1 前 言
    地震波勘探方法是地球物理勘探方法中运用最早、最广的方法之一，它是以人工地面激发的地震波在近地面介质中传播时发生的折射，根据折射波到达检波器的时间，分析获得地下介质的空间分布特征的一种地球物理方法。地震波在地下传播中，当地层岩石的弹性参数发生变化，从而引起地震波场发生变化，通过人工接收变化后的地震波，经数据处理，解释后即可反演出地下地质结构及岩性，达到地质勘探的目的。

    时间服务是地震观测中的一个极为重要的内容。时间同步的测量精度直接影响到地震观测记录的质量，是地震数据分析和地震波反演工作所需的极有价值的数据。地震勘探中，地震波到达的******时间及其测量的精度，是进行震相分析和确定震源位置的重要依据。地震震源位置的确定，主要是依靠地震波的震源到各观测点之间的走时差，地震波P 波的速度在地壳为6 km/s，在地幔******可达13.5 km/s，如果时间不准，相差零点几秒就可以使定位误差达到几公里甚至几十公里之多。更重要的是，时间同步系统误差将会造成一系列地震参数计算的误差，如P 波到达时、发震时刻、震中位置、震源深度、地震震级计算精度及由上述参数导出的地震模型、震源机制、地震动力学等诸项结果误差，使后期的科研成果的可信度降低。所以在地震观测台站中，绝不能忽视时间同步问题。本研究利用GPS 授时信号*********、实时性、连续性和高精度的特点，以GPS 的
PPS 信号为基准来校准本地时钟，采用单片机和无线通信技术实现数据采集同步技术，对无线遥测各道的地震数据进行的同步处理。可系统地解决现有同步的传输延迟大、分布采集单元的电路转发延迟等因素造成的非同步采集，反映所采集的地震数据的真实性、******性。

2 多道地震仪的无线同步采集系统方案在地震波勘探中，地震检波器和多道地震仪分部如图1 所示，由于受地形（高山、河流、公路、铁路、建筑等）和距离的限制，分布的多道地震仪之间的同步大都采用无线方式同步，震源信号由主控制器接收，通过有线或无线传送到各多道地震仪进行数据采集，在无线传送过程中，由于无线发送、中继和接收存在时延，从而使同步产生误差。无线同步系统分为检波器数据同步无线发送系统和采集端的无线同步接收处理系统两个部分，原理框图如图2 所示。前者主要负责通过检波器模拟电路对系统产生测试所需同步信号，其中检波器模拟信号采用了24 位的AD 采集，提高信号数据处理的精度，拾取的同步信号通过无线数传模块（或电台）以比较******的数字方式发送，保证勘探仪器各道采集同步数据。该部分主要是保证测试信号及后来实测数据的时间同步基准，其触发时间为一个高精度的时间数值，精度小于1 μs。后者是在利用无线数传模块（或电台）接收各个采集所传送的具有延时误差的相关数据后，利用GPS 的PPS 信号对由有源晶振和定时器组成的时基系统进行同步调
整，使得同步信号的误差降至预期目标，最终使系统以同步方式进行数据采集并将同步数据传输的显示终端。

    由于GPS 地面控制系统将各个原子频标同步比相对于美国海军天文台（USNO）的原子时而建立GPS 系统，因此，GPS 系统时的******稳定性非常好，相应表示GPS 系统时的GPS 接收机秒脉冲的******稳定性也非常好，可以接收到导航授时电文并产生******的1PPS 信号（精度为50 ns～1 μs），因而无线同步系统的精度可小于2 μs，并与无线发送、中继和接收存在的时延无关。图 1 地震勘探中检波器和多道地震仪分部图

3 GPS 授时原理及其在本系统的应用
3.1 GPS 授时原理
    GPS 卫星信号包含三种信号分量:载波、测距码和数据码。时钟频率选用10.23 MHz，利用频率综合器产生所需要的频率。每颗GPS 卫星都以L 波段上的两种载频：L1=1 575.42 MHz 和L2=1 227.60 MHz发射信号。

   在L1 载频上，由数据流和两种伪随机码分别进行同相调制和正交方式调制，其中伪随机码信号是一种频率为10.23MBPS 的精密伪随机码，称之为P码，另一种是频率为1.023MBPS 的粗捕获码，称之为C/A 码。

   在L2 载频上，只有P 码进行双相调制，P 码的作用是与L1 上调制的P 码相配合，测量出或消除由于电离层效应而引起的延迟误差。GPS 的导航电文信息由P 和C/A 两个相互正交的伪随机码对两个载波L1、L2 进行二次调制之后采用调相技术调制到载波上，然后向全球发射，从而在一定程度上使得其能够传输实时性更高的电文信息。

   基于以上原因，使得GPS 时钟可以成为世界协调时———UTC（USNO）。它既可以满足人们对均匀时间间隔的要求，又可以满足人们对以地球自转为基础的******世界时刻的要求。在GPS 卫星上载有与UTC 时间同步的铯原子或氢钟，这样它就成为一种空间的时间基准，地上的用户可接收发自GPS 卫星的时间服务信号校正本地时钟，使之与GPS 时钟同步完成时间传递任务，称为 GPS 授时。

3.2 GPS 授时在本系统中的应用针对多道地震仪的时间同步技术指标的高精度要求，从以上分析我们考虑利用并不昂贵的GPS接收机，其秒脉冲精度为500 ns。在井口处拾取同步脉冲后，通过自行设计的高效通信协议和通信线路将同步信息传送到各同步测量点，在通过各测量点的GPS 的PPS 信号来延时同步，以GPS 秒脉冲信号为时间基准的时测模块原理和时延模块原理是本设计中实现同步脉冲输出的关键技术。时测原理：用秒脉冲作为每个多道地震仪的时间同步基准，再根据每个多道地震仪的收发电路延时，来确定一个******的延时时间。利用GPS 时钟信号与有源晶振时钟信号互补，通过单片机计算出t10，t20，t1，t2，其工作原理如图3 所示。

   时延原理：在地震勘探中，由井口检波器得到爆炸信号，发送模块检测到爆炸信号后，发出同步信号，每个多道地震仪根据时测模块测得t10，t20，t1，t2，进行相应的延时。延时时间一旦达到，时延模块就会发出同步脉冲。此时多道地震仪通过同步脉冲信号进行数据采集，其工作原理如图4 所示。

    为了有效利用上述原理，通过检波器模拟电路发出测试同步信号，接收机接收后根据实测原理******计算出同步信号到达测试通道1、2 的时间t10、t20，同时利用PPS 信号调整并计算两者达到同步的时间t1、t2，在实际的测试当中也是在前级系统发出爆炸信号后利用t1、t2 对系统进行相应处理并发出同步信号，控制数据同步采集。
4 创新点
（1）各模块所产生的同步信号精度高。******误差为±2 μs；
（2）各模块产生的同步信号不受地域限制，可实现宽地域范围甚至全球范围的同步测量和控制；
（3）利用本同步技术设计的模块具有体积小、重量轻、成本低等特点，具有广泛应用前景。可用于遥测各道的地震数据的同步采集和数字式检波器的地震数据同步采集和其他同步测量领域；
（4）同步模块还可******标识测点的地理位置。
5 总结

   本研究分析了时测、时延原理，通过运算得出系统的时间同步精度。GPS 模块的精度为±50 ns，8 253 分频时的基频每个延迟时间约为100 ns，加之
在信号传输的过程中由于硬件等造成的时间延迟，故系统的同步精度******误差为±2 μs。本研究设计了无线同步模块的各个功能模块，在硬件上依据“低功耗、高精度”的整体思想，确定了各模块的具体器件及实现电路，根据设计制作了多个样品，测试后指标均达到了设计要求，可以解决大范围的地震仪分布式时的授时同步和空间定位(经度、纬度、海拔)问题。该时间同步系统与国外新型的记录仪授时方式统一，便于国际间地震记录数据的交流与对比，也为GPS 在其它领域的应用提供了一个范例，具有广泛的应用前景。基于GPS 的高精度无线同步技术的研究，它对数据的采集同步和地震勘探仪器的同步本身都是一种新的观念，用这种同步技术研究的仪器产品可满足多种同步仪器和地震勘探需求，对数字式检波器的研究有着非常重要的意义。