（光学工程专业论文）激光接收机小型化技术研究.pdf

国防科技大学研究生院硕+ 学位论文 摘要 激光接收机系统是激光信号测量的标准设备，现有系统采用机站加操控方舱 的结构，体积庞大，限制了机站的独立工作能力。新型任务的开展，更多要求激 光接收机具有灵活布站的能力( 如高层房间内或楼顶) ，激光接收机的应用瓶颈 更加突出。结合接收机原有特点和新型任务需求，本文系统地研究了接收机小型 化技术，设计和实现了接收机小型化系统，解决了接收机存在的瓶颈问题。 在对原系统内部的结构和工作原理、机站和操控方舱各自承担的功能和两者 间的连接方式、接收机在整个试验系统中的功能进行研究的基础上，提出了利用 u s b 接口模拟串口，利用网络时间协议实现系统间时间同步的小型化改造方案。 本文重点是小型化改造，以方案为依据，研制了小型化主控终端，设计了机 站的供电方案、单个机站的工作模式和硬件组成、多机站同时工作时的工作模式 和硬件组成、本机和指挥系统间时间同步模式和软件，并对研制的成果进行了全 面测试。 最后，本文阐述了系统的测试方法，并分析了测试结果。实践证明，本文研 究的方案很好地解决了激光接收机现有的瓶颈问题，改造的小型化系统在某试验 中得到成功应用。 主题词：激光接收机小型化网络时间协议串口u s b 第i 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 a b s t p a c t l a s e rr e c e i v e ri sas t a n d a r di n s t r u m e n to fl a s e rm e a s u r i n g e x i s t i n gl a s e r r e c e i v e rs t r u c t u r ei sb a s e do nam o d eo fu n a t t a c h e ds t a t i o na n dm a n i p u l a t i v ec a b i n ， s u c hm e t h o da s t r i e t st h ei n d e p e n d e n c yc a p a b i l i t yo ft h es t a t i o n a l o n gw i t ht h e e x p a n s i o no ft h el a t e - m o d ee x p e r i m e n t ，t h ei n d e p e n d e n c yc a p a b i l i t yo ft h es t a t i o ni ss o m u c hm o r ea n dm o r ew a n t e dt h a tt h eb o t t l e n e c ko ft h el a s e rr e c e i v e rs y s t e me m e r g e d b a s e do nt h ec h a r a c t e ro fo l ds y s t e ma n dt h er e q u i r e m e n to fl a t e m o d ee x p e r i m e n t s ，i n t h i sa r t i c l et h et e c h n o l o g yo fm i n i a t u r i z a t i o na n dt h en e ws y s t e mi sp r o j e c t e ds oa st o s o l v et h eb o t t l e n e c ke x i s t i n gi nl a s e rr e c e i v e r f i r s t ，t h ei n t e m a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l ei sa n a l y s e da n dt h ef u n c t i o na n d t h ew a yb yw h i c he a c hs t a t i o ni sc o n n e c t e dw i t ht h em a n i p u l a t i v ec a b i ni sp o i n t e do u t a f t e rs t u d y i n go ft h er e c e i v e r sf u n c t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fm i n i a t u r i z a t i o ni nt h e w h o l et r i a l ，t h ed e v i c ep r o c e s so ft h eu s b p o r tw h i c hi su s e dt os i m u l a t et h es e r i a l sp o r t a n dt h es y s t e mt i m ew h e ni ss y n c h r o n i z e db yt h en t pi sp r o m o t e d n em i n i a t u r i z a t i o no ft h ed e v i c ei se m p h a s i so ft h ea r t i c l e a c c o r d i n gt ot h e p r o j e c t ，t h eh o s tt e r m i n a la n dt h ew a yo fp o w e rs u p p l ya r ed e s i g n e d ，t h e nt h ew o r k m o d ea n dt h eh a r d w a r eb u i l d u po fi n d i v i d u a ls t a t i o na n da l lw o r kt o g e t h e ra r ep r o m o t e d ， a n df i n a l l yt h es y s t e mt i m es y n c h r o n i z a t i o nm o d ea n ds o r w a r ea r ep r o j e c t e da n dt h e f m a lp r o d u c t i o ni sa l l r o u n dt e s t e d i nt h ee n d ，t h et e s t i n gw a yo ft h en e ws y s t e mi se x p o u n d e d ，a n dt h er e s u l ti s a n a l y s e d p r o v e db yt h ep r a c t i c e ，t h eb o t t l e n e c ko fl a s e rr e c e i v e rn o w a d a y si sw e l l r e s o l v e d 硼1 en e ws y s t e mp r o j e c t e db yt h ea r t i c l ew a su s e di nac e r t a i ne x p e r i m e n t s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：l a s e rr e c e i v e r m i n i a t u r i z a t i o nn e t w o r kt i m ep r o t o c o l s e r i a lp o r tu s b 第i i 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 常用的时间同步技术对比1 3 表3 2n t p 数据包格式l8 表3 3 串行接口的通讯方式和特点2 3 表3 4 低速信号的输出电平一2 4 表3 5 低速信号的输入电平2 5 表4 1 命令帧格式3 1 表4 2 改造前后指标对比3 3 表5 1 时间同步测试数据4 3 表5 2 新系统通讯能力测试数据表4 4 表5 3 改造前后功能对比4 5 表5 4 改造前后技术指标对比4 5 国防科技大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 激光接收机组成框图2 图2 1 接收机工作原理框图5 图2 2 主站工作原理图6 图2 3 机站工作原理图6 图2 4 通讯机工作流程图7 图2 5 系统供电原理8 图2 6m o x a 通讯原理图9 图2 7 原系统时间同步模式9 图3 2n t p 协议对时原理图。1 6 图3 3时间同步进程、o s 、硬件时钟的关系2 0 图3 4n t p 基本实现模型2 1 图3 5 被动式算法网络结构2 2 图3 6 被动式算法时序。2 2 图4 1 线路连接方法。3 2 图4 2 单站工作模式示意图3 2 图4 3多站同时工作模式示意图3 3 图4 4 新系统授时框图3 5 图4 5 系统时间同步程序界面。3 5 图4 6 应用程序与w i n d o w ss o c k e t s 的关系图3 6 图4 7 新系统供电模式3 8 图5 1小型化系统组成框图4 1 图5 2 系统时间同步流程。4 2 图5 3 测试示意图。4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：邀左整监扭尘型也挞盔盈窥 学位论文作者签名：磐撵 日期： 二一7 年r 月矸日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：邀毖接幽尘型丝挂苤盟窒 学位论文作者签名：錾亟硅日期：2 。7 年r 月二p 日 作者指导教师签名：盥! 日期：、7 抑7 年 月咖日 国防科技大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景 接收机采用机站( 组装有光学镜头、探测器、放大器、信号检测板、通讯板、 授时板的组合单元，体积：5 0 c m 掌5 0 e m 5 0 c m ) 加操控方舱( 4 m 掌2 m 2 m 的屏 蔽舱，用于内置操作控制台，也可用作设备运输时的仓库) 的结构，机站完成光 电转换、信号放大和参数分选采集、数据转换和通讯，操控方舱完成机站的状态 控制、供电、授时、数据收集处理。现行接收机系统内部数据通讯基于m o x a 多 串口卡实现端口扩展，实现多路实时数据通讯，因此机站必须依托于操控方舱进 行数据录取和自身状态控制，机站机动性差，给试验布站带来很大限制，严重限 制了接收机的使用范围，近期新型试验要求，接收机机站需具有机动能力，满足 多点位、远距离工作的能力，接收机目前的结构状态不能满足需求；同时，接收 机作为激光信号测量的标准装备，对装备的计量标定也是必不可少的，由于有操 控方舱的限制，装备无法到计量部门进行计量检测，而外场( 野外试验场区) 的 计量条件不足，因此，提出将接收机小型化技术改造，在不改变原系统的前提下， 克隆原系统方舱的功能，设计研制便携化显控终端，使机站具有独立机动的工作 能力，弥补相应的缺陷。 1 1 1 结构组成 1 2 系统分析 激光接收机由以下几部分构成：a 型接收机( 机站) 、b 型接收机、c 型接收 机、 d 型接收机、e 型接收机、操控单元、方舱。每部机站包括光学单元、光电 转换和放大单元、信号处理单元、通讯单元、操控和时统设备。光学单元、光电 转换和放大单元组装在一起成模块化设计，并和信号处理单元一起置于三角架或 具有跟踪能力的载车上；显控终端固化在方舱内，完成对机站的功能检测和机站 的数据录取、处理、显示；机站由方舱供电，机站测量数据由通讯电缆传输到方 舱内操控单元；主控计算机通过m o d e m 和上级指挥系统建立网络；时统终端用 于为主控计算机授时，实现与上级指挥系统时间同步。组成如图1 1 所示。 第1 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 1 1 2 现有系统缺陷 图1 1 激光接收机组成框图 1 ) 系统基于方舱构建，极大地限制了站点的选择范围，机站与方舱的数据通 讯基于串口标准，传输距离有限，机站灵活、机动的特性无法显现： 2 ) 机站完全依赖于方舱，使得机站的实验室检修测试标定受到限制； 3 ) 系统的整体统一供电易造成信号干扰，试验时，常出现虚警； 4 ) 系统软件基于硬件检测和m o x a 与数据采集卡的内部函数，独立性差， 硬件故障将导致系统的瘫痪； 5 ) 方舱内部机柜固定不合理，线路转接过多，检修困难； 第2 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 1 3 国内外研究现状及发展趋势 论文研究基于激光接收机的小型化技术改造，基于接收机便携化显控终端的 设计研制，目的是研制一套配合接收机机站工作的结构简化、便携机动的显控终 端，主要内容涉及计算机串口扩展技术、局域网计算机系统时间同步技术。 计算机串口扩展技术常用的方法有：( i s a p c i ) 总线扩展、u s b 总线扩展、 以太网扩展、以及串口扩展串口方式等，相应的技术已比较成熟，已有对应产品 ( 如m o x a 系列) 投入使用，但多利用单片机和串口扩展芯片设计实现，用于固 定工作的台式机来控制分布式系统，本文提出的扩展u s b 接口、利用u s b 接口虚 拟串口的方法，充分利用了u s b 技术的最新成果，为移动计算机的串口扩展提供 了新的方法，通过相关检索，目前，在文献报道特别是工程实践上，鲜见有类似 方法的应用。 计算机系统时间同步技术在互联网和局域网内均有较广泛的应用，但多采用 专用的授时服务器，以调节时钟频率的方式实现，本文提出的基于s n t p 分步法 系统时间同步方法，利用目前操作系统可实现低于秒级时间服务的特点，主要针 对实际应用中，网络带宽较窄，数据通讯量大的特点，分批次渐进同步、自适应 调节同步周期，不但有效降低了同步过程对网络的占用率，而且不影响正常的数 据通讯。在相关检索中，未见有相似报道和实践应用。 随着新技术的发展，u s b 技术将在越来越广泛的领域得到成功应用，利用u s b 接口实现便携、机动的串口扩展将成为可移动设备的首选；局域网n t p ( n e t w o r k t i m ep r o t o c o l ，网络时间协议) 时间同步方法因其成本低、精度越来越高也将成为 局域网计算机系统授时的主要方法，得到广泛应用。同时，本文提出串口扩展方 法和时间同步方法对其它设备也具有广泛的借鉴意义。 1 4 论文的主要研究内容和章节安排 1 4 1 主要研究内容 为使激光接收机机站具有独立、机动的工作能力，同时改造后的系统具有原 显控系统所有功能，为此，本文主要工作集中在主控计算机的串口扩展技术和局 域网内计算机时间同步技术上。论文主要研究以下几个方面内容： ( 1 ) 设计研制便携化的显控终端，实现单站上位机本地数据获取：上位机完成 对激光信号的探测、分选测量后，将数据信息和时间信息打包，以4 2 2 接口输出， 实现本地数据获取就是要完成便携显控终端和4 2 2 接口的硬件互连，同时主控软 件完成对4 2 2 数据的匹配并能准确读取。 第3 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 ( 2 ) 本机与指挥系统的时间同步方法：为保证上传数据的时效性，便携显控终 端必须接受授时，以保证上下级主控的系统时间同步，本节主要采用网络时间协 议，将上级采用g p s 授时的主控设为时间同步服务器，本机设为客户机，基于两 者之间的互连网络进行应答式授时。 ( 3 ) 多站同时工作时的数据实时采集：原显控系统具有同时接收五路4 2 2 接口 数据的能力，同样研制的便携显控终端也需具有该能力，考虑到笔记本电脑的接 口有限，但具有u s b 接口的强大优势，采用单站本地数据获取的模式，以u s b 集 线器扩展u s b 接口，以虚拟实现计算机的串口扩充，完成对多路串口数据的实时 采集。 ( 4 ) 上位机本地供电方案：接收机小型化改造主要是为凸显机站灵活机动的特 性，此时如果还采用统一供电模式显然是有悖初衷而且是不现实的。鉴于此，我 们采用本地独立供电的模式。 1 4 2 章节安排 文章从五个部分进行详细的阐述。第一章绪论，阐述选题背景、项目的国内 外研究现状、接收机简介和小型化改造方案；第二章小型化技术改造的基本原理， 主要阐述时间同步的基本方法、阐述并分析了网络时间协议，并对计算机串口扩 展方法进行阐述；第三章小型化改造及其实现方法，着重分析接收机单站通讯、 多站通讯和接口扩展、小型化显控终端时间同步和机站供电的原理和实现方法， 并对改造后的工作模式进行了重点说明；第四章新系统的分析和测试，详细阐述 了新系统的结构和工作模式、特点，并对新系统进行了指标测试，和原有系统进 行了比对，最后说明了新系统的实战应用情况；第五章论文总结，阐述论文取得 的创新成果以及研究工作的不足和下一步打算。 第4 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 第二章激光接收机 2 1 引言 本章主要针对工作重点，主要分析激光接收机不同机站的测量原理，以及信 号流程，并详细探讨机站的通讯原理、采用的模式，操控方舱的数据通讯方式、 接口扩展方式和系统的时间服务模式，并分析造成当前系统缺陷的原因，针对原 因和目前的技术发展，设计激光接收机小型化的目标和实施小型化的技术途径。 2 2 接收机工作原理 激光接收机主要用于激光参数探测、分析，它通过对某种既定环境下的激光 信号的探测、测量、识别，经过对所获数据的计算，从而达到对被测设备进行评 估的目的。系统含有一个主站和四个机站，共计1 0 个激光信号测量通道，每个通 道的战术功能和技术指标不一致。 接收机独立工作时，对准预定的激光信号方向( 具有搜索、跟踪能力的载车 搭载时，自动对准) ，激光信号经光学系统汇聚到探测器上，经过光电转换、前 置放大( 线性放大) 、a g c 放大器放大，分两路送入脉冲幅度检测电路和脉宽检 测电路，并经过信号处理机修正、处理，送入通讯机，以有线方式或无线方式送 给操控台，操控台根据接收到的数据，计算激光信号的峰值、脉宽、脉冲到达时 间、脉冲峰值功率密度等参数，通过网络送上级指挥系统。信号流程如图2 1 所示。 图2 1 接收机工作原理框图 第5 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 2 2 1 主站 主站的五路光学单元、光电转换、线性放大集成在一个组合单元内，信号检 测、时统、通讯机集成在另一个组合单元内，两者结合将测量到的信号参数送给 操控方舱。如图2 2 所示。 2 2 2 机站 图2 2 主站工作原理图 机站均为单波段，测量精度高、响应频谱宽度小、视场小、动态范围小，主 要用于对激光信号参数的精确分析，机站的光学单元、光电转换、线性放大、信 号检测、时统、通讯机统一集成在一个组合单元内，单元的输出经通讯电缆送给 操控方舱。如图2 3 所示。 可 光 变- - - - i学 衰 系 减 统 蝰 光放 值 数 电- i i大 - - i- 脉 据 转 器 宽 处 换 测 理 时 2 2 3 机站通讯原理 图2 3 机站工作原理图 机站与操控方舱的数据通讯采用串行通讯模式，分别采用r s - - 4 2 2 标准接口 和r s - - 2 3 2 标准接口。通讯机采用p c i 6 5 5 2 可编程通讯接口，作为为信息处理通 讯机处理数据和发送串行数据。p c i 6 5 5 2 是通用的同异步接收发送器件，能把并 第6 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 行数据转换为串行数据，也可反向转换，通过系统编程实现。p c i 6 5 5 2 具有两个 串行传输通道，通道i 外接r s - - 2 3 2 标准接口电路，当机站通讯机与操控方舱之 间使用无线传输方式时，接口外接调制解调器，波特率设置为9 6 0 0 b p s ；通道i i 外接r s 一4 2 2 标准接口电路，当机站通讯机和操控方舱之间以有线方式通讯时， 两者直接电缆连接，波特率设置为5 7 6 k b p s 。 当通讯机接收工作命令或操控方舱送出的工作指令时，系统进入工作状态， 通讯机录取由时统分机送来的时间码，当判断测时信号( 准确确定脉冲上升沿时 刻后，由g p s 板给出的脉冲信号) 有效时，立即测量时间，并录取由测量分机传 送的峰值、脉宽等参数，然后组装需要传送的数据成帧，将数据通过串行数据接 口送给操控方舱。通讯流程如图2 4 所示。 上 l 系统初始化 一 接收操控命令 2 2 4 机站供电 图2 4 通讯机工作流程图 系统采用的供电为操控方舱统一供电模式，中心供电系统固化在方舱内，! 过多功能直流电源模块，将接入的市电转换为不同电压的直流，5 1 ：1 + 5 v 、士7 v + 1 2 v 、+ 1 5 v 、4 8 0 v 等，根据各机站需要，通过供电线路，分配使用。该方法： 在明显的缺陷：( 1 ) 统一供电易造成不同机站间电路的串扰；( 2 ) 机站完全受操控： 舱限制，无法实现远距离作业。 第7 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 2 2 5 操控方舱 图2 5 系统供电原理 操控方舱是整个接收机系统的中心，其核心是控制计算机。完成机站数据采 集、数据处理显示和系统测量数据上传( 测量数据传送至上级指挥控制系统) ， 包括主控计算机、m o x a 串口扩展和时统终端。 各个机站虽完成激光信号参数的测量和数据的封装，但机站的输出为原始的 十六进制数据，机站的固化参数和原始数据的融合、试验状态参数的装订、原始 数据的处理准则均需通过主控程序来完成，即机站的测量结果均需汇总到控制计 算机。因此，这里出现一个问题：如何才能使控制计算机能同时接收五路串口数 据? 控制计算机要同时与五个机站实现连接，同时还需要与上级指挥系统实现网 络互通，显然控制计算机的的串口和中断号不够用，这里选用的是m o x a 智能通 讯卡c 2 1 8t u r b o p c i 来扩展串口，实现控制计算机与上下级的通讯，达到管理、 控制机站和与指挥所联网的目的。 ( 一) 机站数据采集 原系统串口扩展的硬件实现由o p t 8 b ( m o x a 公司生产的接1 2 1 盒的型号) 接 口扩展盒完成，其优点是：利于组合安装，稳定性好；但器件比较笨重，若没有 固定条件，端口易损坏。 为满足五个机站的l o 路信号同时测量，显控终端采用m o x a 接口扩展i 的方 法。m o x a 智能通讯卡提供的内含库函数功能的驱动，主控程序以此为基础编写 应用程序，由于m o x a 内置c p u ，自动完成对端口的收发功能，在此过程中，驱 动程序和应用程序建立了两个缓冲区：驱动程序缓冲区和用户缓冲区。主控程序 只和用户输入输出缓冲区进行数据交换，真正和机站或指挥所进行数据收发的工 作，由驱动程序完成。具体过程如图2 6 所示： 第8 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 输入过程： 输出过程： 图2 6 m o x a 通讯原理图 ( - - - ) 系统时间同步 原系统采用g p s 授时，系统间时间同步模式如图2 7 所示。 g p s & b 码 1 l 设备i授时终端 立 黔菇缪糍鬻霉糍荔憨糕腻，i j j 盘蓥，霭缀旋，籁量毙鹚缓缀黪鹈隧；缓 jl jl g p s & b 码g p s & b 码 l ， 上 1r 1 l设备i授时终端设备i授时终端 i 图2 7 原系统时间同步模式 原系统进行联试时，系统间建立的局域网只是用于进行测量数据的传输，系 统间对时采用人工报读的方式，显然，时间同步的精度较低。该方法的缺点在于： 实际应用中，如果两设备有位置差异，g p s 解码的时间不能保持完全同步，时间 差将导致对介质特性拟合的结果错误；同时，对时前两者控制计算机系统时间很 难实现低于秒级的同步，因此产生对时的系统误差。 2 3 小型化改造方案 2 3 1 小型化改造的目标 小型化改造目的是为了提升机站独立、机动的工作能力，实现接收机在特殊 点位( 如：高塔) 的应用，为设备的实验室计量标定开辟途径。 第9 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 小型化改造的任务：一是为机站设计或选定专用电源，使机站具有独立工作 能力；二是设计研制便携化显控终端替代原方舱，复现原方舱的功能。通过上述 两步工作，达到改造的目的。 2 3 2 小型化改造的技术途径 小型化技术改造以更好地满足试验和测试需求为宗旨，以改善使用的灵活性、 研制便携化显控终端实现机站灵活机动为指导框架，主要采用以下技术手段： 1 、分析机站内部各模块的供电方案，鉴于机站采用标准化设计，在机站机箱 内添加朝阳电源模块，即可满足机站内部供电需求； 2 、采用笔记本电脑替代原方舱内的台式机，作为便携化显控终端； 3 、利用存在的网络优势，改变原主控计算机采用硬件授时的模式，便携化显 控终端采用网络对时模式，进行软时间同步； 4 、利用u s b 技术的最新成果，扩展新主控计算机的u s b 接口，并利用u s b 接口虚拟串口，实现主控机的接口扩展，从而满足多机站同时工作的要求和数据 上传的要求； 5 、修改主控软件基于硬件( m o x a ) 运行的模式，直接从虚拟的串行端口读 取机站测量数据。 2 3 3 小型化改造的实践意义 1 、有效杜绝系统供电干扰现象，降低设备的虚警率；在系统数据上传时，杜 绝因系统内部电冲击导致m o d e m 掉线现象的发生。提高设备的可靠性和稳定性。 2 、小型化改造后，机站和便携化显控终端配合即可实现系统的正常工作，拓 宽了设备的应用空间，实现设备在特殊点位布站，满足近期新任务的要求。 3 、小型化系统为接收机的实验室计量标定开辟了途径，使其可作为激光信号 测量的标准设备，提升设备的性能。 2 4 本章小结 本章详细探讨了激光接收机的原理构造，通过对主站、机站的分析，可以知 道，接收机机站系统内部已经对信号进行了分选测量，得到了信号中我们关心的 相应参数，机站的通讯机对相关数据按预先约定的格式和组合方法进行了封装， 均以串口标准输出。之后，对激光接收机系统的供电模式，进行了叙述、分析， 从中可知，机站的机动性主要受制于系统的供电模式。通过对操控方舱的结构组 第1 0 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 成进行分析，可知，虽然系统采用m o x a 进行串口扩展的方法对目前接收机组成 模式是有利的，但和小型化改造要求不符，同时现有的模式也存在缺陷。现有系 统的时间同步模式也存在类似问题。在上述分析的基础上，本文给出了新的接收 机构造模式，并给出了小型化改造的技术实施途径，分析了小型化改造成果在后 续的多波长激光接收机应用中的效益。 第1 1 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 第三章小型化改造的基本原理 3 1引言 本章主要对激光接收机小型化技术改造中用到的关键技术进行综述，首先介 绍并分析了目前常用的几种时间信号格式和时间同步技术，重点对本文中应用的 网络时间协议进行了分析研究，介绍了n t p 的发展过程、工作原理、工作模式、 时间戳格式、消息格式、同步过程中重要参数的获取方法、同步过程对操作系统 的依赖性以及同步误差分析。在第四节介绍了串口扩展技术的发展动态、常用技 术，并做了对比分析，介绍了本文使用的串口通讯能力测试方法。 3 2 时间同步的基本方法 时间同步是指网络各个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面的时钟的 时刻和时间间隔与协调世界时( u t c ) m 步，最起码在全国范围要和北京时间同步。 时间同步网络是保证时间同步的桥梁，它既可以是有线的方式，也可以是无线的 方式。 3 2 1 常用时间信号及传输方式 目前常用的时间信号格式【1 ，3 5 】主要有两种：时间码和n t p 。时间码又包括 i r l g 、d c l s 和a c t s 等几种。 i r i g ( i n t e rr a n g ei n s t r u m e n t a t i o ng r o u p ) ：又分为a 、b 、d 、e 、g 和h 几种， 常用的为i r i g b ，其传输介质可用双绞线( 1 2 1 c m ) 和同轴电缆，准确度为l o 1 0 0 p s ； d c l s ( d c l e v e ls h i f t ) ：是t r i g b 的一种特殊形式，通过6 4 k b i t s 的d d n 专 线进行传输，无传输距离限制，准确度为1 0 0 1 0 0 0 斗s ； a c t s ( a u t o m a t e dc o m p u t e rt i m e ) ：通过m o d e m f l s d n 终端适配器的拨号方 法进行传输，无传输距离限制，准确度为1 0 0 1 0 0 0 m s ； r q t p ( n e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 ) ：用来在网络中提供高精度、可靠时间的标准 i n t e r n e t 协议，基于u d p 报文。其准确度为：局域网内为1 0 “s 一1 0 m s ，i n t e m e t 内 为1 0 0 一1 0 0 0 m s 。 3 2 2 常用的时问同步技术 目前，时间同步的技术【3 ，4 2 0 有若干种，它们的时间同步精度差异较大。 第1 2 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 表3 1 常用的时间同步技术对比 时间同步技术精度 覆盖范围 短波授时 1 1 0 m s 全球 长波授时l m s 区域 g p s5 5 0 0 n s 全球 电话拨号授时 1 0 0 m s 全球 互联网授时1 5 0 m s 全球 s d h 传送网授时 1 0 0 n s 长途 ( 一) g p s 时间同步技术 当前比较成熟的技术当属g p s 时间同步技术。g p s 系统提供的时间和频率 的同步服务是定位服务的副产品，覆盖全球。但是，它有三个主要问题： ( 1 ) g p s 系统受美国军方控制，它的p 码仅对美国军方和授权用户开放。民用 的c a 码的时间同步精度比p 码低两个数量级。同时，安全性受制于人。 ( 2 ) g p s 信号是通过无线方式传输的，易于受到外界干扰。 ( s ) g p s 接收机的时刻信号是通过标准准口( 如r s 2 3 2 接口) 输出的，很多网 上在用设备( 如交换机) 并没有这种专用接口。和g p s 技术类似的还有前苏联的 g l o n a s s 系统和我国的“北斗”系统。g l o n a s s 由于经济原因，健康星的 数量有限，不稳定可靠。“北斗 系统尚未对民用开放，并且也不能作到实时覆 盖。目前，欧洲计划开发的“伽里略 计划将是未来g p s 的替代或备用系统。 图3 1g p s 时间获取原理图 第1 3 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 ( - - ) 短波授时和长波授时时间同步技术 利用无线电发播信号授时已有至少8 0 年的历史，它的覆盖范围广，接收和发 送设备相对简单，相对价格低廉。最低价的商用接收设备在国际市场2 0 0 美元左 右。和互联网授时技术相比，最大的优点是可以实时地校准本地时钟。一般这种 接收设备都具有i e e e 一4 8 8 ，r s 2 3 2 等标准接口，便于和设备连接。但是，当你 购置这种接收机之前，首先要弄清本地能够可靠地接收到什么信号。目前国内只 有中科院陕西天文台b p m 短波信号授时。长波授时国际上主要使用的是罗兰一c 系统，目前在国内发射台设在沿海地区，主要用于军用和导航，广泛的民用尚不 适合。 ( - - ) 电话拨号时间同步技术 电话拨号授时( a c t s ) 使用设备相对简单。它只需要具有电话线、模拟调制解 调器、普通的个人计算机和简单的用户端软件即可。同时，a c t s 还提供了反馈 技术，它可以部分地抵消电话线的传输时延。这种技术目前用于个人计算机时间 是成熟的，但用于校准其它本地设备时钟还需要进一步开发设备的接口硬件以及 相应的软件。这种技术不具备实时性。电话拨号授时目前在国际国内大部分是免 费的，用户端软件大部分也是可以免费通过互联网下载。国内中国计量科学研究 院和中科院陕西天文台都提供这种授时服务。 ( 四) 互联网时间同步技术 使用互联网同步个人计算机的时间是十分方便的。目前国内外提供这种服务 大部分是免费的。微软公司已将脚协议嵌入到w i n d o w s 操作系统。只要 计算机能联到互联网，都可以方便地进行远程计算机时钟校准标准的网络时间协 议( n a p ) 采用的是r f c 的标准( r f c 一1 3 0 5 ) ，或者是简化的网络时间协议 ( s w r p ) ，所依据的标准是r f c1 7 6 9 。n t p 协议包包含一个6 4 比特的u t c 时间戮，它的时间分辫率是2 0 0 皮秒，并可以提供1 5 0 毫秒的时间校准精度。脚 也可以估算往返路由的时延差，以减少时延差导入的误差。但是，实验表明这种 技术在洲际间的时间校准精度只能作到几百毫秒，甚至在秒的量级。准确度和n t p 服务器与用户间的距离相关。一般在国内或区域内可以获得1 5 0 毫秒的时间校准 精度。国际上目前有几百台一级时间服务器提供这种时间同步服务，其中以美国 国家标准技术研究院a m s t ) 的性能最好 另外，还有两个相对简单和低精度的互联网时间协议：t i m e 协议( r r c 一8 6 8 ) 和d a y t i m e 协议( r f c - 8 6 7 ) ，它们可以提供1 秒精度范围的广域网时间同步。 ( t ) s d h 网络时间同步技术 早在1 0 年前，国际上刚开始大规模建立s d h 或s o n e t 网络时，就提出利 第1 4 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 用s d h 或s o n e t 网络传送高精度时间编码信号。它的主要原理是把与艳钟同 步的时间编码信号嵌入到s d h 或s o n e t 。 s w 江n 的复用段开销( m s o h ) 的空闲字节，信息长度为5 比特。其帧结构要符合t t u t g 7 0 8 建议。因此，只 要不阻断m s o h 信息，就可以实际长距离传输。该信息可以通过再生段，但是不 能通过复用段。s d h - n 信号传送时间信息，对抖动的过滤能力强，输出抖动小， 不受支路指针调整的影响，因此，可以实际在s t m - n 端口的时间信息透明传输。 数据交换通道可采用i s d n 或别的方式。 3 3 网络时间协议及其分析 网络时间协议是t c p m 协议簇的一部分，是运行在i p 协议和u d p 协议之 上的应用层协议。网络时钟协议可以通过i n t e r n e t 和局域网在不同的操作系统平 台之间进行通信，对于客户机或服务器来说，时间同步应用的另一端( 服务器或客 户机) 是透明的，与其运行的操作系统无关。 网络时间协议通过多个时间服务器和t c p 口网络连接链路的多样性，来保 证客户机总能收到正确的时间信息( 即可靠性) ，通过基于概率论的分析方法和算 法，来提高客户机校正时间的精确度。在i n t e r n e t 上，使用网络时间协议可以获 得几十毫秒的精度。在局域网中，使用网络时间协议可以获得小于一个毫秒的精 度。 最早使用的网络时间协议是d a yt i m ep r o t o c o l ( r f c 8 6 7 ，使用p o r t1 3 ) 和t i m e p r o t o c o l ( r f c 8 6 8 ，使用p o r t3 7 ) 。d a yt i m ep r o t o c o l 送出的码为a s c i i 码，直接表 示日期、年份、时间和时区。t i m ep r o t o c o l 送出的是3 2 b i t 的b i n a r yn u m b e r ，以 二进制表示公元1 9 0 0 年1 月1 日零时起开始的秒数，时区都是格林威治时区。因 为d a yt i m ep r o t o c o l 和t i m ep r o t o c o l 都只表示到秒，而且没有估计到网络的延迟， 所以目前已不再广泛应用，而被n t p 协议替代。 3 3 1n t p 协议 n t p 2 , 6 , 7 j 2 , 1 7 】( n e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 ) 是由美国德拉瓦大学的d l m i l l s 教授于 1 9 8 5 年提出，除了可以估算封包在网络上的往返延迟外，还可独立地估算计算机 时钟偏差，从而实现在网络上的高精准度计算机校时，它是设计用来在i n t e r n e t 上 使机器能维持相同时间的一种通讯协定。时间服务器( t i m es e r v e r ) 是利用n t p 的一 种服务器，通过它可以使网络中的机器维持时间同步。在大多数的地方，n t p 可 以提供1 - - 5 0 m s 的可信赖性同步时问源和网络工作路径。 网络时间协议n t p 的洋细说明在r f c 1 3 0 5 中。它应用于因特网中计算机时 第1 5 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 钟的同步，提供广泛的以接近国家时间和频率的服务，组织时间子网的时间同步 和调整子网中的地方性时钟。r f c 1 3 0 5 对n t p 协议自动在事件、状态、转变功能 和行为方面给出了明确的说明。它以合适的算法增强时钟的准确性，并且减轻多 个由于同步源而产生的差错，实现了准确性低于毫秒的时间服务。 局域网内的同步【1 5 】：如果只是需要在本局域网内进行系统间的时钟同步，那 么就可以使用局域网中任何一个系统的时钟。你需要选择局域网中的一个节点的 时钟作为“权威的 的时间源，然后其它的节点就只需要与这个时问源进行时问 同步即可。使用这种方式，所有的节点都会使用一个公共的系统时钟，但是不需 要和局域网外的系统进行时钟同步。 一、n t p 工作原理 网络时钟同步的主要问题是，如何获得当前的准确时间。 由于时间同步的主要问题是通过网络实现的，而网络传输是需要时间的，这 样客户机接收到服务器的时间信息并不是当前的准确时间，而是一段时间之前的 时间信息。这一段时间就是网络传送所花费的时间。因此，要获得准确的当前时 间将必须考虑网络延迟造成的影响。我们知道，仅仅依靠网络的单向传送是不能 得到网络延迟信息的，这是因为同步两端的时钟是不一致的，因此也就不具有可 比性。实际上，我们可以通过计算报文的来回程时间来估计网络延迟。 在实现时间同步的过程中，主要是计算本地时钟和服务器时钟之间的偏差以 及网络路径的延时。校时分为两个过程：获取客户机时间、设置客户机时间。网 络延时和时钟偏差的测量过程如图3 1 所示： t 1 t 4 t 2t 3 图3 2n t p 协议对时原理图 c l i e n t 设客户端发送时间同步请求时的本地时间为t 1 ，服务器端收到同步请求时的 服务器时间为t 2 ，服务器端回送时间同步信息时的服务器时间为t 3 ，客户端接 收到同步信息时的本地时间为t 4 ，0 为服务器端和客户端的时间偏差，t 1 到t 2 的路径延迟为d l ，t 3 到t 4 的路径延迟为d 2 。由： t2=t1+0+dl，t4=t3+d2-0 可得整个传输时延d i = d l + d 2 = ( t 2 t 1 ) + ( t 4 t 3 ) 第1 6 页 国防科技大学研究生院硕士学位论文 服务器和客户端时间偏差 0 = ( ( t 2 - t 1 ) 一( t 4 - t 3 ) - t - ( d 2 - d 1 ) ) 2 求出多组( d i ，0 ) 后，将误差明显很大的去掉，然后根据时钟延迟时间t 来调 整本地时钟。 时间经验值的获取【8 , t 8 , 3 3 】：为简化计算，获得相应的经验值是必要的。 假设网络没有抖动，即网络数据传输往、返时延相同，采用p i n g 的方式获取 网络延时d i 的经验值。同时假设客户机负荷没有抖动，客户机执行获取时间命令 的时长基本相同，经验值可通过如下方式获取：连续进行多次执行获取客户机时 间的命令，第一次执行一次获取客户机时间的命令( 返回结果) 、第二次执行二 次获取客户机时间的命令( 只