拋棄式海水溫度測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出一種拋棄式海水溫度測(cè)量?jī)x數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)傳輸信道距離長(zhǎng)，波形畸變大的特點(diǎn)，采用頻率調(diào)制的方法克服傳輸信道自身和海洋環(huán)境的不利條件。系統(tǒng)選用單片調(diào)制解調(diào)芯片MSM7512B對(duì)信號(hào)進(jìn)行FSK調(diào)制和解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了水下探頭和水面控制單元的通信。采用低功耗的MSP430單片機(jī)作為運(yùn)算處理器，軟件設(shè)計(jì)上充分利用其多種低功耗工作模式，降低了系統(tǒng)的功耗。
關(guān)鍵詞：海水溫度測(cè)量；拋棄式探頭；FSK調(diào)制；低功耗

0 引言
溫度、鹽度等海洋水文環(huán)境參數(shù)的獲取日益重要。拋棄式溫探測(cè)系統(tǒng)是快速獲取大面積海域溫度剖面資料的儀器，為海洋調(diào)查、科學(xué)研究、軍事應(yīng)用提供了先進(jìn)的測(cè)量手段。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家自20世紀(jì)60年代開始，研制了機(jī)載可拋棄式海洋水文探測(cè)系統(tǒng)，其系列產(chǎn)品(已有溫、鹽、深、流)主要應(yīng)用于美國(guó)海軍，能夠在一次任務(wù)航線上，利用同一種探測(cè)平臺(tái)快速獲取遠(yuǎn)海目標(biāo)海域的多要素實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，是至今機(jī)動(dòng)性最好的遠(yuǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)手段。其優(yōu)點(diǎn)是：海洋水文要素獲取的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)；遠(yuǎn)海探測(cè)成本、信息獲取的機(jī)動(dòng)性、實(shí)時(shí)性均顯著優(yōu)于船載系統(tǒng)。美國(guó)海軍使用的機(jī)載投棄式溫度計(jì)利用熱敏傳感器測(cè)量海水剖面溫度，溫度準(zhǔn)確度達(dá)0．5℃。我國(guó)國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所于1998年自主研制了機(jī)載投棄式溫深浮標(biāo)，溫度準(zhǔn)確度達(dá)±0．2℃。
新型遠(yuǎn)海機(jī)動(dòng)水文環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(NMOHEMS)通過采用無人機(jī)機(jī)載方式，將多枚被投擲單元投放到目標(biāo)區(qū)域，然后由被投擲單元受控釋放測(cè)溫探頭，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、同步獲取海水剖面溫度的信息。

1 NMOHEMS被投擲單元的構(gòu)成和工作原理
NMOHEMS被投擲單元由被投擲單元主體和探頭組成，如圖1所示。探頭位于水下，包括數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)發(fā)送單元。數(shù)據(jù)采集單元完成海水剖面溫度的測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)發(fā)送單元將測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)傳輸線發(fā)送到被投擲單元主體。被投擲單元主體位于水面，包括數(shù)據(jù)接收單元和控制處理單元。數(shù)據(jù)接收單元接收由水下探頭發(fā)送的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，控制處理單元負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的控制和與地面主站的聯(lián)系。

被投擲單元由無人機(jī)攜帶，抵達(dá)目標(biāo)海域后投放，通過降落傘放慢下降速度，當(dāng)觸及海面時(shí)降落傘自動(dòng)脫落。當(dāng)被投擲單元接收到測(cè)量控制信號(hào)時(shí)，探頭開始下沉測(cè)量海水剖面溫度。探頭內(nèi)的數(shù)據(jù)采集單元采用低功耗、高性能、多外設(shè)的MSP430單片機(jī)作為微處理器同時(shí)完成數(shù)據(jù)的采集和處理任務(wù)，使用靈敏度高、響應(yīng)速度快的NTC熱敏電阻作為溫度傳感器以獲得海水溫度。探頭在測(cè)量溫度的同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到被投擲單元的主體，然后由控制處理單元通過流星余跡的通信方式將數(shù)據(jù)傳回地面主站。
探頭與被投擲單元主體的通信為有線傳輸，傳輸信道處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，傳輸性能的好壞直接影響到測(cè)量結(jié)果的有效性和完整性，因此數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常重要的。

2 傳輸信道的特性
溫度測(cè)量過程中，被投擲單元要將測(cè)溫探頭釋放到水下1 000 m左右，二者使用信號(hào)線連接。系統(tǒng)采用1 000 m長(zhǎng)，0．1 mm線徑的聚氨酯漆包線。由于線徑很細(xì)，傳輸導(dǎo)線的直流電阻很大，線間電容和等效電感的數(shù)值也很大，并且隨著線軸展開，傳輸信號(hào)的波形畸變較大，使數(shù)據(jù)在傳輸過程中產(chǎn)生嚴(yán)重衰減和形變。
除了傳輸介質(zhì)自身對(duì)信號(hào)傳輸?shù)牟焕绊懲?，海洋環(huán)境噪聲的影響也是不容忽視的。海洋環(huán)境噪聲對(duì)于信號(hào)的干擾是很明顯的，噪聲的組成復(fù)雜，與海域的地理位置、探頭的深度、周圍船只都有關(guān)系。根據(jù)產(chǎn)生的原因可以分為以下幾類：
(1)海洋動(dòng)力噪聲。與海水的流動(dòng)有關(guān)，包括海浪噪聲、雨噪聲等。
(2)交通噪聲與工業(yè)噪聲。是人為產(chǎn)生的噪聲，包船只噪聲、海上油田噪聲。
(3)地震噪聲。由地震、火山、海嘯等自然現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲。
綜上所述，對(duì)此傳輸距離長(zhǎng)、幅度衰減和波形畸變嚴(yán)重且信道參數(shù)快速時(shí)變的不利條件，需采取方法使信號(hào)適合在信道上傳輸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理，采用FSK調(diào)制，可以克服傳輸距離長(zhǎng)、信道參數(shù)快速時(shí)變等不利條件導(dǎo)致的信號(hào)衰減、形變，保障數(shù)據(jù)傳輸的可靠性。