ЧАСТОТНАЯ И ФАЗОВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ СИГНАЛОВ С МАССИВА ОПТОВОЛОКОННЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Abstract
Предмет исследования. Рассмотрена проблема синхронизации сигналов в массивах оптоволоконных гидроакустических датчиков. Показано, что одним из наиболее важных факторов, влияющих на работу датчиков, является уровень собственного шума. Определен допустимый уровень фазового шума, возникающего вследствие работы системы синхронизации. Рассмотрены основные методы синхронизации, проанализирован уровень фазового шума в случае их использования. Метод. Для решения задачи синхронизации сигналов использован метод передискретизации сигналов. Возможность его использования оценивалась средствами математического моделирования в среде MATLAB. Показано, что добавление отсчетов в исследуемый сигнал приводит к значительному росту фазовых искажений. Основные результаты. Выполнена численная оценка воздействия нестабильности частоты тактового генератора на временное расхождение сигналов в случае отсутствия системы синхронизации. При отклонении тактовых частот генераторов на ± 2∙10–5 расхождение достигает одной секунды через семь часов работы. Было показано, что при добавлении восьми отсчетов в секунду в синхронизируемый сигнал спектральные искажения достигают порядка 100 мкрад/√Гц. Предложен аппаратный метод синхронизации, позволяющий увеличить точность синхронизации без искажения спектральной и фазовой характеристик сигнала, реализуемый путем подстройки частот локальных генераторов тактовой частоты с использованием обратной связи. Практическая значимость. Предложены два метода синхронизации, позволяющие с использованием интерфейса Ethernet, согласно стандарту IEEE 802.3, синхронизировать систему датчиков. Аналитически и экспериментально оценена величина фазового дрожания между различными каналами измерительной системы. Методы могут быть использованы в других системах, требующих синхронизации узлов с сохранением масштабируемости и гибкости всей системы.
References
1. Удд Э. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников. М.: Техносфера, 2008. 518 с.
2. Yin S., Ruffin P.B., Yu F.T.S. Fiber Optic Sensors. 2nd ed. CRC Press, 2008. 492 p.
3. Cranch G.A., Nash P.J., Kirkendall C.K. Large-scale remotely interrogated arrays of fiber-optic interferometric sensors for underwater acoustic applications // IEEE Sensors Journal. 2003. V. 3. N 1. P. 19–30. doi: 10.1109/JSEN.2003.810102
4. Nakstad H., Kringlebotn J.T. Realisation of a full-scale fibre- optic ocean bottom seismic system // Proceedings of SPIE. 2008. V. 7004. doi: 10.1117/12.791158
5. Быкадоров М.В., Плотников М.Ю., Волков А.В., Дмитра- щенко П.Ю. Исследование влияния коэффициента усиле- ния эрбиевого волоконно-оптического усилителя на шумы волоконно-оптического интерферометрического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 4. С. 561–566. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-4-561-566
6. De Freitas J.M. Recent developments in seismic seabed oil reservoir monitoring applications using fibre-optic sensing networks // Measurement Science and Technology. 2011.
V. 22. N 5. P. 052001. doi: 10.1088/0957-0233/22/5/052001
7. Syed A.A., Heidemann J. Time synchronization for high latency acoustic networks // Proc. 25th IEEE Int. Conf. on Computer Communications INFOCOM. 2006. V. 6. doi: 10.1109/infocom.2006.161
8. Sampath A., Tripti C. Synchronization in distributed systems
// Advances in Computing and Information Technology. 2012. P. 417–424. doi: 10.1007/978-3-642-31513-8_43
9. The Ocean Engineering Handbook / Ed. F. El-Hawary. Boca Raton: CRC Press, 2001. 416 p.
10. Плотников М.Ю., Волков А.В., Киселев С.С., Храмченко Е.А. Разработка и исследование защитного корпуса для волоконно-оптического гидрофона // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 5. С. 767–774. doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-5-767-774
11. Lavrov V.S., Plotnikov M.Y., Aksarin S.M., Efimov M.E., Shulepov V.A., Kulikov A.V., Kireenkov A.U. Experimental investigation of the thin fiber-optic hydrophone array based
