שיפור ביצועים ביישומי חיפוש וגילוי תת-ימיים באמצעות שעון אטומי זעיר

מאת:אמיר לשד, פוקוס טלקום בע”מ

שיפור ביצועים ביישומי חיפוש וגילוי  תת-ימיים באמצעות שעון אטומי זעיר  Chip Scale Atomic Clock (CSAC) מדגם SA.45s של חברת Symmetricom

חישנים לשימוש ביישומים תת ימיים תלויים בתזמון מדויק כדי לשמור על יעילותם. מאחר ובסביבה תת-ימית אין מידע מסוג GPS, חישנים אלו השתמשו עד כה ברכיבים מסוג OCXO
(Oven-Controlled Crystal Oscillator) לקבלת חתימת זמן יציבה ומדויקת. עכשיו ליישומים מסוג זה ניתנת אופציה טובה יותר בצורת שבב של שעון אטומי של חברת – SYMMETRICOM מדגםSA.45S.
בהשוואה ל- OCXOs השעון האטומי מדגם SA.45S מאפשר רמת דיוק גבוהה יותר, לתקופות ארוכות יותר, והוא צורך הרבה פחות אנרגיה ושומר על תדר שעון קבוע, למרות שינויי הטמפרטורה שהחישנים נחשפים אליהם.

למה תזמון מדויק חשוב?
אחד היישומים התת-ימיים הוא סיסמולוגית השתקפות (seismic or  reflection  seismology). ביישום מסוג זה חברות לחיפושי נפט מניחות סריג/רשת של חישנים גיאופיסקליים (ראה איור 1) על קרקעית האוקיאנוס, כדי לעזור ולזהות נקודות בהן צפוי להתגלות נפט או גז.
ניתן להטיל את החישנים מסיפון האנייה או מכלי שיט שנשלט מרחוק.
החישנים יכולים להיות עצמאיים, או קשורים בכבל כדי לקשור שורה של חישנים. כל חישן בדרך כלל מכיל HYDROPHONE  OCXO, או TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillators),  שמשמש לרישום נתוני זמן שהתקבלו על ידי שני המכשירים האחרים.
כאשר החישנים מונחים במקום, רובה אוויר בעל עוצמה חזקה, או מערכת של רובי אוויר כאלו, משגרת פולס קולי בעוצמה מהאנייה. האנייה זזה לפי תבנית המאפשרת לרובה האוויר לירות בזויות שונות יחסית לרשת החישנים. חלק מאנרגיית הפולס חוזרת מקרקעית האוקיאנוס, ומשתקפת על פני השטח, אבל השאר חודר לקרקעית האוקינוס, עובר דרך הרבדים של סלעים ולבסוף מגיע חזרה אל החישנים המונחים על קרקעית האוקיאנוס, כאשר מקום הגילוי וזמן הגעת הפולס נרשמים. כאשר האנייה מסיימת את נסיעתה לפי התבנית שנקבעה מראש, החישנים מחזירים את הנתונים ביחד עם נתוני הזמן.
מאחר והחזר מהירויות הפולס הקולי משתנה בהתאם לחומרים שונים בהם הפולס פוגע, הזמן שחולף עד לחזרה משקף לחישנים מרבדי הסלע השונים, התלויים בחומרים שהפולס חוצה. כאשר נתוני התזמון עוברים עיבוד, נוצרת תמונה של הרבדים של הסלעים ומשקעים מתחת לקרקעית האוקינוס, שמראה באיזה מקומות צפוי להתגלות נפט או גז. ככול שהתזמון מדויק יותר, התמונות לאפשרויות של גילוי נפט וגז יהיו מדויקות יותר.

איור מס 1: מאחר שהשתקפויות של פולסים קוליים מרבדים תת ימיים תלויות במהירויות משתנות לפי החומרים דרכם הם עוברים כמו: נפט, גז, סלעים ומשקעים אחרים. תזמון מדויק שלהם יכול לסמן הימצאותו של נפט או גז.

היתרונות בביצועים של שעון אטומי CSAC
השעון האטומי SYMMETRICOM SA.45S – (CSAC – Chip Scale Atomic Clock), יכול לשפר את הדיוק ולהקטין את עלות מערכות חישנים, תוך כדי שמירה על תדר קבוע לאורך זמן, למרות שינויים רחבים בטמפרטורה. נפח קטן של המכשיר (רק 16CM3), קטן יותר מרוב דגמי OCXO (ראה איור 2). בנוסף צריכת אנרגיה של 115mW בלבד, פחות בערך פי  10 עד פי  20 לעומת רוב השעונים המקובלים מסוג OCXO, שבדרך כלל צורכים הספק חשמל של 1.5W עד ל-2W באופן קבוע.
ל-CSAC גם אופן עבודה מיוחד של “ריצה חופשית” (TCXO free running), בו צריכת האנרגיה קטנה במיוחד (יורדת מתחת ל- 50mW).
כשעון אטומי אמיתי, ה- SA.45S CSAC הינו בעל שעור “הזדקנות” (aging) של: 3.0E-10 לחודש. היחידה היא ברת תכנות דרך ממשק RS232  לשליטה, כיול ובקרת סטאטוס.

איך המשתמשים בשעון האטומי מסוג CSAC, מרוויחים מזה?

איור 2: זעיר במידות, וחסכן גדול באנרגיה, ה-CSAC מקנה יתרונות רבים ליישומים ניידים ותת מימיים.

היתרונות של שעון אטומי מתורגמים לרווחים עבור חברות שעוסקות בחיפושים סיסמיים.
שיפר הדיוק ביישומי פריסה, לטווחי זמן ארוכים יותר
במהלך פריסה טיפוסית, חישנים יכולים להיות תחת פני המים למשך כמה שבועות. משום שהאניות וצוותים צריכים לפרוס את החישנים, לאסוף את נתוני המדידות הרי פריסת החישנים לא יכולה להתבצע תמיד באופן אופטימאלי, וגם מזג אויר גרוע יכול לגרום עיכובים.
במהלך הפריסה, החישנים חשופים לירידה בביצועים עקב “הזדקנות” (aging), הגורם להם להציג זמן שגוי שמשתנה לפי ריבוע הזמן בו נמצא השעון מתחת לפני המים. שיעור ה”הזדקנות” הנמוך של ה-CSAC – ששיעורו טוב פי 100 מזה של שעון מסוג OCXO טוב – מקטין משמעותית את שיעור הטעויות כאשר החישנים נפרסים לתקופות ארוכות.
הקטנת צריכת האנרגיה תקטין את עלויות המצבר והחישן.
עלות המצברים בדרך כלל היא ההוצאה הכי גדולה בחישנים תת-ימיים, ומספר החישנים ברשת טיפוסית כזו רק עולה. ה-SA.45S CSAC, צורך עשירית (או אפילו פחות במקרים מסוימים) של האנרגיה הנדרשת עבור שעון מסוג OCXO. לכן הדרישות מן המצבר פחותות. מכאן שחישנים יכולים להיות יותר קטנים ולעלות פחות. לחילופין, יצרני חישנים יכולים לשמור את יכולות המצבר שקיים ולהשתמש בחישנים CSAC למשימות ממושכות וארוכות יותר.
ניתן לתכנת את  ה-SA.45S כך שיפעל באופן עבודה מיוחד, בו צריכת הזרם נמוכה מאד (ULTRALOW). באופן עבודה זה, מופסקת פעולתה של האריזה הפיזית של ה-CSAC והיחידה פועלת כשעון “בריצה חופשית” (TCXO free running). בסביבה האיזותרמית על קרקעית האוקיאנוס הסחיפה של ה-TCXO תהיה תלויה לגמרי ב”הזדקנות” (aging). על-כן, האריזה הפיזית מופעלת מחדש לתקופות קצרות (ברות תכנות) ולאחר חימום למשך זמן מה 100 sec< היחידה חוזרת שוב לתפקד כ- TCXO. סידור זה מאפשר הורדת צריכת הזרם מתחת ל-50mW.
הקטנת השפעות בגלל שינויי מטמפרטורה רחבים
היום רוב החישנים הגיאופיסיים הימיים מכוילים מול נתוני GPS על סיפון האונייה, לפני הורדתם לאוקיאנוס. מאחר שטמפרטורת המים בקרקעית האוקיאנוס נמצאת רק כמה מעלות מעל נקודת הקיפאון, החישן עלול להיות חשוף לשינוי טמפרטורה של 300 או יותר, מטמפרטורת הכיול המקורית שלו. זה גורם לשינוים בתדר ושינויים ליניאריים בזמן. סוגי חישנים משתמשים במודלים של תוכנה כדי לתקן טעות זאת. ברור שעדיף כבר מהתחלה להקטין את הטעות הזו. עם מקדם טמפרטורה של
±5.0×10-10 בכל טווח טמפרטורת העבודה שלה, יכולה יחידת ה- SA.45Sלהציע שיפור של פי 10 עד פי 1000 מול האלטרנטיבות של  OCXOאו TCXO.

באדיבות חברת פוקוס טלקום

למה לבחור במוצר של SYMMETRICOM
חברת SYMMETRICOM, מארה”ב, הינה החברה המובילה בעולם בטכנולוגיות, כלים ופתרונות למדידות ולשמירת זמן מדויקות. החברה מספקת מודדי זמן בלווייני GPS, מקורות ייחוסי זמן לאומיים, לרשתות חשמל ואנרגיה לאומיות, ליישומים צבאים קריטיים, ולרשתות אזרחיות, המאפשרות שירותים של הדור הבא בתקשורת (NGN), כמו שרותי תקשורת קול ונתונים, שירותים תקשורת נייחת וניידת, ושרותי וידאו.
המוצרים כוללים שעונים אטומיים מסוגים שונים, מערכות ייחוס זמן, מכשור GPS, יחידות לסינכרון תדר פאזה וזמן, שרתים ולקוחות מבוססים על תקנים עולמיים, ערכות למדידת ביצועים, כלי ניהול ותת מערכות משובצות שיוצרות, מפיצות ומיישמות תדרים ותזמונים מדויקים.