海底智能封堵器水聲通信系統(tǒng)的設(shè)

　　0 海底智能封堵器水聲通信概述

　　智能封堵器應(yīng)用于海底管道的維修作業(yè)時(shí)，首先要解決的是在深海處如何實(shí)現(xiàn)平臺(tái)母船與管道之間的即時(shí)通信。本文研究的是從海上平臺(tái)發(fā)出的數(shù)據(jù)指令信號(hào)到達(dá)管道上方接收器之間的通信過(guò)程。由于海底環(huán)境的特殊性，故采用水聲無(wú)線通信方式。智能封堵器通信信號(hào)流程如圖1所示。計(jì)算機(jī)指令信息首先轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)在海洋環(huán)境下傳輸，最后轉(zhuǎn)換成ELF電磁波信號(hào)，利用電磁波信號(hào)穿透泥土、海水、管壁，指導(dǎo)管道內(nèi)的智能封堵器工作。

　　智能封堵器海底通信中的水聲通信系統(tǒng)部分主要研究的是從母船或平臺(tái)計(jì)算機(jī)操作界面發(fā)出指令數(shù)據(jù)，將數(shù)字信號(hào)經(jīng)由Modem轉(zhuǎn)換調(diào)制成模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大匹配電路，送至水聲換能器，轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)。

　　1 水聲通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　用于海底管道的智能封堵器，要攻克的技術(shù)難關(guān)之一是如何實(shí)現(xiàn)智能封堵器的水上水下通訊，以完成平臺(tái)的遙控操作。由于海洋環(huán)境的特殊性，故采用了水聲無(wú)線通信方式。水聲通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常取決于系統(tǒng)為克服多徑干擾和相位起伏所采用的不同技術(shù)。這些技術(shù)可分為兩個(gè)方面：一是對(duì)信號(hào)的設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)調(diào)制/解調(diào)的方案設(shè)計(jì)；二是發(fā)射/接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)的幀處理及均衡方案的設(shè)計(jì)。根據(jù)對(duì)目前已有的水聲通訊技術(shù)的調(diào)研和智能封堵器的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和特點(diǎn)；本文提出了如圖2所示的水聲通訊方案。整套通訊系統(tǒng)主要由海上控制中心、外部通訊鏈路、以及遙控執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)邏輯子系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)主要是基于聲波和超低頻電磁波來(lái)進(jìn)行雙向通訊。

　　此通訊系統(tǒng)分為水上收/發(fā)和水下收/發(fā)通訊系統(tǒng)兩部分。水上部分由計(jì)算機(jī)、Modem、收/發(fā)濾波放大電路和雙向換能器組成，水下部分由水下雙向換能器、收/發(fā)放大濾波電路、水聲/ELF轉(zhuǎn)換電路和ELF-Modem+單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。因?yàn)樾盘?hào)均為收/發(fā)雙向傳遞，所以采用雙向換能器，雙向換能器內(nèi)部既有發(fā)射器又有水聽(tīng)器，既可發(fā)送聲波信號(hào)又可接收聲波信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)研和選型，筆者采用的水聲發(fā)射換能器是淺海圓柱型壓電陶瓷換能器FSQ-37。

　　Modem將計(jì)算機(jī)指令信息調(diào)制成換能器工作頻帶上的電信號(hào)，此電信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后送給水上雙向換能器發(fā)射，經(jīng)換能器發(fā)射后變?yōu)槁暡ㄐ盘?hào)在水中傳輸，水下雙向換能器接收到聲波信號(hào)后再將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由于信號(hào)在水中傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)有所衰減，并伴隨著一些干擾，所以這個(gè)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)必須經(jīng)過(guò)放大濾波后再經(jīng)水聲/ELF轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成ELF電磁波信號(hào)發(fā)射，ELF電磁波信號(hào)可穿透泥土、海水和管壁被管道內(nèi)的ELF-Modem+單片機(jī)控制系統(tǒng)所接收，經(jīng)ELF-Modem解調(diào)后變成邏輯電平指令送給單片機(jī)，單片機(jī)將收到的指令解析后控制封堵器完成各種動(dòng)作，這樣就完成了一次信號(hào)的單向傳輸。

　　此外，封堵器在執(zhí)行指令過(guò)程中，其上的傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)傳送給單片機(jī)，管道內(nèi)的單片機(jī)將這些溫度、壓力和封堵器狀態(tài)等數(shù)據(jù)送回海上的計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和計(jì)算，這樣計(jì)算機(jī)就可以了解封堵器的運(yùn)行情況，并根據(jù)反饋信號(hào)隨時(shí)調(diào)整控制指令。這個(gè)信息的傳送過(guò)程是先由單片機(jī)將邏輯電信號(hào)送給ELF-Modem，經(jīng)ELF-Modem調(diào)制后變?yōu)镋LF電磁波穿過(guò)管壁，被水聲/ELF轉(zhuǎn)換電路接收后轉(zhuǎn)換為換能器工作頻帶上的電信號(hào)，此電信號(hào)再經(jīng)過(guò)功率放大后送給水下雙向換能器，發(fā)射器發(fā)射的聲波信號(hào)由下至上在水中傳輸，到達(dá)水上后被水上的換能器接收并變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過(guò)放大送給Modem解調(diào)后再送給計(jì)算機(jī)，完成由海底到海面的單方向傳輸。為實(shí)現(xiàn)全雙工的傳輸，水聲和ELF通訊都分別使用雙信道進(jìn)行通訊，即收/發(fā)采用不同的信道。

　　水聲通訊的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)基于Modem的水聲調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以便可靠地收/發(fā)數(shù)據(jù)。在通訊系統(tǒng)方案確定之后，進(jìn)行水試試驗(yàn)找到最佳發(fā)射、接收頻率作為水下通信傳輸?shù)妮d波頻率。水上PC機(jī)的人機(jī)交互程序和串行通信程序采用Visual Basic 6．0編寫(xiě)。采用FSK方式傳送數(shù)字信息控制載波的頻率，將數(shù)字信息調(diào)制到水聲換能器的工作頻帶上，推動(dòng)水聲換能器把電能轉(zhuǎn)化為聲波發(fā)射出去。