【应用】Syrlinks 超低功耗OCXO及精确、高热灵敏度的SGTM定时模块应用于OBN

OBN制造商可使用两种不同的高精度时钟技术：OCXO时钟和CSAC时钟。CSAC的时钟是由石油巨头推动的，尽管它非常昂贵。OCXO制造商正在取得技术进步。它们具有吸引力的价格和更好的市场可用性，使他们成为一个有吸引力的折衷方案的OBN制造商，该制造商希望除了CSAC为基础的OBN产品外，再细分其OBN产品。下文将回顾OCXO和CSAC时钟的关键参数和性能。从技术上、经济上和战略上分析了它们的优势和局限性。

本文介绍了OCXO领域的最新进展。 提出了CSAC和OCXO之间的有效基准，以证明选择CSAC或OCXO作为OBN的基准精度时钟可能更有利。

在水下调查中，将数千个OBN降落在海床上，平均时间为一到三个月。 这些OBN配备了检波器，水听器，高精度时钟，当然还配备了数字电子电路来存储采集数据。 记录数据的一致性和质量与这三个关键要素直接相关。 就其本身而言，嵌入在OBN中的高精度时钟具有以下作用：

首先，它必须确保每个OBN在浸入之前都具有相同的时基，而主GPS接收器给出的精度只有几十纳秒。 部署在同一区域中的所有OBN必须彼此同步，并且必须同时同步，以便正确采集数据的时间戳。 一旦进入水下，就无法再将OBN机群与GPS信号同步。 因此，在船上和潜水之前执行GPS信号下的初始同步。 这个同步过程非常重要，因为如果没有它，整个OBN机群记录的数据将无法保持一致性和可利用性。

其次，一旦将OBN浸入水中，时钟必须保证在整个任务期间的最小时间误差（在时频术语中，这被称为时钟的长期漂移）。这种漂移，即使是非常小的漂移，也总是存在，并且是由多种物理因素引起的，例如时钟上看到的温度变化，其计量核（石英谐振器或铯原子核）的自然老化，气压，重力，真空度等。振荡器核，震动，振动等的水平。这里面临的挑战是，时钟无论如何都能全局保证尽可能低的频率漂移。良好的低功耗时钟的长期漂移据说在0.05至0.2 ppb /天之内（如果使用16 MHz振荡器，则每天的频率漂移为0.0016 Hz，时效漂移为0.1 ppb /天）。为了进行比较并更好地理解长期漂移参数的数量级，市场上用于电信同步设备的TCXO的值为1至10ppb /天，如果它们的漂移为0.16 Hz /天，则表示相对频率老化等于10 ppb /天。

图1. GPS下精确或不精确同步对与老化有关的时间误差的影响。

图2. SGTM16 型号产品

时钟消耗

OCXO时钟或原子钟制造商使用不同的技术来限制石英或基于原子的振荡器的热灵敏度或长期漂移。其中之一是在特定的转换点（TP）加热计量核心。就像CSAC的核心一样，OCXO的核心在TP上受到加热和热调节，即使时钟的外部温度波动，也可以将其保持在精确且不变的温度下。在OCXO的情况下，这种加热产生的能耗最多可占总能耗的90％。然后，制造商面临的挑战是实施耗能尽可能少的加热技术，并使时钟的核心绝热。 SYRLINKS是紧凑型和超低功耗OCXO的专家，是该领域的全球领导者之一。 EWOS16HP-UW非常适合OBN应用。它的功耗比市场上其他OCXO低10至20倍，即在25°C时约为90 mW。这种非常低的功耗将使OBN制造商能够减小电池组的尺寸并增加水下任务的持续时间。

在水外或在OBN存放期间，非常低的时钟消耗也很有趣。 确实，为避免振荡器频率受到干扰，建议始终保持OCXO永久供电，至在任务结束时离开水下环境。 OCXO关闭，只要再次打开，它将不会返回相同的精确频率。 此效果称为RETRACE（回溯）。 可以以ppb为单位进行测量，并且为了避免在开机时出现频率偏移，通常使OCXO保持永久供电。 这也有助于将OCXO的长期漂移保持在更可预测的线性漂移区域。 对于OCXO，将Retrace参数指定为最大10 ppb，在再次打开OCXO的电源后24小时执行频率测量（重启前的OFF时段也为24小时）。

放大回溯参数

回溯参数是原子钟的主要优势之一。 它从原子技术的关键性能中受益，而与OCXO技术的差距最大。 对于CSAC时钟，回溯指定为0.05 ppb，因此比OCXO好200倍。 但是，一旦CSAC或OCXO保持在OBN内永久通电，此关键性能就会失去其价值，因为它不再被利用（例如，抑制可能干扰频率的原子或石英振荡器的ON-OFF周期）。更普遍地说，原子钟存在于需要缩短冷启动时间和在通电后非常精确的频率精度的系统中（例如，GNSS无线电定位应用或国防市场的加固无线电通信）。

OBN机群的时钟和同质性

我们已经看到，长期的低漂移和潜水前非常精确的GPS同步，是确保记录地震数据的一致性和质量的极为重要的要素。鉴于在油田勘探领域部署了大量的OBN，每个时钟随时间的行为对于整个部署的机群必须尽可能保持一致。从这个角度来看，OCXO技术很有趣，因为它是一种更古老的技术，因此从行业的角度来看，自然比最近的CSAC时钟更成熟。 CSAC原子钟是一个非常复杂的对象，涉及各种最先进的技术，例如捕获铯蒸气的密封MEMS，光学和磁性元件，VCSEL激光二极管，微波电子设备，这些对环境都很敏感。这可能会导致某种程度的典型行为不连续性，例如意外的跳频，同时仍保持在制造商指定的规格之内。本质上，在OBN携带OCXO的情况下，这种困难很少出现。 OCXO的技术砖并不那么复杂，石英谐振器技术已有50多年的历史了。 Syrlinks的低功耗OCXO EWOS16HP-UW围绕专用的专用ASIC和通常由同一批石英采购的谐振器构建。当在海底部署数千个单元时，这是获得优化的机群同质性的好方法。

图3.SGTM16HP-UW 系列产品

与时钟选择有关的经济和战略方面

时钟技术的选择不仅在记录采集数据时就OBN的固有准确性而言很重要。当涉及成本竞争力时，这也是必不可少的，所选时钟必须符合石油巨头的招标要求所规定的交货期限。因此，部署时间是基本的成功标准。在当今的市场中，人们可以看到CSAC的价格和OCXO的价格之间的比率约为10。此外，由于很难预测市场需求，并且市场寻求非常短的OBN部署时间，因此要求整个供应链都对此进行适应（组件采购和OBN制造周期）。 OBN市场正在快速增长，并且短缺。石油巨头正在寻求降低成本，并在几个月内提供OBN。它要求时钟或传感器制造商具有很高的反应能力，并提早交付。即使超低功耗OCXO制造商在市场上很少见，但当今世界上仍然有三个主要参与者。因此，OBN制造商有可能双倍提供其精密时钟，并确保其供应链的反应性。另一方面，如果使用CSAC的OBN制造商未提前很长时间（长达一年）预料到其供货，则其OBN发货将受阻。此外，市场上没有其他CSAC来源。综上所述，尽管在回溯或长期漂移等一些参数上效率较低，但是较低的单价和更好的OCXO供应使基于石英的高精度精密时钟，对某些特定OBN细分市场（如任务持续时间较短的市场（30至60天））非常有吸引力，经济风险较小。

提高本征OCXO性能

Syrlinks在不断改进其OCXO产品和降低功耗以适应水下应用的同时，还开发了一种新的计时模块，该模块围绕其OCXO和超低功耗数字电子电路构建。 SGTM（Syrlinks GNSS计时模块）允许精确控制受GPS信号约束的EWOS OCXO的频率和相位。 一旦在水下，当GPS参考丢失时，由于嵌入式OCXO的超稳定性，SGTM将控制并保持准确的时间。

SGTM16HP-UW可以用作CSAC的替代产品，而无需修改OBN设备。它的设计旨在方便快速进行预测试和在生产中进行部署。这样，它成为双重来源，如果CSAC在所需时间范围内不可用，则允许OBN制造商提供其他组件。与仅使用OCXO相比，SGTM16HP-UW的数字电子设备具有许多优势。 GPS同步功能完全由SGTM管理，从而简化了OBN制造商的设计工作。 OCXO的相位和频率相对于GPS的判读是完全自动化的，复制PPS信号时，抖动达到了0.5〜1.0 ns的记录水平。这种性能与专有的训练算法和OCXO频率的内部超精细驱动器相关。 GPS下残余初始同步误差的减小，使得更容易揭示与长期老化或热漂移有关的二阶抛物线漂移。然后，采集数据的后处理将集中在优化与老化相关的校正上。下面的曲线显示了在初始同步效率不高（抖动为20 ns）的情况下与SGTM在0.5 ns进行同步时的累积时间误差。在第一种情况下，线性累积误差完全掩盖了其他类型的漂移，这些漂移也必须进行后处理才能获得更好的海洋底土分辨率。

用于提高热灵敏度的数字学习算法

除了从OCXO频率产生PPS信号外，SGTM还可以将OCXO的一些关键参数提高到前所未有的水平，比如热灵敏度。Syrlinks对其EWOS16HP范围的热行为了如指掌。该公司为其OCXOs开发了一种预测算法。根据OCXO (AT切割，SC切割)的类型，增益范围为50到20倍。每个SGTM模块都单独校准，以补偿其固有和自然的热漂移。对于一个EWOS16 (DIL14外壳，AT-cut石英谐振器)，这个增益是50倍，降低热灵敏度到+-2ppb，而最初是+- 100ppb。对于其最有效的OCXO（SC切割石英谐振器），增益可以高达20倍，从而将温度范围内的频率稳定性降低至+ -1 ppb。

图4.用数字补偿的热漂移x20增益图结果。

SGTM通过数字方式获得的第二个好处非常重要，因为当将OBN浸入或取回表面时，OBN可以看到快速的温度变化。 在气候温暖的地区（墨西哥湾或波斯地区）或寒冷的地区（北海，阿拉斯加等），潜水和OBN稳定在海底之间总会有热冲击，因为海底的温度被认为是恒定在~5°C。 最后，这还不太为人所知，一旦OBN被定位并稳定在海底，可能会发现由于嵌入式电子设备的某些部分的开关周期，车载电子设备会经历微小的热变化，在整个任务中上下变化几度。Syrlinks的专有软件包含OCXO对+1ppb的热敏感度，也提高了整个系统的性能，提高了地震记录的质量。

热漂移补偿技术也已经实现在OCXO上，这些OCXO本质上更稳定，专门用于水下应用：SGTM16HP-UW。 所获得的热灵敏度增益为20倍，比OCXO DIL14上的补偿结果成比例地降低，这可以通过EWOS16HP-UW本质上非常稳定（典型值+ -15 ppb）这一事实来解释。 在整个温度范围（-10°C; +45°C）内，热漂移通常为+ -0.5 ppb，这会导致OCXO的热噪声达到了该值。

在这一点上，我们已经看到了浸入之前良好GPS同步的重要性，以及使用预测工具和在发货前在工厂上传的自适应算法来降低OCXO的热灵敏度的重要性。 现在很自然地可以评估SGTM16HP-UW针对CSAC的真实行为，并比较几天内的总体时序误差。

今年4月，挪威的一家海底节点技术供应商提供了一种名为Venator的高度创新和高效的OBN解决方案，该方案可以完全无需手持部署、检索和船上处理OBN。参加了这些试验，并密切关注Syrlinks的发展情况。测试方案如下：SGTM和CSAC在+40℃稳定，再降至5℃模拟海床温度，最后再降至+40℃，坡度相反。该测试的目的是证明SGTM与CSAC热行为的相关性。结果如图6所示。 

图5.CSAC和SGTM16HP-UW累积时间误差。

我们注意到3个CSAC有相反的漂移斜率，而OCXO则不是这样。此外，对于SGTM和CSAC，漂移是非常线性的，并且通过数据的后处理很容易纠正。最后，值得注意的是，在快速温度变化期间，与CSAC相比，SGTM的坡折不太明显（尤其是在CSAC3上）。

结论

这项研究证明了超低功耗OCXO对于OBN应用的价值，以及SGTM定时模块在时钟同步和与热灵敏度有关的漂移方面，其性能均接近CSAC原子时钟。 SGTM16HP-UW在此类功耗方面提供了创纪录的性能，并使该解决方案成为CSAC时钟的高度相关替代方案，适用于成本压力很大的中短期任务。 在需要更低老化漂移的长期任务中，Syrlinks正在研究技术解决方案，以满足水下地震参与者目前和将来的需求。