本發(fā)明涉及一種擴頻編碼GPS信號同步系統(tǒng)，特別涉及一種用于地球物理勘探領域的擴頻編碼GPS信號同步系統(tǒng)。

背景技術：

頻率域電磁法勘探是地球物理勘探技術的重要組成部分，在近些年的地質(zhì)勘探中發(fā)揮著重要的作用。它是根據(jù)電磁信號在地下的穿透深度與地下介質(zhì)的導電性質(zhì)以及所用電磁波頻率的密切關系來反演地下介質(zhì)的分布結(jié)構(gòu)，因而頻率域電磁法需要得到多個頻率的探測結(jié)果。

頻率域勘探電磁法主要包括：變頻法、奇次諧波法、雙頻電流法、大地電磁法、aⁿ偽隨機序列法、擴頻編碼探測方法等。傳統(tǒng)的變頻法、奇次諧波法、雙頻電流法由于探測頻率少、效率低等原因很難得到理想的探測效果；大地電磁法受遠場探測限制；aⁿ偽隨機序列法含有頻率跳變，會造成地層測深的不連續(xù)。

201210214512.9擴頻編碼探測方法通過發(fā)送一系列經(jīng)過擴頻編碼的具有偽隨機特性的信號，結(jié)合相關檢測技術實現(xiàn)對地下介質(zhì)的探測，發(fā)送的擴頻編碼信號為0.001Hz～65535Hz之間按編碼圖案變化的單極性或雙極性正弦波或方波。擴頻編碼探測方法發(fā)送的編碼信號具有頻率范圍寬、頻譜信息豐富、頻譜精細化程度高、主頻能量分布均勻的特點，可克服其他頻率域電磁法發(fā)送序列單一，能量分布不均，單次觀測探測效率低等問題，且正弦波形不容易丟失探測的有用信息。

擴頻編碼探測方法的探測激勵中含有多個頻率的信號，在探測時需要同時記錄發(fā)射信號以及接收信號的波形，在處理時采用發(fā)射信號和接收信號相關算法，去除外界不相關的干擾信號。為了更好的進行數(shù)據(jù)處理，對發(fā)射信號和接收信號要實現(xiàn)嚴格的時間同步采集，就需要設計時間同步觸發(fā)模塊，保證擴頻編碼發(fā)射機系統(tǒng)與接收機系統(tǒng)同時發(fā)射和接收信號。目前的時間同步技術主要有有線同步、晶體同步、電臺同步、GPS同步等。有線同步、晶體同步、電臺同步等方式受環(huán)境因素影響較大，同步精度較低；GPS同步方式同步距離遠，精度高，應用較為廣泛。但現(xiàn)有的GPS同步技術主要應用于多個接收機之間接收信號的同步，時間同步要求較低，很難應用在擴頻編碼的探測系統(tǒng)上。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的的缺點，提出一種擴頻編碼GPS信號同步系統(tǒng)。本發(fā)明可以滿足擴頻編碼探測方法對發(fā)送信號和接收信號嚴格時間同步的要求。

本發(fā)明系統(tǒng)主要包括電源模塊、GPS天線系統(tǒng)模塊，GPS接收系統(tǒng)模塊、穩(wěn)恒晶振模塊、GPS時鐘模塊、GPS信息提取模塊、脈沖計數(shù)模塊、數(shù)碼顯示模塊、時間計算模塊、數(shù)據(jù)比較模塊、數(shù)碼管電路模塊、同步時間設置模塊、按鍵控制電路模塊、信號發(fā)射模塊、信號接收模塊，以及信息存儲模塊。

所述的電源模塊用于給整個系統(tǒng)提供電源，連接GPS天線系統(tǒng)模塊，GPS接收系統(tǒng)模塊、穩(wěn)恒晶振模塊、GPS時鐘模塊、GPS信息提取模塊、脈沖計數(shù)模塊、數(shù)碼顯示模塊、時間計算模塊、數(shù)據(jù)比較模塊、數(shù)碼管電路模塊、同步時間設置模塊、按鍵控制電路模塊、信號發(fā)射模塊、信號接收模塊，以及信息存儲模塊的供電端口。

所述的GPS天線系統(tǒng)模塊用于接收衛(wèi)星信號，GPS天線系統(tǒng)模塊的輸出與GPS接收系統(tǒng)模塊的輸入相連。GPS接收系統(tǒng)模塊對接收的信號進行整理，輸出的GPS信息包括衛(wèi)星信息、時間信息、地理位置信息等。GPS天線系統(tǒng)模塊有兩個輸出端，一個輸出端與GPS信息提取模塊的輸入相連，輸出GPS信息，另一個輸出端與脈沖計數(shù)單元的輸入相連，輸出與GPS信息同步的秒脈沖信號(1PPS)。

所述的脈沖計數(shù)單元對輸入的脈沖信號進行計數(shù)并輸出。脈沖計數(shù)單元的輸出與數(shù)據(jù)比較模塊的計數(shù)輸入端相連。

所述的穩(wěn)恒晶振模塊用于產(chǎn)生高精度的時鐘信號。穩(wěn)恒晶振模塊的輸出與GPS時鐘模塊的輸入相連。

所述的GPS時鐘模塊針對GPS系統(tǒng)對輸入的時鐘信號進行分頻調(diào)整，輸出GPS信息的讀取時鐘信號。GPS時鐘模塊的輸出與GPS信息提取模塊的時鐘輸入端相連。

所述的GPS信息提取模塊用于提取GPS信息中含有的協(xié)調(diào)世界時(Universal Time Coordinated，簡稱UTC)信息、地理位置信息等。GPS信息提取模塊有兩個輸入端和兩個輸出端，一個輸入端是信息輸入端，與GPS接收系統(tǒng)模塊輸出GPS信息的輸出端相連，另一個輸入端是時鐘輸入端，與GPS時鐘模塊的輸出相連；兩個輸出端中：一個是時間信息輸出端，與數(shù)碼顯示模塊的當前時間輸入端和時間計算模塊的當前時間輸入端相連，輸出提取的UTC信息，另一個輸出端是位置輸出端，與信息存儲模塊的輸入端相連，輸出提取的地理位置信息。

所述的信息存儲模塊用于存儲地理位置信息，其輸出端與擴頻編碼探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能模塊相連，輸出存儲的地理位置信息，提供給后期數(shù)據(jù)處理。

所述的按鍵控制電路模塊通過按鍵開關向系統(tǒng)輸入電平控制信號，按鍵控制電路模塊的輸出與同步時間設置模塊的輸入相連。

所述的同步時間設置模塊參考提取的協(xié)調(diào)世界時信號，通過輸入的控制信號設置系統(tǒng)觸發(fā)的同步時間，它的輸出與數(shù)碼顯示模塊的設置時間輸入端和時間計算模塊的設置時間輸入端相連。

所述的數(shù)碼顯示模塊有兩個輸入端，分別為當前時間輸入端和設置時間輸入端，數(shù)碼顯示模塊對輸入的時間進行ASCII碼調(diào)整，輸出時間的數(shù)碼管控制信號。數(shù)碼顯示模塊的輸出與數(shù)碼管電路模塊的輸入相連。

所述的數(shù)碼管電路模塊利用輸入的信號在數(shù)碼管上顯示當前時間和設置的同步時間。

所述的數(shù)碼顯示模塊有兩個輸入端，分別為當前時間輸入端和設置時間輸入端，它對兩個時間求差，可以計算得到同步時間與當前時間的差值。數(shù)碼顯示模塊的輸出與數(shù)據(jù)比較模塊的時間差輸入端相連。

所述的數(shù)據(jù)比較模塊有兩個輸入端，分別為計數(shù)輸入端與時間差輸入端。數(shù)據(jù)比較模塊對兩個輸入端輸入的數(shù)據(jù)進行比較，當計數(shù)輸入端輸入的計數(shù)值小于時間差輸入端輸入的時間差值時，數(shù)據(jù)比較模塊輸出為0，反之，數(shù)據(jù)比較模塊輸出觸發(fā)信號。在發(fā)射機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)比較模塊的輸出與信號發(fā)射模塊的觸發(fā)輸入相連，當有觸發(fā)信號時，信號發(fā)射模塊開始發(fā)射信號；在接收機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)比較模塊的輸出與信號接收模塊的觸發(fā)輸入相連，當有觸發(fā)信號時，信號接收模塊開始采集信號。

所述的GPS時鐘模塊、GPS信息提取模塊、脈沖計數(shù)模塊、數(shù)碼顯示模塊、時間計算模塊、數(shù)據(jù)比較模塊、同步時間設置模塊、信號發(fā)射模塊、信號接收模塊、信息存儲模塊都均采用可編程邏輯器件實現(xiàn)。

所述的GPS時鐘模塊可以根據(jù)不同的GPS系統(tǒng)調(diào)整GPS信息讀取時鐘信號的頻率。所述的GPS信息提取模塊可以根據(jù)不同的GPS系統(tǒng)判斷GPS系統(tǒng)是否工作，定位數(shù)據(jù)是否有效，輸入GPS信息的信息字頭是否正確，正確則根據(jù)GPS數(shù)據(jù)類型的排列次序提取UTC時間信息和地理位置信息。

本發(fā)明系統(tǒng)的具體工作流程如下：

1)首先連接電源模塊，由電源模塊對系統(tǒng)的各個用電模塊進行供電；

2)GPS天線系統(tǒng)模塊接收衛(wèi)星信號，并將該信號傳輸給GPS接收系統(tǒng)模塊，由GPS接收系統(tǒng)模塊對信息進行調(diào)整，輸出GPS信息給GPS信息提取模塊，輸出秒脈沖信號給脈沖計數(shù)單元；

3)穩(wěn)恒晶振模塊產(chǎn)生高精度時鐘信號，經(jīng)GPS時鐘模塊調(diào)整后輸送給GPS信息提取模塊作為GPS信息的讀取時鐘信號；

4)GPS信息提取模塊將提取到的UTC信號輸送給時間計算模塊和數(shù)碼顯示模塊，由數(shù)碼顯示模塊進行數(shù)據(jù)調(diào)整后，顯示在數(shù)碼管上，同時GPS信息提取模塊還將提取的地理信息存儲到信息存儲模塊，用于后期數(shù)據(jù)處理使用；

5)同步時間設置模塊根據(jù)數(shù)碼管顯示的UTC時間，通過按鍵控制電路模塊設置同步時間，并將設置的同步時間輸送給時間計算模塊和數(shù)碼顯示模塊，由數(shù)碼顯示模塊進行數(shù)據(jù)調(diào)整后，顯示在數(shù)碼管上；

6)時間計算模塊根據(jù)輸入的UTC時間和同步時間計算求解時間差值，并將此時間差值輸送給數(shù)據(jù)比較模塊；

7)脈沖計數(shù)單元對輸入的秒脈沖信號進行計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果在數(shù)據(jù)比較模塊中與時間差值進行比較，當計數(shù)值小于時間差值時，數(shù)據(jù)比較模塊無動作；當計數(shù)值等于時間差值時，數(shù)據(jù)比較模塊輸出觸發(fā)信號；

8)在發(fā)射機系統(tǒng)中，輸出的觸發(fā)信號觸發(fā)信號發(fā)射模塊開始發(fā)射信號；在接收機系統(tǒng)中，輸出的觸發(fā)信號觸發(fā)信號接收模塊開始工作，采集信號，這樣就實現(xiàn)了發(fā)射機和接收機之間的嚴格工作時間同步。

本發(fā)明擴頻編碼GPS信號同步系統(tǒng)，可實現(xiàn)擴頻編碼系統(tǒng)中發(fā)射機系統(tǒng)與接收機系統(tǒng)的嚴格工作時間同步，克服了傳統(tǒng)頻率域電磁法系統(tǒng)同步功能單一，不能實現(xiàn)發(fā)射和接收之間同步的問題。

附圖說明

圖1本發(fā)明擴頻編碼GPS信號同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2本發(fā)明GPS信息提取模塊的工作流程圖。

具體實施方式

以下以M-87 GPS信號同步系統(tǒng)為例，結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明系統(tǒng)主要包括電源模塊1、GPS天線系統(tǒng)模塊2，GPS接收系統(tǒng)模塊3、穩(wěn)恒晶振模塊4、GPS時鐘模塊5、GPS信息提取模塊6、脈沖計數(shù)模塊7、數(shù)碼顯示模塊8、時間計算模塊9、數(shù)據(jù)比較模塊10、數(shù)碼管電路模塊11、同步時間設置模塊12、按鍵控制電路模塊13、信號發(fā)射模塊14、信號接收模塊15，以及信息存儲模塊16，如圖1所示。

所述的電源模塊1用于給整個系統(tǒng)提供電源，其輸出端與GPS天線系統(tǒng)模塊，GPS接收系統(tǒng)模塊、穩(wěn)恒晶振模塊、GPS時鐘模塊、GPS信息提取模塊、脈沖計數(shù)模塊、數(shù)碼顯示模塊、時間計算模塊、數(shù)據(jù)比較模塊、數(shù)碼管電路模塊、同步時間設置模塊、按鍵控制電路模塊、信號發(fā)射模塊、信號接收模塊，以及信息存儲模塊的供電端口連接。

所述的GPS天線系統(tǒng)模塊2用于接收衛(wèi)星信號。GPS天線系統(tǒng)模塊2的輸出與GPS接收系統(tǒng)模塊3的輸入相連。

所述的GPS接收系統(tǒng)模塊3對接收的信號進行整理，GPS接收系統(tǒng)模塊3輸出的GPS信息包括衛(wèi)星信息、時間信息、地理位置信息等。GPS接收系統(tǒng)模塊3有兩個輸出端，一個輸出端與GPS信息提取模塊6的輸入相連，輸出GPS信息；另一個輸出端同脈沖計數(shù)單元7的輸入相連，輸出與GPS信息同步的秒脈沖信號(1PPS)。

所述的脈沖計數(shù)單元7對輸入的脈沖信號進行計數(shù)并輸出。脈沖計數(shù)單元7的輸出與數(shù)據(jù)比較模塊10的計數(shù)輸入端相連。

所述的穩(wěn)恒晶振模塊4用于產(chǎn)生高精度的時鐘信號。穩(wěn)恒晶振模塊4的輸出與GPS時鐘模塊5的輸入相連。

所述的GPS時鐘模塊5針對具體的GPS系統(tǒng)對輸入的時鐘信號進行分頻調(diào)整，輸出GPS信息的讀取時鐘信號。GPS時鐘模塊5的輸出與GPS信息提取模塊6的時鐘輸入端相連。

所述的GPS信息提取模塊6用于提取GPS信息中含有的協(xié)調(diào)世界時(Universal Time Coordinated，簡稱UTC)信息、地理位置信息等。GPS信息提取模塊6有兩個輸入端和兩個輸出端。兩個輸入端中，一個是信息輸入端，與GPS接收系統(tǒng)模塊3輸出GPS信息的輸出端相連，另一個是時鐘輸入端，與GPS時鐘模塊5的輸出相連；兩個輸出端中，一個是時間信息輸出端，輸出提取的UTC信息，與數(shù)碼顯示模塊(8)的當前時間輸入端和時間計算模塊9的當前時間輸入端相連，另一個是位置輸出端，輸出提取的地理位置信息，與信息存儲模塊16的輸入端相連。

所述的信息存儲模塊16用于存儲地理位置信息，信息存儲模塊16的輸出端與擴頻編碼探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能模塊相連，輸出存儲的地理位置信息，提供給后期數(shù)據(jù)處理。

所述的按鍵控制電路模塊13通過按鍵開關向系統(tǒng)輸入電平控制信號，按鍵控制電路模塊13的輸出與同步時間設置模塊12的輸入相連。

所述的同步時間設置模塊12參考提取的協(xié)調(diào)世界時信號，通過輸入的控制信號設置系統(tǒng)觸發(fā)的同步時間。同步時間設置模塊12的輸出分別與數(shù)碼顯示模塊9的設置時間輸入端和時間計算模塊9的設置時間輸入端相連。

數(shù)碼顯示模塊8有兩個輸入端，分別為當前時間輸入端和設置時間輸入端。數(shù)碼顯示模塊8通過對輸入的時間進行ASCII碼調(diào)整，輸出時間的數(shù)碼管控制信號。數(shù)碼顯示模塊8的輸出與數(shù)碼管電路模塊11的輸入相連。數(shù)碼管電路模塊11利用輸入的信號在數(shù)碼管上顯示當前時間和設置的同步時間。

所述的時間計算模塊9有兩個輸入端，分別為當前時間輸入端和設置時間輸入端。時間計算模塊9對兩個時間求差，可以計算得到同步時間與當前時間的差值。時間計算模塊9的輸出與數(shù)據(jù)比較模塊10的時間差輸入端相連。

所述的數(shù)據(jù)比較模塊10有兩個輸入端，分別為計數(shù)輸入端與時間差輸入端。數(shù)據(jù)比較模塊10對兩個輸入端輸入的數(shù)據(jù)進行比較，當計數(shù)輸入端輸入的計數(shù)值小于時間差輸入端輸入的時間差值時，數(shù)據(jù)比較模塊10輸出為0，反之，數(shù)據(jù)比較模塊10輸出觸發(fā)信號。在發(fā)射機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)比較模塊10的輸出與信號發(fā)射模塊14的觸發(fā)輸入相連，當有觸發(fā)信號時，信號發(fā)射模塊開始發(fā)射信號；在接收機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)比較模塊10的輸出與信號接收模塊15的觸發(fā)輸入相連，當有觸發(fā)信號時，信號接收模塊開始采集信號。

所述的GPS時鐘模塊5、GPS信息提取模塊6、脈沖計數(shù)模塊7、數(shù)碼顯示模塊8、時間計算模塊9、數(shù)據(jù)比較模塊10、同步時間設置模塊12、信號發(fā)射模塊14、信號接收模塊15以及信息存儲模塊16)都是采用可編程邏輯器件FPGA實現(xiàn)的。

所述的GPS時鐘模塊5可以根據(jù)不同的GPS系統(tǒng)調(diào)整GPS信息讀取時鐘信號的頻率。在M-87 GPS信號同步系統(tǒng)中，GPS時鐘模塊5輸出時鐘頻率為4800Hz。所述的GPS信息提取模塊6)可以根據(jù)不同的GPS系統(tǒng)判斷GPS系統(tǒng)是否工作，定位數(shù)據(jù)是否有效，輸入GPS信息的信息字頭是否正確，正確則根據(jù)GPS數(shù)據(jù)類型的排列次序提取UTC時間信息和地理位置信息。在M-87 GPS信號同步系統(tǒng)中，GPS信息提取模塊6)提取GPS信息的流程如附圖2所示。

本發(fā)明系統(tǒng)的具體工作流程如下：

1)首先連接電源模塊1，由電源模塊1對系統(tǒng)的各個用電模塊進行供電；

2)GPS天線系統(tǒng)模塊2接收衛(wèi)星信號，并將該信號傳輸給GPS接收系統(tǒng)模塊3，由GPS接收系統(tǒng)模塊3對信息進行調(diào)整，輸出GPS信息給GPS信息提取模塊6，輸出秒脈沖信號給脈沖計數(shù)單元7；

3)穩(wěn)恒晶振模塊4產(chǎn)生高精度時鐘信號，經(jīng)GPS時鐘模塊5調(diào)整后輸送給GPS信息提取模塊6作為GPS信息的讀取時鐘信號；

4)GPS信息提取模塊6將提取到的UTC信號輸送給時間計算模塊9和數(shù)碼顯示模塊8，由數(shù)碼顯示模塊8進行數(shù)據(jù)調(diào)整后，顯示在數(shù)碼管電路模塊11的數(shù)碼管上，同時GPS信息提取模塊6還將提取的地理信息存儲到信息存儲模塊16，用于后期數(shù)據(jù)處理使用；

5)同步時間設置模塊12根據(jù)數(shù)碼管顯示的UTC時間，通過按鍵控制電路模塊13設置同步時間，并將設置的同步時間輸送給時間計算模塊9和數(shù)碼顯示模塊8，由數(shù)碼顯示模塊8進行數(shù)據(jù)調(diào)整后，顯示在數(shù)碼管上；

6)時間計算模塊9根據(jù)輸入的UTC時間和同步時間計算求解時間差值，并將此時間差值輸送給數(shù)據(jù)比較模塊10；

7)脈沖計數(shù)單元7對輸入的秒脈沖信號進行計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果在數(shù)據(jù)比較模塊10中與時間差值進行比較，當計數(shù)值小于時間差值時，數(shù)據(jù)比較模塊無動作；當計數(shù)值等于時間差值時，數(shù)據(jù)比較模塊輸出觸發(fā)信號；

8)在發(fā)射機系統(tǒng)中，輸出的觸發(fā)信號觸發(fā)信號發(fā)射模塊14開始發(fā)射信號；在接收機系統(tǒng)中，輸出的觸發(fā)信號觸發(fā)信號接收模塊15開始工作，采集信號，如此實現(xiàn)了發(fā)射機和接收機之間的嚴格工作時間同步。

本發(fā)明擴頻編碼GPS信號同步系統(tǒng)，可實現(xiàn)擴頻編碼系統(tǒng)中發(fā)射機系統(tǒng)與接收機系統(tǒng)的嚴格工作時間同步，克服了傳統(tǒng)頻率域電磁法系統(tǒng)同步功能單一，不能實現(xiàn)發(fā)射和接收之間同步的問題。