一种链路式一发多收海底节点高精度授时系统的制作方法

本发明涉及海洋油气和海底天然气水合物勘探技术领域，尤其涉及一种链路式一发多收海底节点高精度授时系统。

背景技术：

海洋obn(oceanbottomnodal-obn)是一种严格意义上的“独立”工作。它始终工作在水底，只能通过无线传输方式与gps或其他时间信标建立通讯联系，如果依赖水声通讯，势必受制于传输速度影响而无法同步授时。按照obn设备30-45天的工作时间核算，其内部时钟的长期偏差应该在ppb(十亿分之一)量级，比通常意义上精密时钟源的ppm(百万分之一)偏差要高出三个数量级。

us6002339公开了一种地震勘探系统采集地震信号的时间同步方法，此发明适用于陆地勘探，且采用无线通讯的形式，时间同步过程较复杂。

cn102508197a公开了一种多节点同步采集时间误差的准确测量和校正方法及装置。此专利用于海底拖缆地震勘探系统中，但需要在每一个节点内置一个高精度时钟。而在各个节点内部装置精准的时钟，势必导致单个obn的成本很高，提高海底地震资料采集成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种无需每个海底节点配备原子钟的前提下，实现水下用少量原子钟对大量的海底节点进行高精度同步授时的链路式一发多收海底节点高精度授时系统。

一种链路式一发多收海底节点高精度授时系统,信号发送基站和信号传输链路；

所述信号发送基站包括原子钟和发送机；

所述信号传输链路包括：若干条海底接收排列链路，每条海底接收排列链路包括若干海底节点，前一个海底节点4的信号输出端以包塑钢缆作为感应耦合信号的传输介质，与下一海底节点4的信号输入端连接；

在每条海底节点排列的一端设置有一只原子钟，所述原子钟的时钟信息通过发送机发送给各节链路上的首海底节点，然后采用感应耦合式无线传输方式对同一条级联链路各节点进行同步授时、实现水下各节点时钟的一致。

进一步地，如上所述的链路式一发多收海底节点高精度授时系统,所述发送机包括：分频器、伪码发生器、频率合成器、igir-b编码模块、扩频调制模块、dpsk调制模块、数模转换器、功率放大器；

所述分频器将原子钟提供的高频时钟信号分成不同频率的时钟信号供发送机中的伪码发生器和频率合成器使用；

所述伪码发生器产生扩频调制所需的伪随机码；

所述频率合成器产生频率可变的正弦波作为dpsk调制的载波；

所述igir-b编码模块用于将原子钟产生的本地时间经过irig-b编码后变为包含秒脉冲信息、年、天、时、分、秒和二进制秒计日在内的绝对时间信息；

所述扩频调制模块采用产生的伪随机序列乘irig-b输出的码流，完成扩频调制；

所述dpsk调制模块用于将信号频谱搬移到发送频率；

所述数模转换器用于将dpsk调制模块输出的信号进行转换；

所述功率放大器用于将数模转换器转换的信号进行放大后并发送出去。

进一步地，如上所述的链路式一发多收海底节点高精度授时系统,所述磁耦合通讯模块包括依次连接的第一放大电路、带通滤波电路、第二放大电路、模数转换电路、信号处理电路、通信控制电路；

铁氧化磁环上的信号先进行放大滤波处理，然后将其转化为可以被信号处理电路中cpld识别的数字信号。

有益效果：

本发明通过在每一条链路节点的一端设置基站搭载时钟信号无线发送机，对时间信号进行编码，并采用感应耦合式无线传输方式在海底节点上搭载磁耦合通讯装置和包塑钢缆，对智能节点内部时钟源晶振进行授时校准，从而无需在每个海底节点配备原子钟的前提下，就能够实现水下用少量原子钟对大量的海底节点进行高精度同步授时的目的。

附图说明

图1为本发明底节点授时系统海底接收排列链路结构示意图；

图2为本发明海底接收排列链路中两海底节点之间的连接结构示意图；

图3为本发明发送机结构框图；

图4为本发明磁耦合通讯模块结构框图；

1-信号发送基站；2-信号传输链路；3-磁耦合通讯模块；4-海底节点；5-包塑钢缆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。

感应耦合式无线传输方式主要由水下传感器、信号耦合磁环、水上终端装置、信号传输包塑钢缆四部分组成。该感应耦合式无线数据传输系统利用线圈电感可以相互转换变化为电信号和磁信号这一特性，以线圈作为发送和接收的载体，发送端通过线圈将调制后的变化的电信号转化为变化的磁场信号，接收端的线圈感应到这一变化的磁场信号后形成相应的电信号，通过解析这种关系，就能实现数据的传输。这种无线数据传输系统具有低成本、小体积、电路简单可靠无需电缆等特点，适合水下短距离的非接触式数据传输。

本发明提供的链路式一发多收海底节点高精度授时系统，包括在每一条链路节点的一端设置基站搭载时钟信号无线发送机，对时间信号进行编码；采用感应耦合式无线传输方式在海底节点上搭载磁耦合通讯装置和包塑钢缆，对智能节点内部时钟源晶振进行授时校准。具体地，如图1、图2所示，本发明实施例提供的链路式一发多收海底节点高精度授时系统,包括：信号发送基站1和信号传输链路2；

所述信号发送基站1包括原子钟和发送机；

所述信号传输链路2包括：若干条海底接收排列链路，每条海底接收排列链路包括若干海底节点4，前一个海底节点4的信号输出端以包塑钢缆作为感应耦合信号的传输介质，与下一海底节点4的信号输入端连接。

在每条海底节点排列的一端设置有一只原子钟，所述原子钟的时钟信息通过发送机发送给各节链路上的首海底节点，然后采用感应耦合式无线传输方式对同一条级联链路各节点进行同步授时、实现水下各节点时钟的一致。

具体地，由信号发送基站1发送电信号，信号传输链路2通过包塑钢缆将电信号转化为磁信号再转换为电信号传送到信号耦合环上，经过通信控制电路解码、处理，对海底节点内的晶振进行校准授时。

海底接收排列链路的发送过程和接收过程如下：

信号通过挂载在包塑缆上的作为发送的信号耦合环后，会在其环形铁氧体内形成变化的磁场；穿过环形铁氧体的包塑缆与外界海水形成回路，在这一回路中，铁氧体内的磁场随着调制后的波形数据而变化，所以在包塑缆内会形成相应的变化的电流，进而在作为接收的信号耦合环内形成变化的感应电动势，通过解析这变化的感应电压就可以实现数据的传递，这就是发送过程。耦合通信链上挂载的通信模块是收发一体的，既可以作为发送模块也可以作为接收模块。与发送的过程相同，通过逆过程，随着包塑缆内变化的电流，作为接收节点的耦合链通信模块的信号耦合环内会产生相应的变化的感应电动势，通过解析这种变化关系，可以获得发送的数据信息，这就是接收过程。

如图3所示，所述发送机包括：分频器、伪码发生器、频率合成器、igir-b编码模块、扩频调制模块、dpsk调制模块、数模转换器、功率放大器；

所述分频器将原子钟提供的高频时钟信号分成不同频率的时钟信号供发送机中的伪码发生器和频率合成器使用；

所述伪码发生器产生扩频调制所需的伪随机码；

所述频率合成器产生频率可变的正弦波作为dpsk调制的载波；

所述igir-b编码模块用于将原子钟产生的本地时间经过irig-b编码后变为包含秒脉冲信息、年、天、时、分、秒和二进制秒计日在内的绝对时间信息；

所述扩频调制模块采用产生的伪随机序列乘irig-b输出的码流，完成扩频调制；

所述dpsk调制模块用于将信号频谱搬移到发送频率；

所述数模转换器用于将dpsk调制模块输出的信号进行转换；

所述功率放大器用于将数模转换器转换的信号进行放大后并发送出去。

具体地，时钟信号无线发送机原理为：首先用同步的原子钟将本地时间经过irig-b编码后变为包含秒脉冲信息、年、天、时、分、秒和二进制秒计日等在内的绝对时间信息，再将上述码流输入无线发送机，无线发送机先对此码流进行扩频调制，再经过dpsk调制将信号频谱搬移到发送频率，最后经过d/a转换和功率放大后通过天线发送。时钟信号无线发送机所述时钟解码模块采用irig-b解码，所述无线接收机采用直扩系统，dpsk(differentialphaseshiftkeying，差分相移键控)解调方式。终端设备原理：在固定时刻接收来自基站的信号，首先经过无线接收机将射频信号解调，解扩后还原为基带信号，再通过解码模块得到基站的时间信息用以授时。装载在基站上的时间信号发送机包括原子钟，发送机数字部分，d/a转换器，功率放大器，数字部分集合在芯片上，整个发送接收系统采用直扩通信方式。数字部分包括分频器、编码模块、扩频调制模块、伪码发生器、调制模块、频率合成器。分频器将原子钟提供的高频时钟分成不同频率的时钟信号供发送机中的其他模块使用。编码模块将当前标准时间编码组成比特流输出。所述伪码发生器产生扩频调制所需的伪随机码，可以根据不同情况使用gold码、伪随机序列，同时伪随机码长度可以根据不同的情况调整。扩频调制模块采用产生的伪随机序列乘irig-b输出的码流，完成扩频调制。频率合成器产生的频率可变的dpsk调制的载波，经过调制模块将扩频后的信号调制到是和无线发送的频率，载波频率根据不同情况作出调整.d/a转换器和功率放大器可根据位宽和速率的不同选择产品。

如图4所示，所述磁耦合通讯模块包括依次连接的第一放大电路、带通滤波电路、第二放大电路、模数转换电路、信号处理电路、通信控制电路；

铁氧化磁环上的信号先进行放大滤波处理，然后将其转化为可以被信号处理电路中cpld识别的数字信号。

具体地，本发明磁耦合通讯模块的接收采用lc谐振电路方式。接收电路的功能就是提取信号耦合环的信号，先进行放大滤波处理，然后将其转化为可以被信号处理电路中cpld识别的数字信号。接收预处理包括放大电路、带通滤波电路、放大电路、模数转化电路。cpld的工作大部分是在电脑上完成的，其芯片的设计流程为：打开集成开发软件、写硬件描述语言、编译、给出逻辑电路的输入激励信号，进行仿真，查看逻辑输出结果是否正确、进行管脚输入、输出锁定、生成代码、通过下载电缆将代码传送并存储在cpld芯片中。最终将解编的信号对海底节点内置晶振进行授时。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。