一种用于光纤水听器阵列系统的高精度授时装置的制作方法

1.本发明涉及光纤水听器领域，特别涉及一种用于光纤水听器阵列系统的高精度授时装置。


背景技术：

2.光纤水听器(foh)是建立在光纤和光电子技术基础上、以光纤作为信息传输和传感媒介的一种新型水声传感器，在水下目标探测、石油天然气勘探、地震检测等军事和民用领域都具有重要应用。foh具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰能力强、结构灵巧、易于大规模成阵等特点，且能适用于多种恶劣环境中，因此，产生了岸基阵、拖曳阵、舷侧阵、潜/浮标等多种应用形式，成为现代光纤传感技术和水声传感技术的重要发展方向。
3.实际工程应用中，为了提高光纤水听器探测能力，一般通过空分、波分、时分等成阵方式组成多通道光纤水听器探测阵列，同时可将多条阵列有机组成超大规模水下探测阵列进一步提高水下声场的探测能力。此外，随着探测需求的多样性，单一的全光纤水听器水声被动探测并不能满足当前需求，越来越多的探测仪器和平台加入进来进行协同探测，组成水下综合探测网络。
4.不同种类的探测设备形成大型探测网络进行水下协同探测时，需要探测器的数据彼此携带绝对时间才能实现数据融合，发挥出最大效能，因此需要对探测设备输出数据实时标记上绝对时间，同时绝对时间精度越高对数据融合越有利。当前，光纤水听器阵列工程应用中广泛使用网络时间服务器给光纤水听器阵列进行授时，而授时服务器提供的最小时间刻度为秒，若不加处理直接打入数据包中，其精度则无法满足工程使用需求。
5.光纤水听器阵列系统的工作流程为：
6.1、授时主机通过天线接收并锁定北斗卫星信号，然后通过交换机和网线将定时信息以ptp授时协议(或其他协议)传输至授时从机，从而实现网络授时功能。其中授时主机通过追踪锁定卫星，因此其输出的时间信号为标准的来自卫星的绝对时间，授时主机只有当锁定卫星后才能提供稳定可靠的同步时间信息。
7.2、授时从机接收到授时主机发来的时间信号后，通过一定算法从授时主机中的定时信息中生成本地的同步时钟信号(clk，例如10mhz)、同步秒脉冲信号(pps)和绝对的年月日时分秒信号(tod)，如图1所示。其中，授时从机中的pps信号与授时主机中pps信号的同步精度在100ns以内，pps信号没有累计误差可以用于后续光纤水听器阵列系统的触发信息，时间信号tod则为准确的物理时间。
8.3、授时从机产生的三种信号(clk、tod、pps)中，clk信号及pps信号一般通过射频线缆接入到fpga信号处理系统中，tod信号一般采用ttl、232、485等协议接入到fpga信号处理系统中。clk信号用于fpga信号处理系统的主时钟源，fpga板卡上通过板载时钟芯片和时钟分发芯片将输入的时钟clk进行倍频和分频，然后分发至fpga芯片、adc芯片中，实现fpga信号处理板卡与授时从机的时钟同步。而pps信号和tod信号接入到fpga信号处理系统中，其中tod信号要滞后于pps信号，滞后的时间间隔称为实际物理延时(time_pps_tod_
delay)，如图2所示；
9.4、pps信号为原始触发脉冲，当pps上升沿到来时会触发fpga信号处理系统同步产生调制脉冲信号trig，该调制脉冲信号trig能够控制fpga信号处理系统中的声光调制器产生光纤水听器阵列系统运行时所需的周期性询问光脉冲，该周期性询问光脉冲经传输光路下发到光纤水听器阵列后，将返回阵列光脉冲信号，如图2所示；
10.其中，从调制脉冲信号trig产生，到与之对应的阵列光脉冲返回到信号处理系统，两者之间的时延称为光路延时(time_pulse_delay)；
11.5、当阵列光脉冲信号进入fpga信号处理系统后，基于fpga芯片的板卡会对阵列光脉冲信号进行算法解调处理，从而恢复出阵列光脉冲中所携带的外界信息，这两者之间的时延为算法延时(time_demo_delay)；
12.6、pps信号为原始触发脉冲，当pps上升沿到来时，在触发fpga信号处理系统产生调制脉冲信号trig的同时，还会触发fpga信号处理系统读取授时从机送入的tod数据，并将该tod数据打包到解调输出数据中，然而，此时解调结果的数据有可能仍在产生过程中，即解调结果数据未准备好，因此从pps上升沿到来，到tod数据准确打包进解调结果数据存在时延，该段时延为组包延时(time_assemble_delay)；
13.综上，基于光纤水听器阵列系统的工作流程以及图2可以看出，pps上升沿到来开始，与其对应的解调数据包(图中黑色块标注)将滞后一定时间产生，滞后的总时间time_total_delay＝光路延时(time_pulse_delay)+算法延时(time_demo_delay)+组包延时(time_assemble_delay)。因此，解调结果数据包上真正的绝对物理时间time＝实际物理延时(time_pps_tod_delay)+time_total_delay。
14.由于上述各时间延时的存在，fpga信号处理系统在某一时刻向外输出的处理结果是不能代表当前时刻的外界声信号的，同时，考虑到各光器件以及水听器阵列距离fpga信号处理系统的距离也会影响到上述光路延时(time_pulse_delay)的具体数值，因此fpga信号处理系统在某一时刻向外输出的信号还有可能是更早之前不同时刻光纤水听器单元采集到的外界声信号的混合结果，从而导致fpga信号处理系统外输出的处理结果具有较大误差。
15.因此，必须消除阵列和信号处理环节所带来的时延，通过对授时服务器提供的时间进行相应的校准才能得到数据的高精度授时，才能满足实际需求。


技术实现要素：

16.针对现有技术存在的光纤水听器阵列系统输出的解调结果不能准确表示当前时刻的外界声信号的问题，本发明的目的在于提供一种用于光纤水听器阵列系统的高精度授时装置。
17.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
18.一种用于光纤水听器阵列系统的高精度授时装置，其中，所述光纤水听器阵列系统包括信号处理系统和光纤水听器阵列，所述信号处理系统包括信号解调装置、声光调制器和光电转换装置，所述信号解调装置根据接收到的同步秒脉冲信号pps生成调制脉冲信号trig，所述声光调制器在所述调制脉冲信号trig的控制下生成周期性询问光脉冲，所述光纤水听器阵列接收所述周期性询问光脉冲后返回周期性光脉冲串，所述光电转换装置将
接收到的所述周期性光脉冲串转换为周期性光脉冲串信号，所述信号解调装置根据所述周期性光脉冲串信号生成解调结果，并将绝对时间信息tod打包在所述解调结果中后形成所述光纤水听器阵列的输出数据，其特征在于：所述高精度授时装置包括：
19.时间同步接收模块，用于接收来自授时装置的授时信息，并根据所述授时信息生成同步时钟信号clk、同步秒脉冲信号pps和绝对时间信息tod；
20.光路延时测定模块，用于测量光路延时，所述光路延时为所述信号处理系统从发出所述调制脉冲信号trig到接收所述周期性光脉冲串信号的时间延时；
21.算法延时测定模块，用于测量算法延时，所述算法延时为所述信号处理系统从接收所述周期性光脉冲串信号到生成所述解调结果的时间延时；
22.时间偏移标定模块，用于测量物理偏移与组包延时之和，所述物理偏移为所述同步秒脉冲信号pps与所述绝对时间信息tod之间的时间延时，所述组包延时为所述信号处理系统从生成所述解调结果到将所述绝对时间信息tod打包进所述解调结果中的时间延时；
23.以及高精度授时模块，用于根据所述绝对时间信息tod、所述光路延时、所述算法延时、所述物理偏移、所述组包延时为所述输出数据标记上绝对时间。
24.在一优选实施例中，所述光路延时测定模块测量所述光路延时的步骤包括：
25.s1，当同步秒脉冲信号pps上升沿到来时，触发所述信号处理系统产生调制脉冲信号trig，同时，所述光路时延测定模块中的count_pulse计数器同步启动计数；
26.s2，当检测到所述调制脉冲信号trig对应的周期性光脉冲串信号到来时，所述count_pulse计数器停止计数，计数值为n；
27.s3，所述光路时延为所述count_pulse计数器工作的时钟频率f与所述计数值n的乘积；
28.其中，所述count_pulse计数器工作的时钟频率f由所述同步时钟信号clk进行倍频和/或分频获得。
29.在一优选实施例中，在s1中，所述同步秒脉冲信号pps上升沿到来的时刻为记为t0时刻，并在t0时刻向所述调制脉冲信号trig中引入使能信号；
30.则在s2中，从t0时刻开始按时序检测所述信号解调装置接收到的周期性光脉冲串信号的功率，当检测到的功率值低于设定的能量阈值且持续时长达到所述同步秒脉冲信号pps的周期t时，记录所述count_pulse计数器的计数值m，则所述计数值所述光路时延为mf-t。
31.在一优选实施例中，所述光路时延测定模块中还包括有阈值计数器，所述阈值计数器的时钟频率由所述同步时钟信号clk进行倍频和/或分频获得，所述阈值计速器用于记录所述周期性光脉冲串信号的功率值低于设定的能量阈值的持续时长。
32.在一优选实施例中，所述算法延时测定模块测量所述算法延时的步骤包括：
33.s10，构建模拟测试系统，所述模拟测试系统包括所述光纤水听器阵列系统和信号发生器，所述信号发生器的输出端与所述光纤水听器阵列的输入端相连，所述信号发生器的输入端与所述信号解调装置同步地接收所述同步秒脉冲信号pps和所述绝对时间信息tod；
34.s20，设置所述信号发生器为外时钟源，所述同步秒脉冲信号pps为外触发源，选用
burst模式，在所述同步秒脉冲信号pps作用下，所述信号发生器生成具有一定周期数的正弦信号并加载到所述光纤水听器阵列中，再由所述信号解调装置读取，所述信号解调装置同时还接收并解调与所述同步秒脉冲信号pps相对应的光脉冲串信号；
35.s30，记录所述信号解调装置获得解调结果的时刻与所述信号解调装置读取到所述正弦信号的时刻间的时间差即为所述算法延时与所述光路延时之和。
36.在一优选实施例中，在所述同步秒脉冲信号pps到来时，启动所述算法延时测定模块中的计数器，分别记录所述信号解调装置获得解调结果时的计数值cnt_rslt2以及所述信号解调装置读取到所述正弦信号时的计数值cnt_rslt1，所述算法延时与所述光路延时之和为所述算法延时测定模块中的计数器的频率乘以所述cnt_rslt2与cnt_rslt1的差值。
37.在一优选实施例中，所述授时装置为时间授时模块，所述时间授时模块从卫星获取标准时间信息，并通过网络向所述时间同步接收模块分发定时数据包，以便于所述时间同步接收模块在接收到所述定时数据包后通过算法生成同步时钟信号clk、同步秒脉冲信号pps和绝对时间信息tod。
38.采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：光纤水听器阵列系统解调输出数据的准确标定时间需要将tod(接收到的绝对时间信息)、光路延时(time_pulse_delay)、算法延时(time_demo_delay)、实际物理延时(time_pps_tod_delay)、组包延时(time_assemble_delay)进行一系列测定并相互校准，才可实现对一定距离的光纤水听器阵列系统解调输出数据达到2μs级的高精度授时，从而实现光纤水听器多阵列协同探测，多基地协同探测，多种类传感器的协同探测时，系统对传感探测单元的高精度时间信息需求，具有十分重要的应用价值。本发明的核心即通过相应时延标定模块计算出滞后的具体值，从而对授时从机输入的tod时间进行精确校准修订，从而实现光纤水听器阵列数据绝对时间高精度的授时标定，经实际测定，授时精度小于2μs，从而实现光纤水听器多阵列协同探测，多基地协同探测，多种类传感器的协同探测时，系统对传感探测单元的高精度时间信息需求，具有十分重要的应用价值。
附图说明
39.图1为授时从机恢复出的pps、clk、tod信号的示意图；
40.图2为光纤水听器阵列系统授时原理示意图；
41.图3为本发明一种光纤水听器阵列系统高精度授时装置的使用示意图；
42.图4为本发明中光路时延测定模块的运行流程示意图；
43.图5为本发明中搭建的用于算法延时测定模块的模拟测试系统的结构示意图；
44.图6为本发明中算法延时测定模块的测试结果示意图；
45.图7为本发明中时间偏移标定模块的运行流程示意图。
46.图中:1-时间同步接收模块、2-光路延时测定模块、3-算法延时测定模块、4-时间偏移标定模块、5-高精度授时模块、6-时间授时模块。
具体实施方式
47.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述
的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
48.一种用于光纤水听器阵列系统的高精度授时装置，其中，光纤水听器阵列系统包括信号处理系统和光纤水听器阵列，信号处理系统包括信号解调装置、声光调制器和光电转换装置，信号解调装置根据接收到的同步秒脉冲信号pps生成调制脉冲信号trig，声光调制器在调制脉冲信号trig的控制下生成周期性询问光脉冲，光纤水听器阵列接收周期性询问光脉冲后返回周期性光脉冲串，光电转换装置将接收到的周期性光脉冲串转换为周期性光脉冲串信号，信号解调装置根据周期性光脉冲串信号生成解调结果，并将绝对时间信息tod打包在解调结果中后形成光纤水听器阵列的输出数据。
49.实际应用时，由于实际物理延时(time_pps_tod_delay)、光路延时(time_pulse_delay)、算法延时(time_demo_delay)、组包延时(time_assemble_delay)的存在，解调结果中携带的绝对时间信息tod实际已不能与外界声信号相对应，需要进行高精度授时。
50.如图3所示，本实施例提供的高精度授时装置包括时间同步接收模块1、光路延时测定模块2、算法延时测定模块3、时间偏移标定模块4以及高精度授时模块5。
51.其中，时间同步接收模块1用于接收来自授时装置的授时信息，并根据授时信息生成同步时钟信号clk、同步秒脉冲信号pps和绝对时间信息tod。
52.本实施例中，授时装置配置为时间授时模块6，该时间授时模块6从卫星获取标准时间信息，并通过网络向时间同步接收模块1分发定时数据包，以便于时间同步接收模块1在接收到定时数据包后通过算法生成同步时钟信号clk、同步秒脉冲信号pps和绝对时间信息tod。该同步秒脉冲信号pps作为原始触发脉冲，当pps上升沿到来时会触发信号解调装置中的fpga同步产生调制脉冲信号trig，该调制脉冲信号trig能够控制声光调制器(同时还接收激光器发出的连续光)产生光纤水听器阵列系统运行时所需的周期性询问光脉冲，该周期性询问光脉冲经传输光路下发到光纤水听器阵列后，将返回阵列光脉冲信号。
53.其中，光路延时测定模块2则用于测量光路延时，光路延时为信号处理系统从发出调制脉冲信号trig到接收对应的周期性光脉冲串信号的时间延时。
54.本实施例中，如图4所示，光路延时测定模块2测量光路延时的步骤包括：
55.s1，当同步秒脉冲信号pps上升沿到来时，触发信号处理系统产生调制脉冲信号trig，同时，光路时延测定模块中的count_pulse计数器同步启动计数；
56.s2，当检测到调制脉冲信号trig对应的周期性光脉冲串信号到来时，count_pulse计数器停止计数，计数值为n；
57.s3，光路时延即为count_pulse计数器工作的时钟频率f与所述计数值n的乘积；
58.count_pulse计数器工作的时钟频率f由同步时钟信号clk进行倍频和/或分频获得。
59.本实施例中，为了方便检测对应的周期性光脉冲串信号，在s1中，将同步秒脉冲信号pps上升沿到来的时刻为记为t0时刻，并在t0时刻向调制脉冲信号trig中引入使能信号，该使能信号用于使调制脉冲信号trig发出；
60.同时在s2中，从t0时刻开始按时序检测信号解调装置接收到的周期性光脉冲串信号的功率，当检测到的功率值低于设定的能量阈值且持续时长达到同步秒脉冲信号pps的周期t时，记录count_pulse计数器的计数值m，则计数值光路时延为mf-t。
61.本实施例中，光路时延测定模块中还包括有阈值计数器，该阈值计数器的时钟频率由同步时钟信号clk进行倍频和/或分频获得，阈值计速器用于记录周期性光脉冲串信号的功率值低于设定的能量阈值的持续时长。
62.其中，算法延时测定模块3用于测量算法延时，算法延时为信号处理系统从接收周期性光脉冲串信号到生成解调结果的时间延时。
63.本实施例中，算法延时测定模块3测量算法延时的步骤包括：
64.s10，构建模拟测试系统，如图5所示，该模拟测试系统包括光纤水听器阵列系统和信号发生器，信号发生器的输出端与光纤水听器阵列的输入端相连，信号发生器的输入端与信号解调装置同步地接收同步秒脉冲信号pps和绝对时间信息tod；
65.s20，设置信号发生器为外时钟源，同步秒脉冲信号pps为外触发源，选用burst模式，在同步秒脉冲信号pps作用下，信号发生器生成具有一定周期数的正弦信号并加载到光纤水听器阵列中，再由信号解调装置读取，信号解调装置同时还接收并解调与同步秒脉冲信号pps相对应的光脉冲串信号；
66.s30，记录信号解调装置获得解调结果的时刻与信号解调装置读取到正弦信号的时刻间的时间差即为算法延时与光路延时之和。
67.同步秒脉冲信号pps到来时，启动算法延时测定模块中的计数器，分别记录信号解调装置获得解调结果时的计数值cnt_rslt2以及信号解调装置读取到所述正弦信号时的计数值cnt_rslt1，算法延时与光路延时之和为算法延时测定模块中的计数器的频率乘以cnt_rslt2与cnt_rslt1的差值。如图6所示，读取图6中点1(x:5440，y:1)与点2(x:5458，y:-0.01652)所对应的count_result值(记为：cnt_rslt1，cnt_rslt2)，time_delay＝算法延时(time_demo_delay)+光路延时(time_pulse_delay)＝5(算法延时测定模块中的计数器的频率)
×
(cnt_rslt2-cnt_rslt1)(单位：ns)。由于光路时延测定模块已测定出光路延时(time_pulse_delay)的值，则算法时延(time_demo_delay)＝5
×
(cnt_rslt2-cnt_rslt1)-光路延时(time_pulse_delay)，算法时延是一个定值，本实施例构建的模拟系统经三次测算算法时延(time_demo_delay)的值分别为1.9179ms，1.9180ms，1.9180ms，可见其误差小于1μs。
68.其中，时间偏移标定模块4用于测量物理偏移与组包延时之和，物理偏移为同步秒脉冲信号pps与绝对时间信息tod之间的时间延时，组包延时为信号处理系统从生成解调结果到将绝对时间信息tod打包进解调结果中的时间延时。
69.本实施例中，如图7所示，时间偏移标定模块4测量物理偏移与组包延时之和的步骤包括：
70.1)当同步秒脉冲信号pps上升沿到来时(记为t0时刻)，触发fpga信号处理系统产生周期性的调制脉冲信号trig；
71.2)t0时刻，时间偏移标定模块中count_result计数器启动，从1开始进行计数，计数器的时钟频率为200mhz，count_result每自增1，则表示时间自增5ns，当下一个同步秒脉冲信号pps上升沿到来时，count_result计数器重新从1开始进行计数，循环往复；
72.3)demodultionresults为解调结果信号输出，解调结果信号与同步秒脉冲信号pps同步，解调结果产生后开始打包tod数据，如图7所示，tod数据相对同步秒脉冲信号pps上升沿(t0)滞后一定时间更新(time_pps_tod_delay)，同时解调结果信号相对于同步秒脉
冲信号pps也存在一定的时延(time_assemble_delay)，因此当解调结果信号打入tod数据时，为消除误差，本发明引入了count_result计数器，count_result计数器自同步秒脉冲信号pps上升沿开始启动计数，当解调结果打包tod数据时，此时相对于同步秒脉冲信号pps上升沿的总时延即可用此时的count_result计数器的值所代表的时间来表示，至此实际物理延时(time_pps_tod_delay)+组包延时(time_assemble_delay)＝5
×
count_result(单位ns)。
73.其中，高精度授时模块5则用于根据上述已经得到的绝对时间信息tod、光路延时、算法延时、物理偏移、组包延时为光纤水听器阵列系统的输出数据标记上绝对时间。
74.即，将光路延时测定模块2、算法延时测定模块3、时间偏移标定模块4所测得的结果加上绝对时间信息tod后，即为光纤水听器阵列系统的输出数据标记上绝对时间，其中，时间偏移标定模块4能够同时测得实际物理延时(time_pps_tod_delay)与组包延时(time_assemble_delay)的和。
75.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。