0 引言
瞬變電磁法是勘探地下不同介質電性參數的重要方法之一，在搶險救援、工程施工設計、地下水勘探以及礦產勘探等領域被廣泛應用[1-2]。煤礦探水雷達利用瞬變電磁法的原理，在發射機關斷發射電流的瞬間，接收機采集接收地下介質產生的純二次場，因此需要發射機與接收機之間同頻同相地工作，同步時鐘信號是雙極性的，且要求同步時鐘精度優于800 ns。由于勘探地質的復雜性和未知性，通過GPS和恒溫晶振的互補協調工作來產生同步時鐘[3-4]，接收機與發射機的同步時鐘信號在空間上是分離的，所以同步時鐘信號往往不是完全同步的，會產生不可避免的時間差，而這個時間差的大小決定了整個系統采樣的精度和后續反演算法的準確性。在實際過程中，用示波器觀察往往只是得到短期的觀測數據，不能對時間差數據進行存儲，得到的結論并不準確，因此對同步時鐘信號的矯正具有一定的局限性。參考文獻[5]提出了一種倍頻相移的時間間隔測量方法，最大分辨率為625 ps，參考文獻[6]提出了基于CPLD的時間間隔測量方法，最大分辨率為300 ps。本設計提出了一種高精度的同步時鐘信號時間差測量系統，最大分辨率為200 ps，對同步時鐘信號的時間差可以進行長時間測量，并能對時間差數據進行存儲，在上位機上對存儲的時間差繪制成曲線。與參考文獻[5]、[6]相比，本設計具有更高的精度，能夠對時間差進行存儲和繪制成曲線，擁有更廣泛的應用前景和實用性。
1 總體框架
同步時鐘信號時間差測量系統主要由恒溫晶振模塊、單極性轉換電路模塊、時間間隔測量模塊、LCD、SD卡和PC等組成，系統框圖如圖1所示。單極性轉換電路a、b分別把雙極性同步時鐘信號A、B轉換成單極性信號C、D，再通過時間間隔測量模塊測得單極性信號C、D之間的時間差，時間間隔測量模塊在FPGA內部完成。時間差可以在LCD上顯示，SD卡可以對時間差進行存儲，PC可以對SD卡存儲的時間差繪制成曲線，用來觀測時間差的變化。系統電源模塊為系統提供工作電源，恒溫晶振為FPGA模塊提供穩定的工作頻率。
2 各模塊設計
2.1 單極性轉換電路
由于煤礦探水雷達的同步時鐘信號A、B是雙極性的，而FPGA模塊無法處理負電平，所以需要將同步時鐘信號進行單極性轉換。以同步時鐘信號A為例，單極性轉換電路如圖2所示。當INA+是正電壓、INA-是負電壓時，則光耦Opt1導通，光耦Opt2截止，與非門NAND1輸出高電平，與非門NAND2輸出低電平，經過異或門XOR后輸出高電平。同理：當INA+是負電壓、INA-是正電壓時，光耦Opt1截止，光耦Opt2導通，與非門NAND1輸出低電平，與非門NAND2輸出高電平，經過異或門XOR以后輸出高電平，波形圖如圖3所示。同步時鐘信號在每個周期內有兩次歸零突變，這兩次突變控制發射機的發射脈沖和接收機的信號采樣脈沖，因此需要測量這兩次突變的時間差。
2.2 時間間隔測量模塊
同步時鐘信號A、B通過單極性轉換電路a、b進行轉換，由于單極性轉換電路是完全對稱的，因此對同步時鐘信號造成的延時誤差可以忽略不計。恒溫晶振輸出頻率穩定，在短期內穩定度很好，且不受外界溫度影響，為FPGA提供精確的時鐘。FPGA調用IP核中的鎖相環(PLL)，將恒溫晶振輸出的10 MHz頻率倍頻到100 MHz，這樣可以有效地降低計數誤差，誤差為10 ns。時間差測量模塊對單極性信號C、D進行時間差精密測量，包括脈沖計數法和量化延時法，兩者之和即為單極性信號C、D的時間差。脈沖計數法和量化延時法的波形如圖4(a)所示，單極性信號C的上升沿作為脈沖計數單元的計數開始信號，單極性信號D的上升沿作為脈沖計數單元的計數結束信號，計數脈沖周期T=10 ns，計數結果為粗測量。T1是計數脈沖與單極性信號C不對齊的部分，T2是計數脈沖與單極性信號D不對齊的部分，測量結果為精測量，精測量由FPGA的內部硬件延時單元lcell和D鎖存器實現，量化延時法如圖4(b)所示。
圖中選用4級延時單元作為示例計算T1和T2。計數脈沖信號經過FPGA內部延時單元作為D觸發器的信號輸入，單極性信號C、D作為D觸發器的時鐘輸入，D觸發器在時鐘上升沿發生狀態轉換，輸出信號等于輸入信號。在延時單元鏈中，每個延時單元的延時時間t=200 ps，因此每經過一個延時單元，計數脈沖相對于單極性信號C、D會延時200 ps。如圖4(a)所示，當單極性信號C的上升沿到來時，計數脈沖與單極性信號C的上升沿不對齊部分T1是低電平，則計數脈沖經過n1個延時單元后，第0個計數脈沖的下降沿與單極性信號C的上升沿對齊。此時，在量化延時單元鏈中，前n1-1個D觸發器輸出的是低電平，第n1個D觸發器輸出的是高電平，通過對D觸發器進行編碼，能夠知道n1的值和不對齊部分T1是低電平，則時間T1=n1t；當單極性信號D的上升沿到來時，計數脈沖與單極性信號D的上升沿不對齊部分T2是高電平，則計數脈沖經過n2個延時單元后，第N個計數脈沖的上升沿與單極性信號D的上升沿對齊。此時，在量化延時單元鏈中，前n2-1個D觸發器輸出的是高電平，第n2個D觸發器輸出的是低電平，通過對D觸發器進行編碼，能夠知道n2的值和不對齊部分T2是高電平，則時間T2=n2t。
綜上：不對齊部分T1存在兩種可能，為低電平或者高電平；不對齊部分T2也存在兩種可能，為低電平或者高電平，而通過對D觸發器的編碼，能夠知道不對齊部分T1、T2是低電平還是高電平，進而能夠得到準確的時間差Ti。
其中，N是計數脈沖個數，T是計數脈沖周期，n1是求T1的延時單元個數，n2是求T2的延時單元個數，t是延時單元的延時時間，0表示低電平，1表示高電平。
2.3 系統軟件設計
軟件是控制硬件和實現算法的關鍵，本設計采用模塊化分層管理，提高軟件的穩定性和可行性，系統的軟件流程圖如圖5所示。
3 實驗結果
為了驗證本系統的正確性和可行性，對煤礦探水雷達的接收機與發射機的同步時鐘信號進行時間差測量。煤礦探水雷達采用6.25 Hz的雙極性波，經過單極性電路轉換以后，信號頻率變為12.5 Hz，圖6是兩路同步時鐘信號的波形，通道3是提取后的時間差，從圖中可以看出，時間差小于800 ns，與實際時間差相符合。
表1是同步時鐘信號時間差測量系統工作8小時的統計數據。顯示時間差的誤差區間和落在該區間的次數，當時間差超過800 ns時，同步時鐘精度不能達到煤礦探水雷達的勘測要求。從表1可以清楚地看到，時間差低于400 ns占99.85%，最大時間差不大于800 ns，完全滿足煤礦探水雷達的同步時鐘精度要求。
4 結論
本文針對煤礦探水雷達進行勘測時需要高精度同步時鐘的要求，設計并實現了高精度同步時鐘信號時間差測量系統。該系統利用計數脈沖對同步時鐘信號進行粗測量，內部延時單元和D觸發器對同步時鐘信號進行精測量，兩者之和即為測量結果。用計算機對存儲的時間差數據繪制成曲線，能夠更加直觀的判斷同步時鐘信號的穩定性。該系統已經應用到煤礦探水雷達的實際勘探中，對同步時鐘信號時間差觀測和矯正起到了很大的作用。
參考文獻
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[3] 申屠剛，錢剛，楊貴玉,等.基于時間同步技術的新型遠方終端單元設計[J].電力系統自動化，2008，32(15)：45-48.
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