分布式地震數據采集器的高精度時間同步系統研制＊

李彩華滕云田，周健超胡星星王喜珍李小軍王玉石

1） 中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所

2） 中國北京 100124 北京工業大學城市建設學部

引言

時間同步技術是多種行業的基礎支撐技術，它所提供的高精度同步時間是科學實驗和工程技術等方面的基本物理量.隨著高精度同步授時在各個行業的需求愈加廣泛，科研、生產和生活中時間的同步性和穩定性也越來越重要，例如電力網的時間精確和統一就是電力系統自動化和安全運行的要素之一，時分同步碼分多址（time division-synchronous code division multiple access，縮寫為TD-SCDMA）等通訊網絡系統一般需要微秒級的時間同步，準確統一的時間也是利用各類地震觀測系統進行地震科學研究的前提.因此，自主研究簡單實用高精度的同步授時系統并將其應用于各類科研、生產、生活中具有重要意義，特別是對于地震研究而言，在各類地震動觀測臺陣、強震動觀測臺陣及邊坡滑坡震動監測系統的建設與長期運行中，獲取更高質量的同步地震動監測數據，對我國地震監測預報和地球科學研究等都非常重要.

地震動監測系統對系統內儀器的時間同步都具有一定的精度要求，其中小孔徑地震臺陣和密集臺陣等對地震儀器時間同步的精度要求更高.小孔徑地震臺陣是在與所觀測地震波波長相當的孔徑范圍內有規則排列的一組地震計，采用獨特的地震數據處理方法對這些地震計的輸出信號進行各種組合分析.將各子臺的數據時間對齊后進行抑制地面噪聲、壓低干擾背景、提高信噪比等方面的處理，從而提升地震監測能力，實現提取更微弱地震信號的目的.故臺陣內各地震計時間同步誤差將極大地影響微弱信號的提取效果.Meng等（2014）提出了利用近斷層密集臺陣波束形成技術反演震源方位角的方法來實時估測震源的破裂長度，用美國的UPSAR強震動臺陣記錄對多次地震進行破裂長度的估測，取得了較好的結果.該方法需要小孔徑地震臺陣提供精確的走時，但我國現有的一些強震動觀測臺陣中各觀測子臺的觀測儀器均為獨立授時，各子臺記錄可能存在時鐘同步誤差問題，因此對密集臺陣中臺站之間的時間延遲及其精度的確定有一定影響（劉辰等，2018）.此外，水庫大壩等地震動監測系統的地震動監測儀器安裝于密閉廊道內，不具備使用傳統的全球定位系統和北斗衛星導航系統（Global Positioning System/BeiDou Navigation Satellite System，縮寫為 GPS/BDS）授時設備的條件，因此水庫大壩、水電站等結構設施的地震動監測系統也需要一種更實用的授時系統.鑒于上述情況，本文擬提出一種基于實時光纖通信的多通道同步授時系統，以期解決各類分布式地震數據采集系統的高精度同步授時問題.

1 傳統時間同步授時技術

目前各類地震觀測儀器及地震動觀測臺陣常用的時間同步技術主要有短波（長波）授時技術、衛星授時技術、網絡授時技術和 IRIG-B （Inter-Range Instrumentation Group-B）碼授時技術等，其中短波（長波）授時技術是利用不同波長信號通信實現地震動觀測臺陣中多個觀測設備時間同步的方法，該種方法授時簡單但授時精度有限，短波授時精度一般為毫秒級，長波授時精度為微秒級，一般僅用于野外特殊場地的部分觀測設備.多數地震動觀測臺陣采用GPS/BDS衛星授時技術的地震觀測設備，其內配置GPS/BDS接收模塊，當GPS/BDS衛星天線接收到足夠多的空間衛星信號后（王向軍等，2016；郭長發，2018），地震觀測設備就能夠獲取到準確而無累積誤差的高精度時間，進而實現同一區域的多臺地震觀測設備的時間同步.

網絡時間同步授時技術是基于網絡傳輸的一種授時技術，如基于網絡時間協議（network time protocol，縮寫為 NTP）、簡單網絡時間協議（simple network time protocol，縮寫為 SNTP）、網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準等標準或協議的授時技術（魏豐，孫文杰，2009；彭棟，郭偉，2018）.網絡時間協議是通過NTP協議和時間源進行時間校準，根據服務器與客戶端往返報文來確定兩者之間的時鐘差值和報文在網路傳輸中的延遲向網絡內的其他客戶端提供精準時間服務.這種技術是可以跨越廣域網、局域網的復雜時間協議，通?？梢垣@得毫秒級的同步精度.網絡授時技術也可以用硬件輔助解決網絡協議棧和以太網中交換器、路由器產生的時延穩定問題（馬紅皎等，2014；翟學明等，2016），用支持網絡協議的硬件芯片在以太網口的物理層設計實時時鐘、打時間戳，從而將時延降低到極小的數量級（小于1 μs）.

雖有如上多種同步授時方法，但部分地震觀測設備所處地理位置特殊，無法架設GPS/BDS接收天線，且其它授時方法的授時精度無法達到高精度同步地震觀測的需求，因此本文將提出以基于光纖通信的多通道同步授時技術實現多通道分布式地震數據采集系統的高精度同步授時，并將其應用于小孔徑地震臺陣監測系統的授時.

2 高精度同步授時技術原理

2.1 光信號傳輸延時測量原理

光信號在光纖中傳播的速度約為2×108m/s，長度為l（單位為m），光纖中單程光信號傳播的時間為t＝l/（2×108） s.若光信號從光纖初始端發送并在光纖中勻速傳播，該光信號到達光纖接收端即刻沿光纖原路返回至光纖初始端，那么在此傳播過程中，光信號所需的傳輸時間為t＝2l/（2×108） s.當所使用的光纖長度固定時，光信號在該段光纖中的傳播時間即可確定，因此可以設計高精度時間測量電路來測量該傳輸時間.若一種設備的光信號發送端的發送時間可控、光信號接收端識別與返回電路的時間可控，則可以精確地測量光信號在不同長度光纖中的傳輸時間，并可以利用延時測量的時間值對授時操作進行時間校正，所以基于此原理設計一種多通道時間同步授時系統來實現分布式地震數據采集設備的高精度遠距離同步授時是可行的.

2.2 高精度同步授時校正原理

通過研究授時秒脈沖發送和接收時間測量方法、納秒級定時器設計方法、授時秒脈沖及對應時間數據的編譯與解析方法，設計一套高精度時間同步授時系統，具體步驟如下：① 通過高速可編程電路設計時間測量模塊，實時測量授時秒脈沖的發送時間與返回時間，計算出該授時通道的授時秒脈沖全路徑時間的延遲值（圖1a）；② 以內部高精度高頻時鐘信號為源，用硬件邏輯編程設計納秒級精度的定時器，并在下一個授時秒脈沖到達前提前tas 完成延遲校正的秒脈沖發送（圖1b），從而達到補償該授時通道的系統延時及光纖傳輸線路延時的目的；③ 圖1a中td為某授時通道的授時秒脈沖傳輸全路徑的時間延遲值，圖1b中第一組秒脈沖信號為同步授時端發送出去的、經過時間校正的授時秒脈沖信號，第二組秒脈沖信號為時間接收模塊端接收到的授時秒脈沖信號，其中ta＝0.5td.此秒脈沖信號理論上與該授時通道的初始發送秒脈沖時間同步.

圖1 同步授時秒脈沖（a）及延時校正后的授時秒脈沖（b）Fig.1 Synchronous timing second pulse （a） and timing second pulse after delay correction （b）

3 高精度同步授時系統設計

3.1 高精度同步授時系統結構

本文設計的高精度同步授時系統基于GPS衛星授時技術，GPS接收模塊在衛星條件及氣候良好條件下，與GPS時間同步精度為納秒級別，這種精度的時鐘作為本系統的時間基準能夠滿足需求.高精度授時系統的結構如圖2所示，包含同步授時中心、同步授時模塊、光纖和時間接收模塊.該系統進行同步授時脈沖傳輸的延遲時間測量及延遲時間校正、同步授時脈沖發送及時間信息編譯、光電轉換及光信號傳輸數據、時間接收模塊識別授時脈沖及時間信息，自動完成多路時間接收模塊端的同步授時.

圖2 時間同步授時系統結構圖Fig.2 Structure chart of synchronous timing system

在同步授時系統中，同步授時中心通過串口連接多個同步授時模塊，每路同步授時模塊由光纖連接對應的時間接收模塊.多個同步授時模塊從同步授時中心模塊獲得高度同步的授時秒脈沖信號，之后通過串口獲得秒脈沖對應的時間信息，再根據如上時間信息同步授時模塊完成與同步授時中心模塊的時間同步，并進一步與時間接收模塊配合完成傳輸延遲時間測量、同步授時及校正、通信數據發送等工作.

3.2 同步授時中心模塊

同步授時中心模塊是該同步授時系統的時間源，它管理高精度時間源、多路授時秒脈沖輸出、多路串口通信端口，通過串口實現對多個同步授時模塊的并行管理，即通過并行控制將時間信號以同步授時脈沖、時間信息發送至多路同步授時模塊，從而完成整個系統的同步授時脈沖管理、時間數據發送等功能.同步授時中心模塊的結構見圖3.

圖3 同步授時中心模塊結構圖Fig.3 Structure chart of synchronous time center mudule

3.3 同步授時模塊

同步授時模塊是同步授時系統中的一個關鍵模塊，負責完成授時通道的授時脈沖傳輸時間測量及延時校正等功能，具體包括同步授時脈沖發送時間測量、經授時通道返回的同步脈沖時間測量、納秒級定時器、同步授時脈沖及對應時間數據的編譯、正常通信數據的收發管理等功能.

同步授時模塊內部設計分為邏輯控制區、數據發送區、數據接收區和光電轉換區，其原理圖見圖4.邏輯控制區包括控制器、定時器和時間測量，主要負責邏輯控制、同步授時脈沖發送和返回時間的測量；發送區包括通信數據緩存區和發送控制器，負責將正常通信信息對外發送，其中控制器具有發送使能功能（見TxE控制線）；接收區包括數據緩存區和接收控制器，負責時間接收模塊端發送來的通信數據的管理，其中控制器有接收緩存的控制使能（見RxE控制線）；光電轉換區為高度集成的光電收發一體接收器，支持高速遠距離數據傳輸.同步授時模塊電路由高速ARM控制器、可編程器件、時鐘管理模塊、串口模塊和光電轉換模塊組成.通過高速可編程電路設計時間測量模塊，實時測量同步授時脈沖的發送時間與返回時間，計算出該授時通道的全路徑時間延遲值（圖1a）.具體步驟如下：① 以內部高精度高頻時鐘信號為源，用硬件邏輯編程設計納秒級的定時器，在下一個授時秒脈沖到達前自動完成延遲校正的授時脈沖發送（圖1b），從而達到補償該授時通道的系統延時及光纖傳輸延時等；② 用硬件編程設計納米級的定時器，對于兩個授時秒脈沖之間的1 s，采用同步授時模塊的定時器及可編程器件進行精確延時，生成一個初值為（1－ta） s的定時器；③ 啟動定時器工作，當定時時間到達，由同步授時模塊發出該通道同步授時脈沖；④ 該同步授時脈沖發出后，所對應串口發出該同步授時脈沖對應的時間值；⑤ 將同步授時脈沖及其時間數據嵌入正常通信數據，遵循通信協議命令經光電轉換模塊和光纖發送出去，且以時間同步脈沖電信號形式發送；⑥ 在同步授時脈沖發送前通過內部緩存器暫存正常通信數據，同步授時脈沖發送結束、停止數據緩存、恢復數據發送.

圖4 同步授時模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of synchronous timing module

3.3.1 授時過程

當時間同步脈沖信號到來，時間信息依次寫入控制器、定時器和時間測量等三個模塊.控制器通過TxE使能暫停其它通信數據發送，定時器關閉開關K1和開關K2，時間同步脈沖經由K1線路直接發送.控制器通過TxE使能失效而恢復發送，定時器打開開關K1，發送時間數據和通信數據，帶有同步脈沖標識的同步授時數據幀編譯完畢.

3.3.2 延時校正過程

當返回時間同步脈沖信號到來，經由開關K2直接送入時間測量模塊，控制器通過RxE使能暫停數據接收.返回時間同步脈沖信號結束，定時器控制開關K2打開，控制器通過RxE使能恢復數據接收.啟動時間同步脈沖信號與返回時間同步脈沖信號的比較過程，即完成傳輸延遲時間測量，該時間延遲值存入定時器.

3.4 時間接收模塊

時間接收模塊是應用在遠端待授時采集設備端的硬件模塊，它自動識別同步授時脈沖信號和帶有同步脈沖標志的時間數據幀，并提取同步脈沖信號、時間信息和數據信息，自動向光纖發送返回的同步脈沖信號，并向采集設備發送授時脈沖、時間數據及管理通信數據等.同步時間接收模塊必須與同步授時模塊成對使用，完成一路數據采集設備的時間授時.

同步時間接收模塊電路采用高速可編程器件及相關配件設計完成，主要包括控制器、接收區（緩存和接收）、發送區（發送和緩存）和光電轉換區，同步時間接收模塊的內部元件有ARM控制器、邏輯控制器、串口控制器、脈沖轉發電路及高速光電收發一體接收器.其中控制器可以通過使能信號RxE和TxE控制通信數據接收和發送的啟停，也控制開關Ka和Kb的操作，接收同步授時脈沖信號以及返回同步授時脈沖信號.同步時間接收模塊的設計結構見圖5.

圖5 時間接收模塊原理圖Fig.5 Schematic diagram of time receiving module

同步授時脈沖信號經光電轉換后到達控制器并完成授時脈沖識別后，控制器關閉脈沖控制開關Ka和發送數據控制開關Kb，同步授時脈沖經由開關Ka線路被置入待授時采集器的秒脈沖輸入端，同步經過接收串口將對應授時脈沖的時間數據送入時間數據傳輸串口.同時經控制開關Kb線路，直接通過光纖將該授時脈沖沿原傳輸路徑返回，即該授時脈沖經電光轉換、光纖、同步授時模塊形成延時測量脈沖（返程的時間同步授時脈沖信號）.

同步授時脈沖信號到達控制器時，控制使能信號RxE和TxE暫停數據發送與接收.

同步授時脈沖信號發送結束后，控制器關閉，打開開關Ka和Kb，控制使能信號RxE和TxE恢復數據發送與接收，一組接收時間同步脈沖工作時序結束.

3.5 同步授時系統工作時序

本文的時間同步授時系統雖由多個分立電路模塊組成，但進行同步授時操作需要多組模塊協同操作共同完成，各組模塊分別完成自身通道的同步授時操作.

同步授時模塊工作分為測量時鐘校準（clock correction）、線路延時校準（delay correction）、同步信息發送和微幀數據發送幾個步驟，其中：測量時鐘校準是指利用時間同步信息調整和校準模塊內的時鐘誤差；線路延時校準是指同步授時模塊進行測量線路的延時，然后將其存儲為下發同步授時秒脈沖信號時的補償線路延時值；同步信息發送是指收到同步授時秒脈沖信號時，對其執行測量時鐘校準算法和線路延時校準算法后再發送授時秒脈沖，以保證遠端待授時設備收到的同步授時秒脈沖信號與同步授時中心的授時秒脈沖信號一致，其中同步授時秒脈沖信號嵌入授時秒脈沖信號，并且同步授時秒脈沖信號以硬件信號的形式進行收發；微幀數據發送則是指根據發送或接收信號的類型來確定串口緩存內部的通信數據發送與否.

時間接收模塊工作包括配合同步授時模塊校準線路延時（delay correction of synchronous time module，縮寫為DCS）、同步信息接收和微幀數據接收.配合同步授時模塊校準線路延時（DCS）是指當同步授時模塊申請測量線路延時的時候，時間接收模塊無延時返回接收到的授時秒脈沖信號；同步信息接收是指時間接收模塊識別出授時秒脈沖信號后，以硬件信號的形式無延時地把授時秒脈沖信號輸出到授時秒脈沖輸出端口，提取時間脈沖對應時間信息數據并將其發送到串口1；當上述工作完成后，時間接收模塊恢復微幀數據接收，并把收（發）的正常數據由串口2對應收發處理.同步授時系統工作流程圖見圖6，在此流程下同步授時系統中各個模塊中的授時脈沖時序見圖7.

圖6 同步授時工作流程圖Fig.6 Flow chart of synchronous timing program

此處以一路授時通道的同步授時工作時序為例介紹各模塊中授時秒脈沖信號的工作時序.未進行同步授時操作時各個模塊的時間脈沖工作時序見圖7a，圖中t1為同步授時模塊發送脈沖延遲時間，該延遲時間內同步授時模塊將完成上一微幀數據通信，然后停止數據通信；t2為同步授時模塊授時秒脈沖信號在光纖中正向傳輸的延遲時間值；t3為授時秒脈沖從時間接收模塊返回后在光纖中反向傳輸的時間延遲值，一般情況下t2＝t3.當完成一次同步授時操作后，各個模塊的時間脈沖將按照圖7b所示的時序進行工作，從該時序圖可以看出，時間接收模塊端的秒脈沖已經與同步授時模塊輸出的秒脈沖信號達到同步.

圖7 校正前（a）、后（b）的各模塊時間脈沖時序圖Fig.7 Uncorrected （a） and corrected （b） timing pulse sequence diagrams of each module

4 同步授時系統性能分析

基于以上技術研究，本文采用授時中心模塊、同步授時模塊、時間接收模塊及通信光纖搭建了一套同步授時系統，并且以GPS授時模式作為授時中心模塊的時間源，授時通道的通信光纖均采用2 km長的單模通信光纖.啟動該同步授時系統連續運行，采用高精度時間測量設備連續記錄授時通道的授時脈沖及對應時間信息.測試試驗所使用通用計數器的頻率范圍為 10 Hz——1 300 MHz，其頻率穩定度為 3×10?10/s，電力專用衛星接收機的工作頻率為 5 MHz和10 MHz，其穩定度為1×10?11/s.同步授時系統工作時，定時器的時鐘頻率為100 MHz，試驗時實測得到光纖傳輸時間的延遲值td約為20 μs，時間延遲校正值ta約為10 μs.

當授時中心模塊的GPS信號有效后，該時間同步授時系統的同步授時工作啟動.此時記錄授時中心模塊輸出的授時脈沖和各路通道時間接收模塊的時間同步脈沖的連續測試時長為1 h，在同次試驗中相同條件下，同時采集三路通道的同步時間接收模塊的時間同步脈沖，分別統計授時中心模塊輸出的授時脈沖與各路通道時間接收模塊的時間脈沖之差，以此時間差值作為各路授時通道的授時時間誤差.圖8給出了三路授時通道的授時時間誤差，其中通道一、二和三的授時時間誤差均方根值分別為126.22 ns，129.19 ns和129.85 ns，三路通道的授時誤差均方根值均低于200 ns.

圖8 授時中心模塊的授時脈沖與第一（a）、第二（b）和第三（c）通道時間接收模塊的授時脈沖的時間差值數據曲線Fig.8 The time difference data curves between the timing pulse of the timing central module and the timing pulse of the first （a），second （b） and third （c） channel time receiving module

5 結論

本文采用時間同步授時技術研制了一套高精度時間同步授時系統，并搭建了一套同步授時實驗系統進行了連續授時觀測試驗.對三路通道的同步授時脈沖的連續觀測記錄的分析計算結果表明，本文所研制的時間同步授時系統能夠連續穩定工作，且在通訊光纖為2 km長時，其1 h連續觀測記錄的同步授時誤差均小于200 ns.該同步授時誤差主要來源于兩種硬件模塊內部ARM控制器指令執行時間誤差，具體為同步授時模塊內部定時器計數溢出時向ARM控制器發出中斷請求，當ARM控制器正在執行指令或中斷服務程序時，該ARM控制器響應定時器溢出中斷會產生延遲，對同步授時脈沖的發送造成影響.定時器計數溢出中斷與ARM控制器響應該中斷的時間誤差具有非固定性特點，這種非固定性給誤差分析、誤差補償也帶來了困難.為控制發送同步授時脈沖時間的不確定性，后續還要選用FPGA模塊替代ARM控制器設計同步授時模塊及時間接收模塊的硬件電路，以降低模塊操作時間不確定性所帶來的同步誤差，從而進一步降低同步授時系統的時間偏差.