（测试计量技术及仪器专业论文）感应耦合数据传输技术及其在海洋领域的应用研究.pdf

要 “小型多参数海洋环境监测浮标”、“实时传输潜标”是国家“十五”期间高科技 研究发展计划( 8 6 3 计划) 在海洋监测领域的重要项目，其中感应耦合数据传输 技术被列为这些项目的关键技术。此项技术的研究成果，将极大地提升我国海洋 浮标、潜标观测系统对海洋剖面实时监测的能力和水平。 论文阐述了感应耦合数据传输技术及其在海洋监测领域中的应用原理，对影 响数据传输的几个关键因素进行了深入地分析，并通过实验室及海上试验对分析 的结果进行了验证；结合当前国内海洋监测浮标、潜标的技术水平、特点和实际 需求，研制了用于浮标观测系统进行海洋剖面实时观测的感应耦合数据传输温盐 深链；海上试验结果表明，感应耦合数据传输系统工作可靠。 关键词：感应耦合数据传输浮标温盐链潜标 a b s t r a c t “t h em i n ia n dm u l t i p a r a m e t e rs e a a n do c e a ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g b u o v ， a n d “r e a l t i m et r a n s m i s s i o nm o o r e ds u b s u r f a c eb u o ys y s t e m ，a r et h ek e yp r o j e c t si n t h eo c e a n 。m o n i t o r i n gf i e l do f p l a nf o rt h en a t i o n a ld e v e l o p m e n to fh i g ht e c h n o i o g y d u r i n g “t h et e n t h5 - y e a r ( 8 6 3 ) t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ep r o j e c t si sh o wt or e a l i z e t h ei n d u c t i v ec o u p l i n gd a t at r a n s m i s s i o n t h ea p p l i c a t i o no f t h i sn e w t e c h n o l o g yw i l l g r e a t l yi m p r o v et h ea b i l i t yo fr e a l t i m em o n i t o r i n gt h eo c e a ns e c t i o ni nb u o va n d s u b s u r f a c eb u o ys y s t e m t h ep r i n c i p l ea n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h eo c e a nm o n i t o r i n gf i e l do ft h ei n d u c t i v e c o u p l i n gd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya r ee x p o u n d e di nt h i sp a p e r t h ek e yf a c t o r s a f f e c t i n gt h ed a t at r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e sa r ea n a l y z e d ，a n dt h er e s u i t so ft h e a n a l y s i sh a v eb e e nv e r i f i e db ye x p e r i m e n t si nt h el a ba n di nt h eo c e a n b a s e do nt h e t e c h n o l o g i c a ll e v e l ，f e a t u r ea n dp r a c t i c a ld e m a n do fo c e a n m o n i t o r i n gb u o y sa n d s u b s u r t h c eb u o y s ，t h et e m p e r a t u r es a l m i t ya n dd e p t hc h a i ns y s t e mu s e dt om o n i t o rt i l es e c t i o n o ft h eo c e a ni nr e a l - t i m eb u o yh a sb e e nd e v e l o p e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e i n d u c t i v ec o u p l i n gd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi sr e l i a b l e k e yw o r d ；i n d u c t i v ec o u p l i n gd a t at r a n s m i s s i o n ；m o n i t o r i n gb u o y ；t e m p e r a t u r e s a l i n i t ya n dd e p t hc h a i n ；s u b s u r f a c eb u o y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 增弓 签字日期- 口尸年月二日 u 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 呵弓 签字日期：伊尸年乡月 z ，日 导师签 签字日期： 夕7 年 多月z 日 | 第一章绪论 第一章绪论 1 1 海洋监测浮标和潜标发展概况 海洋浮标技术是伴随着海洋科学的发展，在传统技术的基础上发展起来的 海洋监测新技术。作为一种现代化的海洋观测设施，它具有全天候、全天时稳定 可靠的收集海洋环境资料的能力，并能实现数据的自动采集、自动标识和自动发 送。 海洋浮标，是一个水面观测平台，搭载的观测仪器一般分为水上和水下两部 分，水上部分装有多种气象要素传感器，分别测量风速、风向、气温、气压、湿 度等气象要素；水下部分有多种水文要素传感器，分别测量波浪、海流、潮位、 水温和盐度等海洋水文要素。 各种传感器将采集到的信号，通过仪器自动处理，形成观测物理量数据后， 可与浮标内部的数据记录仪通信，由数据记录仪进行打包处理，然后通过卫星通 信的方式将打包数据传输到地面接收站。地面接收站将收到的信号经过处理后， 就得到了人们所需要的资料。通过对这些资料的掌握，研究海洋环境和气候变化、 预报自然灾害，会给人们的生产和生活带来极大的便利。如知道了海流流向，航 海时便尽可能顺流而行；知道了风暴区域，航海时则可避开绕行；知道了潮位的 异常升高，便可及时防备突发事件。 海洋潜标也是海洋监测浮标的一种，是一种水下观测平台，该系统悬停在海 面几十米以下工作，较少受海面状况的影响，具有隐蔽性高、安全性好的特点， 可以实现长期稳定的工作。主要对海面以下几十米到几千米的剖面上的海流、水 温、盐度、水下噪声、内波等项作长期定点连续监测。和水面浮标观测系统一样， 潜标内部的数据采集器将各类观测传感器监测的数据存于内存中，由于目前国内 使用的大部分潜标观测系统尚无法可靠将数据实时传输到岸站系统，因此一般称 其为自容式潜标观测系统；“十五”及“十一五”8 6 3 以来，中船7 1 0 研究所研制的 “实时传输潜标观测系统”通过定时释放水面卫星通信小浮标的形式，将水下潜标 内存中的观测数据打包后实时传输到岸站接收系统，以此开启了国内“实时传输 潜标”研制的先河。 第一章绪论 1 2 浮标和潜标水下数据传输技术发展现状 随着通讯卫星、无线电和遥感测量等技术的发展，使海洋学领域海洋仪器的 测量数据实现实时、空间长距离的传输成为了可能。一般而言，浮标、潜标观测 平台实时数据的传输路径为：海洋常规观测仪器_ 浮标( 潜标) 数据采集器_ 水 上卫星通信设备岸站( 用户) 接收终端。 通过水上卫星通信设备进行数据传输的空中链路已经有很成熟的通信模块 和技术，如通过海事卫星、北斗通信卫星等完成数据的传输；而将安装于水下不 同深度各海洋通用观测仪器( 温盐传感器、海流计、溶解氧、叶绿素、p h 等) 的数据传输到浮标( 潜标) 数据采集器则是岸站实时获取大洋数据资料的前提条 件。 在水下常规观测仪器与浮标( 潜标) 数据采集器的通讯中，数据的传输方式 可分为有线传输和无线传输。有缆式温盐深传感器( c o n d u c t i v i t yt e m p e r a t u r ea n d d e p t h 简称c t d ) 即为典型的有缆传输一通过多芯水密电缆连接传感器进行通 信；而利用水声原理进行数据传输则为典型的无线传输，数据传输距离和速度均 有一定条件限制，同时数据传输的质量和海况有关，如声谱仪等声学仪器；本文 论述的感应耦合数据传输技术结合浮标、潜标观测系统的特点，利用系泊系统锄 作为数据传输环节的一部分，不同深度配挂的多台水下常规观测仪器组成的海洋 剖面观测系统无需水密电缆连接即能完成与浮体中数据采集器的通信。 国际上利用水面浮标测量水下剖面参数进行科学调查最初采用自容式罾传感 器或采用电缆传输两种方式，如挪威a a n d e r a a 公司于1 9 9 1 年生产的5 - 4 0 0 m 悬挂式温度链l l j ，每根链有1 2 个探头，可方便串接进行温度剖面测量，但由于 其记录器是全自容式，因此不能现场给出记录，难以实时监视；挪威o c e a n o r 公司s e a w a t c h 系统的t o b i s 浮标和世界上规模最大的绷紧式锚泊浮标观测系 统由美国、法国、日本、韩国和台湾合作布设的“热带海洋大气阵列”( t a o ) 中的a t l a s 浮标就采用电缆传输式的温盐链，链上的各个温盐深传感器通过多 芯电缆镏化接头，可以实时进行监测，但由于镏化接头位置按照预先设计相对固 定，因此其链的长度和传感器安装的位置受到了限制p j ；9 0 年代以后，在新一代 a t l a s 浮标上开始采用感应耦合式数据传输技术，水下感应式温盐传感器模块 在布放时固定在锚系预定位置上，由于不需要用多芯电缆进行水密连接而能实时 获取温盐剖面数据，从而使结构设计和浮标布放操作都更为简化；如美国“百慕 大试验站锚泊系统”( b t m ) 中使用的所有水下仪器，测量数据都通过感应式调 制解调器耦合，利用一根单芯的、公共的锚泊缆绳实时传送给海面浮标。国外仪 器公司在此方面已有商业化产品，s e a b i r d 公司的s b e 3 7 i m 和s b e 4 4 i m 就是利 2 第一章绪论 用感应耦合数据传输技术进行温盐剖面测量和数据传输的水下模块单元【2 】。感应 耦合数据传输技术是利用浮标现有条件、特点进行多台水下观测仪器数据传输的 一种简单、有效、经济、可靠的方法。 潜标作为海洋水下调查平台，是一种很有效的获取海洋资料的手段，因其隐 蔽性高、安全性好，在海洋环境监测中被广泛使用。一般分为悬浮式潜标、浅海 坐底式潜标两种。目前国内使用的潜标观测系统基本上都是以自容方式来获取数 据为主。美国伍兹霍尔海洋研究所( w h o i ) 正在研制准实时传输的潜标测量系 统，实现方法是将潜标测量数据采用感应耦合数据传输技术直接传输给水面通讯 浮标，再通过卫星发射到岸站；国外亦有采用水声通讯技术，将水下数据传输到 水上的数据采集器后，由卫星发射到岸站的相关报道。 国内潜标技术已经具有一定基础，但和海洋技术发达的欧美日国家相比还存 在较大的差距，而在潜标测量数据实时传输技术方面尚处于起步阶段。通过“十 五”、“十一五”8 6 3 的联合公关，中船7 1 0 研究所和国家海洋技术中心研制的实时 传输潜标观测系统历经数次海试，在某些关键技术上取得了突破。该观测系统中 将10 0 0 米水深自容式r c m 9 多参数海流计的数据以感应耦合数据传输的方式实 时发送到2 0 0 米水深潜标主浮体的数据采集器中，同时从潜标主浮体上定时释放 水面卫星通信小浮标的方式，向岸站接收系统实时传输观测数据，以此实现潜标 观测系统的多要素实时观测及数据传输功能。 1 3 感应耦合数据传输技术研究内容和目标 本文的主要研究内容是设计研制新型的适合于浮标和实时传输潜标观测系 统使用的感应耦合数据传输模块及相应的海洋常规观测仪器。主要包含以下两个 方面： l 、研制现有水面浮标系统适用的感应耦合数据传输式温盐深链，实现水面 浮标观测系统对海洋温盐剖面的实时观测。 2 、结合潜标结构特点，研制潜标用感应数传仪。实现1 0 0 0 米水下的挪威 a a n d e r a ar c m 9 海流计自容式数据利用系留塑包钢缆，用感应耦合传输模 块实时传输到水深2 0 0 米的潜标主浮体中。 通过对感应耦合数据传输技术的研究，所要实现的目标是： 1 、解决以往国内大、小浮标和海洋潜标水下常规观测仪器的资料数据只能 存储不能实时传输的问题，并通过这项技术的发展，促进形成我国多层、多参数 浮标实时立体观测网。 2 、完成我国实时传输潜标水下自容式海流计数据资料的实时传输。 第一章绪论 3 、提高感应耦合数据传输模块通用性、兼容性，以适应复杂条件下海洋浮 标和潜标观测系统的使用，并与部分海洋常规观测仪器建立兼容的接口和协议， 形成一定的标准。 系泊系统：用于固定浮标、潜标等浮体，通常由塑包钢丝绳、玻璃浮球、转环、释放器、锚链、锚组成。 自容式：英译自“s e l f - c o n t a i n e d ，特指海洋常规监测中自带电池、自主工作但无法实时直读数据的海洋仪 器。 4 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 2 1 感应耦合数据传输技术特点 现在海洋常规调查中大量使用的温盐深测量仪( 下简称：c t d 测量仪) ，大 多为自容工作方式，其观测数据一般均通过水密多芯电缆连接进行传输。国际上 广泛使用的c t d 如美国s e a b i r d 公司的s b e 3 7 s i 、美国f s i 公司的m c t d 3 、加 拿大r b r 公司的x r 4 2 0 均能满足高精度、宽水深范围的长期定点自主观测， 观测数据自动处理后存储于仪器内部的大容量芯片中，仪器出水后连接数据线由 用户软件回放历史数据；这类c t d 仪器通过多芯水密电缆连接匹配的通信接口 ( r s 2 3 2 4 8 5 ) 、依据相应的通信协议也能实现对传感器进行实时控制。 但是实际使用中，像这类自容的海洋常规观测仪器若想实现观测数据实时传 输存在一定的局限性。例如，若干自容式c t d 测量仪器布放在海洋同一剖面不 同的水深位置以长期监测海洋剖面的温盐变化，如图2 1 所示。 图2 - 1温盐链安装结构示意图 如想利用水面浮标内的数据采集器对缆线上的各台c t 或c t d ( 多台c t d 组成温盐深链可测量海洋剖面) 进行控制、实时测量数据，并由水面浮标上的卫 星通信设备实时传送到岸站接收终端，这种情况下对温盐链的实时测控如果采用 传统的电缆传输的方式【4 】【5 】【2 0 1 ，比如利用多芯水密电缆以r s 4 8 5 ( 可以只用两根 通信线，减小芯线及电缆体积，同时降低成本) 通信寻址依次对水密电缆上的每 台c t 或c t d 进行实时监测，则在每台c t d 测量仪事先预定的安装部位水密电 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 缆必须分出支岔与仪器连接，这样就要求电缆与仪器的接口连接可靠水密，同时 电缆自身及其分岔处也要做好水密及海洋防腐处理，如此将会使整条特殊设计、 制作的水密电缆和c t d 测量仪一旦连好就不易改动测量仪的位置，而且一旦某 个分叉处水密不好导致短路或断路，整个温盐深观测链将无法实时监测。此外， 多芯水密电缆如何水密、可靠连接入浮标内部的数据采集器，电缆为防被拉断( 国 内浮标系泊结构中一般拉力在数吨以上) 浮标系泊结构中必须有复杂的保护措 施、海上浮标施放的安全性等等，这些都将是采用电缆连接带来的可靠性问题， 随着所需配挂仪器的增多，特殊制作的多芯水密电缆的造价也将非常昂贵。 本文介绍的感应耦合数据传输技术只需利用浮标系泊系统中用的普通塑包 钢缆就可以完成数据实时传输，塑包钢缆的破断力可根据要求达到数吨到数十 吨，无需水密连接及其它复杂的保护措施就能方便连接入浮标观测系统，从而大 大降低传输介质的造价；此外，c t d 测量仪与传送数据的塑包钢缆无直接连接， 而是将塑包钢缆放入对接的两部分信号耦合磁环内，所以装拆非常方便，不需要 对钢缆破口进行直接的水密电气连接，对钢缆无任何损坏，因此在测量剖面里可 以任意增减传感器，且安装位置可任意更换。这些都是电缆水密连接数据传输方 式做不到的；由于该传输方式无任何直接电气连接，在传感器链( 如温盐深链) 的实时监测上，其可靠性和造价明显优于电缆水密连接的传输方式。 2 2 感应耦合数据传输技术原理 感应耦合数据传输的原理相当于两个变压器，水下每台仪器的数据信息通过 载波加到一个水下圆形磁环的初级绕组上。靠近水表面也有一圆形磁环，磁环上 也有一绕组，绕组两端与水上数据终端相连。带有塑料绝缘层的系泊钢缆穿过所 有圆形磁环的内孔，钢缆的两端有很小一段为裸露的钢缆，这样两端裸露的钢缆 和海水一起构成一个单匝回路，形成了图2 2 的结构示意图和图2 3 的电路原理 图及等效电路。 f 图2 - 2 感应耦合数据传输技术结构示意图 6 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 在图2 3 的电路原理图及等效电路中，水下常规仪器( 如c t d 等传感器) 磁 环t l 的初级绕组被载有测量数据的载波信号蜀所激励，则在钢缆与海水串联构 成的单匝回路中感应出电流。该电流又在水上接收终端磁环t 2 上的次级绕组上 感应出电动势岛，局送到水上终端进行解调以获得水下送来的数据【8 】o = m 1 2m z 3 l 1 l 2 r l2l3 t l 图2 - 3感应耦合传输电原理图及等效电路 设负载勘- + 无穷大， 令 z l = j g o l l z 2 = r + c o ( l 2 + t ) m 1 2 = 4 z l 厶 m ：，3 - 厶厶= 扛万 可以得到下面三个回路方程： e ，= i l x z l + j c o m l 2 1 2 j g _ o m l 2 ，l + 1 2 x z 2 = 0 e o = j o g m 2 3 1 2 解联立方程( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 得： ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) i 。= 一竺弩丝一p 触击 ( 2 - 8 ) d n 一产o = = = = = = = = = = = = g 。” u 厄尺2 + 国2l 2 2 。 式中： 、厶、厶分别为t 】初级绕组电感、单匝回路电感、t 2 的次级绕组电感。 易为激励信号电压。r 为钢缆电阻和海水电阻之和。由于塑包钢缆与海水构成的 单匝回路电感厶很难做得较大，可以暂略不计。则从公式( 2 8 ) 可以看出，载 波疡的振幅与蜀、厶成正比，与三j 、尺成反比。局的相位与犬、载波频率国以 7 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 及厶有关。这说明载有数据信息的载波信号从水下发出通过两次耦合传到水上， 载波信号的振幅改变了，绝对相位也改变了，因为厶暂略不计，r 是钢缆特征 常量，因此其相移主要是载波频率国的函数，信号失真的强弱决定于r 与c o l 2 的比值，尽可能要求载波信号国大将较好的减小信号失真。 2 3 感应耦合数据传输基本结构的分析 结合在海洋监测浮标系统中应用的感应耦合传输式温盐深链对感应耦合数 据传输技术组成的基本结构进行分析。 2 3 1 感应耦合数据传输结构的选择 图2 2 、2 3 为海洋监测浮标以及实时传输潜标实际中采用的双磁环通信的模 式，感应耦合数据传输中采用了两个磁环，其实用单磁环同样可行。图2 4 即为 单磁环的结构示意图和电原理图。 图2 4 单磁环结构图与电路原理图 可以看出单磁环的形式比双磁环的简易，如果磁环的磁芯磁导率伽足够高 ( 理想状态) ，激励绕组和单匝回路可以构成降压的理想变压器，即满足： 氐2 詈t 一_ 9 )玎，。y j 式中：r 1 为单线圈上的匝数。这种结构在同样历的情况下，容易获得较大的 e d 值。 如前所述，感应耦合数据传输技术利用了变压器的原理，故根据数据传输的 方向，耦合磁环可分成感应耦合数据发送与感应耦合数据接收两部分，根据公式 ( 2 - 8 ) 的表征意义对磁环发送和接收两个部分进行分析： 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 1 、感应耦合数据传输发送部分，磁环为降压变压器，磁环上的初级绕组为 激励绕组，次级绕组为一单匝回路，变压器的降压比为线圈的匝数，在信号幅值、 频率一定的前提下为了在单匝回路上尽可能得到大的感应电动势，初级绕组匝数 应尽可能的少，但匝数少了初级绕组的电感也就小了，这将会加重驱动电路的负 载，从而降低感应电动势的大小，那么在此种匝数少的情况下，应尽可能提高线 圈电感量，可以选择使用高磁导率的磁环，同时考虑增大磁环的截面积，以使线 圈的电感量达到要求；此外，提高感生电动势也可以通过提高互感系数来实现， 但由于次级线圈是一个单匝的信号回路，电感很难做大，因此互感系数不易提高； 还有一种情况是，在信号幅值一定、线圈匝数较少、电感量较小的条件下，可以 通过提高载波信号频率，用这种方法来减轻驱动电路的负载，从而得到较大的感 应电动势。在实际使用中，可将线圈匝数、载波信号频率统筹考虑，使之满足信 号传输的需求。 2 、感应耦合数据传输接收部分，磁环为升压变压器，磁环的初级为钢缆和 海水等效电阻构成的单匝回路，在磁环上绕组为次级绕组，单匝回路的交变电流， 在磁环的次级绕组上产生一感应电动势。该电动势就是发送端来的信号。为使该 电动势尽可能的大，次级的匝数相应多一些为宜。其匝数的确定同样将出现前述 发送中出现的问题。 因此，信号耦合磁环上线圈的匝数比需要讨论，较理想的情况是，在确定载 波信号频率及幅值的情况下，利用感应耦合数据传输技术做双向半双工通信时， 发送和接收的信号耦合磁环都要完成既发送又接收的功能，那么可以在一个磁环 上绕有匝数不同的两个绕组，采用实时开关切换的方法，在发送时使用少匝数的 绕组，在接收时使用多匝数的绕组，可以兼顾不同的要求。 根据单、双磁环和匝数的不同，有三种结构方案并对三种方案进行了模拟测 量。模拟的条件是t 采用铁氧体磁环，发送端的激励信号为方波，振幅为4 v ， 频率为4 0 0 0 h z ；用电阻箱模拟钢缆和海水等效电阻；接收端的信号波形及幅值 由示波器显示。下面分述三种方案的测试方法。 ( a ) 双磁环一单绕组结构方式 收、发共用一耦合磁环，如图2 - 5 所示，磁环的绕组均为8 匝。在4 v 信号 激励情况下，当r = 5 0 0 q 时，v 。只有9 m v 。钢缆与海水组成的回路中信号损耗 很大，接收信号较小。 9 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 图2 - 5 双磁环一单绕组结构原理图 ( b ) x 2 磁环一双绕组结构方式 收、发磁环上均绕有两个绕组即8 匝和5 6 匝，如图2 - 6 所示。在发送时用8 匝，在接收时用5 6 匝。在相同4 v 信号激励情况下，钢缆电阻和海水等效电阻 为5 0 0 f 2 时，接收v o 为8 5 m v 。这比双磁环一单绕组结构方式中接收的信号明显 大了。 图2 6 双磁环一双绕组结构原理图 ( c ) 单磁环一双绕组结构方式 选用单耦合磁环方案，即水下仪器接有信号耦合磁环，水上终端则无信号耦 合磁环，如图2 7 所示。水下仪器来的数据信号经耦合后通过钢缆直接与水上终 端中硬件电路连接。 水下信号耦合磁环上绕有8 匝和5 6 匝两种绕组。水下仪器发送状态时用8 匝，接收状态时用5 6 匝。r = 5 0 0 f 2 ，当水下发送、水上接收情况下，接收信号 v o 为5 0 0 m v 左右。当水上发、水下收时，v o = 5 8 0 m y 。幅值比前述两种结构中 的接收信号要大。 图2 7 单磁环一双绕组结构原理图 1 0 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 从信号接收幅度来说，上面三种结构中单磁环一双绕组应该是最好的方案， 但是较为复杂的是，这种安装方式对海洋观测浮标和潜标的整体结构要求很高， 如图2 8 浅海潜标整体结构配置图所示，整个近1o o 米的系泊系统主要由转环、 塑包钢丝绳、卸扣、吊环、释放器、玻璃球、锚链等组成。为了释放扭矩，让潜 标主浮体能随海流自由转动，在潜标主标体的系泊系统中必须有转环的存在。因 而，若利用系留中的塑包钢缆以单磁环一双绕组进行感应耦合数据传输，则势必 要将塑包钢缆穿入浮标体内，再将钢缆芯与电路进行连接，穿入位置要求绝对的 水密，不能与海水进行接触，否则会引起浮标或潜标的仪器舱进水，破坏整个工 作系统。此种条件下，转环的特殊设计及使用方式在海上现场将带来很大的困难。 在国家现有浮标、潜标技术的前提下，以这种方式完成这项工作几乎是不可能的。 双磁环一双绕组也是能够实现的一种比较理想的感应耦合数据传输结构，但 从磁环的封装上其水密抽头为四根，对磁芯的水密封装工艺提出了一定的要求。 经过权衡利弊，在现有实时传输潜标和浮标观测系统的实际应用中，我们采用了 双磁环一单绕组的结构形式，但对实验参数及后续电路设计进行了调整，使其满 足数据传输的要求。 海面 海底l 兰挪打一 图2 8 浅海潜标整体结构配置图 l l 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 2 3 2 信号耦合磁环选取 感应耦合数据传输技术中磁环是信号耦合部分的主要部件。对于磁性材料来 说，在理想的闭合磁路中，如果漏磁可忽略，可以用有效磁导率来表征磁芯的性 能。这种磁芯的电感量计算一般采用下面的行业公式( 2 1 0 ) 。 l = 4 n m y - 2 a 。1 0 。8 t( 2 1 0 ) 其中： l = 电感量( 以亨为单位) = 磁芯磁导率 n = 匝数 4 = 有效截面面积( 以c m 2 为单位) l = 磁芯磁路长度( 以c m 为单位) 从公式( 2 1 0 ) 中可以看出，线圈电感量的大小主要取决于磁性材料的导磁 率、线圈匝数、有效截面积和磁芯磁路长度等有关因素。下面分别结合感应耦合 传输技术自身在实际中的应用进行分析讨论【埘。 ( a ) 磁性材料：根据传输要求，应该保证尽可能大的电感量，这就要求磁芯的 导磁率应尽量高，如只考虑磁导率高，磁环材料选用非晶态或铍膜合金为宜。 但考虑到现场安装方便，传输用的磁环是两个半圆对接构成的。如图( 2 1 0 ) 为实物磁环照片。这样对于非晶态或铍膜合金的材料而言，由于分半处理后再进 行安装，两半磁环连接处存在气隙，随着气隙的增加导磁率也比原值成指数倍的 下降，这就要求两半圆结合面非常平整、光滑以减小磁阻。但是，铍膜合金和非 晶态材料的半圆结合面难以加工平整，另外两半圆结合处的水密封也难以做到。 根据这两点磁环最终选取软磁铁氧体材料更为合适。虽然其导磁率不高，但材料 可通过加工使光洁度良好，因而大大减小了气隙，在实际应用中效果很好，并且 材料本身为非金属( 与其他材料相比) ，可不被海水腐蚀，在水下应用中也可免 去一些密封环节。 ( b ) 有效截面积：这个面积指的是有效的磁通面积，增大面积可以提高电感量， 但同时面积增大会给结构设计带来不便，所以分半的磁环在安装时应定位准确、 良好接触，保证有效面积的最大。 ( c ) 磁路长度：需要尽可能减小磁路长度，但与有效面积相同，应与结构设计 结合起来考虑，采取一些圆弧工艺减小长度。 ( d ) 线圈匝数：电感量与线圈匝数平方成正比，提高电感量需要提高匝数，但 匝数的提高应根据实际采用的信号频率来确定。 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 2 3 3 磁环绕组封装形式的选择 浮标用感应耦合传输式温盐深链、实时潜标用感应耦合数传仪的通讯是双向 半双工模式，发送和接收的感应耦合磁环都要完成同样的功能，既发送又要接收。 所以发送和接收两方的磁环要求是相同的，为使接收端的信号不至于太小，并满 足远距离传输时获得信号的较大信躁比( s n ) 。根据公式( 2 8 ) 中各参数的性质以 及前面的分析，在实际应用中我们对参数进行了调整，发送和接收磁环的绕组均 为2 0 匝，常压下电感量为1 l m h 左右，选用载波频率为1 9 2 k h z ，根据浮标使 用塑包钢缆的直径和水下仪器水密壳体来最终确定磁环的外部密封结构尺寸。对 于磁环和线圈的封装有两种方式，分别是全密封和半密封方式。这两种密封形式 对数据传输的影响应做试验进行测试。如图2 - 9 所示试验原理图，对绕有线圈的 磁环联入系统后受压情况下的通信性能进行了测试。激励信号为2 4 v 。测试输出 端信号大小及数据误码率。 受压 图2 - 9感应耦合磁环试验原理图 磁环和线圈绕线采用a b s 外壳灌胶封装，在全封闭状态封装下，从常压下 加压到4 0 0 0 米( 用以检测磁性材料在受压情况下的电感量变化) 时，接收端的 信号幅值以及数据传输情况如表2 1 所示。 表2 1 接收电压 实测电感量 数据传输质量 测试条件水静压力 ( m v )( m h ) ( 接收字符误码率) 模拟电阻r = 5 0 0 q01 7 61 1 1无误码 输入信号幅值 _ p = 2 4 v 1 0 0 0 m 水深9 48 6无误码 输入信号频率 产1 9 2 k h z 2 0 0 0 m 水深 7 0 7 1 6无误码 固定字符串调3 0 0 0 m 水深6 06 1 2无误码 数据发送形式制后连续发送 4 0 0 0 m 水深4 85 4 2无误码 1 0 0 0 组 结果表明，在4 0 0 0 米压力范围内，仪器传输正常，无误码。计算零压力与 4 0 0 0 米压力信号衰减比为： 第二章浮标或潜标系统中的感应耦台数据传输技术 p 伸 = 4 8 1 7 6 = o2 7 2 7 改变封装结构，磁环一半和线圈绕线采用a b s 外壳灌胶封装，另一半磁环 裸露，其他试验条件不变情况下，从常压下加压到4 0 0 0 米，数据如表2 - 2 所示。 袁2 - 2 接收电压实测电感量数据传输质晕 测试条件水静压力 ( 接收字符误码率) 模拟电阻无误码 输入信号幅值n 一= 2 4 v1 0 0 0 m 水深 无误码 输入信号频率2 0 0 0 m 水深无误码 固定字符串调3 0 0 0 m 水深 无误码 数据发送形式 制后连续发送 4 0 0 9 m 水深无误码 l0 0 0 组 在4 0 0 0 米压力范围内，仪器传输正常，无误码。计算零压力与4 0 0 0 米压力 信号衰减比为： p 一p 0 _ 8 1 1 7 8 - 04 5 5 从表2 - 1 、表2 - 2 中可以看出：不论哪种封装方法，随着磁环受到水静压力 的增大，其线圈电感量的测值呈不断减小的趋势，因而导致接收到的信号幅值也 不断减小，但几十毫伏的接收信号峰峰值也能够通过后级调整电路正确解码，此 种条件下，是能够满足信号传输要求的。 实测的电感量在两种封装形式下也体现有些许差异，通过两种封装形式的数 据比较，磁芯表面的封装工艺直接影响电感量的大小，磁芯表而被固封得越少， 数据效果越好，电信号越强。所以在最终磁环封装时，对有线圈绕组的半圆磁芯 部分固定后局部封装，无绕组的半圆磁芯只固定，不进行水密封装。封装完好的 磁环实物如图2 一1 0 所示。 圈2 1 0 信号耦旨磁环 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 2 4 相关基础问题的探讨 海水与钢缆构成单匝信号回路的电阻、钢缆与地之间的分布电容等因素会影 响整个传输回路的参数，从而直接影响到信号的传递。下面对此进行一些分析。 2 4 1 海水等效电阻分析 在图2 3 中的月是由钢缆电阻和海水等效电阻串联而成。尺的大小直接影响 到信号噪声比。如果已知r 值，可以在信号处理上加以补偿，以达到一定的信噪 比。钢缆电阻可以直接测出，而海水等效电阻则不易直接测出。 感应耦合数据传输系统中，钢缆两端裸露部分即为电极【1 3 】，海水电阻就是通 过该电极等效为一个单匝信号回路的。当用两电极时，电极之间海水等效电阻计 算公式可写为： h l s k 2 了( 2 1 1 ) c z 。jj 式中： ：两电极之间的距离( c m ) s ，电极的面积( c m 2 ) c ，海水电导率( s c m ) 但公式( 2 1 1 ) 是在理想水柱情况下( 即为水柱长，s 为水柱截面积) 的 正确表达式，否则按公式( 2 1 1 ) 得到的计算值与实际值就会不一致。为了验证 这个概念，在同一容器中测量了不同s 电极的海水等效电阻r 默，并与按公式 ( 2 1 1 ) 计算的电阻r 枞相比较。 试验方法如图2 11 所示。按图2 1l 将两根相同的塑包电缆线同时穿过两个 磁环，一根塑包电缆线的一端放置在容器中海水的表层，并使端面向下；另一端 放置在靠近容器底部的地方并使端面向上，模拟构成一个信号回路。另一根塑包 电缆线的两端接到精密电阻箱两接线柱上。 第二章浮标或潜标系统中的感应耦合数据传输技术 电阻箱 图2 一1 1 海水等效电阻测试方法 模拟测量海水电阻时，将电阻箱连线断开，在示波器上观测与海水电阻有关 的信号波形和振幅。然后将放入海水中的电缆线一端取出水面，再将电阻箱连线 接通，改变电阻箱值，直到示波器的信号振幅与被测海水电阻值相同为止。这时 电阻箱示值即为海水等效电阻值。 按这种测量方法在海水电导率为0 0 5 8s c m 时，对同样电极距离( 三值) 、 四种不同电极面积( s 值) 的情况进行了测试，其结果列入表2 3 中。 从表中看出，在电极面积小于容器截面积情况下，r 默 字符格式 所有命令和应答都采用a s c i i 码，英文字母用大写。 命令桢头尾 所有命令和应答都以$ 开始，以回车换行结束。 对水上控制机命令必须及时响应。如3 秒钟内无响应则重发同一命令，三次 无响应则水上控制机关闭相应编号的水下c t d 传感器。 数据格式 数据间用“，”隔开。数据格式必须按照下面预定格式填写。 $ w y l n ，d a t a ，x x x ，x x x x ，+ x x x x ，x x x ，x x x x ，+ x x x x ，x x x ，x x x x ， + x x x x ，x x x ，x x x x ，+ x x x x ，x x x ，x x x x ，+ x x x x 掌a b 其中，每层数据顺序为，深度( 米，x x x ) 、盐度( p s u ，x x x x ) 、温度( ， + x x x x ) ，正常显示相应数据，没有数据的层数数据表示为x 。 数据校验 为保证数据传输的准确性，必须加校验码。格式为在发送数据的最后加“舻 以及两个字符的校验码，其值为“$ ”与“舻之间的数据按照八位异或，所得到的 两位十六进制数a s c i i 码。例如：$ 墅三江* a b ( c r ) ( l f ) 取所有有下划线的字 符进行八位异或，所得到的两位十六进制数a s c i i 码为a b ( t e s t 四个a s c i i 码按照上述规则异或后得到1 6 h ，对应的二个a s c i i 码字符校验码即位1 6 ) 。 整个传输系统命令包括以下几种： 测试命令：测试温盐链观测系统中水上控制机工作状态，是否正常工作。 格式为：$ t e s t * a b ( c r ) ( l f ) 响应为：自检正常，s w y l n ，t e s t ，o k * a b ( c r ) ( l f ) 自检异常，$ w y l n ，t e s t ，e r r * a b ( c r ) ( l f ) 发送命令：测试温盐链观测系统中水下c t d 传感器工作状态、序号。 格式为：$ s e n d 木a b ( c r ) ( l f ) 响应为：$ w y l n ，s e n d # ，o k * a b ( c r ) ( l f ) ，撑为水下机序号。 3 9 第三章感应耦合数据传输系统的实施方法 标定校准命令：水下c t d 传感器标定功能状态。 格式为：$ s t r n * a b ( c r ) ( l f ) 响应为：$ w y l n ，s t r n # ，o k * a b ( c r ) ( l f ) ，撑为水下机序号。 工作命令：启动温盐链观测系统进行数据采集。 格式为：$ w o r k * a b ( c r ) ( l f ) 响应为：$ w n ，w o r k ，o k * a b ( c r ) ( l f ) 索要数据命令：向温盐链观测系统水上控制机索要数据。 格式为：$ d a t a * a b ( c r ) ( l f ) 响应为：$ w y l n ，d a t a ，数据木a b ( c r ) ( l f ) 校时命令：校准温盐链观测系统时钟。 格式为：$ t i m e ，y y m m d d h h m m s s * a b ( c r ) ( l f ) 响应为：$ w y l n ，t i m e ，o k * a b ( c r ) ( l f ) y y m m d d h h m m s s 从左至右分别代表：年、月、日、小时、分、秒。 设置间隔及关机命令：设置温盐链下次开机时间间隔并关闭电源。 格式为：$ n e x t = 6 0 ，s t o p * a b ( c r ) ( l f ) 响应为：$ w n ，s t # ，o k * a b ( c r ) ( l f ) ，撑为水下机序号。 图3 1 4 为温盐链观测系统水上控制机工作流程。 图3 1 5 为温盐链观测系统水下c t d 传感器工作流程图。 图3 1 4温盐链观测系统水上控制机工作流程 4 0 第三章感应耦合数据传输系统的实施方法 图3 15温盐链观测系统水下c t d 传感器工作流程图 4 l 第三章感应耦台数据传输系统的实齄方法 3 2 实时潜标用感应耦合数据传输仪实施方法 r c m 9 海流计是挪威a a n d e r a a 公司的主流产品，也是目前世界t 比较常 用的一款测量海流的仪器，内置温度、电导率、深度等探头并利用这些测量数据 修正海流测值，其周期测量数据存储在自带内存内所咀它是一款自容式海洋多 参数测量仪。布放后它会依据初始设置将测量的数据存储于内部的存储器中，只 能在回收之后通过接口电缆进行数据回放来获取从布放到回收这段时间内的测 量数据。因而它自身不具备实现数据实时传输的功能。 图3 1 6 为r c m 9 海流计与感应耦台数据传输仪连接图片。 实时传输潜标中，将自容式海洋多参数测量仪r c m 9 声学海流计测量的数据 通过内部接口协议的形式对其测量数据进行采集、处理、编码和调制后，利用感 应耦合数据传输技术发送到水中潜标浮体的接收设备中。从而使r c m 9 声学海 流计的测量数据能够实时的传输到水中潜标浮体并通过水面卫星通信浮体中的 发射机将数据实时的传输到岸基接收站中。 萱育 图3 1 6r c m 9 海流计与感应耦台数据传输系统 3 2 1 感应耦合数据传输仪各主要组成部分 感应耦合数据传输仪( 下简称数传仪) 由水下数采机和水上接收机组成。其 中，水下数采机包括电源管理模块，数据采集处理模块和信号编码调制发送电路； 水上接收机包括信号解调电路。数据处理模块和与中央处理机的通讯接口单元。 l 、水下数采机 采取自容式工作方式，用电池舱电池供电，通过单片机对各个功能模块单元 的电源控制，实现高效节能电源管理，而单片机自身在绝大部分时间处于低功耗 休眠状态。 r c m 9 声学海流计在每欢完成数据采集后，通过其数据传输口，会发出该次 各个颡6 量要素的测量原始数据。每个要素的测量数据由1 0 位二进制数据通过不 同脉宽的脉冲信号来表征l 或0 。如图3 一i7 为其输出脉冲信号方式。 第三章感应耦音数据传输系统的实船方法 图3 - 1 7r c m 9 海流计通信接口信号 因此，在数传仪水下数采机的数据采集处理模块中，可现通过对各个脉冲信 号脉宽时间长短的测量来获取相应的测量数据。该数据采集功能实现主要利用了 m s p 4 3 0 单片机中的定时器去开发出相应的频率捕获程序。 基于m s p 4 3 0 与r c m 9 海流计的通信接口硬件电路如图3 - i8 。 图3 - i8单片机与r c m 9 通信接口电路 在获取了r c m 9 声学海流计实时测量的数据后，通过水下数采机的信号编码 调制发送电路，将数据信息以感应耦台数据传输的形式发送到数传仪的水上接收 机中，实现r c m 9 声学海流计测量数据的实时传输。 l 、水上接收机： 位于潜标圭浮体中，通过r s 2 3 2 与潜拓中央处理机进行指令和数据通讯，其 工作电源由中央处理机控制。水上机在收到水下机传输上来的信号后，通过其信 号解调电路获取编码后的数据信息，再由数据处理模块将该数据信息进行解码并 进行相应处理后交由潜标中央处理机。 第三章感应耦合数据传