周凱波，莫德欠，陳寰，劉頡，曹攀輝

（1．華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430074；2．華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074；3．圖像信息處理與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430074）

0 引 言

井間電磁成像測(cè)井將發(fā)射機(jī)置于一口井中向地層發(fā)射電磁波（頻率5Hz～1kHz），將接收機(jī)置于另一口井中接收經(jīng)過(guò)地層傳播過(guò)來(lái)的電磁波，通過(guò)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行反演得到反映井間油氣分布的電阻率成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)井間地層結(jié)構(gòu)的描述，是探測(cè)井間地層信息最直接的測(cè)井方式［1］。井間電磁成像測(cè)井系統(tǒng)在測(cè)量技術(shù)上的優(yōu)越性，其測(cè)量結(jié)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(yīng)用前景［2－4］。

井間電磁成像測(cè)井儀接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位差與地層電導(dǎo)率密切相關(guān)。為了精確測(cè)量接收與發(fā)射信號(hào)相位差，需要保證收發(fā)同步。20世紀(jì)90年代EMI公司推出了井間電磁成像測(cè)井儀XBH 2000，其收發(fā)同步是通過(guò)電纜把發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相連實(shí)現(xiàn)的［5］。隨著井間距的增加，同步精度會(huì)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(cè)井儀使用GPS進(jìn)行收發(fā)同步，其接收機(jī)與發(fā)射機(jī)同步精度為3μs［1］。GPS發(fā)布系統(tǒng)可以使精確時(shí)間在不同設(shè)備之間進(jìn)行時(shí)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(cè)［8］等場(chǎng)合有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合是在可以直接接收到GPS信號(hào)的地面，但是測(cè)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(shí)間同步的方法有應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的NTP［9］、IEEE 1588協(xié)議［10］。本文在2種時(shí)間同步方法的基礎(chǔ)上提出了一種應(yīng)用于井間電磁成像測(cè)井儀的基于GPS的收發(fā)同步方法，在井下發(fā)射機(jī)和接收機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)，參考GPS提供的精確時(shí)間，采用一定同步方法，對(duì)井下接收機(jī)和發(fā)射機(jī)時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行同步授時(shí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下發(fā)射與接收系統(tǒng)的時(shí)間同步。在井下接收與發(fā)射系統(tǒng)時(shí)間同步的條件下，可以在一個(gè)確定的時(shí)間點(diǎn)同步觸發(fā)發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)和接收機(jī)接收信號(hào)，實(shí)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由2套GPS接收機(jī)、地面發(fā)射和接收控制臺(tái)、井下發(fā)射和接收控制器構(gòu)成，在地面和井下實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘模塊。地面時(shí)鐘模塊能在GPS失鎖的情況下保證地面時(shí)間系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

同步系統(tǒng)的GPS接收機(jī)采用Trimble導(dǎo)航公司的Resolution T授時(shí)型GPS接收機(jī)。Resolution T接收機(jī)提供的高精度1PPS與UTC同步誤差小于15ns（1σ）。地面控制臺(tái)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(shí)鐘模塊在DSP內(nèi)實(shí)現(xiàn)，采用其片內(nèi)32bit定時(shí)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(shí)延測(cè)量

圖1 同步系統(tǒng)總體框架圖

地面控制臺(tái)與井下部分相隔幾千米，上下通訊有較大傳輸時(shí)延；地面系統(tǒng)與井下數(shù)據(jù)傳輸時(shí)底層硬件在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)也存在不確定時(shí)延［11－13］。地面系統(tǒng)對(duì)井下系統(tǒng)精確時(shí)間校準(zhǔn)的關(guān)鍵在于測(cè)量出這個(gè)總時(shí)延。地面系統(tǒng)通過(guò)地面到井下通訊總線向井下系統(tǒng)發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)包，井下系統(tǒng)接收到時(shí)間數(shù)據(jù)包后，加上本地時(shí)間值后返回時(shí)間數(shù)據(jù)包。這個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)包包含了發(fā)送時(shí)刻和接收時(shí)刻，通過(guò)這個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)包確定一路時(shí)延。時(shí)間數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 改進(jìn)的NTP協(xié)議過(guò)程

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

當(dāng)?shù)孛姘l(fā)射控制平臺(tái)準(zhǔn)備同步地面系統(tǒng)與井下時(shí)鐘時(shí)，地面系統(tǒng)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)T發(fā)送同步數(shù)據(jù)包命令（包含同步時(shí)間值Td）給井下控制器，對(duì)其進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)

井下系統(tǒng)接收到這個(gè)同步數(shù)據(jù)包后，修改本地時(shí)間為Td，即可實(shí)現(xiàn)地面與井下的時(shí)間同步，即實(shí)現(xiàn)了與UTC時(shí)間的同步。為了得到更加準(zhǔn)確的時(shí)延，重復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程，多次測(cè)量取平均值；接收部分和發(fā)射部分的同步過(guò)程相同；接收部分和發(fā)射部分與其地面系統(tǒng)的時(shí)間同步，即都與GPS時(shí)間同步，最后可實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的同步。

2 接收與發(fā)射同步過(guò)程

2．1 GPS時(shí)間解碼

GPS接收機(jī)（Resolution T）每1s輸出1個(gè)占空比為1／1000的秒脈沖，即1脈沖／s。隨后通過(guò)串口，以波特率9600bit／s的速率按照Trimble標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議（Trimble Standard Interface Protocol，TSIP）輸出包含有秒脈沖上升沿對(duì)應(yīng)時(shí)刻的時(shí)間數(shù)據(jù)包［14］；地面系統(tǒng)需及時(shí)接收GPS時(shí)間數(shù)據(jù)包并解析出所需的時(shí)間信息。

2．2 地面對(duì)井下系統(tǒng)控制策略

首先地面控制臺(tái)及時(shí)解碼GPS提供的時(shí)間信息，校準(zhǔn)其實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。采用8個(gè)字節(jié)記錄時(shí)間值，高4個(gè)字節(jié)記秒值，低4個(gè)字節(jié)記錄秒以下時(shí)間值。高4個(gè)字節(jié)由GPS接收機(jī)提供，因?yàn)槠渲荒芴峁┟胍陨蠒r(shí)間值。秒以下的刻度值由高精度的10MHz晶振計(jì)數(shù)得到。在得到GPS提供的精確時(shí)間信息后，地面控制臺(tái)將包含發(fā)送時(shí)刻的精確時(shí)間的時(shí)間數(shù)據(jù)包通過(guò)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(shí)刻精確時(shí)間的包含3個(gè)時(shí)刻的精確時(shí)間信息的時(shí)間數(shù)據(jù)包反饋給地面控制臺(tái)，地面控制臺(tái)記錄下接收時(shí)刻時(shí)間值，計(jì)算出發(fā)送接收回路的時(shí)延Tdelay，重復(fù)多次取平均值。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量取平均可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的傳輸時(shí)延Tdelay，提高校時(shí)精度。最后地面控制臺(tái)發(fā)送同步數(shù)據(jù)包給井下儀器系統(tǒng)，發(fā)送時(shí)刻選在整秒時(shí)刻前的Tdelay時(shí)刻點(diǎn)，井下儀器系統(tǒng)接收到同步數(shù)據(jù)包后，重啟定時(shí)器，修改秒計(jì)數(shù)值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

井下接收與發(fā)射系統(tǒng)輸出1個(gè)占空比為50%、周期為1Hz的秒脈沖。對(duì)比2個(gè)方波的上升時(shí)延差即可知接收與發(fā)射的時(shí)間差。對(duì)比GPS的秒脈沖，即可知井下時(shí)鐘與地面系統(tǒng)的時(shí)間差。這僅僅是確定了秒以下同步誤差，秒以上的誤差通過(guò)上位機(jī)讀取井下儀器系統(tǒng)反饋的時(shí)間數(shù)據(jù)包確定（經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)量，秒以上不存在誤差，即同步誤差在秒以下）。時(shí)延結(jié)果可以通過(guò)Analog DSP開(kāi)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(cè)量得到。

3．1 地面與井下時(shí)延測(cè)量結(jié)果

接收部分測(cè)量100次得到的時(shí)延（發(fā)射部分結(jié)果與其類似），時(shí)延Tdelay在一定范圍內(nèi)有一定波動(dòng)，偏差較小。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到表1。

表1 時(shí)延測(cè)量結(jié)果（使用RS－485總線）

偏差值的刻度以10MHz晶振為標(biāo)準(zhǔn)，1個(gè)刻度對(duì)應(yīng)0．1μs；使用 RS－485總線時(shí)偏差在0～0．1μs波動(dòng)。

3．2 收發(fā)同步結(jié)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(duì)比圖（采樣率125kHz）；圖4是在采樣率為2GHz的條件下測(cè)得的同步后1脈沖／s和井下系統(tǒng)輸出方波的對(duì)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(duì)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(duì)比圖

通過(guò)示波器MSO7014A上升時(shí)間差測(cè)量功能測(cè)量2個(gè)方波的上升時(shí)間差Δ（發(fā)射－接收）（負(fù)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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量同步誤差得到的結(jié)果（每秒測(cè)量1次）。

表2 同步誤差測(cè)量結(jié)果（使用RS－485總線）

由表2可知，經(jīng)過(guò)同步后，井下接收與發(fā)射時(shí)間誤差小于400ns。同步誤差為400ns時(shí)，對(duì)于1kHz的信號(hào)其相位誤差是0．144°；對(duì)于5Hz的信號(hào)其相位誤差為0．00072°。對(duì)于5Hz～1kHz的信號(hào)最大可以達(dá)到0．144°的相位測(cè)量精度。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)井間電磁成像測(cè)井儀收發(fā)同步進(jìn)行了研究；提出基于GPS的收發(fā)同步方法；給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型平臺(tái)，進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）當(dāng)?shù)孛婺M系統(tǒng)和井下儀器模擬系統(tǒng)使用RS－485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)，對(duì)收發(fā)同步誤差進(jìn)行了測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明同步誤差小于400ns，在測(cè)井儀的信號(hào)帶寬內(nèi)（5Hz～1kHz）最大可達(dá)0．144°的相位測(cè)量精度。

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