水下信息傳輸網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)分析研究*

楊 帆

（解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001）

0 引 言

隨著人類科技的不斷進(jìn)步和高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類對(duì)海洋的認(rèn)知不斷加深，世界各國(guó)爭(zhēng)奪海洋權(quán)益的趨勢(shì)也愈演愈烈。人們意識(shí)到對(duì)汪洋大海進(jìn)行探索和觀測(cè)，無(wú)論是在科學(xué)研究、國(guó)防信息化建設(shè)、國(guó)家經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)，還是在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)、地震海嘯災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)防，以及海底資源勘探與開(kāi)發(fā)等方面都具有十分重要的意義。因此，盡快建設(shè)水下信息傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，加快對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)、研究和開(kāi)發(fā)，對(duì)于任何一個(gè)海洋大國(guó)都具有深遠(yuǎn)意義。

水下信息傳輸網(wǎng)主要以特種海底光電復(fù)合纜為通道，以各類主、次接駁盒為樞紐，將布放在海底的各種傳感器和探測(cè)設(shè)備連接起來(lái)，形成一個(gè)既能完成水下供電任務(wù)，又能實(shí)現(xiàn)水下信息高效穩(wěn)定傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。它能夠?qū)崟r(shí)對(duì)海底各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和處理，這些采集數(shù)據(jù)既能用于民用層次的洋流、海溫和海底資源等信息的測(cè)定，又可以用于水下潛艇作戰(zhàn)、水下聲納探測(cè)等軍事領(lǐng)域。

1 水下信息傳輸網(wǎng)總體架構(gòu)

水下信息傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)由4個(gè)子系統(tǒng)組成，分別為信息接入與傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)、水下接駁系統(tǒng)和綜合監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)[1]，如圖1所示。

圖1 水下信息傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組成

信息傳輸與接入系統(tǒng)。信息傳輸與接入系統(tǒng)主要利用各種水下信息接入設(shè)備，將不同類型、作用、規(guī)律的信息接入到系統(tǒng)中，并在專用的海底光纜中進(jìn)行傳輸。接入的信息主要包括水下情報(bào)信息、水下作戰(zhàn)單位的通信信息、水面作戰(zhàn)艦艇以及岸基指揮所之間的通信互聯(lián)、地質(zhì)水文監(jiān)測(cè)信息、網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。另外，它還將岸基指揮中心的指揮控制命令逆向分發(fā)傳送給水下設(shè)備。

遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)。水下信息傳輸網(wǎng)絡(luò)中的探測(cè)設(shè)備、傳輸設(shè)備和電源設(shè)備等都屬于有源設(shè)備，需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的供電。而它們受水下特殊環(huán)境的限制，不能沿用傳統(tǒng)的陸地網(wǎng)絡(luò)的供電方式，只能采取在岸基站配置電源進(jìn)行水下遠(yuǎn)程供電的方式，然后在水下進(jìn)行電能的分配和相關(guān)電壓、電流的轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)水下用電設(shè)備的需求。遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)是整個(gè)水下信息傳輸網(wǎng)運(yùn)作的能量來(lái)源，它的可靠運(yùn)行決定了整個(gè)水下信息傳輸網(wǎng)的命運(yùn)。

水下接駁系統(tǒng)。水下信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的正常工作，離不開(kāi)性能良好的水下接駁設(shè)備。水下接駁設(shè)備的作用是電能的轉(zhuǎn)換與分配、信息的接入處理與轉(zhuǎn)發(fā)，并為電能轉(zhuǎn)換與分配模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和監(jiān)測(cè)控制模塊等水下硬件設(shè)備提供隔離海水的安置環(huán)境。

綜合監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。綜合監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)包括岸基的管理系統(tǒng)和分布于網(wǎng)絡(luò)各個(gè)部位的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控包括光纜、電源設(shè)備、傳輸設(shè)備、接駁盒和探測(cè)器在內(nèi)的主要網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵部位的工作狀態(tài)，并及時(shí)反饋至管理系統(tǒng)，同時(shí)可自動(dòng)根據(jù)應(yīng)急處理機(jī)制來(lái)處理故障等非正常狀態(tài)。

2 水下信息傳輸與接入技術(shù)

水下信息傳輸網(wǎng)采用光纜作為傳輸通道，屬于光傳輸網(wǎng)。而光傳輸網(wǎng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了許多成熟的傳輸技術(shù)。水下信息傳輸網(wǎng)具體采用哪種傳輸技術(shù)需要進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析。下面就SDH、WDM和OTN等幾種典型的用于光傳輸網(wǎng)中的傳輸技術(shù)進(jìn)行分析對(duì)比研究。

2.1 SDH技術(shù)

SDH傳輸網(wǎng)包含終端復(fù)用器（TM）、分插復(fù)用器（ADM）和數(shù)字交叉連接設(shè)備（DXC）等網(wǎng)絡(luò)單元[2]。它能將多種信號(hào)如ATM信號(hào)、E1信號(hào)和IP分組信號(hào)等非SDH業(yè)務(wù)，復(fù)接成SDH的標(biāo)準(zhǔn)速率模塊STM-N（ N=1，4，16，64，256），基礎(chǔ)模塊為STM-1，傳輸速率為155.52 Mb/s，之后的模塊都按4倍遞增，以低速率的模塊組成高速率模塊的規(guī)則進(jìn)行同步復(fù)接，STM-4=4×STM-1，STM-16=4×STM-4，STM-64=4×STM-16。

經(jīng)過(guò)總結(jié)分析，SDH具備以下特點(diǎn)[2]：

（1）SDH規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的速率等級(jí)、統(tǒng)一的幀結(jié)構(gòu)和復(fù)接規(guī)則，使得SDH對(duì)于各種類型的接入信號(hào)都具備了很強(qiáng)的包容性。不同體制的通信網(wǎng)之間也實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，從而得到了廣泛應(yīng)用。

（2）SDH獨(dú)特的幀結(jié)構(gòu)決定了其具有強(qiáng)大的OAM（運(yùn)行、維護(hù)、管理）能力，極易開(kāi)發(fā)出集性能檢測(cè)、故障報(bào)告和網(wǎng)絡(luò)自愈等功能于一體的集成式網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，從而為SDH網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。

（3）具有多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可利用不同的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)配置，根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)靈活的組網(wǎng)。

SDH的這些優(yōu)點(diǎn)滿足水下信息傳輸網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)要求。現(xiàn)今SDH技術(shù)發(fā)展成熟，設(shè)備成本較低。但是，SDH技術(shù)又存在系統(tǒng)不夠安全、頻帶利用率不高、難以滿足大容量通信需求等問(wèn)題。因此，將SDH技術(shù)用于水下信息傳輸網(wǎng)中具備一定的可行性，但還需要進(jìn)行深入探討研究。

2.2 WDM技術(shù)

波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術(shù)是為了適應(yīng)與日俱增的通信需求，提高光纖通信傳輸容量的一種新型光通信技術(shù)。在光纖通信中，每個(gè)波長(zhǎng)可承載一組時(shí)分復(fù)用的光信號(hào)，而一根光纖又可同時(shí)傳輸多個(gè)不同的光波，因此只要在發(fā)送端利用復(fù)用技術(shù)將這些不同波長(zhǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)復(fù)接成一組光信號(hào)，這樣多組信號(hào)便可經(jīng)同一根物理光纖介質(zhì)傳輸?shù)浇邮斩恕鬏斖戤吅?，在接收端要?duì)復(fù)用的信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用處理，得出可利用的原始信號(hào)，此即為波分復(fù)用技術(shù)[3]。WDM系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 波分復(fù)用系統(tǒng)

WDM技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：

（1）波分復(fù)用技術(shù)使得一根光纖所傳輸?shù)男畔⑷萘砍杀对鲩L(zhǎng)，大大提高了傳輸容量和光纖的帶寬利用率，克服了SDH技術(shù)帶來(lái)的容量瓶頸。由于實(shí)現(xiàn)了單個(gè)光纖的復(fù)用，在實(shí)際建設(shè)中節(jié)約了大量光纖，降低了組網(wǎng)成本[4]。

（2）WDM系統(tǒng)的多信道模式在傳輸時(shí)，不同波長(zhǎng)之間互不干擾，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)速率、大小、類型、格式各異，不受任何限制，只需要提供通道即可完成數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)等多種接入信號(hào)的混合透明傳輸。

（3）WDM設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。EDFA光纖放大器等設(shè)備都屬于無(wú)源電子器件，易于組網(wǎng)。復(fù)用器也可實(shí)現(xiàn)雙向互逆，大大提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

WDM技術(shù)因?yàn)槠渲T多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際上得到了大量應(yīng)用，技術(shù)發(fā)展也十分迅速，實(shí)驗(yàn)室早已實(shí)現(xiàn)了Tb/s級(jí)別的傳輸速率，而其大容量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)則正是水下信息傳輸網(wǎng)所需要的。但是，WDM系統(tǒng)又存在組網(wǎng)方式不靈活、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單一、OAM能力不強(qiáng)和網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方式不完善等問(wèn)題。

2.3 OTN技術(shù)

OTN（Optical Transport Network） 由 ITU-T于1998年提出，是一種以WDM技術(shù)和SDH技術(shù)為基礎(chǔ)，既能在電層處理業(yè)務(wù)又能在光層組織網(wǎng)絡(luò)的全新的傳送網(wǎng)。之前所述的SDH技術(shù)主要是傳輸小顆粒業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)調(diào)度也都是在電層實(shí)現(xiàn)，在光層只能實(shí)現(xiàn)單光纖單通道傳送。后來(lái)的WDM則很好地彌補(bǔ)了它的缺陷，利用波分復(fù)用在光層提供了所需的通道。而OTN是兩者的結(jié)合，它在映射復(fù)用方式、幀結(jié)構(gòu)以及速率方面都和以前的傳送網(wǎng)不同，還引入波長(zhǎng)、子波長(zhǎng)交叉連接功能，可在光域內(nèi)完成業(yè)務(wù)信號(hào)的傳送、復(fù)用、路由設(shè)置和監(jiān)控維護(hù)等多項(xiàng)功能，可支持的業(yè)務(wù)及協(xié)議也更多[5]。

OTN技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：

（1）OTN因?yàn)槠溆成鋸?fù)用的獨(dú)特性，利用封裝技術(shù)可兼容多種格式、類型、速率的接入信號(hào)進(jìn)行傳輸。相比于SDH技術(shù)，它的包容性更強(qiáng)，無(wú)論是已有的業(yè)務(wù)信號(hào)，還是未來(lái)可能出現(xiàn)的未知信號(hào)，都可以直接封裝進(jìn)OPUk中，實(shí)現(xiàn)透明傳輸。

（2）OTN同樣也具有波分復(fù)用的功能，因此同樣提供了大容量的傳輸容量。且相比于WDM來(lái)說(shuō)，它又具有更強(qiáng)的調(diào)度能力。雖然SDH也具有完善的調(diào)度機(jī)制，但因其調(diào)度的速率級(jí)別太小，所以受到了限制。WDM雖然可提供大容量的傳輸信道，卻缺乏靈活的調(diào)度機(jī)制，所以O(shè)TN是一項(xiàng)集合了二者優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)。

（3）OTN的幀結(jié)構(gòu)中提供了足夠多的開(kāi)銷字節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)、管理和糾錯(cuò)等功能，且OTN通過(guò)在光通路單元中增加FEC位降低了傳輸系統(tǒng)的信噪比，提高了傳輸質(zhì)量。因此，在OAM能力方面，OTN完全值得信任。

（4）OTN在網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方面也十分出色，可提供多種形式的保護(hù)，大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作的安全性和可靠性。

水下探測(cè)、感知到的信息種類、格式繁多，水下信息傳輸網(wǎng)為各種水下信號(hào)提供了不同的信息接入方式，實(shí)現(xiàn)了水下探測(cè)信息的接入和上傳。海底接駁盒上提供了不同標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，如常用的并行接口通信、串行接口通信、USB接口通信、IEEE1394接口通信和RJ45網(wǎng)口通信等。各種探測(cè)設(shè)備通過(guò)電纜或者光纜直接連接到指定的電接口或者光接口中，適配各自的通信協(xié)議，完成信息的傳輸功能。

3 水下遠(yuǎn)程供電技術(shù)

水下信息傳輸網(wǎng)中，存在著大量用于傳輸、探測(cè)、控制的用電裝置和器件，能源需求量大，穩(wěn)定性要求也高。電源是整個(gè)水下信息傳輸網(wǎng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此需要一套可靠、完善、穩(wěn)定的供電方案來(lái)滿足眾多設(shè)備多樣的供電需求。陸地上光傳輸網(wǎng)早已形成了很成熟的供電網(wǎng)絡(luò)，有多種配電方式和保護(hù)方式，而水下條件惡劣，在水下鋪設(shè)電纜工程量已經(jīng)很大，要在水下直接部署配電站構(gòu)成供電網(wǎng)絡(luò)難度將更大。另外，也出現(xiàn)了一些水下無(wú)線充電技術(shù)、太陽(yáng)能供電技術(shù)等新技術(shù)，但這些技術(shù)都滿足不了水下信息傳輸網(wǎng)長(zhǎng)距離、大功率的供電任務(wù)。因此，在水下信息傳輸網(wǎng)中，一般采用水下遠(yuǎn)程供電技術(shù)，即在岸基設(shè)置岸基電源，通過(guò)海底光電復(fù)合纜遠(yuǎn)程將電能輸送到水下網(wǎng)絡(luò)[6]。

3.1 交流/直流對(duì)比分析

目前，主要的供電方式主要有交流供電和直流供電兩種。交流供電具有發(fā)電成本低、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，且其配電簡(jiǎn)單、快捷、方便，成為陸地上最主要的供電方式。直流電最早被發(fā)明，后來(lái)隨著電壓和輸電距離的需求增大，慢慢退出了歷史舞臺(tái)。近些年，隨著直流電的技術(shù)發(fā)展和其特殊優(yōu)勢(shì)，直流電逐漸應(yīng)用于水下供電、地下供電等特殊領(lǐng)域。下面就交、直流供電的特點(diǎn)，結(jié)合水下信息傳輸網(wǎng)的需求，進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析。

傳輸效率方面。當(dāng)交流電用于海底時(shí)，在輸電過(guò)程中，交流電由于電壓變化較大，輸電線路與海洋環(huán)境之間容易產(chǎn)生較大的電容電流。電壓越大，電流頻率越高，電容電流越大，這對(duì)輸電功率是極大的損耗，嚴(yán)重影響了供電的傳輸效率。直流電由于原理上不存在大的電壓、電流變化，因此也不存在電容電流損耗。水下信息傳輸網(wǎng)中供電距離遠(yuǎn)、傳輸效率要求較高，因此從傳輸效率上來(lái)說(shuō)，直流電優(yōu)于交流電。

故障要求方面。在交流輸電網(wǎng)絡(luò)中，所有的交流設(shè)備必須在統(tǒng)一的頻率上同步工作，但實(shí)際上要做到真正的同步運(yùn)行難度很大，長(zhǎng)距離、大規(guī)模的供電網(wǎng)絡(luò)容易發(fā)生故障。直流電在組建供電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，交流發(fā)電機(jī)可以在各自的頻率內(nèi)工作而不需要進(jìn)行同步，穩(wěn)定性優(yōu)于交流供電。此外，直流供電電源工作時(shí)互不影響，當(dāng)有一端發(fā)生故障，另一端也可正常工作，只是會(huì)降低功率。而交流供電如果一端電源發(fā)生故障，則所有的電源設(shè)備將全部停止工作。

造價(jià)成本方面。從輸電方式上看，直流供電的線路所用到的線路材料與交流供電的線路相比更少，而水下信息傳輸網(wǎng)需要幾百公里的海底光電復(fù)合纜。因此，從性價(jià)比方面考慮，為節(jié)約成本，宜采用直流供電方式。

建設(shè)施工方面。交流電的配電、變壓設(shè)備普遍重量重、體積大，不適合于水下節(jié)點(diǎn)設(shè)備集成，更不利于水下施工，難以實(shí)現(xiàn)。

另外，直流供電方式在20世紀(jì)50年代就已應(yīng)用于水下輸電工程中，積攢了許多成熟的經(jīng)驗(yàn)。因此，從各方面來(lái)看，水下信息傳輸網(wǎng)宜采用高壓直流供電方式。

3.2 供電方案對(duì)比分析

根據(jù)技術(shù)原理的不同，水下遠(yuǎn)程供電技術(shù)有恒壓并聯(lián)供電和恒流串聯(lián)供電兩種方式[7]。

恒壓并聯(lián)供電。在岸基站設(shè)置恒壓電源，向水下輸出恒定電壓，保持網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)電壓不變，再通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備和電能分配模塊，向水下的有源觀測(cè)設(shè)備提供穩(wěn)定的恒壓電源，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 恒壓供電示意

這種供電方式主要有以下特點(diǎn)[8]：

（1）設(shè)備接入方式簡(jiǎn)單，只需將兩端并聯(lián)接入到線路上，便可以實(shí)現(xiàn)分支供電。

（2）當(dāng)供電功率很大時(shí)，每個(gè)水下主節(jié)點(diǎn)都需要承受很高的電壓，次節(jié)點(diǎn)中也需要降壓模塊完成電壓轉(zhuǎn)換。

（3）各節(jié)點(diǎn)需要在海洋環(huán)境下接地，提高了絕緣難度。

（4）無(wú)法做到遠(yuǎn)距離供電，節(jié)點(diǎn)電壓無(wú)法做到一直恒壓穩(wěn)定。

（5）若發(fā)生海纜故障，線路與水接觸，容易造成短路事故，導(dǎo)致整個(gè)供電系統(tǒng)崩潰，因此需要設(shè)計(jì)故障控制模塊。

恒流串聯(lián)供電。恒流串聯(lián)供電的岸基電源提供的是穩(wěn)定的恒定電流源。各主節(jié)點(diǎn)采用串聯(lián)方式連接，因此通過(guò)各主節(jié)點(diǎn)的電流都相等。然后，電流又在主節(jié)點(diǎn)完成I/I轉(zhuǎn)換，使支路也獲得恒定同等的電流。達(dá)到用電設(shè)備前，再完成I/V轉(zhuǎn)換，為水下設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓，保證其順利工作，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

恒流串聯(lián)供電方式的特點(diǎn)如下[9]：

（1）串聯(lián)連接方式易于拓展，有利于標(biāo)準(zhǔn)化。

（2）每個(gè)負(fù)載無(wú)需承受高電壓。

（3）節(jié)點(diǎn)無(wú)需接地，省去了絕緣帶來(lái)的困擾。

（4）故障隔離和恢復(fù)能力強(qiáng)，當(dāng)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，斷點(diǎn)處即可接地形成新的回路，不影響系統(tǒng)的整體運(yùn)行。

（5）通過(guò)測(cè)量直流電阻的方式，便可以在岸基實(shí)現(xiàn)斷路故障定位功能。

（6）恒流轉(zhuǎn)恒流分支、恒流轉(zhuǎn)恒壓等模塊的設(shè)計(jì)，均增加了供電的難度。

圖4 恒流供電方式

綜合分析兩種供電技術(shù)的特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，二者各有優(yōu)勢(shì)，也各有缺陷。恒壓并聯(lián)供電可提供較高的輸電效率，且在節(jié)點(diǎn)上的分支也相對(duì)容易，但存在可靠性不高、故障處理能力不足等問(wèn)題；而恒流串聯(lián)的最大特點(diǎn)是應(yīng)對(duì)故障的能力突出，且有很成熟的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。綜合考慮，水下信息傳輸網(wǎng)中適宜選用恒流串聯(lián)的供電方式。

4 水下接駁技術(shù)

水下接駁技術(shù)的研究?jī)?nèi)容主要是圍繞水下接駁設(shè)備及其相關(guān)的技術(shù)。水下接駁設(shè)備一般設(shè)置在水下信息傳輸網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)位置，是連接主節(jié)點(diǎn)、次節(jié)點(diǎn)和水下設(shè)備的重要紐帶，為水下的傳輸、供電和監(jiān)控等設(shè)備提供了安全的空間，主要完成水下信息的接入、匯聚、傳輸、中繼和電能的輸送、管理和分配等任務(wù)，也為水下信息傳輸網(wǎng)的后續(xù)維護(hù)和升級(jí)提供了便利，同時(shí)是連接水下設(shè)備的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)。

水下接駁設(shè)備是一種耐用性高、抗毀能力強(qiáng)、維護(hù)難和成本高的特殊裝置，可分為水下主接駁盒和水下次級(jí)接駁盒。主接駁盒部署在主干路由上，提供分支纜接駁；次級(jí)接駁盒部署于分支纜上，提供水下業(yè)務(wù)設(shè)備的接駁。

4.1 主接駁盒

按照主要功能劃分，主接駁盒分為光電分離艙、主變壓艙和主電子艙。光電分離艙是連接水下觀測(cè)系統(tǒng)主干網(wǎng)的電源和光纖通信分配節(jié)點(diǎn)。此艙具有光電復(fù)合纜的進(jìn)/出端，能夠完成多個(gè)主接駁盒的連接擴(kuò)展，擴(kuò)大水下網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力和范圍。主變壓艙的作用是對(duì)輸入的高壓電進(jìn)行一次降壓處理，并分配給主電子艙作為工作電源。主電子艙內(nèi)部安裝光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和數(shù)據(jù)整合傳輸設(shè)備等，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。所有的電源及信息傳遞都通過(guò)主電子艙進(jìn)行控制整合。

基于可維護(hù)性、升級(jí)的需要及作業(yè)成本的考慮，主接駁盒采用分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)由分離段和底座組成。分離段包括上框架、主變壓艙、主電子艙和水下可插拔接插件接駁基座。底座包括下框架和光電分離艙。為防止?jié)O網(wǎng)及拋錨的影響，主接駁盒的主體結(jié)構(gòu)采用了國(guó)際通行的金字塔外形，兼顧了防護(hù)性和可操作性。圖5為主接駁盒實(shí)物圖，圖6為分離式底座實(shí)物圖。

圖5 主接駁盒

圖6 分離式底座

4.2 次接駁盒

水下次級(jí)接駁盒是主接駁盒連接的下一級(jí)節(jié)點(diǎn)。次級(jí)接駁盒采用水密電纜與主接駁盒相連接，主要功能為搭載試驗(yàn)儀器，并為試驗(yàn)儀器直接提供電源和控制信號(hào)等。圖7、圖8為次接駁盒與次接駁盒電子艙實(shí)物圖。為方便各類試驗(yàn)儀器的布置、添加，次接駁盒功能的擴(kuò)展、布放，圖7、圖8中的次接駁盒采用開(kāi)放式框架設(shè)計(jì)。當(dāng)然，根據(jù)使用要求的不同，次接駁盒同樣可以采用類似主接駁盒的金字塔形結(jié)構(gòu)。

圖7 次接駁盒

圖8 次接駁盒電子艙

4.3 防腐蝕技術(shù)

水下信息傳輸網(wǎng)的設(shè)計(jì)使用壽命一般長(zhǎng)達(dá)幾十年（25年以上）。由于海洋環(huán)境的強(qiáng)腐蝕性，結(jié)構(gòu)件的防腐性能對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命影響非常大。海洋環(huán)境常用的長(zhǎng)期防腐手段有以下幾種。

4.3.1 采用耐腐蝕材料制作

一般的金屬材料在海水中的腐蝕速度都比陸地上快，而海水對(duì)金屬的腐蝕主要有電化學(xué)腐蝕和生物腐蝕兩類。為保證設(shè)備的壽命，在設(shè)計(jì)和制造水下設(shè)備時(shí)，應(yīng)采用合理的耐腐蝕材料。一方面要滿足相應(yīng)的耐腐蝕性能要求，另一方面要考慮造價(jià)和成本。通過(guò)與海纜廠家的溝通咨詢，海纜分支器等常規(guī)水下部件通常采用316L或鈦合金等防腐材料制作。

4.3.2 采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)

水下接駁設(shè)備多為金屬材料，而用電設(shè)備大多存在于接駁設(shè)備中。而海水屬于電解質(zhì)溶液，容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年累月的積累，器件必然會(huì)被腐蝕。因此，一般采用犧牲陽(yáng)極的保護(hù)方法，通過(guò)在岸基設(shè)置還原性更強(qiáng)、更活躍的陽(yáng)極金屬，與水下設(shè)備金屬之間組成回路，采用負(fù)電壓的輸電方式，定期對(duì)岸站陽(yáng)極進(jìn)行檢查替換，最終起到保護(hù)設(shè)備的作用。

4.3.3 表面防腐處理

在設(shè)備安裝完畢后，在正式布放到水下前，應(yīng)該再對(duì)整個(gè)接駁設(shè)備做一次防腐處理。采用涂抹、噴刷和電鍍等多種方式，在表面覆蓋一層具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性的金屬材料或者非金屬材料，增強(qiáng)防腐性能。需注意，使用的連接螺栓、螺母和墊圈等標(biāo)準(zhǔn)件，都需要進(jìn)行表面處理。

4.4 水下濕插拔技術(shù)

水下濕插拔技術(shù)指的是將器件暴露在海水環(huán)境下仍然可以進(jìn)行正常插拔、連接而不影響設(shè)備工作的技術(shù)。如果在主接駁盒、次接駁盒或者次接駁盒與觀測(cè)設(shè)備之間采用水下濕插拔連接器，便可以借助潛水員（淺海）或ROV（深海）進(jìn)行水下施工，可以方便地實(shí)現(xiàn)主接駁盒分離段的打撈維護(hù)和觀測(cè)設(shè)備的更換、維護(hù)。圖9為水下濕插拔連接器。

圖9 水下濕插拔連接器

5 水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)

5.1 線路監(jiān)控技術(shù)

線路監(jiān)控技術(shù)主要是對(duì)水下信息傳輸網(wǎng)的傳輸線路即海底光電復(fù)合纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一般由RTU（遠(yuǎn)程測(cè)試單元）監(jiān)測(cè)設(shè)備配合快速故障定位軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

RTU監(jiān)測(cè)設(shè)備由內(nèi)嵌的OTDR（光時(shí)域反射儀）和光開(kāi)關(guān)組成。根據(jù)選配不同功率的內(nèi)嵌OTDR，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的測(cè)量距離和定位精度。根據(jù)選配不同通道數(shù)量的光開(kāi)關(guān)，支持具有不同規(guī)模的光纜網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。RTU設(shè)備中包含的光時(shí)域反射儀（OTDR），將測(cè)試光通過(guò)光開(kāi)關(guān)耦合到被測(cè)光纖中，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的OTDR測(cè)試結(jié)果與參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定性能指標(biāo)是否有變化。另一方面，通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的原始數(shù)據(jù)分析對(duì)比光纖測(cè)試波形的變化，判斷光纖品質(zhì)的劣化并預(yù)估光纜的壽命，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患或在故障發(fā)生后精確定位故障點(diǎn)位置。

5.2 供電系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)

供電系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)主要用于對(duì)全網(wǎng)供配電系統(tǒng)的工作狀態(tài)、故障情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。需要檢測(cè)的各個(gè)環(huán)節(jié)主要包括：高壓電源艙的輸入電壓和電流、輸出電壓和電流，低壓電源艙的輸入電壓和電流、各個(gè)觀測(cè)設(shè)備的工作電壓和電流。通過(guò)對(duì)高低壓電源艙輸入電壓、電流和輸出電壓、電流值的檢測(cè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電源轉(zhuǎn)換模塊的工作狀態(tài)。通過(guò)對(duì)觀測(cè)設(shè)備工作電壓和電流的檢測(cè)，可以了解探測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)，如出現(xiàn)故障可及時(shí)進(jìn)行隔離。

水下裝備采用濕插拔連接器與觀測(cè)設(shè)備連接。大功率觀測(cè)設(shè)備的啟動(dòng)和關(guān)閉，易出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓故障。探測(cè)設(shè)備內(nèi)部、海纜和濕插拔連接器絕緣等級(jí)的下降，易造成接地故障。通過(guò)電能檢測(cè)管理，對(duì)接駁盒內(nèi)部電壓、電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)流故障、過(guò)壓故障和接地故障的識(shí)別，便于及時(shí)處理故障，降低故障的危害。

5.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)備監(jiān)控技術(shù)

溫度監(jiān)測(cè)。溫度監(jiān)測(cè)主要采用常用的熱敏電阻傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備溫度的監(jiān)測(cè)。熱敏電阻對(duì)溫度敏感，其阻值會(huì)隨著外界環(huán)境溫度的變化發(fā)生相應(yīng)的改變，圖10為常見(jiàn)的熱敏電阻。通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)可實(shí)時(shí)對(duì)觸摸不到的水下設(shè)備進(jìn)行工作狀態(tài)的監(jiān)視與控制。當(dāng)監(jiān)測(cè)到溫度出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)馬上向岸基管理系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警指令信息。岸基可根據(jù)實(shí)際情況，人為下達(dá)控制指令信息。另外，應(yīng)設(shè)定溫度紅線。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)重大故障或工作溫度過(guò)高時(shí)，水下設(shè)備可依靠自身的保護(hù)措施做出斷電等保護(hù)操作，從而保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的安全。

圖10 熱敏電阻

漏水監(jiān)測(cè)。為隔離水下環(huán)境，水下設(shè)備多采用防水密封設(shè)計(jì)。但是，一方面是不能保證防水密封的可靠性，另一方面由于水下情況復(fù)雜，設(shè)備在水下會(huì)受到泥石流、地震和生物活動(dòng)等現(xiàn)象的影響，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)松動(dòng)等情況的發(fā)生。因此，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備實(shí)行漏水監(jiān)測(cè)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到漏水情況時(shí)，迅速切斷相關(guān)的供電電路，同時(shí)向岸基站發(fā)送報(bào)警信息，從而盡量減少艙體內(nèi)部設(shè)備的損壞，防止對(duì)整個(gè)水下信息傳輸網(wǎng)產(chǎn)生影響和破壞。圖11為漏水監(jiān)測(cè)的電路原理。

圖11 漏水監(jiān)測(cè)電路

深度監(jiān)測(cè)。對(duì)水下節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行深度監(jiān)測(cè)，一方面可以監(jiān)測(cè)其在水下的狀態(tài)是否發(fā)生改變，另一方面是在施工和維護(hù)時(shí)可以方便定位到設(shè)備的位置。深度傳感器的選取也要考慮到海洋環(huán)境的特殊性，不僅要防水密封、耐高壓，而且要具備耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)描述了水下信息傳輸網(wǎng)的總體架構(gòu)，從信息傳輸與接入技術(shù)、遠(yuǎn)程供電技術(shù)、水下接駁技術(shù)和水下網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)四個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析研究，為水下信息傳輸網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了依據(jù)和理論借鑒。

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