多路海底地震仪精密计时器的制作方法
专利名称：多路海底地震仪精密计时器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及海洋地震勘探技术领域，具体提供一种可精确测量多路信号时间 的海底地震仪(OBS)精密计时器。
背景技术：
随着海洋调查技术的发展，海洋地球物理勘探已从传统海上勘探转向海底地震勘 探。如今，海底地震勘探技术正逐步成熟，已成为研究海底深部构造、海上四维油气勘探、天 然气水合物等新兴能源勘探开发必不可少的技术方法。海底地震勘探技术分为0BC(0cean Bottom Cable，海底电缆)和OBS(Ocean Bottom Seismometer，海底地震仪)勘探技术，前者采用海底地震电缆，后者采用海底地震 仪。OBS勘探技术是将海底地震仪布设于海底，实时广方位角、全波接收记录海洋调查船拖 曳震源触发放炮后海底反射的直达波、反射波、折射波等可以反映海底地质结构的原始数 据。如专利申请号200810117385. 4的中国专利申请公开了一种“七通道多功能海底地震 仪”。海洋导航定位是任何海洋调查的数学基础。在通常的海洋地质调查中，导航定位 记录的是地震震源触发时间和各类调查设备地理位置及状态等，时间精度一般为0. 1秒。 当然在此过程中存在电器线路延时、系统运行偶然延时、信号传输延时等因素影响，导致导 航系统记录的炮点定位时间(UTC时间)的不确定性，相对于真时间存在过多的抖动误差， 体现在精确计时微观领域是一种“脏”时间。由于海底地震仪工作过程表现为“初始化_投放入水_触底_采集-释放回 收_时间同步与均差化_真时间化”，再进行“数据格式转换_数据下载保存_提交野外采 集资料成果”。这个过程的时间窗口在外部是可测量的，但在设备内部却是以自我封闭内部 计时来完成，形成与外部时间隔离，导致设备时间于真时间存在了计量误差。时间计量误差直接影响OBS地震数据处理的成像和解释结果，直接影响海底地震 勘探的成果和效率。高精度的时间分割与叠加是影响地震数据处理剖面表现的主要因素。 与常规OBC地震数据相比，OBS记录地震数据是连续的，其记录过程不间断，因此数据处理 需要对记录进行分离，这也是OBS数据处理的最基本要求。OBS地震数据的分段需要精确 的时间标定，并且每一激发点的时间都必须精确。上一个激发点时间精度会影响下一个激 发点数据的分段，当某一个点的激发时间精度不足时，分段后的地震数据将产生跳动，表现 为接收的地震信号的波至不光滑，造成地层存在很多断层的假相。另外，在同相轴不连续 时，由于径向能量方向不集中，会使PS波场分离难以达到最佳，并且无法进行正常的速度 拾取，其结果就是无法获得地层的真实成像。因此，要消除这种时间计量误差，就需要一种与真时间稳定同步的计时设备输出 与记录每个地震震源触点的准确时间。另外，计时设备的系统误差也是影响最终地震震源 触点时间输出的一个重要因素。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种可测量多路地震触发信号的“多路海底地震仪精 密计时器”，为海洋地质调查海底地震仪(OBS)提供精确的时间计量，克服OBS内部计时盲 点，使得OBS地震数据分段连续、精确，在海洋地质调查中获得精细可靠、清晰真实海底地 层成像及其特征属性。提高海底地震勘探的探测精度和工作效率。本实用新型多路海底地震仪精密计时器，用于输出接近真时间高精度的Ipps脉 冲信号及计时测量数据，与海底地震仪数据记录系统整理汇合后为海底地震仪获取地形剖 面提供最基本的原始时间数据，包括防静电防干扰的屏蔽机箱及设于屏蔽机箱内的电路。 所述电路包括MCU数据处理单元，及与其电连接的开关电源和稳压电路、GPS授时模块、 Ipps脉冲输出电路、计时测量数据输出电路、拨码盘、外部信号输入及稳定电路。所述开关 电源和稳压电路，用于输出稳压低压直流电源。所述GPS授时模块，包括内置GPS接收单元， 用于输出Ipps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元。所述MCU数据处理单元，系 由包括ARM处理器及与其连接的高稳温补晶振组成的嵌入式系统，用于逻辑处理连接模块 的数据信号，采用GPS授时模块输出的Ipps脉冲信号校准、消除晶振计时的系统误差。所 述Ipps脉冲输出电路，用于输出经过MCU数据处理单元修正的Ipps脉冲信号。所述计时 测量数据输出电路，用于输出经过MCU数据处理单元运算处理的计时测量数据信号。所述 拨码盘，与MCU数据处理单元的IO端连接，用于设置测量起点的初始炮号。考虑内置GPS接收单元故障不能接收GPS信号的可能性，所述GPS授时模块还包 括外部Ipps脉冲信号接入电路、外部GPS信号接入电路，与所述内置GPS接收单元之间通 过开关切换选择，用于输入外部的Ipps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元。因 此当内置GPS接收单元故障时，可以与外部GPS连接获得GPS时间、位置、卫星数等信息。为了保障多路海底地震仪精密计时器的工作不受外部环境电磁干扰和影响，所述 外部Ipps脉冲信号接入电路的信号接入端设有高速光电耦合器；所述Ipps脉冲输出电路 的信号输出端设有高速光电耦合器；所述计时测量数据输出电路为RS232串行口输出电 路。为了操作方便，更好的实现人机交互，本实用新型多路海底地震仪精密计时器还 设置与所述MCU数据处理单元电连接的IXD显示电路、报警LED和蜂鸣器。所述IXD显示 电路，与MCU数据处理单元的IO端连接，用于显示时间、经纬度、及卫星数量信息。所述报 警LED和蜂鸣器，用于故障报警。本实用新型多路海底地震仪精密计时器内部使用高稳温补晶振计时，并设有GPS 授时模块。当无法接收到GPS卫星信号时，由高稳温补晶振实现内部高精度计时；当接收到 GPS卫星信号时，GPS授时模块初始化真时间起点，连续的Ipps脉冲信号修正高稳温补晶振 计时信号。本计时器为各输入信号输出精确的时间数据，确保海底地震仪记录数据的准确 度及分析数据的可靠性。本实用新型计时器的信号输入、输出端均设有高速光电耦合器，电 路设于防静电防干扰的屏蔽机箱内，可以确保本计时器的工作不受外界的干扰影响。经实验证明，本实用新型计时器由于采用高稳电路，可靠性极高的工业级集成电 子芯片和防静电防干扰屏蔽机箱，工作芯片均采用高速IC。因此，计时精确，性能稳定，适 应温度域宽，可连续无故障稳定运行2个月以上；通过授时型GPS准确授时，高稳温补晶 振计时每秒对钟，可同时测量多路，不同信号源的触发时间(UTC时间)，时间精度可达到0. 00001秒。可广泛用于OBS相关的海洋地球物理及科学调查项目中，成为开展此类科研和 生产项目的必备设备。同时，本实用新型计时器还具备自动计数功能(拨码盘)，可与导航系统测线炮 号严格对应，实现了在海洋地质调查活动中的OBS资料采集与其它方式地震资料采集的同
止
少ο
图1为本实用新型计时器的电路原理框图；图2为本实用新型计时器的GPS授时模块的与内置GPS接收单元电路；图3为本实用新型计时器的GPS授时模块的外部Ipps脉冲信号接入电路；图4为本实用新型计时器的GPS授时模块的外部GPS信号接入电路；图5为本实用新型计时器的计时测量数据输出电路。以上图中R为电阻，C为电容，Q为三极管，VCC为工作电压，D为二极管；L为电感线圈。
具体实施方式
以下结合附图及优选实施例对本实用新型技术方案进一步说明如图1所示为本实用新型计时器的电路原理框图，电路包括MCU数据处理单元，及 与其电连接的开关电源和稳压电路、GPS授时模块、Ipps脉冲输出电路、计时测量数据输出 电路、拨码盘、LCD显示电路、报警LED和蜂鸣器。所述开关电源和稳压电路，用于输出稳压 低压直流电源作为计时器的工作电压。所述GPS授时模块采用U-BLOX高精度授时型GPS 接收机，用于输出Ipps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元；还包括外部Ipps脉 冲信号接入电路、外部GPS信号接入电路，与所述内置GPS接收单元之间通过开关切换选 择，用于输入外部的Ipps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元。因此当内置GPS 接收单元故障时，可以与外部GPS连接获得GPS时间、位置、卫星数等信息。所述MCU数据 处理单元，系由包括ARM处理器(用内核为32位LPC2138芯片做为主CPU处理数据，运行 稳定速度快)及连接于ARM处理器XTAL端的高稳温补晶振(TCX0高稳温补晶振)组成的 嵌入式系统，用于逻辑处理连接模块的数据，采用GPS授时模块输出的Ipps脉冲信号校准、 消除晶振计时的系统误差。所述Ipps脉冲输出电路，在脉冲信号输出端设有高速光电耦合 器，用于输出经过MCU数据处理单元修正的Ipps脉冲信号。所述计时测量数据输出电路， 用于输出经过MCU数据处理单元修正的计时测量信号。所述IXD显示电路，与MCU数据处 理单元的IO端连接，用于显示时间、经纬度、及卫星数量信息。所述拨码盘，与MCU数据处 理单元的IO端连接，用于设置炮号。所述报警LED和蜂鸣器，用于故障报警。图2为本实用新型计时器的GPS授时模块的内置GPS授时电路。P6为与GPS天 线连接的端子；P7为内置GPS接收单元输出的Ipps脉冲信号lpps_LEA的输出端子；U6 为LEA-4T GPS接收模块芯片，3脚和4脚分别输出计时测量信号RXD_LEA和计时测量信号 TXD_LEA JRST为GPS接收模块芯片复位按钮；U23为高速CMOS反相器74HC04 ；U22为高速 光电耦合器。图3为本实用新型计时器的GPS授时模块的外部Ipps脉冲信号接入电路。P5为外部Ipps脉冲信号接入端子；U25为高速光电耦合器；lpps_LEA为内置GPS接收单元输出 的Ipps脉冲信号；Ipps脉冲信号的输出至MCU数据处理单元，由开关SP21切换选择内置 GPS接收单元输出的Ipps脉冲信号或者外部Ipps脉冲信号。图4为本实用新型计时器的GPS授时模块的外部GPS信号接入电路。COM端为 RS232串行口，用于与船载GPS等外部GPS对接⑴5为串行口电平转换芯片MAX3232 ；外部 GPS信号TXD_GPS及外部GPS信号RXD_GPS由开关SP13切换输出。图5为本实用新型计时器的计时测量数据输出电路。图中P0. 9_RXD1及P0. 8_TXD1 为经过MCU数据处理单元处理后输出的计时测量信号，由开关SPl切换不同通道的计时测 量信号从RS232串行口 COM2输出。U3及U4为串行口电平转换芯片MAX3232。本实用新型计时器的GPS授时模块接收到四颗或以上卫星信号后，输出高精度的 时间信号至MCU数据处理单元。MCU数据处理单元通过高精度的TCXO高温补晶振计时，并 利用GPS授时模块输出的精确的Ipps脉冲信号对时间信号修正和处理后，通过Ipps脉冲 输出电路输出Ipps脉冲信号以及通过R计时测量数据输出电路输出计时测量信号。同时， MCU数据处理单元将相关数据输出至IXD显示电路上显示时间、经纬度、卫星数量及初始炮 号(人工通过拨码盘设定)。计时测量U-BL0X高精度授时型GPS接收机通过外部天线设备锁定导航定位卫星 4个以上后锁定，输出Ipps脉冲信号；UTCXO高稳温补晶振同步计时。当晶振秒周期与相邻 同相Ipps脉冲信号间隔周期同步误差小于1 μ s时，计时测量进入信号稳定测量状态。一旦内置GPS接收单元出现故障时，MCU数据处理单元将立即检测到，并通过IO信 号使LED熄灭，信号失效时间超过20秒即驱动蜂鸣器发出提示音，直到信号恢复正常。本实用新型计时器采用U-BLOX高精度授时型GPS接收机授时，采用TCXO高稳温 补晶振计时，同时利用GPS授时模块输出的Ipps脉冲信号校准，以消除晶振计时所产生的 累计误差；MCU数据处理单元选用ARM嵌入式方案来处理，采用内核为32位LPC2138芯片为 主CPU处理数据，运行速度快；通过软件算法，对Ipps脉冲信号进行处理，不受GPS的Ipps 脉冲随机误差带来的影响，能够提供更可靠、稳定的计时测量。经实验验证，本实用新型计 时器的主要性能参数为Ipps脉冲信号初始定时精度士 50ns ；Ipps脉冲信号保持精度士 10 μ s (24小时后)；ARM 响应速度0· 9*60 = 54MIPS ；单条指令执行速度0. 018 μ s ；软件计算延迟约0. 3 μ S。
权利要求多路海底地震仪精密计时器，用于输出接近真时间高精度的1pps脉冲信号及计时测量数据，与海底地震仪数据记录系统整理汇合后为海底地震仪获取地形剖面提供原始时间数据，包括防静电防干扰的屏蔽机箱及设于屏蔽机箱内的电路，其特征在于所述电路包括MCU数据处理单元，及与其电连接的开关电源和稳压电路、GPS授时模块、1pps脉冲输出电路、计时测量数据输出电路、拨码盘、外部信号输入及稳定电路；所述开关电源和稳压电路，用于输出稳压低压直流电源；所述GPS授时模块，包括内置GPS接收单元，用于输出1pps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元；所述MCU数据处理单元，用于逻辑处理连接模块的数据信号，采用GPS授时模块输出的1pps脉冲信号校准、消除晶振计时的系统误差，系由包括ARM处理器及与其连接的高稳温补晶振组成的嵌入式系统；所述1pps脉冲输出电路，用于输出经过MCU数据处理单元修正的1pps脉冲信号；所述计时测量数据输出电路，用于输出经过MCU数据处理单元修正的计时测量信号；所述拨码盘，与MCU数据处理单元的IO端连接，用于设置测量起点的初始炮号。
2.如权利要求1所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述GPS授时模块 还包括外部Ipps脉冲信号接入电路、外部GPS信号接入电路，与所述内置GPS接收单元之 间通过开关切换选择，用于输入外部的Ipps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元。
3.如权利要求2所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述外部Ipps脉冲 信号接入电路的信号接入端设有高速光电耦合器，用于防止所述外部Ipps脉冲信号干扰。
4.如权利要求1所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述计时测量数据 输出电路为RS232串行口输出电路。
5.如权利要求1所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述ARM处理器为 32 位 LPC2138 芯片。
6.如权利要求1所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述高稳温补晶振 为TCXO高稳温补晶振。
7.如权利要求1所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述Ipps脉冲输出 电路的信号输出端设有高速光电耦合器，用于防止所述外部设备干扰。
8.如权利要求1所述的“多路海底地震仪精密计时器”，其特征在于所述电路还包括 与所述MCU数据处理单元电连接的IXD显示电路、报警LED和蜂鸣器；所述IXD显示电路，与MCU数据处理单元的IO端连接，用于显示时间、经纬度、及卫星 数量信息；所述报警LED和蜂鸣器，用于故障报警。
专利摘要本实用新型涉及海洋地震勘探技术领域，提供多路海底地震仪精密计时器，包括防静电防干扰的屏蔽机箱及设于屏蔽机箱内的电路。所述电路包括MCU数据处理单元，GPS授时模块、1pps脉冲输出电路、计时测量数据输出电路、拨码盘、开关电源和稳压电路。本实用新型海底地震仪精密计时器，通过GPS授时模块用于接收GPS信号的真时间信息及输出1pps脉冲信号至MCU数据处理单元修正晶振计时，可同时测量多路不同信号源的触发时间，输出修正的1pps脉冲信号及计时测量信号，时间精度可达到0.00001秒，是一种高精确度的时间测量仪器，为海底地震仪(OBS)提供精确的时间计量。提高海底地震勘探的探测精度和工作效率。
文档编号G01V1/24GK201681269SQ20102027226
公开日2010年12月22日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者伍忠良, 彭朝旭, 王伟魏, 胡家赋, 董广 申请人:广州海洋地质调查局
技术领域：
本实用新型涉及海洋地震勘探技术领域，具体提供一种可精确测量多路信号时间 的海底地震仪(OBS)精密计时器。
背景技术：
随着海洋调查技术的发展，海洋地球物理勘探已从传统海上勘探转向海底地震勘 探。如今，海底地震勘探技术正逐步成熟，已成为研究海底深部构造、海上四维油气勘探、天 然气水合物等新兴能源勘探开发必不可少的技术方法。海底地震勘探技术分为0BC(0cean Bottom Cable，海底电缆)和OBS(Ocean Bottom Seismometer，海底地震仪)勘探技术，前者采用海底地震电缆，后者采用海底地震 仪。OBS勘探技术是将海底地震仪布设于海底，实时广方位角、全波接收记录海洋调查船拖 曳震源触发放炮后海底反射的直达波、反射波、折射波等可以反映海底地质结构的原始数 据。如专利申请号200810117385. 4的中国专利申请公开了一种“七通道多功能海底地震 仪”。海洋导航定位是任何海洋调查的数学基础。在通常的海洋地质调查中，导航定位 记录的是地震震源触发时间和各类调查设备地理位置及状态等，时间精度一般为0. 1秒。 当然在此过程中存在电器线路延时、系统运行偶然延时、信号传输延时等因素影响，导致导 航系统记录的炮点定位时间(UTC时间)的不确定性，相对于真时间存在过多的抖动误差， 体现在精确计时微观领域是一种“脏”时间。由于海底地震仪工作过程表现为“初始化_投放入水_触底_采集-释放回 收_时间同步与均差化_真时间化”，再进行“数据格式转换_数据下载保存_提交野外采 集资料成果”。这个过程的时间窗口在外部是可测量的，但在设备内部却是以自我封闭内部 计时来完成，形成与外部时间隔离，导致设备时间于真时间存在了计量误差。时间计量误差直接影响OBS地震数据处理的成像和解释结果，直接影响海底地震 勘探的成果和效率。高精度的时间分割与叠加是影响地震数据处理剖面表现的主要因素。 与常规OBC地震数据相比，OBS记录地震数据是连续的，其记录过程不间断，因此数据处理 需要对记录进行分离，这也是OBS数据处理的最基本要求。OBS地震数据的分段需要精确 的时间标定，并且每一激发点的时间都必须精确。上一个激发点时间精度会影响下一个激 发点数据的分段，当某一个点的激发时间精度不足时，分段后的地震数据将产生跳动，表现 为接收的地震信号的波至不光滑，造成地层存在很多断层的假相。另外，在同相轴不连续 时，由于径向能量方向不集中，会使PS波场分离难以达到最佳，并且无法进行正常的速度 拾取，其结果就是无法获得地层的真实成像。因此，要消除这种时间计量误差，就需要一种与真时间稳定同步的计时设备输出 与记录每个地震震源触点的准确时间。另外，计时设备的系统误差也是影响最终地震震源 触点时间输出的一个重要因素。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种可测量多路地震触发信号的“多路海底地震仪精 密计时器”，为海洋地质调查海底地震仪(OBS)提供精确的时间计量，克服OBS内部计时盲 点，使得OBS地震数据分段连续、精确，在海洋地质调查中获得精细可靠、清晰真实海底地 层成像及其特征属性。提高海底地震勘探的探测精度和工作效率。本实用新型多路海底地震仪精密计时器，用于输出接近真时间高精度的Ipps脉 冲信号及计时测量数据，与海底地震仪数据记录系统整理汇合后为海底地震仪获取地形剖 面提供最基本的原始时间数据，包括防静电防干扰的屏蔽机箱及设于屏蔽机箱内的电路。 所述电路包括MCU数据处理单元，及与其电连接的开关电源和稳压电路、GPS授时模块、 Ipps脉冲输出电路、计时测量数据输出电路、拨码盘、外部信号输入及稳定电路。所述开关 电源和稳压电路，用于输出稳压低压直流电源。所述GPS授时模块，包括内置GPS接收单元， 用于输出Ipps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元。所述MCU数据处理单元，系 由包括ARM处理器及与其连接的高稳温补晶振组成的嵌入式系统，用于逻辑处理连接模块 的数据信号，采用GPS授时模块输出的Ipps脉冲信号校准、消除晶振计时的系统误差。所 述Ipps脉冲输出电路，用于输出经过MCU数据处理单元修正的Ipps脉冲信号。所述计时 测量数据输出电路，用于输出经过MCU数据处理单元运算处理的计时测量数据信号。所述 拨码盘，与MCU数据处理单元的IO端连接，用于设置测量起点的初始炮号。考虑内置GPS接收单元故障不能接收GPS信号的可能性，所述GPS授时模块还包 括外部Ipps脉冲信号接入电路、外部GPS信号接入电路，与所述内置GPS接收单元之间通 过开关切换选择，用于输入外部的Ipps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元。因 此当内置GPS接收单元故障时，可以与外部GPS连接获得GPS时间、位置、卫星数等信息。为了保障多路海底地震仪精密计时器的工作不受外部环境电磁干扰和影响，所述 外部Ipps脉冲信号接入电路的信号接入端设有高速光电耦合器；所述Ipps脉冲输出电路 的信号输出端设有高速光电耦合器；所述计时测量数据输出电路为RS232串行口输出电 路。为了操作方便，更好的实现人机交互，本实用新型多路海底地震仪精密计时器还 设置与所述MCU数据处理单元电连接的IXD显示电路、报警LED和蜂鸣器。所述IXD显示 电路，与MCU数据处理单元的IO端连接，用于显示时间、经纬度、及卫星数量信息。所述报 警LED和蜂鸣器，用于故障报警。本实用新型多路海底地震仪精密计时器内部使用高稳温补晶振计时，并设有GPS 授时模块。当无法接收到GPS卫星信号时，由高稳温补晶振实现内部高精度计时；当接收到 GPS卫星信号时，GPS授时模块初始化真时间起点，连续的Ipps脉冲信号修正高稳温补晶振 计时信号。本计时器为各输入信号输出精确的时间数据，确保海底地震仪记录数据的准确 度及分析数据的可靠性。本实用新型计时器的信号输入、输出端均设有高速光电耦合器，电 路设于防静电防干扰的屏蔽机箱内，可以确保本计时器的工作不受外界的干扰影响。经实验证明，本实用新型计时器由于采用高稳电路，可靠性极高的工业级集成电 子芯片和防静电防干扰屏蔽机箱，工作芯片均采用高速IC。因此，计时精确，性能稳定，适 应温度域宽，可连续无故障稳定运行2个月以上；通过授时型GPS准确授时，高稳温补晶 振计时每秒对钟，可同时测量多路，不同信号源的触发时间(UTC时间)，时间精度可达到0. 00001秒。可广泛用于OBS相关的海洋地球物理及科学调查项目中，成为开展此类科研和 生产项目的必备设备。同时，本实用新型计时器还具备自动计数功能(拨码盘)，可与导航系统测线炮 号严格对应，实现了在海洋地质调查活动中的OBS资料采集与其它方式地震资料采集的同
止
少ο
图1为本实用新型计时器的电路原理框图；图2为本实用新型计时器的GPS授时模块的与内置GPS接收单元电路；图3为本实用新型计时器的GPS授时模块的外部Ipps脉冲信号接入电路；图4为本实用新型计时器的GPS授时模块的外部GPS信号接入电路；图5为本实用新型计时器的计时测量数据输出电路。以上图中R为电阻，C为电容，Q为三极管，VCC为工作电压，D为二极管；L为电感线圈。
具体实施方式
以下结合附图及优选实施例对本实用新型技术方案进一步说明如图1所示为本实用新型计时器的电路原理框图，电路包括MCU数据处理单元，及 与其电连接的开关电源和稳压电路、GPS授时模块、Ipps脉冲输出电路、计时测量数据输出 电路、拨码盘、LCD显示电路、报警LED和蜂鸣器。所述开关电源和稳压电路，用于输出稳压 低压直流电源作为计时器的工作电压。所述GPS授时模块采用U-BLOX高精度授时型GPS 接收机，用于输出Ipps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元；还包括外部Ipps脉 冲信号接入电路、外部GPS信号接入电路，与所述内置GPS接收单元之间通过开关切换选 择，用于输入外部的Ipps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元。因此当内置GPS 接收单元故障时，可以与外部GPS连接获得GPS时间、位置、卫星数等信息。所述MCU数据 处理单元，系由包括ARM处理器(用内核为32位LPC2138芯片做为主CPU处理数据，运行 稳定速度快)及连接于ARM处理器XTAL端的高稳温补晶振(TCX0高稳温补晶振)组成的 嵌入式系统，用于逻辑处理连接模块的数据，采用GPS授时模块输出的Ipps脉冲信号校准、 消除晶振计时的系统误差。所述Ipps脉冲输出电路，在脉冲信号输出端设有高速光电耦合 器，用于输出经过MCU数据处理单元修正的Ipps脉冲信号。所述计时测量数据输出电路， 用于输出经过MCU数据处理单元修正的计时测量信号。所述IXD显示电路，与MCU数据处 理单元的IO端连接，用于显示时间、经纬度、及卫星数量信息。所述拨码盘，与MCU数据处 理单元的IO端连接，用于设置炮号。所述报警LED和蜂鸣器，用于故障报警。图2为本实用新型计时器的GPS授时模块的内置GPS授时电路。P6为与GPS天 线连接的端子；P7为内置GPS接收单元输出的Ipps脉冲信号lpps_LEA的输出端子；U6 为LEA-4T GPS接收模块芯片，3脚和4脚分别输出计时测量信号RXD_LEA和计时测量信号 TXD_LEA JRST为GPS接收模块芯片复位按钮；U23为高速CMOS反相器74HC04 ；U22为高速 光电耦合器。图3为本实用新型计时器的GPS授时模块的外部Ipps脉冲信号接入电路。P5为外部Ipps脉冲信号接入端子；U25为高速光电耦合器；lpps_LEA为内置GPS接收单元输出 的Ipps脉冲信号；Ipps脉冲信号的输出至MCU数据处理单元，由开关SP21切换选择内置 GPS接收单元输出的Ipps脉冲信号或者外部Ipps脉冲信号。图4为本实用新型计时器的GPS授时模块的外部GPS信号接入电路。COM端为 RS232串行口，用于与船载GPS等外部GPS对接⑴5为串行口电平转换芯片MAX3232 ；外部 GPS信号TXD_GPS及外部GPS信号RXD_GPS由开关SP13切换输出。图5为本实用新型计时器的计时测量数据输出电路。图中P0. 9_RXD1及P0. 8_TXD1 为经过MCU数据处理单元处理后输出的计时测量信号，由开关SPl切换不同通道的计时测 量信号从RS232串行口 COM2输出。U3及U4为串行口电平转换芯片MAX3232。本实用新型计时器的GPS授时模块接收到四颗或以上卫星信号后，输出高精度的 时间信号至MCU数据处理单元。MCU数据处理单元通过高精度的TCXO高温补晶振计时，并 利用GPS授时模块输出的精确的Ipps脉冲信号对时间信号修正和处理后，通过Ipps脉冲 输出电路输出Ipps脉冲信号以及通过R计时测量数据输出电路输出计时测量信号。同时， MCU数据处理单元将相关数据输出至IXD显示电路上显示时间、经纬度、卫星数量及初始炮 号(人工通过拨码盘设定)。计时测量U-BL0X高精度授时型GPS接收机通过外部天线设备锁定导航定位卫星 4个以上后锁定，输出Ipps脉冲信号；UTCXO高稳温补晶振同步计时。当晶振秒周期与相邻 同相Ipps脉冲信号间隔周期同步误差小于1 μ s时，计时测量进入信号稳定测量状态。一旦内置GPS接收单元出现故障时，MCU数据处理单元将立即检测到，并通过IO信 号使LED熄灭，信号失效时间超过20秒即驱动蜂鸣器发出提示音，直到信号恢复正常。本实用新型计时器采用U-BLOX高精度授时型GPS接收机授时，采用TCXO高稳温 补晶振计时，同时利用GPS授时模块输出的Ipps脉冲信号校准，以消除晶振计时所产生的 累计误差；MCU数据处理单元选用ARM嵌入式方案来处理，采用内核为32位LPC2138芯片为 主CPU处理数据，运行速度快；通过软件算法，对Ipps脉冲信号进行处理，不受GPS的Ipps 脉冲随机误差带来的影响，能够提供更可靠、稳定的计时测量。经实验验证，本实用新型计 时器的主要性能参数为Ipps脉冲信号初始定时精度士 50ns ；Ipps脉冲信号保持精度士 10 μ s (24小时后)；ARM 响应速度0· 9*60 = 54MIPS ；单条指令执行速度0. 018 μ s ；软件计算延迟约0. 3 μ S。
权利要求多路海底地震仪精密计时器，用于输出接近真时间高精度的1pps脉冲信号及计时测量数据，与海底地震仪数据记录系统整理汇合后为海底地震仪获取地形剖面提供原始时间数据，包括防静电防干扰的屏蔽机箱及设于屏蔽机箱内的电路，其特征在于所述电路包括MCU数据处理单元，及与其电连接的开关电源和稳压电路、GPS授时模块、1pps脉冲输出电路、计时测量数据输出电路、拨码盘、外部信号输入及稳定电路；所述开关电源和稳压电路，用于输出稳压低压直流电源；所述GPS授时模块，包括内置GPS接收单元，用于输出1pps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元；所述MCU数据处理单元，用于逻辑处理连接模块的数据信号，采用GPS授时模块输出的1pps脉冲信号校准、消除晶振计时的系统误差，系由包括ARM处理器及与其连接的高稳温补晶振组成的嵌入式系统；所述1pps脉冲输出电路，用于输出经过MCU数据处理单元修正的1pps脉冲信号；所述计时测量数据输出电路，用于输出经过MCU数据处理单元修正的计时测量信号；所述拨码盘，与MCU数据处理单元的IO端连接，用于设置测量起点的初始炮号。
2.如权利要求1所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述GPS授时模块 还包括外部Ipps脉冲信号接入电路、外部GPS信号接入电路，与所述内置GPS接收单元之 间通过开关切换选择，用于输入外部的Ipps脉冲信号及计时测量信号至MCU数据处理单元。
3.如权利要求2所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述外部Ipps脉冲 信号接入电路的信号接入端设有高速光电耦合器，用于防止所述外部Ipps脉冲信号干扰。
4.如权利要求1所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述计时测量数据 输出电路为RS232串行口输出电路。
5.如权利要求1所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述ARM处理器为 32 位 LPC2138 芯片。
6.如权利要求1所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述高稳温补晶振 为TCXO高稳温补晶振。
7.如权利要求1所述的多路海底地震仪精密计时器，其特征在于所述Ipps脉冲输出 电路的信号输出端设有高速光电耦合器，用于防止所述外部设备干扰。
8.如权利要求1所述的“多路海底地震仪精密计时器”，其特征在于所述电路还包括 与所述MCU数据处理单元电连接的IXD显示电路、报警LED和蜂鸣器；所述IXD显示电路，与MCU数据处理单元的IO端连接，用于显示时间、经纬度、及卫星 数量信息；所述报警LED和蜂鸣器，用于故障报警。
专利摘要本实用新型涉及海洋地震勘探技术领域，提供多路海底地震仪精密计时器，包括防静电防干扰的屏蔽机箱及设于屏蔽机箱内的电路。所述电路包括MCU数据处理单元，GPS授时模块、1pps脉冲输出电路、计时测量数据输出电路、拨码盘、开关电源和稳压电路。本实用新型海底地震仪精密计时器，通过GPS授时模块用于接收GPS信号的真时间信息及输出1pps脉冲信号至MCU数据处理单元修正晶振计时，可同时测量多路不同信号源的触发时间，输出修正的1pps脉冲信号及计时测量信号，时间精度可达到0.00001秒，是一种高精确度的时间测量仪器，为海底地震仪(OBS)提供精确的时间计量。提高海底地震勘探的探测精度和工作效率。
文档编号G01V1/24GK201681269SQ20102027226
公开日2010年12月22日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者伍忠良, 彭朝旭, 王伟魏, 胡家赋, 董广 申请人:广州海洋地质调查局
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