CN101644913B - 一种水下授时和同步方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下授时和同步方法及其系统，服务器可以提供准确的时间基准，用户通过与服务器的信息交互进行本地时钟校准。在用户需要校准时钟时，发送申请信号到服务器端，并将该发射时刻作为授时过程的起点。服务器端接收到信号后，对其进行时间反转处理，得到应答信号后发回给用户端；并通过水声通信的方式将应答信号的准确发射时刻发送给用户。由于时间反转镜具有时间和空间聚焦的特性，应答信号会聚于用户端，用户端将接收信号与原始的申请信号进行卷积运算，得到时标信号，利用这个时标信号可以精确地测定授时过程的终点，而服务器端应答信号的发射时刻恰为整个授时过程的时间中点，本发明正是利用这一特性实现了实时授时和同步。

Description

一种水下授时和同步方法及其系统

技术领域

本发明涉及水声通信领域，具体而言，就是一种利用水声信息交互实现精确的水下授时和同步的方法及其系统。

背景技术

精确的时间基准对于很多水下应用系统而言都是非常重要的。在水声通信网络中，它是系统同步的基础；在海洋环境数据采集、海洋勘探、污染监测、灾难预警中，它是数据有效性的保证；在水下导航定位系统中，它是影响定位精度的重要参数之一。然而，现有的水下实时授时及同步技术还存在着某些缺陷。

由于高频的电磁波信号在海水中迅速衰减，无法远距离传播，因此传统的无线电授时在水下难以正常工作。一般来说，水下获取精确时间基准的方式主要有如下三类：

(1)通过GPS或无线电校准时钟。这种方式的精度最高，但这种情况下，水下固定平台需要将天线浮出水面进行校准，容易受到水面船舶或拖网的损坏；水下移动平台需要经常上浮至水面进行校准，必须中断当前水下的工作。

(2)利用高稳定度频标守时。水下系统通常使用原子钟、恒温晶振等来守时，这可以解决第一种方法的部分缺陷，但该方法也有两个主要缺陷。通常守时精度越高的系统，功耗、体积也越大，现阶段水下固定平台主要依靠自身携带的电池供电，能源非常有限，与日渐提高的长期高精度时间基准需求之间存在着突出的矛盾。另外，采用这种方式的时间误差是不断累积的，长期工作也必须通过其他方式校准。

(3)水下声波授时。这种方式一般要求采用若干已知精确时间、位置的基站(简称：服务器)，通过与需要时间校准的水下平台(简称：用户)进行水声信息交互，实现对用户时钟误差的测量，进而实现授时功能。

水声授时和同步系统主要有两种工作方式，一种是多基站方式，另一种是点对点方式。

大部分的水下导航定位系统采用多基站方式。它们一般使用传统的声学定位技术，在获得用户端准确位置的同时完成时间校准。在这种方式下，需要准确测量等效声速及服务器的准确位置。

点对点方式更适用于岸基站和水下基站之间的时间校准。授时及同步一般可以通过测量授时声信号的传播时间来完成，而不需要测量声速和服务器端位置。但是这种方式的准确度会受到水声信道多途以及起伏效应的影响。

本发明主要基于点对点方式。传统的点对点授时及同步方式主要有两种，一种是单向授时方式，另一种是双向授时方式。

单向授时方式需要事先测定服务器和用户之间的信道传播时间Δt，并且认为该传播时间Δt保持不变。服务器发送授时信号对用户时钟进行校准，假设发射时刻为t_ss，用户接收到信号时内部时钟的时刻为t_cr，则时钟误差为：

e＝t_cr-(t_ss+Δt)

据此即可完成对用户时钟的校准。这种授时方式实现简单，并且用户端不必发射信号，在深海或浅海等温层等水文稳定的条件下可以使用，但在时变水声传播信道中，这种方法因误差较大而失去实用意义。总之，这种单向授时方式的授时精度不高，要提高授时精度须采用双向授时方式。

双向授时方式可以针对时变信道进行授时，它采用“申请-应答”工作模式。需要时钟校准的用户在t_cs时刻向服务器发出申请信号，服务器在t_sr时刻接收到信号，经处理之后在t_ss时刻向用户发回应答信号，并将t_sr和t_ss通过水声通信发给用户，用户在t_cr时刻接收到应答信号，则时钟误差为：

e＝t_cr-{t_ss+[(t_cr-t_cs)-(t_ss-t_sr)]/2}

据此即可完成对用户时钟的校准。这种方式的工作前提是在双向信号收发过程中，信道状态没有变化，即双向传播时间相等，由于双向信号收发时间较短，实际中这一前提较容易满足。

但无论采用何种方式，对声信号到达时刻的高精度测量都是绝对必须的。然而，众所周知，海洋中的多途传播和随机相位起伏给声信号到达时刻的精确测量带来了很大困难。

时间反转镜技术是一种利用信道的自匹配实现信号聚焦的技术，是指传感器阵列接收到声源发射的时域信号后，将接收信号在时间上反转，再发射出去，即先到后发，后到先发。该技术具有良好的空间及时间聚焦特性，通过这种聚焦可实现声源信号的重构。虽然时间反转镜是一项具有良好时空聚焦性能的技术，但是，如何利用时间反转镜技术进行授时和同步却从未有文献涉及。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术存在的缺陷，提出一种新的水下授时和同步方法及其系统，解决传统方法受水声信道多途及起伏效应影响的问题，从而有效提高授时及同步的精度，并降低授时系统的复杂度。

发明人的研究表明，时间反转镜是一项具有良好时空聚焦性能的技术，适当利用时间反转镜原理能够减小多途以及相位起伏导致的授时误差，在此基础上，本发明公开了一种水下授时和同步方法及其系统，称之为时间反转镜实时授时方法(Time-Reversal Mirror Real Time service，简称TRMRT)，该方法通过可提供准确时间基准的基站服务器与需要时间校准的水下平台用户进行水声信息交互，实现水下授时和同步。其中，如图1所示，所述的用户设备包括干端和湿端两部分，干端主要由信号接收、处理和发射等模块组成，湿端为单阵元收发合置换能器；所述的服务器设备也包括干端和湿端两部分，干端主要由信号接收、处理和发射等模块组成，湿端为一条垂直布设的多阵元收发合置换能器阵列。该方法的步骤包括：

(a)在用户需要校准时钟时，发送申请信号到服务器，并记录发送时刻对应的本机时钟时间t_cs；同时，将该发射时刻作为授时过程的起点；

(b)服务器接收到申请信号后，对其进行时间反转处理得到应答信号；

(c)服务器将应答信号发回给用户，并对应答信号发射时刻信息进行编码调制，得到通信信号，然后通过水声通信方式发送给用户；

(d)用户将接收到的应答信号与原始的申请信号进行卷积运算，得到时标信号，精确地测定授时和同步过程的终点时刻，再利用解调出的来自服务器的应答信号发送时刻，计算出用户设备中时钟的误差，从而实现对用户的授时和同步。

图2为本发明基本原理的示意图，如图所示，对于TRMRT方法及其系统，需要从信号收发端全局看问题，为服务器和用户建立统一的时间坐标系，所述步骤(a)中申请信号的发射时刻对应为坐标系的原点。在此坐标系下主要考查五种信号：第一，所述步骤(a)中用户发出的申请信号S_cs(t)；第二，所述步骤(b)中服务器第i阵元接收到的信号S_sr ⁱ(t)，注意它是申请信号经传播后得到的多途信号；第三，所述步骤(c)中服务器第i阵元发出的应答信号S_ss ⁱ(t)；第四，所述步骤(d)中用户接收到的信号S_cr(t)，注意它是多途干扰得到抑制的信号；第五，所述步骤(d)中的时标信号R(t)。

所述的步骤(b)包括：

(b1)服务器通过垂直布设的多阵元收发合置阵列接收到申请信号S_cs(t)经传播后的多途信号S_sr ⁱ(t)，i＝1，2，...，N，N为服务器的阵元数；

(b2)在统一的时间坐标系下，根据接收信号的到达时刻T_a ⁱ，经过适当的延时T_d ⁱ，将所有通道的应答信号的发射起始时刻对齐至T_s，其中，T_d ⁱ的时间长度大于接收信号多途结构的持续时间；

$T_s=T_a^i+T_d^i---\left(1\right)$

(b3)以T_s为起始时刻，对S_sr ⁱ(t)信号进行时间反转处理，得到第i通道的应答信号S_ss ⁱ(t)，

$S_{\mathrm{ss}}^i\left(t\right)=S_{\mathrm{sr}}^i(T_r-t)---\left(2\right)$

式中，T_r＝2T_s。

所述的步骤(c)包括：

(c1)在T_s时刻，服务器所有通道将应答信号S_ss ⁱ(t)进行增益控制处理后发回给用户；

(c2)服务器读取并记录应答信号发射时刻对应的本机基准时钟时间t_ss，并对时间信息t_ss进行编码调制得到通信信号，然后通过水声通信方式发送给用户。

所述的步骤(d)包括：

(d1)服务器发回的多通道应答信号S_ss ⁱ(t)经传播后会聚于用户端，用户接收到会聚信号S_cr(t)，将其与原始的申请信号S_cs(t)进行卷积运算，得到时标信号R(t)，

$R\left(t\right)=S_{\mathrm{cs}}\left(t\right)\⊗S_{\mathrm{cr}}\left(t\right)---\left(3\right)$

并由R(t)的峰值位置测定出授时过程的终点时刻T_r；

(d2)用户读取并记录终点时刻T_r对应的本机时钟时间t_cr，另外，用户的水声通信设备解调出来自服务器的应答信号发送时刻t_ss，再结合用户端申请信号的发射时刻t_cs，计算出用户时钟的误差，

e＝(t_cs+t_cr)/2-t_ss                     (4)

以实现对用户的授时和同步。

所述的申请信号采用宽带声信号。申请信号采用宽带信号的合理性在于：其自相关函数具有δ函数的特征，时间分辨率高，有利于提高授时的精度。

本发明还公开了一种水下授时和同步系统，该系统通过可提供准确时间基准的基站服务器与需要时间校准的水下平台用户进行水声信息交互，实现水下授时和同步。

所述的用户设备由用户干端和用户湿端组成，所述的用户湿端为单阵元收发合置换能器；所述的用户干端包括：

一本地时钟，用于读取申请信号发射时刻对应的本地时间t_cs和时标信号峰值位置对应的本地时间t_cr；

一申请信号生成模块，用于生成授时和同步的申请信号，输出给信号发射模块；

一信号发射模块，用于通过单阵元收发合置换能器发射申请信号到服务器；

一信号接收模块，用于通过单阵元收发合置换能器接收服务器发送来的应答信号和通信信号，并输出给信号处理模块；

一信号处理模块，将接收到的应答信号与原始的申请信号进行卷积运算，得到时标信号，精确地测定授时和同步过程的终点时刻，再利用解调出的来自服务器的应答信号发送时刻，计算出用户设备中时钟的误差，从而实现对用户的授时和同步；

所述的服务器由服务器干端和服务器湿端组成，所述的服务器湿端为一条垂直布设的多阵元收发合置换能器阵列；所述的服务器干端包括：

一基准时钟，用于提供准确基准时间；

一信号接收模块，用于通过多阵元收发合置换能器阵列的每个阵元接收申请信号S_cs(t)经传播后的多途信号S_sr ⁱ(t)，i＝1，2，…，N，N为服务器阵元数；

一信号处理模块，用于对服务器接收到的申请信号进行时间反转处理得到应答信号，并对应答信号发射时刻信息进行编码调制，得到通信信号；

一信号发射模块，用于通过多阵元收发合置换能器阵列将应答信号和通信信号发送给用户。

所述的服务器的信号处理模块包括：

一申请信号检测单元，用于将上述信号接收模块输出的多途信号S_sr ⁱ(t)与原始申请信号进行滑动相关，检测各通道接收信号中是否有用户发出的申请信号；

一时间反转单元，用于根据接收信号的到达时刻T_a ⁱ，经过适当的延时T_d ⁱ，将所有通道的应答信号的发射起始时刻对齐至T_s，

$T_s=T_a^i+T_d^i$

其中，T_d ⁱ的时间长度大于接收信号多途结构的持续时间；

以T_s为起始时刻，对各通道接收信号S_sr ⁱ(t)进行时间反转处理，在统一时间坐标系下，得到第i通道的应答信号S_ss ⁱ(t)，

$S_{\mathrm{ss}}^i\left(t\right)=S_{\mathrm{sr}}^i(T_r-t)$

其中，T_r＝2T_s；

一应答信号生成单元，用于对各通道的反转信号进行增益控制处理，得到各通道的应答信号，输出给信号发射模块；

一水声通信编码单元，用于对应答信号发射时刻信息t_ss进行编码调制，得到通信信号，输出给信号发射模块。

所述的用户的信号处理模块包括：

一时标信号检测单元，用于检测服务器发回的应答信号，用原始申请信号与接收信号进行滑动卷积的方法检测接收信号中是否有服务器发回的应答信号，并得到时标信号R(t)；

$R\left(t\right)=S_{\mathrm{cs}}\left(t\right)\⊗S_{\mathrm{cr}}\left(t\right)$

一水声通信解码单元，用于从来自服务器的通信信号中解调出应答信号的发送时刻t_ss；

一时钟误差校准单元，用于计算用户设备中时钟的误差；

e＝(t_cs+t_cr)/2-t_ss

所述的申请信号采用宽带声信号。

采用本发明这种处理方法的合理性在于：对于用户端，由于申请信号从坐标系原点发射，收到应答信号并经信号处理后得到的授时过程终点时刻为T_r，因此，整个授时过程的持续时间为T_r，而这个过程的时间中点为T_r/2，由(2)式可知，这个中点恰为服务器发射应答信号的时刻T_s，对应的准确基准时间为t_ss，而从用户端时钟读取的申请信号发射时间为t_cs，应答信号到达时间为t_cr，由此得到带有误差的授时过程中点(t_cs+t_cr)/2，与t_ss相减即可得到用户端时钟的误差。

另外，由(2)和(3)式可知，

$R\left(t\right)=S_{\mathrm{cs}}\left(t\right)\⊗\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[S_{\mathrm{cs}}(T_r-t)\⊗g_{-t}(r_s^i,z_s^i;r_c,z_c)]\⊗g_t(r_c,z_c;r_s^i,z_s^i)$

$=[S_{\mathrm{cs}}\left(t\right)\⊗S_{\mathrm{cs}}(T_r-t)]\⊗[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{-t}(r_s^i,z_s^i;r_c,z_c)\⊗g_t(r_c,z_c;r_s^i,z_s^i)]$

其中，用户端至服务器端第i通道的格林函数g_t(r_s ⁱ，z_s ⁱ；r_c，z_c)是申请信号传播的信道冲击响应，服务器端第i通道至用户端的格林函数g_t(r_c，z_c；r_s ⁱ，z_s ⁱ)是应答信号传播的信道冲击响应。

设 $R_s\left(t\right)=S_{\mathrm{cs}}\left(t\right)\⊗S_{\mathrm{cs}}(T_r-t),$ 由于S_cs(t)为宽带信号S(t)，R_s(t)实际上是S_cs(t)的自相关函数，具有类似δ函数的单峰特点。

设 $R_g\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{-t}(r_s^i,z_s^i;r_c,z_c)\⊗g_t(r_c,z_c;r_s^i,z_s^i),$ 由水声传播中的互易原理可知，R_g(t)是多个信道冲击响应自相关函数的平均，也具有类似δ函数的单峰特点。

因此， $R\left(t\right)=R_s\left(t\right)\⊗R_g\left(t\right)$ 也是时间分辨率较高的单峰信号，峰值出现在时刻T_r处，由于多途干扰得到了有效抑制，它能起到精确的时间标识作用，因而能够由R(t)的峰值位置精确测定出授时过程的终点时刻T_r。

本发明用于时间同步的过程与授时相类似，主要区别仅在于：对于授时，服务器时钟为基准时钟，其走时为准确的UTC(Universal Time Coordinated)时间；而对于时间同步，服务器时钟的走时不必是UTC时间，时间同步的结果是使用户时钟与服务器时钟走时一致，若服务器时钟相对UTC时间存在一定误差，则用户时钟可以存在相同的走时误差。

本发明的优点在于：本发明公开的水下授时和同步方法及其系统，

①在用户端，由于时间反转镜的作用抑制了多途，因此大大降低了多途干扰，提高了授时精度。

②在服务器端，巧妙地避开了复杂的多途信号处理过程，与传统的水声授时和同步系统相比，本方法的方案大大简化。

附图说明

图1是时间反转镜实时授时和同步方法及其系统的示意图。

图2是时间反转镜授时和同步方法的基本理论解释。

图3是本发明应用于水声授时的实现框图。

图4是本发明应用于水声授时的流程图。

图5是授时申请信号的自相关函数。

图6是实施例中采用的模拟信道冲击响应函数。

图7是服务器端两阵元相关检测结果和用户端时标信号细节的对比。

图8是实施例中的时间反转镜授时过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的一个实施例中，本发明被应用于服务器对用户的水声授时。其中，服务器可提供时间基准，其时钟读数为准确的UTC时间；而用户的本地时钟则存在走时误差，需要通过水声方式与服务器进行信息交互来校准该误差。

如图3所示，用户端主要由信号源、带通滤波器、功率放大器、单阵元收发合置换能器、信号采集模块、信号处理模块以及控制主机等部分组成。下面简要介绍用户端各组成部分的功能：

控制主机包括一个本地时钟，该时钟存在走时误差需要校准。控制主机完成用户端整个授时过程的流程控制。包括控制信号源启动数模转换；控制信号采集模块启动模数转换；接收信号处理模块的处理结果；并计算出本地时钟的误差。

信号源生成授时申请信号，并在控制主机的控制下启动数模转换，输出给带通滤波器。

带通滤波器用于发射信号的滤波调理；功率放大器用于发射信号的功率放大。

单阵元收发合置换能器同时具有信号发射和信号接收功能，可实现电信号和声信号之间的互相转换。

信号采集模块在控制主机的控制下启动接收信号的模数转换和采集，并将采集数据发送给信号处理模块。

信号处理模块接收信号采集模块发送的采集数据，检测服务器端发回的应答信号，对其进行信号处理，得到时标信号，记录时标信号对应的时刻，解调出来自服务器的应答信号发送时刻，并将处理结果发送给控制主机。

如图3所示，服务器端主要由控制主机、申请信号检测单元、信号采集模块、收发合置换能器阵列、信号反转单元、信号生成单元、带通滤波器以及功率放大器等部分组成。下面简要介绍服务器端各组成部分的功能：

控制主机包括一个基准时钟，其读数为准确的UTC时间。控制主机完成服务器端整个授时过程的流程控制。包括控制信号采集模块启动模数转换；接收申请信号检测单元的检测结果，根据各通道申请信号的到达时刻确定应答信号的发射时刻，将其提交给信号生成单元，并确定各通道接收信号的截取时间区间参数，将其提交给信号反转单元；控制信号生成单元启动数模转换。

带通滤波器、功率放大器和信号采集模块的功能与用户端相同。

申请信号检测单元接收信号采集模块发送的采集数据，检测用户端发出的授时申请信号，将各通道申请信号到达时刻等检测结果发送给控制主机。

信号反转单元在控制主机的控制下对各通道接收信号进行时间反转，并将反转后的信号提交给信号生成单元。实际应用中，信号进行时间反转之前，可以在控制主机的控制下先对各通道接收信号相应部分进行截取。

信号生成单元将从信号反转单元接收到的各通道反转信号进行增益控制等处理，得到各通道的应答信号，在控制主机控制下启动数模转换，输出给带通滤波器；并从控制主机接收应答发射时刻信息，将其进行编码调制，得到通信信号，在应答信号之后输出给带通滤波器。

收发合置换能器阵列包括多个垂直排布的收发合置换能器，同时具有信号发射和信号接收功能，可实现电信号和声信号之间的互相转换。

图4是本发明应用于水声授时系统的流程图。下面对水声授时的工作流程进行具体说明。为了便于说明，不失一般性，做以下假设：

①本实施例中，授时申请信号S_cs(t)采用时间长度T_o为2秒、带宽400Hz的线性调频信号S(t)。实际应用中，授时信号种类和参数可根据情况灵活调整。如图5所示，其自相关函数R_s(t)具有类似δ函数的单峰特点。

②本实施例中，服务器湿端采用2个阵元(N＝2)组成收发合置换能器垂直阵列，实际应用中，阵元数可根据情况灵活调整。

③本实施例中，假定用户的本地时钟相对于服务器的基准时钟的误差为1秒，由于授时过程较短，可认为该误差在授时过程中保持不变；用户于本地时间某日12:00:00(实际UTC时间为11:59:59)开始发射授时申请信号，启动一次授时过程；服务器根据约定于UTC时间11:50:00启动，处于等待服务状态。

④本实施例中，假定用户端单阵元收发合置换能器与服务器端收发合置换能器阵列的1阵元和2阵元之间水声信道的声传播时间分别为10秒和10.1秒，其模拟信道冲击响应函数分别如图6(a)和6(b)所示，并假定在授时过程中信道响应保持不变。

基于TRMRT方法的水声授时系统工作流程具体描述如下：

①服务器端首先上电启动工作，处于等待服务状态。详细流程是：控制主机在11:50:00时刻(UTC时间)启动信号采集模块的模数转换，并为采集数据建立时间基准；启动申请信号检测单元，用原始申请信号与接收信号进行滑动相关的方法，不断检测各通道接收信号中是否有用户端发出的授时申请信号到来。

②用户端事先生成授时申请信号S_cs(t)，在本地时间12:00:00(UTC时间11:59:59)到来时启动授时过程，控制主机控制信号源启动数模转换，输出申请信号，经带通滤波、功率放大后由发射换能器发射出去，如图8(a)所示，并记录下信号发射的本地时间t_cs为12:00:00。

③用户端完成申请信号S(t)的发射后，开始检测服务器端发回的应答信号。详细流程是：控制主机在本地时间12:00:05(UTC时间12:00:04)启动信号采集模块的模数转换，并为采集数据建立时间基准；启动信号处理模块，用原始申请信号与接收信号进行滑动卷积的方法不断检测接收信号中是否有服务器端发回的应答信号到来。

④用户端发射的授时申请信号经过水声信道传播，分别于10秒和10.1秒后到达服务器端收发合置阵列的1阵元和2阵元，即前文所述的接收信号S_sr ¹(t)和S_sr ²(t)，如图8(b)和(d)所示。服务器端申请信号检测单元用原始申请信号与各通道的接收信号进行滑动相关的方法检测到用户端发射的申请信号，分别如图8(c)和(e)所示，并根据检测结果峰值位置确定各通道申请信号到达时刻，由于多途干扰，在统一时间坐标系下，测得的到达时刻为 $T_a^1=10.0024$ 秒、 $T_a^2=10.1058$ 秒，分别存在2.4和5.8毫秒的测时误差，如图7(a)和(b)所示。对于常规方法，需要用复杂的多途信号处理方法来减小测时误差，否则会导致较大的授时误差，而对于本方法，并不要求准确测量申请信号的到达时刻，下文将看到该测时误差对于本方法的授时精度没有影响。申请信号检测单元将该到达时刻的测量结果T_a ¹、T_a ²提交控制主机。

⑤服务器端控制主机根据申请信号检测单元测得的两通道用户端申请信号到达时刻 $T_a^1=10.0024$ 秒、 $T_a^2=10.1058$ 秒，选取 $T_d^1=2.9976$ 秒， $T_d^2=2.8942$ 秒，在统一时间坐标系下，分别确定两通道的信号截取区间为[T_a ¹ T_a ¹+T_d ¹]和[T_a ² T_a ²+T_d ²]，使得应答信号包含接收信号S_sr ¹(t)和S_sr ²(t)的主要多途信息，并确保所有通道生成应答信号的起始时刻对齐至 $T_s=T_a^1+T_d^1=T_a^2+T_d^2=13$ 秒，同时T_s是统一时间坐标系下各通道应答信号的发射时刻，对应的服务器端时钟时刻为t_ss＝12:00:12(UTC时间)。控制主机将各通道信号截取区间参数提交给信号反转单元，信号反转单元截取各通道的相应时间范围的接收信号，进行时间反转后，提交给信号生成单元。信号生成单元对各通道反转信号进行增益控制等处理，得到各通道的应答信号S_ss ¹(t)和S_ss ²(t)，如图8(f)和(g)所示；并受控制主机控制，在应答信号发射时钟时刻t_ss＝12:00:12到来时启动数模转换，将各通道应答信号经带通滤波、功率放大后由发射阵列同时发射出去。

⑥服务器端控制主机读取应答信号发射时刻对应的本机基准时钟时间t_ss＝12:00:12(UTC时间)，并将该时刻提交给信号生成单元，信号生成单元将该时间信息进行通信编码后得到通信信号，紧随在应答信号之后经带通滤波、功率放大后由发射阵列发射出去。

⑦服务器端1阵元和2阵元发射的应答信号经过水声信道传播会聚于用户端，用户接收到的会聚信号为S_cr(t)，如图8(h)所示；用户端信号处理模块通过用原始申请信号与接收信号进行滑动卷积的方法检测到应答信号，并得到时标信号R(t)，如图8(i)所示，其细节图如图7(c)所示。可以看出该时标信号已经大大消除了多途干扰，成为时间分辨率较高的单峰信号，因此根据时标信号的峰值位置可以精确确定统一坐标系下授时过程的终点T_r＝26秒，读取用户端本地时钟可得该峰值位置对应的时刻t_cr＝12:00:26，并将结果提交控制主机。

⑧用户端信号处理模块对紧随应答信号之后的通信信号进行解调，得到服务器端的应答信号发送时刻t_ss＝12:00:12，并将结果发送给控制主机。

⑨用户端控制主机根据本机记录的带有走时误差的授时起点时刻t_cs＝12:00:00、授时终点时刻t_cr＝12:00:26以及通信解码得到的准确的授时中点时刻t_ss＝12:00:12，即可得到本地时钟走时误差：

e＝(t_cs+t_cr)/2-t_ss＝1秒

根据测得的走时误差，用户将授时终点对应的本地时钟走时由12:00:26校准为12:00:25，与服务器基准时钟一致，即完成了授时过程。

可以看出，通过本发明的TRMRT方法测得的用户端本地时钟误差与本实施例预设的误差相同，也即本实施例中，采用TRMRT方法可以实现准确的授时，而如果采用常规方法，难以避免的会受到多途的干扰，如步骤④中所述，会带来较大的授时误差。因此与常规方法相比，在用户端由于时间反转镜的作用抑制了多途，并具有高分辨率时空聚焦性能，能有效提高测时和授时精度。

通过上述的例子可以得出如下的结论：

①在传统的水声授时系统中，用户端和服务器接收信号都具有多途结构，存在信号到达时刻判决模糊的问题。TRMRT在服务器端绕过了对多途的处理，直接反转发射；另外，在用户端由于时间反转镜的作用抑制了多途，因此该方法能解决多途干扰问题，提高授时精度。

②与传统的水声授时及同步系统相比，TRMRT的方案大大简化。在服务器端，不需要测量信号到达时刻；不需要处理多途；也无须精确估计多途扩展的时间长度；在用户端，抑制了多途干扰，因此信号到达时刻的测量算法也变得相对简单了。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种水下授时和同步方法，通过可提供准确时间基准的基站服务器与需要时间校准的水下平台用户进行水声信息交互，实现水下授时和同步，其步骤包括：

（a）在用户需要校准时钟时，发送申请信号到服务器，并记录发送时刻对应的本机时钟时间t_cs；同时，将该发送时刻作为授时过程的起点，以该发送时刻为坐标系的原点为服务器和用户建立统一的时间坐标系；

（b）服务器接收到申请信号后，对其进行时间反转处理得到应答信号；

（c）服务器将应答信号发回给用户，并对应答信号发送时刻信息进行编码调制，得到通信信号，然后通过水声通信方式发送给用户；

（d）用户将接收到的应答信号与原始的申请信号进行卷积运算，得到时标信号，精确地测定授时和同步过程的终点时刻，再利用解调出的来自服务器的应答信号发送时刻，计算出用户设备中时钟的误差，从而实现对用户的授时和同步。

2.根据权利要求1所述的水下授时和同步方法，其特征在于，所述的步骤（b）包括：

（b1）服务器通过垂直布设的多阵元收发合置阵列接收到申请信号S_cs(t)经传播后的多途信号

i=1,2,…,N,N为服务器的阵元数；

（b2）在统一的时间坐标系下，根据接收信号的到达时刻经过适当的延时

将所有通道应答信号的发送起始时刻对齐至T_s，其中，

的时间长度大于接收信号多途结构的持续时间；

$T_s=T_a^i+T_d^i---\left(1\right)$

（b3）以T_s为起始时刻，对

信号进行时间反转处理，得到第i通道的应答信号

$S_{\mathrm{ss}}^i\left(t\right)=S_{\mathrm{sr}}^i(T_r-t)---\left(2\right)$

式中，T_r＝2T_s。

3.根据权利要求1所述的水下授时和同步方法，其特征在于，所述的步骤（c）包括：

（c1）在T_s时刻，服务器所有通道将应答信号

进行增益控制处理后发回给用户；

（c2）服务器读取并记录应答信号发送时刻对应的本机基准时钟时间t_ss，并对时间信息t_ss进行编码调制得到通信信号，然后通过水声通信方式发送给用户。

4.根据权利要求1所述的水下授时和同步方法，其特征在于，所述的步骤（d）包括：

（d1）服务器发回的多通道应答信号

经传播后会聚于用户端，用户接收到会聚信号S_cr(t)，将其与原始的申请信号S_cs(t)进行卷积运算，得到时标信号R(t)，

$R\left(t\right)=S_{\mathrm{cs}}\left(t\right)\⊗S_{\mathrm{cr}}\left(t\right)---\left(3\right)$

并由R(t)的峰值位置测定出授时过程的终点时刻T_r；

（d2）用户读取并记录终点时刻Tr对应的本机时钟时间t_cr，另外，用户的水声通信设备解调出来自服务器的应答信号发送时刻t_ss，再结合用户端申请信号的发送时刻t_cs，计算出用户时钟的误差，

e＝(t_cs+t_cr)/2-t_ss（4）

以实现对用户的授时和同步。

5.根据权利要求1所述的水下授时和同步方法，其特征在于，所述的申请信号采用宽带声信号。

6.一种水下授时和同步系统，该系统通过可提供准确时间基准的基站服务器与需要时间校准的水下平台用户进行水声信息交互，实现水下授时和同步，其特征在于，

所述的用户由用户干端和用户湿端组成，所述的用户湿端为单阵元收发合置换能器；所述的用户干端包括：

一本地时钟，用于读取申请信号发送时刻对应的本地时间t_cs和时标信号峰值位置对应的本地时间t_cr；

一申请信号生成模块，用于生成授时和同步的申请信号，输出给信号发射模块；

一信号发射模块，用于通过单阵元收发合置换能器发送申请信号到服务器；

一信号接收模块，用于通过单阵元收发合置换能器接收服务器发送来的应答信号和通信信号，并输出给信号处理模块；

一信号处理模块，将接收到的应答信号与原始的申请信号进行卷积运算，得到时标信号，精确地测定授时和同步过程的终点时刻，再利用解调出的来自服务器的应答信号发送时刻，计算出用户设备中时钟的误差，从而实现对用户的授时和同步；

所述的服务器由服务器干端和服务器湿端组成，所述的服务器湿端为一条垂直布设的多阵元收发合置换能器阵列；所述的服务器干端包括：

一基准时钟，用于提供准确基准时间；

一信号接收模块，用于通过多阵元收发合置换能器阵列的每个阵元接收申请信号S_cs(t)经传播后的多途信号

i=1,2,…,N,N为服务器阵元数；

一信号处理模块，用于对服务器接收到的申请信号进行时间反转处理得到应答信号，并对应答信号发送时刻信息进行编码调制，得到通信信号；

一信号发射模块，用于通过多阵元收发合置换能器阵列将应答信号和通信信号发送给用户。

7.根据权利要求6所述的水下授时和同步系统，其特征在于，所述的服务器的信号处理模块包括：

一申请信号检测单元，用于将服务器的上述信号接收模块输出的多途信号

与原始申请信号进行滑动相关，检测各通道接收信号中是否有用户发出的申请信号；

一时间反转单元，用于根据接收信号的到达时刻

经过适当的延时

将所有通道的应答信号发送起始时刻对齐至T_s，

$T_s=T_a^i+T_d^i$

其中，

的时间长度大于接收信号多途结构的持续时间；

以T_s为起始时刻，对各通道接收信号

进行时间反转处理，在统一时间坐标系下，得到第i通道的应答信号

$S_{\mathrm{ss}}^i\left(t\right)=S_{\mathrm{sr}}^i(T_r-t)$

其中，T_r＝2T_s；

一应答信号生成单元，用于对各通道的反转信号进行增益控制处理，得到各通道的应答信号，输出给信号发射模块；

一水声通信编码单元，用于对应答信号发送时刻信息t_ss进行编码调制，得到通信信号，输出给信号发射模块。

8.根据权利要求6所述的水下授时和同步系统，其特征在于，所述的用户的信号处理模块包括：

一时标信号检测单元，用于检测服务器发回的应答信号，用原始申请信号与接收信号进行滑动卷积的方法检测接收信号中是否有服务器发回的应答信号，并得到时标信号R(t)；

$R\left(t\right)=S_{\mathrm{cs}}\left(t\right)\⊗S_{\mathrm{cr}}\left(t\right)$

一水声通信解码单元，用于从来自服务器的通信信号中解调出应答信号的发送时刻t_ss；

一时钟误差校准单元，用于计算用户设备中时钟的误差；

e＝(t_cs+t_cr)/2t_ss。

9.根据权利要求6所述的水下授时和同步系统，其特征在于，所述的申请信号采用宽带声信号。

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