CN109655917B - 一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，包括：船上时钟模块，由低功耗的FPGA进行控制，用于产生标准主时钟，做为拖缆的同步时钟船上GPS模块，用于接收GPS信号，为船上时钟模块提供时间信息。由船上时钟模块的FPGA进行直接控制；拖缆命令传输线，用于将船上时钟模块产生的报文下发至各拖缆上的各个节点，并将节点产生的报文上传至船上时钟模块；拖缆时钟传输线，用于将船上时钟模块产生的时钟下发至各个拖缆上的各个节点；节点同步控制模块，由低功耗FPGA和MLVDS收发器组成，用于接收，解析和转发船上时钟模块下传的报文，根据报文的内容完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于节点其他部分的工作。

Description

一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统

技术领域

本发明涉及一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，属于海洋地震勘探领域。

背景技术

海洋地震勘探拖缆是海洋地震勘探设备的重要组成部分，其主要用于采集并传输海洋地震勘探作业中人工激发地震产生的水声信号。受限于海洋拖缆的机械强度以及物探船的拖拽能力，勘探作业中，拖缆只能悬浮于浅层海水中，为了勘探更深的海底地层结构，海洋地震勘探设备需要装备尽可能长的拖缆展开作业任务。

系统同步精度是海洋地震勘探拖缆的重要性能指标之一。在以往的海洋地震勘探拖缆上所使用的同步技术是：从船载控制台发送一个脉冲信号，拖缆尾部数字包接收到信号后将信号传回船载控制台，这样船载控制台可以得到信号在拖缆上往返一次所用时间，除以二则得到信号从船载控制台到尾部数字包的时间延迟，再根据各级间时间延迟大致相等的依据得到各级延迟，并将延迟信息固化在各级数字包中，在接收到采集命令时用固化的延迟信息进行补偿。同时使用时钟数据恢复技术进行时钟相位的补偿，来完成同步。虽然该方式简单易行，但事实上各级的延迟由于电路和芯片固有的误差并不相同，信号下行使用的命令通道和上行的数据通道延迟也不同。随着拖缆节点个数的增加，该误差会逐级累积，越来越大。在每一级由于使用了时钟数据恢复技术，需要专门的时钟数据恢复芯片，对于需要尽可能降低功耗的数字包而言带来了很多额外的功耗开销。因而限制了海洋地震勘探作业中拖缆的工作长度，进而限制了海洋地震勘探设备对海底地层的勘探深度。

因此，在已有的海洋地震勘探拖缆系统中，同步采集精度不够，拖缆长度增加，同步误差增大。为了解决海洋地震勘探拖缆的长距离同步问题，需要改变原有的同步方式，采用具有更高精度和更低功耗的同步系统。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，具有高精度、低功耗、实时性好、适用于更长拖缆的同步采集，长缆多道同步采集，有利于提高采集数据精度，提高反演精度，市场潜力大，具有广阔的应用前景。

本发明技术解决方案：

一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，包括：船上时钟模块、船上GPS模块、节点同步控制模块、末级节点同步控制模块、拖缆命令传输线和拖缆时钟传输线；同步是通过在上述各个模块之间传递四种报文完成的，所述四种报文分别为：同步报文、跟随报文、延时报文和延时回复报文；在下面的叙述中，如果不是指某一种特定的报文则统称为报文，其中：

船上时钟模块，由第一FPGA实现，用于产生标准主时钟和三种报文，分别为同步报文、跟随报文和延时回复报文，其中标准主时钟作为拖缆的同步时钟；

船上GPS模块，用于接收GPS信号，为船上时钟模块提供时间信息，由实现船上时钟模块的第一FPGA进行直接控制；

拖缆命令传输线，用于将船上时钟模块产生的报文下发至海洋地震勘探拖缆上的各个节点，并将节点产生的报文上传至船上时钟模块；

拖缆时钟传输线，用于将船上时钟模块产生的标准主时钟下发至各个海洋地震勘探拖缆上的各个节点；

节点同步控制模块，由第二FPGA和多点低电压差分信号收发器，简称MLVDS收发器组成，用于接收来自船上时钟模块和末级节点同步控制模块的报文，并利用第二FPGA中的逻辑解析所述报文，根据所述报文的内容进行相应操作，所述相应操作包括对报文进行修改、转发，产生节点从时钟，完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于海洋地震勘探拖缆上节点和数据采集模块和数据发送模块的工作；

末级节点同步控制模块，由第三FPGA和MLVDS收发器组成，用来接收来自上一级节点的同步控制模块的报文，并使用第三FPGA中的逻辑解析所述报文，根据所述报文的内容进行相应操作，所述相应操作包括对报文进行修改、转发，产生节点从时钟，完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于海洋地震勘探拖缆上节点和数据采集模块和数据发送模块的工作，并产生延时报文向上一级节点的同步控制模块发送；

由船上时钟模块，接收船上GPS模块传输的时间信息以后，产生一个时钟作为标准主时钟，同步开始后产生同步报文和跟随报文向末级节点同步控制模块发送，跟随报文包含同步报文发送时的时间信息，称为t1时间戳，海洋震勘探拖缆的第一级节点接收到同步报文后，记录接收同步报文的时间，称为t2时间戳，并将同步报文继续转发到第二级节点，并记录发送同步报文的时间，根据上述的记录的两个时间，第一级节点得到同步报文停留在节点中的时间，称为驻留时间1，第一级节点在接收到跟随报文时，提取出跟随报文中的t1时间戳，将驻留时间1写入跟随报文的校正域中，然后转发跟随报文到第二级节点，以此类推直到末级节点，末级节点的同步控制模块接收到同步报文和跟随报文以后产生延时报文向船上时钟模块发送，由每一级节点接收并转发延时报文，并记录接收和转发的时间，其中转发延时报文的时间称为t3时间戳；计算得到延时报文在节点中停留的时间，称为驻留时间2；船上时钟模块接收到延时报文以后，记录接收到延时报文的时间，称为t4时间戳，产生延时回复报文，其中包含t4时间戳，海洋地震勘探拖缆的第一级节点会接收延时回复报文，将驻留时间2写入延时回复报文的校正域，并将其转发到第二级节点，以此类推直到末级节点；每一个接收到延迟回复报文的节点用总共接收到的4种报文中的时间信息来计算得到与船上时钟模块中主时钟的时间差；利用所述时间差对节点同步控制模块中的从时钟进行纠正使该节点的时钟与船上时钟模块中的主时钟进行同步。

所述船上时钟模块中，报文的组装和发送功能，时钟的产生由第一FPGA实现；节点同步控制模块中，报文的接收，转发，分析，修改和接受完报文以后同步过程的完成由第二FPGA实现；末级节点控制模块中，报文的接收，组装，分析，发送和接受完报文以后同步过程的完成由第三FPGA实现。

所述第一FPGA包括：锁相环PLL、数字时钟、时间戳获取模块、报文产生模块；

PLL，用于对输入的外部时钟信号进行倍频后输出系统使用的工作时钟；

数字时钟模块，输出本地时间和本地PPS，实现记录本地时间的数字时钟；输出的本地时间的纠正值由控制模块进行控制；

时间戳获取模块，接收报文，在检测到同步报文后，记录下输入的时间戳，并根据同步报文的内容决定该时间戳的种类，将附上相应标记的时间戳输入报文生成模块；

报文产生模块，用于产生同步报文，跟随报文和延时回复报文。

所述第二FPGA包括：锁相环PLL，数字时钟，时间戳获取模块，时间戳解析模块，报文处理模块，控制模块，数字时钟；

PLL，用于对输入的外部时钟信号进行倍频后输出系统使用的工作时钟；

数字时钟模块，输出本地时间和本地PPS，实现记录本地时间的数字时钟；输出的本地时间的纠正值由控制模块进行控制；

时间戳获取模块，接收报文，在检测到同步报文后，记录下输入的时间戳，并根据同步报文的内容决定该时间戳的种类，若为t2，t3时间戳则附上相应标记，将附上相应标记的时间戳输入时间戳解析模块；

时间戳解析模块，负责解析时间戳，接收报文处理模块从跟随报文和延时回复报文中提取出的t1时间戳和t4时间戳和校正域中的驻留时间；接收时间戳获取模块截取到的同步报文和延时报文的接收时间和转发时间，计算出对应报文在节点的驻留时间，将计算出的驻留时间发送给报文处理模块；将t1，t2，t3，t4四个时间戳和从报文处理模块得到的校正域中的驻留时间发给控制模块，驻留时间和相应的报文发给报文处理模块；

报文处理模块：用于解析收到的报文的种类并作出相应处理：从跟随报文中可以得到t1时间戳和校正域中的驻留时间，从延时回复报文中可以得到t4时间戳和校正域中的驻留时间,并将其发送给时间戳解析模块；接收时间戳解析模块发送来的本级的驻留时间，若是驻留时间1，则与跟随报文现有的校正域中的值相加，作为新的驻留时间1写入跟随报文的校正域；若是驻留时间2，则与延时回复报文现有的校正域中的值相加，作为新的驻留时间2写入延时回复报文；转发同步报文和延时报文；

控制模块，接收时间戳解析模块发送的t1，t2，t3，t4四种时间戳和驻留时间，计算出数字时钟模块与船上时钟模块的延时，并对数字时钟进行校准；

所述第三FPGA包括：锁相环PLL，数字时钟，报文产生模块，时间戳获取模块，时间戳解析模块，报文处理模块，控制模块，数字时钟；

PLL，用于对输入的外部时钟信号进行倍频后输出系统使用的工作时钟；报文产生模块

数字时钟模块，输出本地时间和本地PPS，实现记录本地时间的数字时钟；输出的本地时间的纠正值由控制模块进行控制；

时间戳获取模块，接收报文，在检测到同步报文后，记录下输入的时间戳，并根据同步报文的内容决定该时间戳的种类，若为t2，t3时间戳则附上相应标记，将附上相应标记的时间戳输入时间戳解析模块或报文生成模块；

时间戳解析模块，负责解析时间戳，接收报文处理模块从跟随报文和延时回复报文中提取出的t1时间戳和t4时间戳和校正域中的驻留时间；接收时间戳获取模块截取到的同步报文的接收时间和延时报文的发送时间，同步报文的接收时间作为t2时间戳，延时报文的发送时间作为t3时间戳，将t1，t2，t3，t4四个时间戳和从报文处理模块得到的校正域中的驻留时间发给控制模块；

报文处理模块：用于解析收到的报文的种类并作出相应处理：从跟随报文中可以得到t1时间戳和校正域中的驻留时间，从延时回复报文中可以得到t4时间戳和校正域中的驻留时间,并将其发送给时间戳解析模块；

控制模块，接收时间戳解析模块发送的t1，t2，t3，t4四种时间戳和驻留时间，计算出数字时钟模块与船上时钟模块的延时，并对数字时钟进行校准；

报文产生模块，用于产生延时报文。

所述船上时钟模块产生的时钟下发至各个海洋地震勘探拖缆上的各个节点的速率为10MHz，并且下传一路时钟。

所述时钟信号被节点同步控制模块接收以后，通过第一FPGA、第二FPGA和第三FPGA中的PLL进行倍频得到100MHz的时钟信号，作为第一FPGA、第二FPGA和第三FPGA中逻辑的时钟，解决时钟的相位对齐的问题。

所述海洋地震勘探拖缆的任意一级节点在接收到同步报文以后还会继续向下一级节点转发，在同步过程中，4种报文均只需要发送一次就可以完成同步；在保证同步精度的同时，大大降低了同步系统需要的带宽；按照一个报文长度为14字节计算，同步系统只需要发送和接收56字节的数据就能完成同步。

所述第一FPGA、第二FPGA和第三FPGA为低功耗，即数百毫瓦的FPGA。

本发明与现有技术相比的优点和积极效果在于：相较于以往单纯的进行命令回环测量延时的同步方法，该发明具有以下优点：

(1)高精度，该发明使得每一级节点直接与船上时钟模块进行校准，并且考虑到了链路中延迟的不对称性，不会产生累积时间误差，具有更高的精度。

(2)低功耗，在海洋地震勘探拖缆的每一个节点上，节点同步控制模块仅需要FPGA和MLVDS收发器就可以完成工作，相较于以往的同步方法，多了一组MLVDS收发器，省去了高功耗的时钟数据恢复芯片。而MLVDS收发器的功耗，仅为时钟数据恢复芯片的一半。

(3)实时性好，以往的同步方法在实验测得链路延时以后，是固化在节点中无法修改的，在海洋地震勘探拖缆的作业环境中，众多的节点由于工作环境恶劣可能会发生故障，若更换掉一个节点，可以认为每一个节点的延迟都会发生变化，此时只需要重新启动一次同步步骤，每个节点中的延迟信息就可以自动更新然后重新完成同步。

(4)适用于更长距离同步：该系统的同步误差不会随着拖缆长度积累，在每一级节点具有更低功耗，能够适应拖缆节点的更换。以上特点使得该发明适用于更长距离的拖缆系统，符合长距离多节点拖缆要求的高精度，低功耗，易维护的特点。

附图说明

图1为本发明同步系统的同步原理示意图；

图2为本发明系统组成框图；

图3为第一FPGA逻辑结构框图；

图4为第二FPGA逻辑结构框图；

图5为第三FPGA逻辑结构框图。

图中：1，代表同步报文；2，代表跟随报文；3，代表延时报文；4，代表延时回复报文；MN，代表船上时钟模块；SN1,SN2……SNn-1，SNn，代表海洋地震勘探拖缆中需要与船上时钟模块同步的节点中的同步控制模块，EN代表末级节点同步控制模块；t1代表同步报文发送时船上时钟模块记录的时刻；t21，t22……t2n-1,t2n,t2e代表对应编号的同步的节点中的同步控制模块接收到同步报文的时刻t2；t31，t32……t3n-1,t3n,t3e，代表对应编号的同步的节点中的同步控制模块发送延时报文时记录的时刻t3；t4，代表船上时钟模块接收到延时报文时记录的时刻；5代表船上时钟模块，6代表同步控制模块，7代表系统其它部分逻辑,8代表时钟传输线,9代表命令传输线；10代表由外部传输进FPGA的时钟信号，11代表由PLL生成的供FPGA逻辑使用的时钟信号，12代表数字时钟生成的同步PPS信号，13代表数字时钟生成的本地时间，14代表时间戳获取模块接收到的报文，15代表时间戳获取模块发送的报文，16代表报文产生模块产生的报文，17代表时间戳获取模块获取的时间戳信息，18代表报文处理模块接收的报文，19代表报文处理模块处理完毕的报文，20代表时间戳解析模块发出的时间戳和驻留时间，21代表报文处理模块从报文中得到的时间戳和驻留时间，22代表时间戳解析模块发出的时间戳和驻留时间，23代表控制模块发出的延时信息,24代表时间戳获取模块接收到跟随报文时发出的信号。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图2所示，本发明的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统由位于船上的船上时钟模块，船上GPS模块，位于节点的节点同步控制模块，用于传输报文的拖缆命令传输线，用于传输时钟的拖缆时钟传输线组成。

船上时钟模块，由低功耗的第一FPGA进行控制，用于产生标准主时钟，做为拖缆的同步时钟。

船上GPS模块，用于接收GPS信号，为船上时钟模块提供时间信息。由船上时钟模块的FPGA进行直接控制。

拖缆命令传输线，用于将船上时钟模块产生的报文下发至各拖缆上的各个节点，并将节点产生和转发的报文上传至船上时钟模块。

拖缆时钟传输线，用于将船上时钟模块产生的时钟下发至各个拖缆上的各个节点。

节点同步控制模块，由低功耗的第二FPGA和MLVDS收发器组成，用于接收，解析和转发船上时钟模块下传的报文，根据报文的内容完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于节点其他部分的工作。

末级节点同步控制模块，由低功耗的第三FPGA和MLVDS收发器组成，用于接收，解析和上一级的节点同步控制模块传来的报文，根据报文的内容产生延时报文并完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于节点其他部分的工作。

在本发明中，由船上时钟模块负责接收GPS模块传输的时间信息以后，在模块内部产生一个时钟做为主时钟，同步开始后，会产生同步报文和跟随报文向下发送，跟随报文包含同步报文发送时的时间信息，下级节点接收到同步报文和跟随报文以后，会记录接收时间，并将报文继续下发到下一级节点，以此类推直到末级节点接收到两个报文以后，会产生延时报文向上发送，由每一级节点接收并转发延时报文，并记录接收和转发的时间，船上时钟模块接收到延时报文以后，会产生延时回复报文，其中包含接收到延时报文的时间，下面每一级节点都会接收延时回复报文并将其转发到下一级节点，直到最后一级。

每一个接收到延时回复报文的节点可以用总共接收到的四个报文中的时间信息来计算得到与船上时钟模块中主时钟的时间差，利用该时间差可以对节点同步控制模块中的从时钟进行纠正使之与船上时钟模块中的主时钟进行同步。

所有的处理相关工作由低功耗的FPGA中的逻辑实现，同时，船上时钟模块会以10MHz的速率通过拖缆时钟传输线下传一路时钟信号，该时钟信号被节点同步控制模块接收以后通过FPGA中的PLL进行倍频得到100MHz的时钟信号，作为FPGA中逻辑的时钟。从而解决时钟的相位对齐的问题。

如图3所示，同步开始时，船上时钟模块接收船上GPS模块的时间信息，然后数字时钟模块开始产生一个本地时间，同时产生一个10MHz的时钟通过时钟传输线向下发送，拖缆上的节点接收到以后使用FPGA内置的PLL将其倍频至100MHz做为工作时钟。如图3所示，等待一会后，船上时钟模块中的报文产生模块产生一个同步报文，通过命令传输线向下发送，并通过时间戳获取模块记录下发送该报文的时刻t1,如图1所示，拖缆上第一个节点上的同步控制模块接收到同步报文，如图4所示，由时间戳获取模块记录接收到的时刻t2，之后将同步报文发送给报文处理模块，将t2发送给时间戳解析模块，报文处理模块识别出同步报文，告诉时间戳解析模块报文种类，时间戳解析模块根据报文种类将刚刚得到的t2标记为时间戳t2，发给控制模块储存；报文处理模块将同步报文返回给时间戳获取模块，由时间戳获取模块向下行方向(末级节点方向)发送，时间戳获取模块记录下同步报文发送的时刻to，并将to发送至时间戳解析模块，时间戳解析模块用to-t2，得到同步报文在模块内部的时间tr1，将tr1发送给报文处理模块储存。后面的节点中的同步控制模块执行与第一个节点的同步控制模块同样的工作，直到同步报文发送到最后一个节点的同步控制模块，这时只记录该模块接收到同步报文的时间t2，不再向下发送。

如图3所示，船上时钟模块中时间戳获取模块在得到时刻t1以后，发送给报文产生模块，报文产生模块产生跟随报文，跟随报文中包含t1，然后将跟随报文发送给时间戳获取模块通过拖缆命令传输线向下行方向发送，第一个节点的同步控制模块中的时间戳获取模块接收到跟随报文以后，如图4，将其发送给报文处理模块，报文处理模块将从跟随报文中得到的t1发送给时间戳解析模块，时间戳解析模块将其标记为时间戳t1发送给控制模块储存。报文处理模块从跟随报文的校正域中得到驻留时间1的值Tr1(在第一级节点，Tr1＝0)，将其发送给时间戳解析模块，时间戳解析模块将其标记为下行驻留时间Tr1，发送给控制模块储存。报文处理模块计算tr1+Tr1的值，得到的值记为新的Tr1值，将其写入跟随报文校正域中，再将跟随报文发送给时间戳获取模块由其向下行方向发送。后面的节点中的同步控制模块执行与第一个节点的同步控制模块同样的工作，直到跟随报文发送到最后一个节点的同步控制模块，这时只记录该模块接收到跟随报报文中的t1和Tr1，不再向下发送。

如图5所示，最后一个节点的同步控制模块的时间戳获取模块接收到跟随报文以后，将跟随报文发送至报文处理模块，并向报文生成模块发送指令，报文生成模块接收到指令以后生成一个延时报文，发送至时间戳获取模块，由其通过命令传输线向上发送到倒数第二个节点，并记录下发送延时报文的时刻t3，在报文处理模块内的跟随报文的后续处理与其他节点的同步控制模块相同。如图4所示，倒数第二个节点的节点同步控制模块中的时间戳获取模块在接收到延时报文以后，记录下延时报文接受到的时刻ti，之后将延时报文发送给报文处理模块，将ti发送给时间戳解析模块，报文处理模块识别出延时报文，告诉时间戳解析模块报文种类，并将跟延时文返回给时间戳获取模块，由时间戳获取模块向上行方向(船上时钟模块方向)发送，时间戳获取模块记录延时报文发送的时刻t3，并将t3发送至时间戳解析模块，时间戳解析模块根据报文种类将刚刚得到的t3标记为时间戳t3，发给控制模块储存；报文处理模块时间戳解析模块用t3-ti，得到延时报文在模块内部的时间tr2，将tr2发送给报文处理模块储存。后面的节点中的同步控制模块执行与倒数第二个节点的同步控制模块同样的工作，直到延时报文被发送到第一个节点的同步控制模块并将延时报文发送出去，被发送到船上时钟模块，船上时钟模块中的时间戳获取模块记录接收到延时报文的时刻t4。

如图3所示，在船上时钟模块中的时间戳获取模块接收到延时报文并记录接收到延时报文的时刻t4以后，发送给报文产生报文并向报文产生模块发送指令，报文产生模块产生延时回复报文，并将t4写入延时回复报文，向下行方向发送。如图4所示，在第一级节点的节点同步控制模块中的时间戳获取模块接收到延时回复报文以后，将其发送至报文处理模块，报文处理模块将从延时回复报文中得到的t4发送给时间戳解析模块，时间戳解析模块将其标记为时间戳t4发送给控制模块储存。报文处理模块从延时回复报文的校正域中得到驻留时间的值Tr2,(在第一级节点，Tr2＝0)，将其发送给时间戳解析模块，时间戳解析模块将其标记为上行驻留时间Tr2，发送给控制模块储存。报文处理模块计算tr2+Tr2的值，得到的值记为新的Tr2值，将其写入延时回复报文校正域中，再将延时回复报文发送给时间戳获取模块由其向下行方向发送。后面的节点中的同步控制模块执行与第一个节点的同步控制模块同样的工作，直到延时回复报文发送到最后一个节点的同步控制模块，这时只记录该模块接收到延时回复报报文中的t4和Tr2，不再向下发送。

在最后一级节点接收到延时回复报文以后，所有节点的同步控制模块中的控制模块都储存了t1，t2，t3，t4，Tr1，Tr2六个值，控制模块按照下面的公式得到该节点与船上时钟模块中主时钟的延迟toffset：

控制模块将计算出的延迟连同同步指令发送到数字时钟中从时钟中的时间，数字时钟根据延迟值进行该节点时间的纠正，就完成了同步过程。在完成同步后，所有节点的数字时钟会在同一时刻开始以相同的间隔产生PPS信号，供任何需要的模块使用。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于，包括：船上时钟模块、船上GPS模块、节点同步控制模块、末级节点同步控制模块、拖缆命令传输线和拖缆时钟传输线；同步是通过在上述各个模块之间传递四种报文完成的，所述四种报文分别为：同步报文、跟随报文、延时报文和延时回复报文；在下面的叙述中，如果不是指某一种特定的报文则统称为报文，其中：

船上时钟模块，由第一FPGA实现，用于产生标准主时钟和三种报文，分别为同步报文、跟随报文和延时回复报文，其中标准主时钟作为拖缆的同步时钟；

船上GPS模块，用于接收GPS信号，为船上时钟模块提供时间信息，由实现船上时钟模块的第一FPGA进行直接控制；

拖缆命令传输线，用于将船上时钟模块产生的报文下发至海洋地震勘探拖缆上的各个节点，并将节点产生的报文上传至船上时钟模块；

拖缆时钟传输线，用于将船上时钟模块产生的标准主时钟下发至各个海洋地震勘探拖缆上的各个节点；

节点同步控制模块，由第二FPGA和多点低电压差分信号收发器MLVDS组成，用于接收来自船上时钟模块和末级节点同步控制模块的报文，并利用第二FPGA中的逻辑解析所述报文，根据所述报文的内容进行相应操作，所述相应操作包括对报文进行修改、转发，产生节点从时钟，完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于海洋地震勘探拖缆上节点和数据采集模块和数据发送模块的工作；

末级节点同步控制模块，由第三FPGA和MLVDS即多点低电压差分信号收发器组成，用来接收来自上一级节点的同步控制模块的报文，并使用第三FPGA中的逻辑解析所述报文，根据所述报文的内容进行相应操作，所述相应操作包括对报文进行修改、转发，产生节点从时钟，完成与船上时钟模块中主时钟的同步，并产生同步PPS信号用于海洋地震勘探拖缆上节点和数据采集模块和数据发送模块的工作，并产生延时报文向上一级节点的同步控制模块发送；

由船上时钟模块，接收船上GPS模块传输的时间信息以后，产生一个时钟作为标准主时钟，同步开始后产生同步报文和跟随报文向末级节点同步控制模块发送，跟随报文包含同步报文发送时的时间信息，称为t1时间戳，海洋震勘探拖缆的第一级节点接收到同步报文后，记录接收同步报文的时间，称为t2时间戳，并将同步报文继续转发到第二级节点，并记录发送同步报文的时间，根据上述的记录的两个时间，第一级节点得到同步报文停留在节点中的时间，称为驻留时间1，第一级节点在接收到跟随报文时，提取出跟随报文中的t1时间戳，将驻留时间1写入跟随报文的校正域中，然后转发跟随报文到第二级节点，以此类推直到末级节点，末级节点的同步控制模块接收到同步报文和跟随报文以后产生延时报文向船上时钟模块发送，由每一级节点接收并转发延时报文，并记录接收和转发的时间，其中转发延时报文的时间称为t3时间戳；计算得到延时报文在节点中停留的时间，称为驻留时间2；船上时钟模块接收到延时报文以后，记录接收到延时报文的时间，称为t4时间戳，产生延时回复报文，其中包含t4时间戳，海洋地震勘探拖缆的第一级节点会接收延时回复报文，将驻留时间2写入延时回复报文的校正域，并将其转发到第二级节点，以此类推直到末级节点；每一个接收到延迟回复报文的节点用总共接收到的4种报文中的时间信息来计算得到与船上时钟模块中主时钟的时间差；利用所述时间差对节点同步控制模块中的从时钟进行纠正使该节点的时钟与船上时钟模块中的主时钟进行同步。

2.根据权利要求1所述的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于：所述船上时钟模块中，报文的组装和发送功能，时钟的产生由第一FPGA实现；节点同步控制模块中，报文的接收，转发，分析，修改和接受完报文以后同步过程的完成由第二FPGA实现；末级节点控制模块中，报文的接收，组装，分析，发送和接受完报文以后同步过程的完成由第三FPGA实现。

3.根据权利要求1所述的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于：所述第一FPGA包括：锁相环PLL、数字时钟、时间戳获取模块、报文产生模块；

PLL，用于对输入的外部时钟信号进行倍频后输出系统使用的工作时钟；

数字时钟模块，输出本地时间和本地PPS，实现记录本地时间的数字时钟；输出的本地时间的纠正值由控制模块进行控制；

时间戳获取模块，接收报文，在检测到同步报文后，记录下输入的时间戳，并根据同步报文的内容决定该时间戳的种类，将附上相应标记的时间戳输入报文产生模块；

报文产生模块，用于产生同步报文，跟随报文和延时回复报文。

4.根据权利要求1所述的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于：第二FPGA包括：锁相环PLL，数字时钟，时间戳获取模块，时间戳解析模块，报文处理模块，控制模块，数字时钟；

PLL，用于对输入的外部时钟信号进行倍频后输出系统使用的工作时钟；

数字时钟模块，输出本地时间和本地PPS，实现记录本地时间的数字时钟；输出的本地时间的纠正值由控制模块进行控制；

时间戳获取模块，接收报文，在检测到同步报文后，记录下输入的时间戳，并根据同步报文的内容决定该时间戳的种类，若为t2，t3时间戳则附上相应标记，将附上相应标记的时间戳输入时间戳解析模块或报文生成模块；

时间戳解析模块，负责解析时间戳，接收报文处理模块从跟随报文和延时回复报文中提取出的t1时间戳和t4时间戳和校正域中的驻留时间；接收时间戳获取模块截取到的同步报文和延时报文的接收时间和转发时间，计算出对应报文在节点的驻留时间，将计算出的驻留时间发送给报文处理模块；将t1，t2，t3，t4四个时间戳和从报文处理模块得到的校正域中的驻留时间发给控制模块，驻留时间和相应的报文发给报文处理模块；

报文处理模块：用于解析收到的报文的种类并作出相应处理：从跟随报文中得到t1时间戳和校正域中的驻留时间，从延时回复报文中得到t4时间戳和校正域中的驻留时间，并将其发送给时间戳解析模块；接收时间戳解析模块发送来的本级的驻留时间，若是驻留时间1，则与跟随报文现有的校正域中的值相加，作为新的驻留时间1写入跟随报文的校正域；若是驻留时间2，则与延时回复报文现有的校正域中的值相加，作为新的驻留时间2写入延时回复报文；转发同步报文和延时报文；

控制模块，接收时间戳解析模块发送的t1，t2，t3，t4四种时间戳和驻留时间，计算出数字时钟模块与船上时钟模块的延时，并对数字时钟进行校准。

5.根据权利要求1所述的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于：第三FPGA包括：锁相环PLL，数字时钟，报文产生模块，时间戳获取模块，时间戳解析模块，报文处理模块，控制模块，数字时钟；

PLL，用于对输入的外部时钟信号进行倍频后输出系统使用的工作时钟；

数字时钟模块，输出本地时间和本地PPS，实现记录本地时间的数字时钟；输出的本地时间的纠正值由控制模块进行控制；

时间戳获取模块，接收报文，在检测到同步报文后，记录下输入的时间戳，并根据同步报文的内容决定该时间戳的种类，若为t2，t3时间戳则附上相应标记，将附上相应标记的时间戳输入时间戳解析模块或报文生成模块；

时间戳解析模块，负责解析时间戳，接收报文处理模块从跟随报文和延时回复报文中提取出的t1时间戳和t4时间戳和校正域中的驻留时间；接收时间戳获取模块截取到的同步报文的接收时间和延时报文的发送时间，同步报文的接收时间作为t2时间戳，延时报文的发送时间作为t3时间戳，将t1，t2，t3，t4四个时间戳和从报文处理模块得到的校正域中的驻留时间发给控制模块；

报文处理模块：用于解析收到的报文的种类并作出相应处理：从跟随报文中得到t1时间戳和校正域中的驻留时间，从延时回复报文中得到t4时间戳和校正域中的驻留时间,并将其发送给时间戳解析模块；

控制模块，接收时间戳解析模块发送的t1，t2，t3，t4四种时间戳和驻留时间，计算出数字时钟模块与船上时钟模块的延时，并对数字时钟进行校准；

报文产生模块，用于产生延时报文。

6.根据权利要求1所述的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于：所述船上时钟模块产生的时钟下发至各个海洋地震勘探拖缆上的各个节点的速率为10MHz，并且下传一路时钟。

7.根据权利要求1所述的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于：所述时钟信号被节点同步控制模块接收以后，通过第一FPGA、第二FPGA和第三FPGA中的PLL进行倍频得到100MHz的时钟信号，作为第一FPGA、第二FPGA和第三FPGA中逻辑的时钟，解决时钟的相位对齐的问题。

8.根据权利要求1所述的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于：所述海洋地震勘探拖缆的任意一级节点在接收到同步报文以后还会继续向下一级节点转发，在同步过程中，4种报文均只需要发送一次就可以完成同步；在保证同步精度的同时，大大降低了同步系统需要的带宽；按照一个报文长度为14字节计算，同步系统只需要发送和接收56字节的数据就能完成同步。

9.根据权利要求1所述的一种用于海洋地震勘探拖缆的长距离数据同步采集系统，其特征在于：所述第一FPGA、第二FPGA和第三FPGA为低功耗，即数百毫瓦的FPGA。

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