CN112230291A - 一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法及系统，所述信号同步收发方法包括：发射端接收到同步触发信号后对发射端信号波查找表完成一次复位，使得发射端产生的信号波的相位置零；接收端接收到同步触发信号后，开启写入数据使能将数字信号写入到FPGA中，同时控制FPGA内部的参考信号生成模块完成一次查找表复位，将参考信号的相位置零；进而减小由收发非同源晶振所带来的相位累积误差。本发明的优点在于：本发明中所实现的收发同步方案中，每当收发端各自井上的同步触发信号到达井下时，会分别对发射端的SPWM波查找表和接收端的相敏检波参考信号查找表完成一次复位，将其相位置零，从而减小由收发非同源晶振所带来的相位累积误差。

Description

一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法及系统
技术领域
本发明涉及井间电磁探测技术领域，尤其涉及一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法及系统。
背景技术
井间电磁探测属于大地电磁探测(MT)中的一类，发射端采用偶极子源发射信号，并在相距上百米甚至数百米的接收端对信号完成接收和采集；相比于其他方式的地下勘探，井间电磁探测能够实现高跨距、远距离的探测，若将多口井以阵列的形式排列还可以极大地提高区域内的探测效率和探测精度；井间电磁探测方法已经应用到很多领域，如地下资源探测、地表建筑裂隙探测和考古发掘等等。
由电磁场理论可知，信号在两口径井之间的底层间传播时，会受到地层中的电导率、磁导率和介电常数以及信号频率等参数的影响，最终导致信号的幅值信息与相位信息在传播途中发生变化；若已知发射信号的幅值和初始相位，再根据接收端提取的信号的波形信息，便能够对地层中的传播因子实现反演，从而获取地层信息。因此，在井间电磁探测系统中，保证系统对弱信号的接收能力以及在接收端准确测量出信号的相位是反演出地层信息的关键。
不论是在两口井还是多井阵列下的井间电磁探测，若要准确测量信号自发射端发射，经地层传播后被接收端接收时的相位变化，则首先需要对各个井之间实现时间上的同步，即明确发射端开始发射信号与接收端开始采集信号之间的延时，消除延时所带来的相位误差方能确保信号相位测量的准确性。其次，井间的发射端与接收端往往相距甚远，使得在电路设计时，接收机与发射机上的晶振芯片并不能采用同源晶振，而对于非同源晶振，其微小的频率偏差会随着时间的积累产生相位偏差，这也就要求，需要增加收发端的同步信号完成对累积相位误差的修正，减小误差累积的时间。
目前，常见的用于井间电磁探测的收发同步方法主要有两种。其一是采用线缆将收发端进行连接，通过收发其中一端产生的控制信号或井上的同步源实现收发同步，代表系统为21世纪初EMI公司所研制的XBH-2000系统，但采用线缆直连的方式实现同步，其主受地形影响较大，实现起来并不灵活。其二是采用GPS接收机接收GPS信号，再由收发端各自的GPS接收机产生同一个时间信号分别对井下接收部分实现同步触发。其中的时间信号，既可以是精确到秒的绝对时间信息，也可以是基于收发端相对时间的脉冲信号。
若采用绝对时间信息实现收发同步，则是将GPS接收机获取的时间信息从井上发送至井下，在井下完成对时间信息的解码后，在一设定好的时间下同时对发送端和接收端完成启动，并在启动时刻，生成控制时钟信号，驱动系统工作。而采用脉冲信号实现的收发同步，则是直接基于井上的周期脉冲，在井下的锁相环产生时钟信号，尽量稳定时钟频率以减小收发电路之间的相位误差积累。总而言之，不论是锁相环还是绝对时间的同步方法，其生成的控制时钟都是基于井间的非同源晶振产生，以常见的晶振为例，其频率误差为20ppm，每1MHz频率的信号会有最大20Hz的频偏，倘若收发端的晶振频偏均为20ppm，则经计算得知，当相敏检波的周期数大于69个周期时，其带来的相位误差将会大于0.5°。且两个非同源晶振的ppm误差积累不可能消除，因此采用上述方法实现的同步方式，其测量得到的相位精度仍无法保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法及方法，能够通过基于同步触发信号和FPGA控制来对相位误差累积的问题进行优化。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法，所述信号同步收发方法包括：
发射端接收到井上传来的井上同步触发脉冲信号后，对井上同步触发脉冲信号的上升沿完成一次时钟同步消除亚稳态影响，对进行时钟同步处理后的井上同步触发脉冲信号上升沿产生井下同步触发脉冲信号，并通过该井下同步触发脉冲信号对正弦波与三角波的查找表地址完成一次置零；
当接收端的井下接收机检测到由RS485通信单元所接收并发送到FPGA的井上同步触发脉冲信号的上升沿后，对该上升沿完成一次时钟同步消除亚稳态影响，随后FPGA根据井上同步触发脉冲信号经过同步处理的上升沿产生井下同步触发脉冲信号，并通过该井下同步触发脉冲信号对FPGA内部的存储器以及相敏检波参考信号的查找表完成一次置零。
进一步地，所述FPGA产生的井下同步触发脉冲信号还能作为ADC数据存储器的状态机跳转使能信号，仅当井下同步触发脉冲信号到来且数据存储器尚未被写满时，才允许ADC采集数据结果写入数据寄存器，否则数据寄存器的写入使能为关闭状态，以保证数字相敏检波输入数据的准确，以得到正确的输出结果。
进一步地，发射端的发射信号有郑县三角函数查找表和三角波函数查找表产生，两个查找表包含各自的存储地址，每个时钟周期将两个查找表地址中的数据按照循环次序进行比对输出SPWM信号。
进一步地，所述信号同步收发方法还包括在所述发射端和接收端接收到井上同步触发脉冲信号之前，同步触发信号的产生和处理步骤。
进一步地，所述同步触发信号产生和处理步骤包括：
所述发射端和接收端的GPS接收机产生PPS信号输入到各自的通信模块上；
通信模块将PPS信号的TTL电平转换为LVTTL电平后输入到FPGA芯片中；
FPGA芯片对接收的信号进行时钟同步处理消除亚稳态影响，并对经过时钟同步处理后的IO口输入PPS信号进行检测。
进一步地，所述对经过时钟同步处理后的IO口输入PPS信号进行检测包括：
当检测到PPS信号的上升沿时，FPGA内部通过计数产生一个时间等同于RS485通信波特率值的高电平信号，该信号会在FPGA检测到下一个PPS信号的上升沿时立即送入RS485通信单元完成驱动和放大后向井下发射同步触发脉冲信号。
一种用于井间电磁探测的信号同步收发系统，它包括：发射端和接收端，所述发射端和接收端均包括GPS接收机和通信模块；所述GPS接收机和通信模块设置与井上；所述发射端还包括设置于井下的发射机，所述接收端还包括设置于井下的接收机；
所述GPS接收机用于接收GPS卫星发送的通信信息，并生成PPS信号后输入到通信模块上；
所述通信模块用于在接收到所述GPS接收机发送的PPS信号将其原来的TTL电平转换为LVTTL电平，并产生同步脉冲电平后发送出去。
进一步地，所述通信模块内置有FPGA芯片和RS485通信单元；所述FPGA芯片对接收的信号进行时钟同步处理消除亚稳态影响，并对经过时钟同步处理后的IO口输入PPS信号进行检测；所述RS485通信单元用于将接收到的同步脉冲电平以串口形式发送出去。
本发明具有以下优点：
1、基于GPS同步触发脉冲信号实现井间电磁收发同步，避免了采用井上线缆直连方式所带来的探测距离的局限性，对井间电磁收发系统中的同步方案实现了简化。
2、相比于采用绝对时间信息实现收发同步的方法，本发明不需要将冗余的时间信息自井上传输到井下，同时也不需要再井下完成对时间信息的解码，在上传至井上的数据均能保证其有效性，而不必根据上传的绝对时间信息对数据进行筛选，提高了井间电磁收发同步实现的效率。
3、相比于直接采用PPS脉冲信息所实现的同步方案，本发明中的同步信号在井上到井下的传输过程中，采用了基于RS-485的串口通信协议，有效减小了同步触发脉冲信号在井上和井下间电缆传输过程中由于信号衰减所带来的边沿不确定性，从而减小了同步触发脉冲信号的延时误差。
4、本发明中所实现的收发同步方案中，每当收发端各自井上的同步触发信号到达井下时，会分布对发射端的SPWM波查找表和接收端的相敏检波参考信号查找表完成一次复位，将其相位置零，从而减小由收发非同源晶振所带来的相位累积误差。
5、本发明所实现的同步方案中，当通信开发板所接收到PPS触发信号并完成RS485通信协议对应波特率的高电平信号产生之后，并不会马上将井上同步触发脉冲信号向井下发送。而是等待下一次PPS信号上升沿的到来，使能上一个PPS所生成的井上同步触发脉冲信号向井下发送。减小了收发端在生成井上同步触发脉冲信号计数过程中，由晶振偏差所带来的的延时，保证了同步精度。
附图说明
图1为本发明的示意图；
图2为通信开发板功能实现原理图；
图3为发射端同步触发脉冲信号作用示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
图1为本发明的收发同步实现的系统示意图。图中左侧为发射端，右侧为接收端。图中接收端和发射端系统分别包含一个GPS信号接收机，接收机与通信开发板相连接，而后通信开发板通过测井绞车线缆与井下电路相连接。
收发端的GPS接收机及其上的天线用来接收由GPS卫星所发送的通信信息，GPS接收机在接收到该信息后，会以此生成一个秒脉冲(PPS)信号，该PPS信号的高电平持续时间以及每两次脉冲之间的间隔可通过向GPS接收机发送指令实现更改，以便适应在井间电磁不同频率及周期设置下所需要时间。
如图2所示为通信开发板上功能实现原理图。其中包含FPGA芯片以及RS485通信模块。由于PPS信号为TTL电平，在通信开发板上首先需要完成一次电平转环，将其变为LVTTL电平，并送入通信开发板中的FPGA芯片。通信开发板中的FPGA芯片会对由GPS接收机所输入的跨时钟域信号完成跨时钟域同步处理，消除其亚稳态影响。继而对经由跨时钟域同步处理后的IO口输入秒脉冲信号进行检测，为减小收发端对上升沿检测的延时误差，选用高频率晶振作为FPGA的系统时钟，当检测到秒脉冲的上升沿时，由FPGA内部通过计数产生一个时间等同于RS485通信波特率值的高电平信号。该信号会在FPGA检测到下一个秒脉冲信号的上升沿时，立即送入RS-485通信模块，完成驱动以及放大处理后，通过传输线缆向井下发射同步脉冲信号。
如图3所示。在发射端的发射信号产生是由两个查找表所生成，其中一个查找表为正弦三角函数查找表，另一个查找表为三角波函数查找表，两个查找表包含各自的存储地址，每个时钟周期将两个查找表地址中的数据按照循环次序进行比对，输出SPWM信号。当发射端的RS485通信单元在接收到井上传来的同步脉冲信号后，会对该上升沿完成一次时钟同步，消除其可能会出现的亚稳态影响，并基于时钟同步处理后的井上脉冲同步信号上升沿，产生井下同步脉冲信号,该信号对正弦波与三角波的查找表地址完成一次重置为0，该重置可等效为对将要发射的SPWM信号的相位完成重置，即可保证每次同步脉冲信号到来后，发射端的发射信号初相位均能够保证一致，同步脉冲信号对发射端的同步触发实现。
同步脉冲信号对接收端的同步触发实现与发射端相似，接收端使用RS485通信单元完成从井上至井下的信号的接收，当接收端的井下接收机在检测到由RS485通信单元所接收并发送至FPGA的同步脉冲信号的上升沿后，会对该上升沿完成一次时钟同步，消除其可能会出现的亚稳态影响。随后FPGA芯片根据井上同步脉冲信号经过同步处理的上升，产生井下同步脉冲信号。
该触发电平的作用有两个，首先对FPGA芯片内部的存储器以及相敏检波参考信号的查找表完成一次重置。这样，即能够保证每一次井上脉冲同步信号信号到来时，发射端的所发射信号与接收端生成的数字参考信号的初相一致，从而实现的收发同步的功能。其次，井下同步触发信号作为由ADC数据存储器的状态机跳转使能信号。仅当井下同步触发信号到来时，且数据存储器尚未被写满时，才允许ADC采集数据结果写入数据寄存器，否则，数据寄存器的写使能为关闭状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法，其特征在于：所述信号同步收发方法包括：
发射端接收到井上传来的井上同步触发脉冲信号后，对井上同步触发脉冲信号的上升沿完成一次时钟同步消除亚稳态影响，对进行时钟同步处理后的井上同步触发脉冲信号上升沿产生井下同步触发脉冲信号，并通过该井下同步触发脉冲信号对正弦波与三角波的查找表地址完成一次置零；
当接收端的井下接收机检测到由RS485通信单元所接收并发送到FPGA的井上同步触发脉冲信号的上升沿后，对该上升沿完成一次时钟同步消除亚稳态影响，随后FPGA根据井上同步触发脉冲信号经过同步处理的上升沿产生井下同步触发脉冲信号，并通过该井下同步触发脉冲信号对FPGA内部的存储器以及相敏检波参考信号的查找表完成一次置零。
2.根据权利要求1所述的一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法，其特征在于：所述FPGA产生的井下同步触发脉冲信号还能作为ADC数据存储器的状态机跳转使能信号，仅当井下同步触发脉冲信号到来且数据存储器尚未被写满时，才允许ADC采集数据结果写入数据寄存器，否则数据寄存器的写入使能为关闭状态，以保证数字相敏检波输入数据的准确，以得到正确的输出结果。
3.根据权利要求1所述的一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法，其特征在于：发射端的发射信号有郑县三角函数查找表和三角波函数查找表产生，两个查找表包含各自的存储地址，每个时钟周期将两个查找表地址中的数据按照循环次序进行比对输出SPWM信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法，其特征在于：所述信号收发同步方法还包括在所述发射端和接收端接收到井上同步触发脉冲信号之前，同步触发信号的产生和处理步骤。
5.根据权利要求4所述的一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法，其特征在于：所述同步触发信号产生和处理步骤包括：
所述发射端和接收端的GPS接收机产生PPS信号输入到各自的通信模块上；
通信模块将PPS信号的TTL电平转换为LVTTL电平后输入到FPGA芯片中；
FPGA芯片对接收的信号进行时钟同步处理消除亚稳态影响，并对经过时钟同步处理后的IO口输入PPS信号进行检测。
6.根据权利要求5所述的一种用于井间电磁探测的信号同步收发方法，其特征在于：所述对经过时钟同步处理后的IO口输入PPS信号进行检测包括：
当检测到PPS信号的上升沿时，FPGA内部通过计数产生一个时间等同于RS485通信波特率值的高电平信号，该信号会在FPGA检测到下一个PPS信号的上升沿时立即送入RS485通信单元完成驱动和放大后向井下发射同步触发脉冲信号。
7.一种用于井间电磁探测的信号同步收发系统，其特征在于：它包括：发射端和接收端，所述发射端和接收端均包括GPS接收机和通信模块；所述GPS接收机和通信模块设置与井上；所述发射端还包括设置于井下的发射机，所述接收端还包括设置于井下的接收机；
所述GPS接收机用于接收GPS卫星发送的通信信息，并生成PPS信号后输入到通信模块上；
所述通信模块用于在接收到所述GPS接收机发送的PPS信号将其原来的TTL电平转换为LVTTL电平，并产生同步脉冲电平后发送出去。
8.根据权利要求7所述的一种用于井间电磁探测的信号同步收发系统，其特征在于：所述通信模块内置有FPGA芯片和RS485通信单元；所述FPGA芯片对接收的信号进行时钟同步处理消除亚稳态影响，并对经过时钟同步处理后的IO口输入PPS信号进行检测；所述RS485通信单元用于将接收到的同步脉冲电平以串口形式发送出去。
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