基于锁相环的水听器阵列多传感器高精度同步技术

　　0 引言

　　水听器阵列被广泛地运用于海底石油勘探、海底地貌勘探和工程勘探等领域。水听器阵列中多个传感器采集信号的同步精度直接关系到波束形成及数据反演的效果[1]，因此，对其同步技术的研究具有重要的实际意义。在计算机网络及分布式测控领域中，时钟同步技术一直是保证网络可靠通信的关键技术之一[2]。在计算机网络中，已有几类成熟的同步技术被发展和提出，如节点之间的网同步、互同步、主从同步等[3]。基于这几类同步技术，许多针对不同应用领域的同步技术相继被发展，如网络时间协议(network time protocol，NTP)、精密时钟同步协议PTP等时钟协议[4～7]。然而，与计算机网络和分布式测控网络相比，水听器线列阵具有以下特点:

　　a) 数据采集网络为链式结构，且同一节点内为星型拓扑结构[8];

　　b) 各节点间的信道物理长度均为确定值;

　　c)由于海水是良好的电磁屏蔽体，因此通常无法使用GPS时标等外来时钟基准;

　　d) 数据采集经常持续数天或数十天，且不间断。这些特点使得网络时间协议、精密时钟同步协议PTP等时钟协议并不能直接运用于该类型的阵列。

　　针对水听器阵列多传感器信号采集的同步问题，文献[9]提出了一种同步采集的实现方法，但它的同步误差较大，高达几百微秒。文献[10]针对分布式声学设备的特点，采用美国国家半导体公司的芯片DP83640作为以太网络芯片，通过硬件时间戳的方式提高PTP的网络延迟测量精度，在VXWORKS平台上实现了优于200ns的同步精度。Tian等人[11]针对陆地上的地震勘探传感器阵列网，提出了一种GPS授时的同步方法，但该方法不适用于水下的水听器阵列系统。

　　本文针对水听器阵列的结构特点(节点内为星型拓扑结构、节点间为链式结构) ，提出了一种适用于线型水听器阵列的高精度同步采集方法。它首先在主节点中设置一个高精度的温补晶振(temprature compensated crystal oscillator，TCXO)作为整个水听器阵列唯一的主时钟，然后将此主时钟通过中继逐级顺序地传输到各个从节点中，各个从节点通过锁相环电路实现节点内各个传感器间的采集同步。同时，考虑到不同节点间存在较大的信号传输延时，而这是影响不同节点间同步采集精度的主要因素，针对这一问题，本文采用传输延时补偿的方法:在各个节点中设计传输延时补偿模块，补偿不同节点间主时钟的传输延时。在阵列长时间不间断的工作方式下，该方法可以提高各节点数据采集的同步性能，减小从时钟振荡周期差别产生的累积误差，且无须以太网协议的支持，是一种精简的、高精度的同步采集方法。