一种海底地球物理勘探用仪器的时钟同步设备及方法与流程

本发明属于海洋探测技术领域，具体涉及一种海底地球物理勘探用仪器的时钟同步设备及方法，其适应于利用水声通信实现时钟同步的方法。

背景技术：

在海底地震和电磁探测的海洋作业中，沿海面的测线将多台仪器沉放至不同的点位，每台仪器在海底按所设定的程序独立地工作。对于海底测量而言，时间同步系统是海底探测仪器实施海底数据记录的关键，采集数据的精确性完全依赖于时间同步系统的准确性。而巨厚的海水层对GPS信号起了屏蔽作用，被放置在海底的仪器不能接收到卫星发出的GPS信息。因此，海底探测仪器只能在投放之前以及打捞回收后进行GPS对钟，仪器下海后需依靠自身进行计时。

为确保同步采集在海底的实现，海底探测仪器要为每一台都配备原子钟或者高精度达10^-7秒数量级的时钟电路，以使各台仪器获得与GPS一致的时间基准。由于原子钟价格昂贵，而海底地球物理勘探时一个测线需要上百台仪器，如果每个都配备原子钟，原子钟的费用就高达上百万元。目前，海底探测仪器为了达到时钟精度，设计了恒温高精度时钟电路。高精度时钟电路核心问题是晶振器件的稳定性问题，而稳定性主要受环境温度的影响。振荡晶体在变温条件下，其振荡频率会随之改变，从而造成计时误差。现有的海底探测仪器大多都采用了带温补的晶振技术。带温补的晶振若想实现小型化，就会使石英晶体振子的频率可变幅度变小，温度补偿更加困难，因此温补晶振在实际使用中都存在体积过大的缺点，功耗也因附加电路增大。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种海底地球物理勘探用仪器的时钟同步设备及方法，主要应用于海底探测仪器的时钟同步。

依据本发明的第一方面，提供一种海底地球物理勘探用仪器的时钟同步设备，其主要包括GPS模块①、原子钟②、单片机③、功率放大电路④、匹配电路⑤和水声换能器⑥，其中：

GPS模块①，其用于在陆地上给水声发射装置对钟，通过GPS模块的PPS信号得到准确的时钟整秒信号，为水声发射装置设置初始的高精度时间信号；

原子钟②，其用于对钟完成后，在水下或者无GPS信号时，通过自身的原子钟产生高精度的时钟信号；

单片机③是整台水声发射装置的微控制器，其用于接收GPS模块的PPS信号，并通过原子钟产生连续的高精度时钟信号，控制发射装置一定时间发射一次水声同步信号；

功率放大电路④，其用于将单片机产生的12KHZ频率脉冲信号进行功率放大，发射功率要保证发出的水声信号的通讯最远距离能达到14,000米；功率放大电路采用D类功率放大电路。本发明选用IRFP250功放管。

匹配电路⑤，其用于与水声换能器的负载进行阻抗匹配，获得更多的功率。由于水声换能器的阻抗值较大，而一般发射机的电源电压又不是很高，发射电路需用到升压变压器来藕合负载，通过对水声换能器导纳曲线进行分析测量，选用EE65型铁芯，计算等效阻抗和匝数，制作变压器；

水声换能器⑥，其用于把声能和电能进行互相转换，利用晶体压电陶瓷的压电效应或铁镍合金的磁致伸缩效应来进行工作的，利用电致伸缩效应和压电效应来产生和接收超声波。

依据本发明的第二方面，提供一种海底地球物理勘探用仪器的时钟同步方法，其使用一台带有原子钟的水声发射装置，设定一定的时间间隔多次发射水声信号，海底探测仪器在约定时间打开接收装置，并保存接收数据。回收海底仪器后，利用上位机对海底探测仪器采集到的多次水声信号接受时间进行精确计算，达到高精度时钟同步采集的目的。

进一步地，在海底探测仪器和水声发射装置都投放完成后，在水声发射装置海底探测仪器相对位置不变的情况下，水声发射装置设定一定的时间间隔发射多次12KHZ水声信号，海底探测仪器在约定时间接收信号并保存。

另外地，回收海底仪器后，利用上位机对海底探测仪器采集到的多次水声信号接受时间进行精确计算，得到仪器内部时间的偏差，进而对仪器数据进行校正，达到高精度时钟同步采集的目的。

优选地，以发射信号的持续时间为计算窗口，对接收信号逐个采样点后移，进行频谱分析，确定有效信号的位置，得到接收时间的精确值。

所述海底地球物理勘探用仪器的时钟同步方法更具体地包括以下步骤：

第一步，水声发射装置利用GPS模块①在投放到海底之前进行一次GPS对钟，对钟完成后进行正常测线的投放，水声发射装置根据测线长度选择投放数量，水声发射装置和海底探测仪器的最远距离要小于6000米，保证接收的水声信号完整和有效。每一个水声发射装置固定到某一个海底探测仪器上进行投放，这样可以随海底探测仪器一起回收；

第二步，水声发射装置利用原子钟②高精度计时，单片机③微控制器设置为在每个小时的整点发射一次持续10ms的12KHZ的脉冲信号，在通过功率放大电路④、匹配电路⑤和水声换能器⑥模块将电能转换成声能，在海底定时发射出水声同步信号；

第三步，海底探测仪器使用普通晶振计时，时钟每个小时会有偏差，偏差在ms量级。同时，水声发射装置和海底探测仪器的最远距离小于6000米，12KHZ水声传输速率大约为1.5km/s，传输时间最长为4s。所以海底探测仪器设置在每个整点到来之前的1s打开数据采集，开始接收水声信号，采样率设为48KHZ，用10位内置AD保存6s的数据后，关闭采集。这样能确保保存的数据中包含接收到的12KHZ水声信号并保存；

第四步，海底探测结束时，海底探测仪器和水声发射装置一起回收。本发明提供的上位机程序，对海底探测仪器采集到的12KHZ水声信号进行分析，稳定采集后水声发射装置与海底探测仪器的相对位置不变，接收到的水声信号的准确起始时间就是时钟同步信号，采集接收时间间隔的微弱变化就是海底探测仪器时钟精度的误差。利用得到的误差，对数据进行重采样校正，得到高精度时钟同步的数据。

使用本发明的技术相比较现有技术，本发明具有有以下优点：

1.提供一种海底地球物理勘探用仪器的时钟同步设备及基于水声通信的方法，只需一台带有原子钟的水声发射装置，即可同步水声通信距离范围内所有的带有水声装置海底探测仪器，不需要在每一台仪器上使用原子钟或者带温补的高精度时钟电路，硬件电路简单，降低了功耗和成本。

2.本发明采用的时钟同步方法，可以在回收海底仪器后，使用软件的方法利用上位机对采集接收到的多次水声信号的仪器接收时间进行精确计算，计算方法精度高，不增加硬件电路和成本，达到高精度时钟同步采集的目的。

附图说明

附图1是本发明海底地球物理勘探用仪器的时钟同步设备的结构示意框图。

附图2是本发明的海底地球物理勘探用仪器的时钟同步设备的整体电路连接图。

附图3是本发明海底地球物理勘探用仪器的时钟同步设备的功率放大、匹配电路与水声换能器模块电路图。

附图4是本发明中所使用的上位机模拟接收到水声信号分析计算的测试图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。

本发明的提供了一种海底地球物理勘探用仪器的时钟同步设备，主要包括GPS模块①、原子钟②、单片机③、功率放大电路④、匹配电路⑤和水声换能器⑥，其中：

GPS模块①，其用于在陆地上给水声发射装置对钟，通过GPS模块的PPS信号得到准确的时钟整秒信号，为水声发射装置设置初始的高精度时间信号。

原子钟②，其用于对钟完成后，在水下或者无GPS信号时，就可以通过自身的原子钟产生高精度的时钟信号。

单片机③是整台水声发射装置的微控制器，其用于接收GPS模块的PPS信号，并通过原子钟产生连续的高精度时钟信号，控制发射装置一定时间发射一次水声同步信号。本发明采用12KHZ频率的水声发射信号，适合远程水声通信。

功率放大电路④，其用于将单片机产生的12KHZ频率脉冲信号进行功率放大，发射功率要保证发出的水声信号的通讯最远距离能达到14,000米。功率放大电路是耗电量较大的单元，为了降低设备功耗，满足电池的续航时间要求，发射电路的效率是需要重点考虑的。采用D类功率放大电路，为了降低功率MOS管开关损耗，能向负载提供足够大的功率，要选择和设计合适的功率MOS管驱动电路，本发明选用IRFP250功放管。

匹配电路⑤，其用于与水声换能器的负载进行阻抗匹配，获得更多的功率。由于水声换能器的阻抗值较大，而一般发射机的电源电压又不是很高，发射电路需用到升压变压器来藕合负载，通过对水声换能器导纳曲线进行分析测量，选用EE65型铁芯，计算等效阻抗和匝数，制作变压器。为了高效率地将发射的电功率传到换能器上，需要串联或者并联一个电感进行阻抗匹配，将容性换能器变换为纯阻性负载。

水声换能器⑥，其用于把声能和电能进行互相转换，利用晶体压电陶瓷的压电效应或铁镍合金的磁致伸缩效应来进行工作的，利用电致伸缩效应和压电效应来产生和接收超声波。

在本发明中使用的带有原子钟的水声发射装置电路图如附图2。GPS模块①电路为GPS.SchDoc，通过I2C接口SDA和SCL传输GPS信号到单片机，V_GPS电源正级和GND电源负极提供供电电压；原子钟②电路为Atomic Clock.SchDoc，通过XTALIN和XTALOUT连接单片机输入输出，提供高精度晶振信号，VCC电源正级和GND电源负极提供供电电压；单片机③电路为CPU.SchDoc，是整台水声发射装置的微控制器，连接各个模块的输入输出数字信号，还包含电源输出供电等；功率放大电路④、匹配电路⑤和水声换能器⑥的电路为ACOU_TRANS.SchDoc，也是整个装置的核心电路，PWR电源正级和GND电源负极提供供电电压，将单片机输出的RSPA和RSPB脉冲信号进行功率放大，阻抗匹配，能量转换，最终产生声波，与海底探测仪器进行水声通信，达到时钟同步的目的。

功率放大电路④、匹配电路⑤和水声换能器⑥的具体电路ACOU_TRANS.SchDoc如附图3，单片机输出的脉冲信号RSPA与RSPB，为幅值相等，相位相差180度的矩形波信号。

先对单片机输出的脉冲信号进行电平转换。RSPA与RSPB分别连接1K电阻R43和R44到电源负极，串联10K电阻R27和R33，连接到双极性三极管(9013)Q8和Q2的基极，三极管9013发射极接电源负极，连接三极管Q8和Q2集电极到光电耦合器(TLP151A)U5和U6的阴极，将单片机产生的TTL电平转换为光电耦合器TLP151A输出电压8V电平，大于功率管IRFP250的栅源开启电压，才能导通功率管。

功率放大电路④部分，一路光电耦合器U5输出管脚VOUT串联0.1K电阻R46连接到Q3和Q5功率管的栅极，并联电阻R23到电源负极；另一路光电耦合器U6输出管脚VOUT串联0.1K电阻R20连接到功率管Q6和Q10的栅极，并联电阻R31到电源负极。两路功率管漏极分别连接到变压器T2的初级线圈的两端，源极连接三个分流电阻R66、R67、R68到电源负极。变压器T2的初级线圈的两端分别连接电阻R69、电容C29到高电压电源正极，并分别连接到两个二极管(P6KE-150A)D21和D22的负极，D21和D22正极连接到电源负极。变压器T2的初级线圈的中间抽头连接高电压电源正极，并联四个15000μF电容到电源负极。两路功率管IRFP250输入信号为矩形波，输入信号幅值相等，相位相差180度。当Q3和Q5管的输入信号为高电平时，漏源极导通，有漏极电流流过变压器初级线圈，电流方向向上；当Q10和Q6管输入信号为高电平时，漏源极导通，有漏极电流流过变压器初级线圈，电流方向向下；此时Q3和Q5管输入信号为低电平，处于截止状态。经过变压器T2的电磁能转换，变压器把这样两个半周期的信号拼成一个完整周期的信号加在负载两端。这种D类功放电路输出功率和电源电压相关，用MOSFET作为功率放大器件，MOSFET的输入内阻高，输出电阻小，带负载能力强。MOSFET工作在开关状态时，其电源利用效率高。

匹配电路⑤和水声换能器⑥部分，变压器T2的次级线圈两端并联一个电感L4，一端串联一个电感L5，与水声换能器进行阻抗匹配。L5的另一端连接二极管D24正极和二极管D23的负极，二极管D24负极和二极管D23的正极连接到水声换能器的正极HOT_PT。电阻R1与电容C1并联，串联到两个相互反向并联的二极管D1、D2，再并联到水声换能器正极HOT_PT与负极GND两端去噪。由于压电陶瓷换能器为电容性负载，因此进行调谐匹配时需要增加电感来中和电路中的容抗，可以采用串联一个电感和并联一个电感两种形式。使用的换能器的导纳曲线，和功率管实际最大输出脉冲功率，计算变压器初、次级线圈匝数和需要串联或并联的等效电感量，输出高压信号HOT_PT和GND连接到水声换能器两端，将电能转换成声能。

水声发射装置发射固定长度的同步时间水声信号时，海底探测仪器通过水声接收装置，将接受到的水声信号保存。水声发射装置发射时间与海底探测仪器接收时间保持基本一致，接收时间根据时钟最大偏差和水声通信传输最大时间确定，确保海底探测仪器能接收到有效水声完整信号并保存，达到水声同步的目的。

可以使用上述本发明的海底地球物理勘探用仪器的时钟同步设备进行时钟同步方法，其具有非常高的精密度。所述海底地球物理勘探用仪器的时钟同步方法包括以下步骤：

第一步，水声发射装置利用GPS模块①在投放到海底之前进行一次GPS对钟，对钟完成后进行正常测线的投放，水声发射装置根据测线长度选择投放数量，水声发射装置和海底探测仪器的最远距离要小于6000米，保证接收的水声信号完整和有效。每一个水声发射装置固定到某一个海底探测仪器上进行投放，这样可以随海底探测仪器一起回收；

第二步，水声发射装置利用原子钟②高精度计时，单片机③微控制器设置为在每个小时的整点发射一次持续10ms的12KHZ的脉冲信号，在通过功率放大电路④、匹配电路⑤和水声换能器⑥模块将电能转换成声能，在海底定时发射出水声同步信号；

第三步，海底探测仪器使用普通晶振计时，时钟每个小时会有偏差，偏差在ms量级。同时，水声发射装置和海底探测仪器的最远距离小于6000米，12KHZ水声传输速率大约为1.5km/s，传输时间最长为4s。所以海底探测仪器设置在每个整点到来之前的1s打开数据采集，开始接收水声信号，采样率设为48KHZ，用10位内置AD保存6s的数据后，关闭采集。这样能确保保存的数据中包含接收到的12KHZ水声信号并保存；

第四步，海底探测结束时，海底探测仪器和水声发射装置一起回收。本发明提供的上位机程序，对海底探测仪器采集到的12KHZ水声信号进行分析，稳定采集后水声发射装置与海底探测仪器的相对位置不变，接收到的水声信号的准确起始时间就是时钟同步信号，采集接收时间间隔的微弱变化就是海底探测仪器时钟精度的误差。利用得到的误差，对数据进行重采样校正，得到高精度时钟同步的数据。

本发明提供的上位机程序的计算原理是逐段计算数据频谱中12KHZ的幅度值，频率为12KHZ信号最强时，说明接收到了12KHZ的信号。由于只需要计算接收到的单一频率的频谱幅度，因此采用Goertzel变换进行幅频特性分析，是DFT的一种快速算法，能从给定的采样中求出某一特定频率信号的能量。

发射水声信号的持续时间为t，sample_rate是采样率，target_freq是要计算频谱的频率，计算得到块长度为N、常数k和频谱角频率w为：

N＝t*sample_rate

k＝(N*target_freq)/sample_rate

w＝(2*π/N)*k

在计算的开始时，都必须将Q1和Q2初始化为0。之后每个值都需要按照下面三个等式进行计算，其中Q0、Q1、Q2为计算的中间变量，cos为计算余弦，sample初始是第一个采样点的值：

Q0＝2*cos(w)*Q1-Q2+sample

Q2＝Q1

Q1＝Q0

每一次计算，sample为下一个采样点的值。在进行N次计算之后，可以得到第一个采样点到第N个采样点的一段长度为N的采样数据中待测频率幅值H为：

H＝Q1-Q2*cos(w)

第N+1次计算可以得到从第二个采样点到第N+1个采样点的长度为N的数据中待测频率幅值，以此类推，可以得到整段数据每一段长度为N的数据中待测频率幅值，绘制出12KHZ幅值曲线图。找到最高点即可得到精确的水声接收时间。

附图4是模拟接收到的水声信号的测试图。模拟了一段采样率为48KHZ，长度为100ms的数据。由一段无噪音10ms的12KHZ信号和一段100ms的噪音信号叠加，模拟出海底接收到的水声信号。由上述计算方法绘制了一条12KHZ幅值曲线图，可以看到曲线最高点与12KHZ接收点对应，可以得到精确的接收时间。经过多次模拟不同噪音信号和实际测试的结果得到，测试的时间精度符合要求。得到多次接收水声信号的精确时间后，由于发射水声信号时间的高精度原子钟产生的，时间间隔设置是整小时发送一次，稳定采集后水声发射装置与海底探测仪器的相对位置不变，采集接收时间间隔的微弱变化就是海底探测仪器时钟精度的误差。利用得到的误差，对数据进行重采样校正，得到高精度时钟同步的数据，达到了时钟同步采集的目的。

本发明提供的基于水声通信的方法，仅仅使用一台带有原子钟的水声发射装置，可同步水声通信距离范围内所有的带有水声装置海底探测仪器。因为原子钟价格昂贵，而海底地球物理勘探时一个测线需要上百台仪器，本方法不需要在每一台仪器上使用原子钟或者带温补的高精度时钟电路，在海底布测线时，只要隔一段距离，布射一台带原子钟的水声发射装置，就可以同步到水声传输距离内的所有海底探测仪器，大大减少了原子钟的数量，也不需要再设计高精度时钟电路或带温补的晶振，硬件电路简单，降低了功耗和成本。水声发射装置可以固定或者集成到海底探测仪器上，减少回收成本。对于已有水声接收装置的海底探测仪器基本不需要修改电路结构，可以通过更新软件设计，采集一定时间的水声数据并保存即可。在回收海底仪器后，使用软件的方法利用上位机对采集接收到的多次水声信号进行分析计算，经过多次模拟和实际测试的验证，达到了高精度时钟同步采集的目的，实现了海底探测仪器的高精度时钟同步采集。

本发明所使用的带有原子钟的水声发射装置，主要包括GPS模块、原子钟、单片机、功率放大电路、匹配电路和水声换能器等部分。GPS模块在陆地上给水声发射装置对钟，对钟完成后，就可以通过自身的原子钟产生高精度的时钟信号。单片机软件设计中，设置一定时间发射一次水声信号进行时钟同步。本发明采用12KHZ频率的水声发射信号，适合远程水声通信。水声发射电路是水声发射装置中耗电量较大的单元，为了降低设备功耗，满足电池的续航时间要求，发射电路的效率是需要重点考虑的。因此选用PWM(脉冲宽度调制)形式D类功率放大电路，将单片机产生的数字信号变换成PWM的脉冲信号，去控制大功率开关器件通/断信号功率放大器，也称为开关放大器，具有效率高、体积小、低失真、频率响应曲线好等突出优点。测量换能器的导纳曲线，计算变压器参数和匹配电感，针对具体的换能器，设计匹配电路，脉冲发射功率能达到300W，通讯最远距离14,000米。

水声发射装置在海底发射固定长度的同步时间水声信号时，海底探测仪器通过水声接收装置，将接受到的水声信号保存。水声发射装置发射时间与海底探测仪器接收时间保持基本一致，接收时间根据时钟最大偏差和水声通信传输最大时间确定，确保海底探测仪器能接收到有效水声完整信号并保存。

本发明提供的上位机程序，对海底探测仪器采集到的12KHZ水声信号接收时间进行精确计算，得到仪器的时钟偏差，对仪器数据进行重采样校正，达到高精度时钟同步采集的效果。计算原理是对接收信号进行频谱分析，频率为12KHZ信号最强时，说明接收到了12KHZ的信号。由于只需要计算接收到的单一频率的频谱幅度，因此采用Goertzel变换进行幅频特性分析，这是DFT的一种快速算法，能从给定的采样中求出某一特定频率信号的能量。以发射信号的持续时间为计算窗口，对接收信号逐个采样点后移，当移动到包含接收水声信号时，幅度值开始增大；当移动到数据正好完全包含接收到水声信号时，幅度值达到最大，可以确定精确的水声接收时间。

得到多次接收水声信号的精确时间后，由于发射水声信号时间的高精度原子钟产生的，稳定采集后水声发射装置与海底探测仪器的相对位置不变，采集接收时间间隔的微弱变化就是海底探测仪器时钟精度的误差。利用得到的误差，对数据进行重采样校正，得到高精度时钟同步的数据，达到了时钟同步采集的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。