秒以下）。時延結果可以通過Analog DSP開發(fā)環(huán)境VisualDSP＋＋5．0從DSP讀取。1脈沖／s、井下接收與發(fā)射系統(tǒng)輸出的方波波形以及接收與發(fā)射同步誤差由安捷倫MSO7014A示波器測量得到。

3．1 地面與井下時延測量結果

接收部分測量100次得到的時延（發(fā)射部分結果與其類似），時延Tdelay在一定范圍內(nèi)有一定波動，偏差較小。經(jīng)過統(tǒng)計得到表1。

表1 時延測量結果（使用RS－485總線）

偏差值的刻度以10MHz晶振為標準，1個刻度對應0．1μs；使用 RS－485總線時偏差在0～0．1μs波動。

3．2 收發(fā)同步結果

圖3所示是同步前GPS的秒脈沖和井下發(fā)射與接收系統(tǒng)產(chǎn)生的1Hz方波的對比圖（采樣率125kHz）；圖4是在采樣率為2GHz的條件下測得的同步后1脈沖／s和井下系統(tǒng)輸出方波的對比圖。

圖3 同步前1脈沖／s和井下發(fā)射與接收系統(tǒng)輸出方波的對比圖

圖4 同步后1脈沖／s和井下發(fā)射與接收系統(tǒng)輸出方波的對比圖

通過示波器MSO7014A上升時間差測量功能測量2個方波的上升時間差Δ（發(fā)射－接收）（負值表示發(fā)射方波超前接收方波，正值表示發(fā)射方波滯后接收方波）。表2是長時間連續(xù)測量同步誤差得到的結果（每秒測量1次）。

表2 同步誤差測量結果（使用RS－485總線）

由表2可知，經(jīng)過同步后，井下接收與發(fā)射時間誤差小于400ns。同步誤差為400ns時，對于1kHz的信號其相位誤差是0．144°；對于5Hz的信號其相位誤差為0．00072°。對于5Hz～1kHz的信號最大可以達到0．144°的相位測量精度。

4 結 論

（1）對井間電磁成像測井儀收發(fā)同步進行了研究；提出基于GPS的收發(fā)同步方法；給出了相應的實驗驗證模型平臺，進行了詳細的實驗驗證。

（2）當?shù)孛婺M系統(tǒng)和井下儀器模擬系統(tǒng)使用RS－485總線進行數(shù)據(jù)通訊時，對收發(fā)同步誤差進行了測定，實驗結果表明同步誤差小于400ns，在測井儀的信號帶寬內(nèi)（5Hz～1kHz）最大可達0．144°的相位測量精度。

［1］De Pavia L，Zhang P，Alumbaugh D，et al．Next－generation Crosswell EM Imaging Tool［C］∥SPE 116344，2008．

［2］郭紅旗，臧德福，王群力，等．XBH2000井間電磁成像測井系統(tǒng)［J］．石油儀器，2002，16（3）：25－27．

［3］曾文沖，陳序三，趙文杰．井間電磁成像測井的應用研究與現(xiàn)場試驗［J］．測井技術，2000，24（5）：355－367．

［4］曾文沖，趙文杰，臧德福．井間電磁成像系統(tǒng)應用研究［J］．地球物理學報，2001，44（3）：411－422．

［5］Wilt M J，Alumbaugh D L．Crosswell Electromagnetic Tomography：System Design Considerations and Field Results［J］，Geophysics，1995，60（3）：871－885．

［6］鄒紅艷．電力系統(tǒng)GPS同步授時裝置設計及綜合校時方案研究［D］．南京：東南大學，2005．

［7］張承學，龔慶武，胡志堅，等．基于GPS同步采樣裝置的研制及其應用［J］．電力系統(tǒng)自動化，2000，10：49－52．

［8］張鵬，王少榮，程時杰．電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)GPS同步時鐘的穩(wěn)定性研究［J］．繼電器，2004，23：18－22．

［9］沈燕芬．用于網(wǎng)絡時間同步的NTP協(xié)議［J］．現(xiàn)代計算機：專業(yè)版，2004，04：54－56．

［10］于鵬飛，喻強，鄧輝，等．IEEE 1588精確時間同步協(xié)議的應用方案［J］．電力系統(tǒng)自動化，2009，13：99－103．

［11］Sivrikaya F，Yener B．Time Synchronization in Sensor Networks：A Survey［J］．IEEE Network，2004，18（4）：45－50．

［12］Sundararaman B，Buy U，Kshemkalyani AD．Clock Synchronization for Wireless Sensor Networks：A Survey［J］．Ad Hoc Networks，2005，3（3）：281－323．

［13］Ranganathan P，Nygard K．Time Synchronization in Wireless Sensor Networks：A Survey［J］．International Journal of UbiComp，2010，1（2）：92－102．

［14］Resolution T System Designer Reference Manual［Z］．Trimble Navigation Inc．，2005．