CN212231467U

CN212231467U - 一种基于双向时间比对的水下时间同步系统

Info

Publication number: CN212231467U
Application number: CN202021875684.7U
Authority: CN
Inventors: 侯冬; 曾迎春; 朱敏; 龚鹏
Original assignee: Chengdu Jinnuoxin High Tech Co Ltd
Current assignee: Chengdu Jinnuoxin High Tech Co Ltd
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2020-09-01
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2030-09-01

Abstract

本实用新型公开了一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，包括两个设置在水下的时间同步单元，所述时间同步单元包括时间编码模块、激光发射接收模块、水波消抖模块、时间解码测量模块、时延模块；利用双向传递时间信息，即在两个时间同步单元之间将以原子钟作为高稳时基得到的时间编码信号调制到激光信号上，再双向传递。利用双向解码出来的时间信号计算得到两个时间同步单元之间的时延，进而调整两个时间同步单元的时延，实现两个时间同步单元水下高精度的时间同步，实现了水下任意两个时间同步单元之间的精确时间同步。

Description

一种基于双向时间比对的水下时间同步系统

技术领域

本实用新型属于时间同步的技术领域，具体涉及一种基于双向时间比对的水下时间同步系统。

背景技术

高精度时频同步技术在遥测定位、天文观测、多基地雷达和通信等领域有着广泛应用。现有时频同步大多局限于地面或者空气环境，随着人类对水下、特别是海洋探索的不断深入，水下信息传输和监测网的建设已经成为各国科学研究的重点。水下信息传输链路主要将布防在海洋中的各种传感器和观测仪器连接起来，形成一个水下高效、稳定的信息传输网络，可对海洋进行长期、连续、高效的实时观测和信息采集。但是水下环境很复杂，且网络所含节点、各类传输设备、观测仪器众多，网络覆盖面广。如果没有统一的时间频率标准，观测仪器采集的数据传送到岸基时就失去了准确性和时效性。此外，在军事应用上，由于潜水器长期在水下作业，需要定期对其实施时频同步，以保证潜水器的守时精度。现有水下信号传递方式主要采用超声技术和光纤通信，其中超声技术由于带宽太低无法在水下实现高精度的时间同步，而光纤通信需要固有的光纤信道，对于大量水下移动目标来说构建光纤同步链路无法实现目前。鉴于目前在水下无法实现高精度同步，潜水器只能在水面开展时频同步作业。这样一来，作为敏感目标，潜水器被侦测到的概率大为增加。因此，针对水下各网络节点、仪器及传感器、以及潜水器的特点，实用新型合适的、特定的水下高精度时频同步技术，对于水下信息传输监测网、以及军事应用都具有十分重大的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，通过在水下设置两个时间同步单元，将时钟信号调制为激光信号后在两个时间同步单元之间进行交互传输，进而实现双向时钟信号的获取，并通过计算两个时间同步单元之间的时钟信号之间的时间间隔以实现时延调节。利用双向解码出来的时间信号计算得到两个时间同步单元之间的时延，进而调整两个时间同步单元的时延，实现两个时间同步单元水下高精度的时间同步。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，包括两个设置在水下的时间同步单元，所述时间同步单元包括：

时间编码模块：用于编码提供时钟信号；

激光发射接收模块：用于将时间编码模块提供的时钟信号调制为激光信号并将激光信号与另一个时间同步单元中的激光发射结构模块进行交互传递；

水波消抖模块：用于对接收到的激光信号的光束方向进行消抖稳定；

时间解码测量模块：用于将接收到的激光信号解码以得到另一个时间同步单元的时钟信号，并根据自身的时钟信号与另一个时间同步单元的时钟信号计算时间间隔；

时延模块：根据计算得到的时间间隔调整时延以使两个时间同步单元的时钟同步。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述数字PI控制器通过转向镜驱动器控制高速转向镜进行转动；所述分光镜的出射端与准直器组的入射端之间设置有调节光路的反射镜。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述准直器组包括依次连接的第一准直器、波导光纤、第二准直器，所述第一准直器用于结构经过分光镜转向的激光信号并通过波导光纤将激光信号传递至第二准直器进行输出。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述激光发射接收模块包括连续激光器、空间环形器，所述连续激光器用于接收来自于时间编码模块的时钟信号并将时钟信号调制为激光信号，所述空间环形器用于将激光信号发射至另一个时间同步单元并接收来自于另一个时间同步单元的激光信号。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述空间环形器包括半波片、偏振分光镜、扩束镜，所述半波片沿垂直方向或平行方向设置在偏振分光镜的入射端，所述扩束镜设置在偏振分光镜的出射端。

将两个时间同步单元命名为时间同步单元A和时间同步单元B以便于说明，时间同步单元A中的空间环形器采用半波片沿平行方向设置在偏振分光镜的入射端，时间同步单元B中的空间环形器则对应采用半波片沿垂直方向设置在偏振分光镜的入射端。时间同步单元A中的连续激光器产生的激光经过半波片平行入射至偏振分光镜后经过偏振分光以平行偏振方向经过扩束镜进行光束直径和扩散角的调整后发射至时间同步单元B，时间同步单元B中的连续激光器产生的激光经过半波片垂直入射至偏振分光镜后经过偏振分光以垂直偏振方向经过扩束镜进行光束直径和扩散角的调整后发射至时间同步单元A；时间同步单元A接收来自于时间同步单元B的激光，由于时间同步单元B发出的激光的偏振方向为垂直方向，因此时间同步单元A中的偏振分光镜接收来自于时间同步单元B的激光并将接收激光以垂直偏振方向输出，实现与时间同步单元A自身发射的平行偏振的激光的分离；同理，时间同步单元B接收来自于时间同步单元A的激光，由于时间同步单元A发出的激光的偏振方向为平行方向，因此时间同步单元B中的偏振分光镜接收来自于时间同步单元A的激光并将接收激光以平行偏振方向输出，实现与时间同步单元B自身发射的垂直偏振的激光的分离。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述时间编码模块包括原子钟、FPGA时间编码器，所述原子钟用于提供时钟信号，所述FPGA时间编码器用于对时钟信号进行编码并将编码后的时钟信号同步发送至激光发射结构模块、时间解码测量模块、时延模块。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述时间解码测量模块包括APD探测器、FPGA时间解码器、时间间隔测量器，所述APD探测器用于接收经过水波消抖模块消抖稳定后的激光信号，并将激光信号转变为电信号；所述FPGA时间解码器对电信号进行解码以得到时钟信号；所述时间间隔测量器根据自身的时钟信号以及来自于另一个时间同步单元的时钟信号计算时间间隔。

基于上述时间同步系统的水下时间同步方法如下：

步骤1、在水下设置两个时间同步单元，并分别向两个时间同步单元赋予时钟信号；

步骤2、将时钟信号调制为激光信号，并在两个时间同步单元之间交互传送激光信号；

步骤3、对激光信号进行消抖稳定然后解码，使一个时间同步单元得到另一个时间同步单元的时钟信号；

步骤4、通过时间同步单元自身的时钟信号以及得到的另一个时间同步单元的时钟信号计算时间间隔；

步骤5、根据时间间隔调整时间同步单元的时延，以使两个时间同步单元的时钟同步。

为了更好的实现本实用新型，进一步地，所述水波消抖模块包括高速转向镜、分光镜、光束位置传感器、数字PI控制器、准直器组，所述高速转向镜用于接收激光信号并将激光信号转向至分光镜，所述分光镜将激光信号分为两束并分别传递至光束位置传感器与准直器组，所述光束位置传感器用于检测光束方向并得到光束抖动误差信号，所述数字PI控制器根据光束误差抖动信号实时控制高速转向镜调节激光信号的接收位置以使光束稳定。

在水下设置时间同步单元A和时间同步单元B，计算时间间隔的公式如下：

其中：T_a为时间同步单元A的时间间隔；T_b为时间同步单元B的时间间隔；Δt为时间同步单元A和时间同步单元B之间的时延差；t_a为时间同步单元A的发射时延；r_a为时间同步单元A的接收时延；t_b为时间同步单元B的发射时延；r_b为时间同步单元B的接收时延；τ_ab为时间同步单元A到时间同步单元B的传播时延；τ_ba为时间同步单元B到时间同步单元A的传播时延。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本实用新型通过在水下设置两个时间同步单元，并通过时间同步单元内部自带的时间编码模块对当前的时间同步单元赋予时钟信号，并通过激光发射接收模块将时钟信号调制在激光信号中，并在两个时间同步单元之间通过激光信号进行时钟信号的交互传递，通过一个时间同步单元内部的时钟信号以及接收到的另一个时间同步单元中的时钟信号计算得到两个时间同步单元之间的时间间隔，进而根据时间间隔调节两个时间同步单元的时沿，使得两个时间同步单元达到时间同步；采用激光信号传递时钟信号，有效避免了电磁波在水下传递信号衰减较大的缺陷，同时避免了直接在水下采用光纤链路，满足水下移动物体之间的时间同步，避免了水下空间对光线链路本身的限制，实现在水下进行实时精确的时间同步；

(2)本实用新型通过在两个时间同步单元中均设置空间环形器，通过空间环形器向另一个时间同步单元发射激光信号，同时通过空间环形器接收来自于另一时间同步单元的激光信号，通过空间环形器内部的半波片与偏振分光镜对激光信号的光路进行调节，有效时间出射激光与入射激光的有效分离，避免出射激光和入射激光相互干扰，有效保证后续时延调节的精确性；

(3)本实用新型通过在两个时间同步单元中均设置水波消抖模块，通过水波消抖模块中的光束位置传感器实时检测激光光路因为水波晃动造成的光路误差，进而将光路误差反馈至数字PI控制器，进而控制转向镜驱动器对高速转向镜进行转动调节，进而有效调节激光光路位置，有效消除因水波晃动带来的激光光路误差，避免激光信号衰减，进一步保证后续解调激光信号后进行时延调节的精确性。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为空间环形器的水平结构示意图；

图3为空间环形器的垂直结构示意图；

图4为水波消抖模块的结构示意图；

图5为时间间隔的计算示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，如图1所示，包括两个设置在水下的时间同步单元，分别为时间同步单元A和时间同步单元B，时间同步单元A和时间同步单元B的内部结构完全相同。为了避免冗余赘述，在此仅对时间同步单元A的结构进行说明，所述时间同步单元A包括：

时间编码模块：用于向时间同步单元A编码提供时钟信号A；

激光发射接收模块：用于将时间编码模块提供的时钟信号调制为激光信号并将激光信号A传递至时间同步单元B中的激光发射接收模块；同时时间同步单元A中的激光发射接收模块也用于接收来自于时间同步单元B的激光信号；即时间同步单元A与时间同步单元B均通过自身内部的激光发射接收模块向对方发射激光信号并接收来自于对方的激光信号。通过激光发射接收模块将电信号调制为激光信号，能够有效避免信号在水下的衰减，同时采用激光信号的交互实现在时间同步单元A和时间同步单元B之间进行时钟信号的交互，避免实用光线信道，进而避免在水下复杂长距离环境中布设光线链路，有效解决了水下时间同步的空间限制。

水波消抖模块：用于对接收到的激光信号的光束方向进行消抖稳定，由于水下水波的抖动，会对交互传播的激光信号的管路造成影响，进而造成后续的时间间隔计算误差，进而影响最终的时延同步效果。因此，时间同步单元A通过激光发射接收模块接收来自于时间同步单元B的激光信号后，需要通过水波消抖模块对激光信号的光路进行消抖稳定，减少激光信号的误差和损耗，以确保后续时沿同步的精确性。

时间解码测量模块：时间同步单元A接收到来自于时间同步单元B的激光信号后，通过时间解码测量模块将来自于时间同步单元B的激光信号解码为电信号以得到时间同步单元B时钟信号，同时根据时间同步单元A自身的时钟信号与接收到的时间同步单元B的时钟信号计算时间同步单元A与时间同步单元B之间的时间间隔；

时延模块：根据计算得到的时间间隔调整时延以使时间同步单元A和时间同步单元B的时钟同步。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，如图3所示，所述水波消抖模块包括高速转向镜、分光镜、光束位置传感器、数字PI控制器、准直器组，所述高速转向镜用于接收激光信号并将激光信号转向至分光镜，所述分光镜将激光信号分为两束并分别传递至光束位置传感器与准直器组，所述光束位置传感器用于检测光束方向并得到光束抖动误差信号，所述数字PI控制器根据光束误差抖动信号实时控制高速转向镜调节激光信号的接收位置以使光束稳定。

接收的激光信号的光束首先经过电控高速转向镜，对光束的方向进行转向调节，使得光束入射至分光镜，再利用分光镜将光束分成两部分。其中一部分光束直接耦合至准直器组进行准直后输出至时间解码测量模块进行后续解码。另一部分光束被传送到光束位置传感器上以获得光束的位置，由于光束位置受水波影响会产生抖动，因此位置传感器会根据水波抖动输出误差信号。利用数字PI控制器将误差信号反馈至高速转向镜，通过高速转向镜调节光束位置以消除抖动误差，最终稳定光束的方向。光束方向一旦稳定，接收光束的大部分能量即可准确地耦合到准直器组用于光电接收，避免激光信号的衰减和误差，进一步确保后续进行时延调节的精确性。

进一步的，所述数字PI控制器通过转向镜驱动器控制高速转向镜进行转动，数字PI控制器根据接收到的误差信号控制转向镜驱动器带动高速转向镜进行转动，进而精确调节光束的位置，以消除误差；所述分光镜的出射端与准直器组的入射端之间设置有调节光路的反射镜。

进一步的，所述准直器组包括依次连接的第一准直器、波导光纤、第二准直器，所述第一准直器用于结构经过分光镜转向的激光信号并通过波导光纤将激光信号传递至第二准直器进行输出，经过第一准直器和第二准直器的双重准直，进而确保最终输出至时间解码测量模块的光束的位置精确性。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1或2的基础上做进一步优化，所述激光发射接收模块包括连续激光器、空间环形器，所述连续激光器用于接收来自于时间编码模块的时钟信号并将时钟信号调制为激光信号，所述空间环形器用于将出射的激光信号发射至另一个时间同步单元，同时空间环形器用于接收来自于另一个时间同步单元的激光信号。

进一步的，所述空间环形器包括半波片、偏振分光镜、扩束镜，所述半波片沿垂直方向或平行方向设置在偏振分光镜的入射端，所述扩束镜设置在偏振分光镜的出射端。

为了便于说明，将两个时间同步单元命名为时间同步单元A和时间同步单元B，如图2所示，时间同步单元A中连续激光器发出的激光沿平行方向经过半波片入射至偏振分光镜进行偏振分光，然后以平行方向发射至扩束镜经过光束直径和发散角的调节后发射至时间同步单元B；如图3所示，时间同步单元B中连续激光器发出的激光沿垂直方向经过半波片入射至偏振分光镜进行偏振分光，然后以垂直方向发射至扩束镜经过光束直径和发散角的调节后发射至时间同步单元A。

时间同步单元A同时接收来自于时间同步单元B的激光，来自于时间同步单元B的激光经过扩束镜后发射至偏振分光镜，由于来自于时间同步单元B的激光的偏振方向为垂直方向，因此来自于时间同步单元B的激光从时间同步单元A中的偏振分光镜的垂直偏振方向输出，实现与时间同步单元A自身发出的平行偏振方向的激光的分离；同理，时间同步单元B同时接收来自于时间同步单元A的激光，来自于时间同步单元A的激光经过扩束镜后发射至偏振分光镜，由于来自于时间同步单元A的激光的偏振方向为平行方向，因此来自于时间同步单元A的激光从时间同步单元B中的偏振分光镜的平行偏振方向输出，实现与时间同步单元B自身发出的垂直偏振方向的激光的分离，在实现激光双向交互传播的同时避免发出的激光与接收的激光相互影响。

进一步的，所述连续激光器为520nm连续激光器，使得激光信号的传输更加稳定不易衰减。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上做进一步优化，如图1所示，所述时间编码模块包括原子钟、FPGA时间编码器，所述原子钟用于提供时钟信号，所述FPGA时间编码器用于对时钟信号进行编码并将编码后的时钟信号同步发送至激光发射结构模块、时间解码测量模块、时延模块。

本方案利用FPGA时间编码器实现对原子钟提供的时钟信号进行编码，编码方式可选择IRIG-B标准时间码。编码后的时钟信号被连续激光器调制到520nm的激光信号上，该波长的激光信号可以在水下传输，同时相比其它波长激光信号其衰减最小。

同时，编码后的时钟信号被发送至时间解码测量模块，用于与接收到的来自于另一个时间同步单元的时钟信号进行计算，以得到两个时间同步单元之间的时间间隔。同时码后的时钟信号被发送至时延模块，时延模块根据时间解码测量模块计算得到的时间间隔与自身的时钟信号进行时延调节，以实现两个时间同步单元之间的时钟同步。

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上做进一步优化，如图1所示，所述时间解码测量模块包括APD探测器、FPGA时间解码器、时间间隔测量器，所述APD探测器用于接收经过水波消抖模块消抖稳定后的激光信号，并将激光信号转变为电信号；所述FPGA时间解码器对电信号进行解码以得到时钟信号；所述时间间隔测量器根据自身的时钟信号以及来自于另一个时间同步单元的时钟信号计算时间间隔。

利用双向比对方法，获得时间间隔后，可以计算出来光在水中传播的时延，通过时间间隔测量器输出误差信号并反馈至时延模块，通过时延模块以调节输出时延，最终实现两个时间同步单元之间的时钟同步。

通过时延模块可单独调节时间同步单元A的时延以匹配时间同步单元B，也可单独调节时间同步单元B的时延以匹配时间同步单元A，也可同时调节时间同步单元A的时延与时间同步单元B的时延至相互匹配。

本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。

实施例6：

一种基于双向时间比对的水下时间同步方法，基于上述水下时间同步系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3、对接收的激光信号进行消抖稳定然后解码，使一个时间同步单元得到另一个时间同步单元的时钟信号；

步骤4、通过时间同步单元自身的时钟信号以及得到的另一个时间同步单元的时钟信号计算两个时间同步单元之间的时间间隔；

步骤5、根据两个时间同步单元之间的时间间隔调整时间同步单元的时延，以使两个时间同步单元的时钟同步。

基于双向时间比对的同步方式，利用双向传递时间信息，即在连个时间同步单元之间将以原子钟作为高稳时基得到的始终信号编码调制到连续的激光信号上，通过在两个时间同步同步单元之间交互传递激光信号实现时钟信号的双向传递。同时利用双向解码出来的时钟信号计算得到两个时间同步单元之间的时延，进而调整两个时间同步单元的时延，实现两个时间同步单元在水下高精度的时间同步。

实施例7：

本实施例在上述实施例6的基础上做进一步优化，如图5所示，在水下设置时间同步单元A和时间同步单元B，计算时间间隔的公式如下：

因为时间同步单元A和时间同步单元B之间的激光传播路径相同，因此τ_ba＝τ_ab，根据上述计算公式可得：

上述公式中的t_a和r_a为时间同步单元A设备自身的硬件时延，t_b和r_b为时间同步单元B设备自身的硬件时延，均可以通过预先标定得到，通过计算得到时间同步单元A和时间同步单元B之间的时延差Δt之后，即可通过时延器将时间同步单元A与时间同步单元B之间的输出脉冲时延调节到一致，从而实现时间同步单元A与时间同步单元B之间的时间同步。

本实施例的其他部分与上述实施例6相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，其特征在于，包括两个设置在水下的时间同步单元，所述时间同步单元包括：

时间编码模块：用于编码提供时钟信号；

2.根据权利要求1所述的一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，其特征在于，所述水波消抖模块包括高速转向镜、分光镜、光束位置传感器、数字PI控制器、准直器组，所述高速转向镜用于接收激光信号并将激光信号转向至分光镜，所述分光镜将激光信号分为两束并分别传递至光束位置传感器与准直器组，所述光束位置传感器用于检测光束方向并得到光束抖动误差信号，所述数字PI控制器根据光束误差抖动信号实时控制高速转向镜调节激光信号的接收位置以使光束稳定。

3.根据权利要求2所述的一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，其特征在于，所述数字PI控制器通过转向镜驱动器控制高速转向镜进行转动；所述分光镜的出射端与准直器组的入射端之间设置有调节光路的反射镜。

4.根据权利要求3所述的一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，其特征在于，所述准直器组包括依次连接的第一准直器、波导光纤、第二准直器，所述第一准直器用于结构经过分光镜转向的激光信号并通过波导光纤将激光信号传递至第二准直器进行输出。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，其特征在于，所述激光发射接收模块包括连续激光器、空间环形器，所述连续激光器用于接收来自于时间编码模块的时钟信号并将时钟信号调制为激光信号，所述空间环形器用于将激光信号发射至另一个时间同步单元并接收来自于另一个时间同步单元的激光信号。

6.根据权利要求5所述的一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，其特征在于，所述空间环形器包括半波片、偏振分光镜、扩束镜，所述半波片沿垂直方向或平行方向设置在偏振分光镜的入射端，所述扩束镜设置在偏振分光镜的出射端。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，其特征在于，所述时间编码模块包括原子钟、FPGA时间编码器，所述原子钟用于提供时钟信号，所述FPGA时间编码器用于对时钟信号进行编码并将编码后的时钟信号同步发送至激光发射结构模块、时间解码测量模块、时延模块。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于双向时间比对的水下时间同步系统，其特征在于，所述时间解码测量模块包括APD探测器、FPGA时间解码器、时间间隔测量器，所述APD探测器用于接收经过水波消抖模块消抖稳定后的激光信号，并将激光信号转变为电信号；所述FPGA时间解码器对电信号进行解码以得到时钟信号；所述时间间隔测量器根据自身的时钟信号以及来自于另一个时间同步单元的时钟信号计算时间间隔。