用于水听器线列阵的精确数据采集时钟同步方法与流程

本发明涉及一种水听器线列阵，特别是涉及拖曳式声呐线列阵系统。具体讲,涉及用于水听器线列阵的精确数据采集时钟同步方法。

背景技术：

在各类分布式的工业测控系统和计算机网络中，时钟同步始终是关系到网络性能与健壮性的重要核心技术之一。水听器线列阵在进行数据采集时，各个通道数据之间同步性的优劣对后期波束形成等数据处理的性能和效果存在着显著影响，因此需要对全阵列的数据采集时钟同步方法进行专门的研究。

从图1可以看出，水听器线列阵的传感器网络与其他分布式测控网络相比存在一些不同，主要的不同点如下：1、水听器线列阵在进行勘探作业时，数据采集过程经常会连续进行数天或数十天，并且作业期间的数据采集过程不间断。2、海水会屏蔽电磁波、光波等多种信号传递手段，因此水听器线列阵通常无法使用陆地上通用的独立高精度时钟基准源，如GPS时标器或北斗时标器等；3、时钟同步的控制目标是水下各电路节点采集水声数据的输出时间点，而不仅局限于各电路节点的本地时钟同步；4、水听器数据采集网络的拓扑形式为级联型物理结构和星型逻辑结构，湿端接口模块承担逻辑中心节点的任务，线列阵中各电路节点之间的信道物理长度和传输的数据量均为与时间成对应关系的节拍性确定值；5、由于传统的以太网建立在载波监听多路访问/冲突检测的基础上，而水听器线列阵的数据传输网络为级联型，各电路节点之间的距离为固定值，因此以太网并非是水听器线列阵的最佳数据传输方式。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种用于水听器线列阵的精确数据采集时钟同步方法。本发明采用的技术方案是，用于水听器线列阵的精确数据采集时钟同步方法，在水听器线列阵的系统上实现，所述系统由主控工作站、水下接口、水听器线列阵构成；具体步骤是，利用位于线列阵头部的时钟源输出稳定的高速时钟f_H，进行N分频后产生低速同步时钟信号f_L，经过单端-差分转换电路形成差分信号后，通过非屏蔽双绞线送至水听器线列阵中的各个电路节点，所述各个电路节点的从时钟源作为本节点信号采集电路中ADC的时钟输入端，水听器线列阵中的采集电路由从时钟源中的锁相环PLL(Phase Lock Loop)接收低速同步时钟信号f_L，通过差分-单端转换电路形成单端形式输入f_1L～f_mL，再经过N倍频恢复出高速时钟f_1H～f_mH；与此同时，从时钟源中的本地晶体振荡器只是作为PLL环路中的一个元素，向电路节点中的ADC输出采集基准时钟f_1D～f_mD；各电路节点ADC的水声数据输出标志信号通过PLL实时跟踪接收到的同步脉冲边沿变化情况，并闭环调整从时钟的相位，使得水声数据输出标志信号与主时钟的相位差锁定为零。

本发明的特点及有益效果是：

本发明中的水听器线列阵应用一种专用的时钟同步方法，该方法选用固定频率传递的主从式高精度采集时钟同步方法来实现水声信号的分布式同步采集。这样可以保证全阵列在长时间连续工作时各水听器通道每次采集、传输、存储的数据均同步，实现了全阵列亚微秒级的同步精度，并在主控FPGA芯片软件中预留了性能进一步提升的空间。

本发明具有以下优点：一是同步的精度高，主从时钟间的绝对时间误差仅在纳秒级，而且时间误差与双绞线长度呈现较好的线性；二是该时钟同步方式并不需要以太网协议支持，可以适用于各类有线连接的分布式传感器网络。

附图说明：

图1是本发明中的水听器线列阵总体拓扑结构图；

图2是本发明的全阵列同步时钟产生与传输模型图；

图中

1：主控工作站；2：上位机；3：数据接口；4：光纤传输单元(FTU)；5：水下接口；6：温补晶振(TCXO)；7：同步时钟传输节点(STU)；8：命令传输节点(CTU)；9：数据传输节点(DTU)；10：水听器；11：水下电路节点；12：数据采集节点(DAU)；13：尾标。

具体实施方式

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于水听器线列阵的精确数据采集时钟同步方法。

下面结合附图和具体实施例对本发明的精确数据采集时钟同步方法做出详细说明。

如图1所示，水听器线列阵的系统拓扑结构由以下几部分组成：

主控工作站1，包括上位机2、数据接口3、FTU4，用于对水听器线列阵系统的控制及数据存储，其中上位机2负责接收采集到的数据并进行波形显示，同时完成对整个系统的命令配置，数据接口3及FTU4完成信号的光电转换；

水下接口5，由TCXO6、STU7、CTU8及DTU9组成，用于连接主控工作站1及水听器线列阵，其中TCXO6用于产生稳定的系统同步时钟，STU7用于发送该同步时钟，CTU8用于转发主控工作站1的配置命令，DTU9完成对上行数据的上传；

水听器10，用于将水声信号转换为电信号，并由水下电路节点11进行采集；

水下电路节点11，主要由STU7、CTU8、DTU9及DAU12组成，用于完成对水声信号的采集以及数据上传，同时向下级转发配置命令，其中DAU12用于采集水听器10转换成的电信号；

尾标13，用于标志水听器线列阵尾部的位置。

水听器线列阵采集时钟同步的目的是使每个水听器通道在等时间间隔采样的基础上，达到采样数据取自相同时间点的要求。传统水听器线列阵的水下电路节点通过两片模数转换器芯片(Analog-Digital Convertor,ADC)采集16通道的水听器数据，可以同时进行多个通道信号的模数转换，因此水下电路节点内的通道间时间差可以忽略不计。

通道间采集时间点和时间间隔的差别主要来自于水下电路节点之间，产生差别的原因一是由于各节点均采用本地晶体振荡器(以下简称晶振)产生基准时钟，而任意两个晶振之间均存在一定的输出频率差，当水听器线列阵在进行长时间不间断工作时，该频率差会逐渐累积，导致水听器通道间模数转换时间点发生偏移；二是每次水听器线列阵上电时，各水下电路节点晶振和主控芯片FPGA输出脉冲启动ADC的时间点不同，而ADC的数据输出严格遵守与输入时钟频率之间的比率关系，因此会保持该时间点的差别。

本发明设计了一种专用于水听器线列阵目标系统的分布式数据采集时钟精确同步方法。具体的实现步骤如下：在线列阵的最前端采用一个高精度的晶振作为整个线列阵的采集时钟基准源。同步信号传输信道中不传送同步报文，而是传递经过预处理的时钟信号。由于直接传递该高速时钟对信道的带宽和压摆率要求很高，因此本模型对时钟源输出的原始高速时钟进行了分频处理，并将其转换为差分形式输出。

如图2所示，位于线列阵头部及水下接口处的时钟源输出稳定的高速时钟f_H，进行N分频后产生低速同步时钟信号f_L，同时保持时钟信号较高的精度。经过单端-差分转换电路形成差分信号类型后进入数字基带信道，通过非屏蔽双绞线送至各个电路节点。线列阵中各个电路节点的从时钟源作为本节点信号采集电路中ADC的时钟输入端，但是采集电路并不在开环环境下使用该时钟，而是由从时钟源中的锁相环(Phase Lock Loop,PLL)接收主时钟传递的低速同步时钟信号，通过差分-单端转换电路形成单端形式输入f_1L～f_mL，再经过N倍频恢复出高速时钟f_1H～f_mH。与此同时，本地的晶体振荡器只是作为PLL环路中的一个元素，向ADC输出采集基准时钟f_1D～f_mD。各电路节点ADC的水声数据输出标志信号通过PLL实时跟踪接收到的同步脉冲边沿变化情况，并闭环调整从时钟的相位，使得水声数据输出标志信号与主时钟的相位差锁定为零。其中，N分频(以及N倍频)由FPGA(及外围电路)实现，传输的信号格式是RS-422/485。

本地晶振是作为各水下电路节点进行下行命令解析及上行数据传输的时钟信号，所有的数

据处理过程都以本地晶振为基准；而时钟源时钟是用来为整个系统提供同步采集时钟的，

该同步采集时钟是用于保证各水下电路节点能够在同一时刻采集水声信号。

采集基准时钟不属于命令解析范围，它的产生源于锁相环，即f_1D～f_mD，该时钟与时钟源时钟分频后产生的f_1L～f_mL是同频同步的。