基于水介質導電特性的水下信號傳輸方法及應用

梁奇兵, 吳 飛, 施黎明, 趙海瀟

基于水介質導電特性的水下信號傳輸方法及應用

梁奇兵, 吳 飛, 施黎明, 趙海瀟

(昆明五威科工貿有限公司, 云南 昆明, 650000)

為了在注滿水的金屬容器內外之間實現近距離無線信號傳輸, 文中提出了一種利用水介質導電特性進行水下信號傳輸的方法。首先分析了基于水介質導電特性進行信號傳輸的理論模型, 在此基礎上設計了一套通信系統, 并搭建了試驗測試系統, 驗證了此種無線信號傳輸方法的可行性。在試驗條件下, 電極相距40 cm內可以9.6 kbit/s的傳輸速率無誤碼傳輸信號。文中所提方法及系統可實現水下航行器內部測控系統和發射管外部通信控制系統間數據和指令的無線傳輸, 提高試驗效率。

水下航行器; 信號傳輸; 無線通信; 水介質; 導電特性

0 引言

大深度模擬水深試驗設施可為多種水下航行器發射試驗提供模擬大深度水深的試驗環境, 可利用其開展諸多水下航行器發射裝置研發過程中必不可少的相關試驗, 對實現水下航行器發射系統大深度發射起著至關重要的作用[1]。在水下航行器的研發測試階段, 水下航行器中的內部測控系統能實時記錄水下航行器發射和運行過程中內外環境參數(加速度、偏轉角、速度、位移和外液壓力)[2], 試驗中時常需要對水下航行器發射出管運動參數進行快速回放, 通過這些試驗數據, 科研人員能進一步分析和掌握發射裝置和水下航行器各方面性能。然而如何快速獲取水下航行器內部測控系統中采集存儲的試驗數據成為工作人員頭疼的問題, 目前的做法是通過有線電纜回放試驗數據, 這一方式往往要在發射管艙蓋上開孔或者每次泄壓排水打開艙蓋。艙蓋開孔存在漏水的問題, 且有線電纜多次反復拖拉會降低使用壽命和信號傳輸可靠性; 而每次泄壓排水打開艙蓋也是一個繁瑣且耗時的過程, 不利于多次重復試驗, 大大增加了操作人員的工作量, 降低了試驗效率。

項目研究人員通過對一種水下無線信號傳輸方式的研究[3], 實現了對現有大深度模擬水深試驗設施水下發射試驗中獲取測試數據方式的改進, 從而提高了試驗效率。目前水下無線通信方式主要包括水下電磁波通信、水聲通信和水下光通信, 他們具有不同的特性及應用場合。無線電磁波[4]在海水中衰減嚴重, 頻率越高衰減越大, 低頻長波無線電波水下試驗可達6~8 m的通信距離, 30~300 Hz的超低頻電磁波水下通信距離可達100 m, 但發射功率大, 需要很長的天線[5]。水下電流場通信[6]是一種新型的水下電磁波通信方式, 采用電偶極子板對收發信息, 通過海水中交變電流場實現信號傳輸, 適用于水下近距離傳輸, 但發射電偶極子板和接收電偶極子板安裝相對位置具有嚴格的要求, 信號發射和接收具有較強的方向性。水聲通信[7]無疑是目前運用最廣泛的水下無線通信方式, 已廣泛應用于水下通信、傳感、探測、導航和定位等領域。聲波在水下傳輸信號衰減小, 傳輸距離遠, 通信距離可覆蓋幾百米至幾十千米, 但傳輸速率低, 適用于溫度穩定的開闊水域。水下光通信技術[8]利用激光載波傳輸信息, 通常采用藍綠激光[9]作為載波, 具有較高的傳輸速率, 在超近距離下, 傳輸速率可達100 Mbps級, 但水下藍綠激光通信應用于淺水近距離通信存在固有困難, 易受水中懸浮顆粒及浮游生物散射影響, 高精度瞄準和實時跟蹤困難。

由于大深度模擬水深試驗設施發射管內空間狹小且為密閉高壓的金屬倉, 應用現有常規水下無線通信方式存在諸多問題。無線電磁波通信發射功率大, 需要長天線, 空間受限; 水下電流場通信發射電偶極子和接收電偶極子安裝位置有嚴格的要求, 直接影響通信質量; 水聲通信更適合于長距離無遮擋的開闊水域使用, 在這種較狹窄的金屬水倉中, 超聲波極易反射和形成駐波干擾, 且傳輸速率低; 水下光通信易受散射影響, 要求光束對準精度高。因此, 應用現有水下無線通信技術難以實現水下航行器和水下發射管無線信號傳輸。

文中提出了一種利用水介質導電特性進行水下無線信號傳輸的方法, 用于大深度模擬水深試驗設施發射管外部通信控制系統與水下航行器內部測控系統間進行無線信號傳輸。

1 信號傳輸原理

利用水介質導電特性進行水下無線信號傳輸示意圖如圖1所示。信號發送/接收模塊M通過信號電纜C連接到伸入水中的電極E, 信號發送/接收模塊M通過信號電纜C連接到伸入水中的電極E,M和M均通過共地電纜與金屬容器殼體共地,E和E與金屬容器殼體絕緣,M和M之間利用水介質的導電特性可實現半雙工無線信號通信。

圖1 基于水介質導電特性的水下信號傳輸示意圖

水介質是一種導體, 導體具有電阻特性, 對水介質施加一定電壓, 水介質中便有電流流過, 在不同位置便形成不同的電壓差, 因此利用水介質導電特性進行信號傳輸的理論模型如圖2所示。經過調制加載數據信息的載波輸入信號V接入到由導電水介質形成的電阻陣上, 便產生了電流, 同時形成不同電壓差, 通過在電阻陣的某一特定位置引出輸出信號V, 再對V進一步后續濾波、放大和解調處理, 可得到傳輸的原始數據信息, 從而實現水下無線信號傳輸。其中V的大小與流過水介質導體的電流和分壓電阻的大小有關。水介質中發射電極和接收電極相距越遠, 輸出端分壓電阻越小,V越小, 因此可通過增大輸入驅動電流提高通信距離。

圖2 基于水介質導電特性的水下信號傳輸理論模型

2 信號傳輸實現方法及系統

根據信號傳輸原理可知, 基于水介質導電特性的水下信號傳輸系統與數字通信系統原理基本一致[10]。首先需要將待傳輸的數據信號加載到載波信號上, 載波信號沿著電纜和水介質傳輸, 最終被接收端接收并從載波信號上分離出傳輸的數據信號, 從而實現信號傳輸功能?；谒橘|導電特性的水下信號傳輸系統主要由發射電路、接收電路和收發一體電極組成, 系統框圖如圖3所示。

圖3 基于水介質導電特性的水下信號傳輸系統框圖

發射電路部分主要由晶體振蕩電路、單片機控制的分頻電路、波形變換電路、濾波電路和放大驅動電路組成。高頻載波信號由晶體振蕩電路產生, 并通過分頻器降頻處理, 個人計算機(per- sonal computer, PC)中待發送的數據通過RS-232串口發送到單片機。單片機接收到數據信號并通過異步串行(universal asynchronous receiver/trans- mitter, UART)通信串口的數據發送端(transmit data, TXD)輸出到可控分頻器控制端口。通過數據信號高低電平可有效控制分頻器分頻信號輸出情況。當分頻器控制端口為高電平, 分頻器輸出端口有分頻信號輸出; 當分頻器控制端口為低電平, 分頻器輸出端口無信號輸出。即數據信息和載波信號疊加的過程中, 數據信號高電平對應有分頻信號輸出, 數據信號低電平對應無分頻信號輸出, 從而將數據信息加載到高頻載波上。加載數據信息的調制波信號經過后續波形變換電路、濾波和放大驅動電路, 最終由電極接入到水介質導體中, 實現信號的發送。

接收電路部分主要由前置放大電路、濾波電路、后置放大電路和檢波電路組成。接收電極接收到微弱調制波信號后, 首先需要經過放大和濾波處理后進入檢波電路。檢波電路對接收的調制波信號具有選頻功能, 并將接收的調制波信號幅值與設定閾值進行比較。當調制波信號幅值高于設定閾值, 檢波電路輸出高電平; 當調制波信號幅值低于設定閾值, 檢波電路輸出低電平, 從而實現調制波信號解調功能, 還原得到原始傳輸的數據信號, 并通過單片機串口發送到PC機, 最終實現數據信息接收。收發一體化電極分時用于發射和接收水中傳輸信號, 可交替工作, 具備半雙工通信功能。該系統采用發射電路和接收電路雙頻工作模式, 可有效避免發射和接收串擾問題。

為了驗證基于水介質導電特性的水下信號傳輸系統的可行性和性能, 搭建了相應的水下無線信號傳輸試驗測試系統, 如圖4所示。

圖4 基于水介質導電特性的水下信號傳輸試驗系統

金屬圓柱體水倉體積為50 cm×80 cm, 倉內滿水, 金屬倉體兩端面均設有電極安裝孔, 用于將電極E和E固定安裝到金屬倉端面殼體上。電極采用硬質單芯銅線, 長50 cm, 并與金屬倉殼體絕緣, 兩電極一端穿過電極安裝孔伸入到金屬倉內導電水介質中, 另一端通過信號電纜連接到通信模塊信號輸入和輸出口上, 硬質銅線電極伸入水中的長度可通過推拉銅線電極調節。

試驗系統使用M和M共2套信號發送/接收模塊,M通過RS-232串口與PC機相連, 各通信模塊通過共地電纜焊接到金屬倉殼體上, 實現通信模塊與金屬倉殼體共地。

試驗中M發送端將PC機發送過來的字符串數據不間斷地通過信號電纜C和電極E發送到水介質中, 一次發送一幀, 每一幀包括64 bit的字符串信息, 以及頭字符“ # ”和結束字符“！”; 水中傳輸的數據信息沿電極E和信號電纜C傳輸到M,M接收端檢測到頭字符“ # ”時開始接收并存儲數據, 當字符個數達到64, 且接收到結束字符“！”后停止數據接收跳出接收中斷, 并將接收的數據再通過M發送端回傳到水介質中,M接收數據并校驗正確后通過串口發送到PC機, 從而實現了數據信息半雙工通信, 通過多次數據傳輸試驗發現, 當兩電極端部相距40 cm以內時, 該系統在9.6 kbit/s的傳輸速率下, 可實現無誤碼信號穩定傳輸。

3 試驗測試與分析

將以上基于水介質導電特性的水下無線信號傳輸系統嵌入大深度模擬水深發射試驗設施水下發射裝置中, 可實現發射管外部通信控制系統與水下航行器內部測控系統數據和指令等信號的無線傳輸, 如圖5所示。

該系統包括嵌入外部信號發送/接收模塊的外部通信控制系統、外部信號電纜、外部電極、注滿水介質的發射管、水下航行器、內部電極、內部信號電纜、嵌入內部信號發送/接收模塊的內部測控系統, 共地電纜、導電拖鏈和鋼絲拉繩組成。其中, 外部通信控制系統的信號發射/接收模塊接口通過外部電纜連接到安裝在發射管靠近艙蓋尾端殼體上的外部電極, 外部通信控制系統通過共地電纜與發射管殼體共地; 內部測控系統的信號發射/接收模塊接口通過內部信號電纜連接到安裝在水下航行器尾端殼體上的內部電極, 水下航行器通過導電拖鏈與發射管殼體共地, 電極均采用收/發共用一體化結構設計, 分時用于發射和接收信號, 具備半雙工信號傳輸功能, 外部鋼絲拉繩穿過發射管尾端艙蓋通孔固定到水下航行器尾端。發射試驗結束后, 首先通過鋼絲拉繩將水下航行器拉回到發射起始位置, 確保水下航行器殼體上電極和發射管殼體上電極間距在可靠信號傳輸范圍內(≤40 cm), 由外部通信控制系統通過外部電極將試驗數據回傳指令接入到導電水介質中, 內部電極接收到指令后, 由內部測控系統將實時采集存儲的發射過程內彈道數據(加速度、偏轉角、速度、位移和外液壓力)加載到高頻載波信號上, 并通過內部電極連接到導電水介質中, 進而外部通信控制系統通過信號接收模塊將信號檢波、解調處理, 恢復出原始采集數據, 實現試驗數據回傳, 從而可實現大深度模擬水深發射裝置內外系統間指令和數據無線傳輸功能。

圖5 大深度模擬水深試驗設施水下發射裝置無線信號傳輸示意圖

圖6顯示了采用大深度模擬水深發射試驗設施水下發射裝置無線信號傳輸試驗系統獲取的水下航行器發射出管運動過程中內部測控系統記錄的軸向加速度、速度和位移數據, 3次測試結果基本重合, 試驗用水下航行器發射出管運動最大加速度達3.6, 最大速度達14.9 m/s, 最大位移達18.7 m。測試結果與真實值一致, 從而有效驗證了該信號傳輸系統的可靠性和準確性, 且大大提高了試驗測試效率。

圖6 水下航行器發射出管運動軸向加速度、速度和位移曲線

要實現該試驗系統信號可靠傳輸, 需確保水下航行器與發射管殼體間共地的導電拖鏈接觸良好, 盡量減小共地電阻, 同時需確保外部電極和內部電極間距在要求范圍內。

4 結束語

文中介紹了一種利用水介質導電特性進行水下信號傳輸的方法, 分析了其理論模型, 并以此為基礎設計了基于水介質導電特性進行水下無線信號傳輸的通信系統, 并進行了無線信號傳輸試驗驗證。在試驗條件下, 可實現40 cm范圍內以9.6 kbit/s的傳輸速率無誤碼傳輸信號。最后將該系統成功應用到大深度模擬水深試驗設施水下發射裝置上, 實現了水下航行器內部測控系統和發射管外部通信控制系統間數據和指令的無線傳輸, 大大提高了試驗測試效率, 解決了實際工程應用問題。未來還應從2個方面開展研究: 一是增加通信距離, 實現更大范圍的數據傳輸; 二是進一步降低功耗和提高通信速率及可靠性。

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(責任編輯: 許 妍)

Underwater Signal Transmission Method and Application Based on Conductivity of Water Medium

LIANG Qi-bing, WU Fei, SHI Li-ming, ZHAO Hai-xiao

(Kunming Wuwei Technology Engineering & Trade Co. Ltd, Kunming 650000, China)

To realize short-range wireless signal transmission between the inside and outside of a sealed metal container filled with water, a method for underwater signal transmission using conductivity of water medium is proposed. Firstly, the theoretical model of signal transmission based on conductivity of water medium is analyzed. Then, a communication system based on conductivity of water medium is designed for underwater wireless signal transmission, and a test system is built to verify the reliability of this wireless signal transmission method. Under the testing condition, the electrodes can transmit signals without error at a transmission rate of 9.6 kbit/s when their spacing is within 40 cm. The proposed method and system can realize wireless transmission of data and instructions between the internal navigation control system and the external communication control system of launch tube, and ultimately improve test efficiency.

underwater vehicle; signal transmission; wireless communication; water medium; conductivity

TJ635;TN929.3

A

2096-3920(2019)06-0711-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.016

2018-12-06;

2019-01-04.

梁奇兵(1988-), 男, 碩士, 工程師, 主要從事水下運載器及通信裝置研發.

梁奇兵, 吳飛, 施黎明, 等. 基于水介質導電特性的水下信號傳輸方法及應用[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(6): 711-715.