海底智能封堵器水聲通信系統(tǒng)的設

　　0 海底智能封堵器水聲通信概述

　　智能封堵器應用于海底管道的維修作業(yè)時，首先要解決的是在深海處如何實現平臺母船與管道之間的即時通信。本文研究的是從海上平臺發(fā)出的數據指令信號到達管道上方接收器之間的通信過程。由于海底環(huán)境的特殊性，故采用水聲無線通信方式。智能封堵器通信信號流程如圖1所示。計算機指令信息首先轉換成聲信號在海洋環(huán)境下傳輸，最后轉換成ELF電磁波信號，利用電磁波信號穿透泥土、海水、管壁，指導管道內的智能封堵器工作。

　　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計算機操作界面發(fā)出指令數據，將數字信號經由Modem轉換調制成模擬信號，經過功率放大匹配電路，送至水聲換能器，轉換成聲信號。

　　1 水聲通信系統(tǒng)的總體結構設計

　　用于海底管道的智能封堵器，要攻克的技術難關之一是如何實現智能封堵器的水上水下通訊，以完成平臺的遙控操作。由于海洋環(huán)境的特殊性，故采用了水聲無線通信方式。水聲通信系統(tǒng)的設計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。這些技術可分為兩個方面：一是對信號的設計，即系統(tǒng)調制/解調的方案設計；二是發(fā)射/接收設備的結構，即系統(tǒng)的幀處理及均衡方案的設計。根據對目前已有的水聲通訊技術的調研和智能封堵器的實際應用環(huán)境和特點；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)行機構三個邏輯子系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)主要是基于聲波和超低頻電磁波來進行雙向通訊。

　　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。水上部分由計算機、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轉換電路和ELF-Modem+單片機控制系統(tǒng)組成。因為信號均為收/發(fā)雙向傳遞，所以采用雙向換能器，雙向換能器內部既有發(fā)射器又有水聽器，既可發(fā)送聲波信號又可接收聲波信號。經過調研和選型，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將計算機指令信息調制成換能器工作頻帶上的電信號，此電信號經過功率放大后送給水上雙向換能器發(fā)射，經換能器發(fā)射后變?yōu)槁暡ㄐ盘栐谒袀鬏?，水下雙向換能器接收到聲波信號后再將其轉換為電信號，由于信號在水中傳輸的過程中會有所衰減，并伴隨著一些干擾，所以這個轉換后的電信號必須經過放大濾波后再經水聲/ELF轉換電路轉換成ELF電磁波信號發(fā)射，ELF電磁波信號可穿透泥土、海水和管壁被管道內的ELF-Modem+單片機控制系統(tǒng)所接收，經ELF-Modem解調后變成邏輯電平指令送給單片機，單片機將收到的指令解析后控制封堵器完成各種動作，這樣就完成了一次信號的單向傳輸。

　　此外，封堵器在執(zhí)行指令過程中，其上的傳感器將檢測到的信號傳送給單片機，管道內的單片機將這些溫度、壓力和封堵器狀態(tài)等數據送回海上的計算機進行監(jiān)測和計算，這樣計算機就可以了解封堵器的運行情況，并根據反饋信號隨時調整控制指令。這個信息的傳送過程是先由單片機將邏輯電信號送給ELF-Modem，經ELF-Modem調制后變?yōu)镋LF電磁波穿過管壁，被水聲/ELF轉換電路接收后轉換為換能器工作頻帶上的電信號，此電信號再經過功率放大后送給水下雙向換能器，發(fā)射器發(fā)射的聲波信號由下至上在水中傳輸，到達水上后被水上的換能器接收并變?yōu)殡娦盘?，經過放大送給Modem解調后再送給計算機，完成由海底到海面的單方向傳輸。為實現全雙工的傳輸，水聲和ELF通訊都分別使用雙信道進行通訊，即收/發(fā)采用不同的信道。

　　水聲通訊的關鍵在于實現基于Modem的水聲調制解調技術，以便可靠地收/發(fā)數據。在通訊系統(tǒng)方案確定之后，進行水試試驗找到最佳發(fā)射、接收頻率作為水下通信傳輸的載波頻率。水上PC機的人機交互程序和串行通信程序采用Visual Basic 6．0編寫。采用FSK方式傳送數字信息控制載波的頻率，將數字信息調制到水聲換能器的工作頻帶上，推動水聲換能器把電能轉化為聲波發(fā)射出去。