專利名稱：海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋地質(zhì)勘探拖曳線陣與電纜定深器等外掛設(shè)備通信及饋電方法。
現(xiàn)有技術(shù)國外已有此類海洋地質(zhì)勘探拖曳線陣產(chǎn)品，在線纜內(nèi)的一對雙絞線上，等間隔并聯(lián)多個磁棒線圈，在該點電纜外部掛接一個電纜定深器或其它設(shè)備，船上控制設(shè)備通過拖曳線纜內(nèi)的對絞線上并聯(lián)的磁棒線圈，與掛接在拖纜外部的電纜定深器內(nèi)部的磁棒線圈感應(yīng)耦合傳輸信號，利用總線地址輪詢和廣播通信方式，實現(xiàn)船上控制設(shè)備與多個拖曳線陣外掛設(shè)備傳輸之間的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸采用載波通信技術(shù)，以達(dá)到數(shù)公里甚至十幾公里無中繼傳輸。電纜定深器由電池供電，在電池電量耗盡后，必須將整個線陣回收后，更換定深器內(nèi)電池。
上述產(chǎn)品存在著如下問題1)電纜通信方式采用總線輪詢和廣播方式，在掛接設(shè)備節(jié)點數(shù)量較大時，整個線陣數(shù)據(jù)輪詢上傳一次周期時間過長，不能真正做到實時監(jiān)測控；2)定深器使用電池供電，電池電量耗盡后必須整個線陣回收后，更換定深器內(nèi)電池，使用不方便，也限制了持續(xù)使用的時間，同時對電池儲備電量的需求，又導(dǎo)致定深器內(nèi)電池體積重量較大，不利于加裝其它功能設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，以解決海洋地質(zhì)勘探拖曳線陣拖曳線纜在無中繼下，信號長距離傳輸；海洋拖曳線纜多節(jié)點信號傳輸，即船上控制設(shè)備可以和線纜上多個通信設(shè)備通信和線纜通信節(jié)點采用線圈耦合方式，實現(xiàn)海洋拖曳線纜與電纜定深器水下非接觸式數(shù)據(jù)傳輸及電池進行充電等問題；本發(fā)明的海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，它包括如下步驟1)、拖曳線纜(簡稱拖纜)內(nèi)一對雙絞線作為通信傳輸線，雙絞線上等間隔并聯(lián)連接磁棒線圈，磁棒線圈埋植在拖纜內(nèi)，與拖纜軸線平行，電纜定深器掛接在拖電纜上，其內(nèi)部的磁棒線圈靠近電纜，并與拖纜內(nèi)的線圈平行，每個拖纜內(nèi)的磁棒，其外部對應(yīng)位置都可以掛接電纜定深器；2)、船上控制設(shè)備將通信數(shù)據(jù)調(diào)制后通過放大驅(qū)動電路發(fā)送到拖纜內(nèi)的雙絞線上，船上控制器與各個定深器之間采用半雙工通信方式船上控制器可以采用廣播方式向所有定深器發(fā)送控制指令和參數(shù)數(shù)據(jù)，定深器檢查確認(rèn)收到的數(shù)據(jù)滿足廣播通信數(shù)據(jù)格式和通信約定，即可按照指令和參數(shù)執(zhí)行操作；3)、電纜定深器內(nèi)解調(diào)適配電路將接收到通過磁棒線圈耦合的信號放大、均衡整形后解調(diào)還原成通信數(shù)據(jù)，發(fā)送給定深器內(nèi)的中心控制器，控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)、指令執(zhí)行相應(yīng)的操作；當(dāng)電纜定深器需上傳數(shù)據(jù)給船上控制設(shè)備時，將通信數(shù)據(jù)調(diào)制后，通過放大驅(qū)動電路發(fā)送到在電纜定深器內(nèi)的磁棒線圈的兩端，拖纜內(nèi)磁棒線圈將感應(yīng)耦合的電信號輸通過雙絞線，傳輸給船上控制設(shè)備，船上控制設(shè)備接收到信號后，放大、均衡整形后解調(diào)還原成通信數(shù)據(jù)；4)、當(dāng)船上控制器需要查詢各定深器工作狀態(tài)或設(shè)定單個定深器工作參數(shù)時，采用點對點的呼叫輪詢方式，即船上控制發(fā)送的指令和參數(shù)數(shù)據(jù)幀中包括被呼叫定深器的地址，當(dāng)定深器檢查確認(rèn)接收到的滿足數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)幀中包括自身地址，就按照該數(shù)據(jù)指令執(zhí)行操作，否則不響應(yīng)該指令；采用點對點輪詢通信方式，每個電纜定深器只有在接收到船上控制器點名詢問后，才應(yīng)答工作狀態(tài)和工況數(shù)據(jù)，在電纜定深器工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)未變化時無需上傳，因此可以采用網(wǎng)絡(luò)偵聽方式，即任一節(jié)點電纜定深器在發(fā)出數(shù)據(jù)前和發(fā)送過程中監(jiān)測網(wǎng)上數(shù)據(jù)，如網(wǎng)上無數(shù)據(jù)信號則開始發(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)送過程中，如監(jiān)測到的網(wǎng)上數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一致，表明發(fā)送成功且發(fā)送過程中無其它節(jié)點定深器發(fā)送數(shù)據(jù)，如網(wǎng)上監(jiān)測數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致或為無效數(shù)據(jù)，表示發(fā)送過程中有其它節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送，因此將停止發(fā)送，等延遲一個時間間隔后發(fā)送，每個節(jié)點延遲發(fā)送的時間間隔長短由定深器確定；5)、除了通過線圈耦合向電纜定深器發(fā)送通信數(shù)據(jù)外，在數(shù)據(jù)發(fā)送的間歇，船上控制器向雙絞傳輸線上發(fā)送大功率驅(qū)動信號，電纜定深器將感應(yīng)電流輸出到儲能電路里，通過升壓電路和充電電路為電池充電，補充電池能量，延長電纜定深器工作時間。
如上所述的海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，采用拖纜內(nèi)一對雙絞線作為通信傳輸線是采用載波通信技術(shù)實現(xiàn)信號長距離無中繼傳輸，即將數(shù)字信號調(diào)制成對應(yīng)的正弦頻率信號，調(diào)制比不小于3。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點和積極效果1、采用載波傳輸方式，使海洋拖曳線列陣線纜在無中繼下，信號傳輸距離達(dá)到6～12km；2、采用海洋拖曳線列陣線纜多通信節(jié)點傳輸方式，使電纜上可以掛接多個通信設(shè)備，通信節(jié)點最多達(dá)256個；3、線纜通信節(jié)點采用線圈耦合方式，實現(xiàn)海洋拖曳線列陣線纜與電纜定深器水下非接觸式數(shù)據(jù)傳輸；4、采用網(wǎng)絡(luò)通信或總線通信方式，實現(xiàn)船上控制設(shè)備與海洋拖曳線列陣線纜外掛電纜定深器之間的時分雙工或半雙工通信，通信速率不低于2400bps；
5、采用磁棒線圈感應(yīng)耦合技術(shù)，實現(xiàn)海洋拖曳線列陣線纜向電纜定深器的非接觸饋電，以對電池進行充電，解決電纜定深器長期持續(xù)工作和定期更換電池的問題。


圖1是本發(fā)明線纜與外掛設(shè)備的水下非接觸射頻通信系統(tǒng)工作原理示意圖。
圖2是本發(fā)明的磁棒線圈結(jié)構(gòu)及感應(yīng)耦合示意圖。
圖3是本發(fā)明的船上控制器與電纜定深器的連接及結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明利用磁棒線圈信號傳輸，實現(xiàn)線纜與外掛設(shè)備的水下非接觸射頻通信。拖曳線纜(簡稱拖纜)內(nèi)一對雙絞線作為通信傳輸線，雙絞線上等間隔并聯(lián)連接磁棒線圈，磁棒線圈埋植在拖纜內(nèi)，與拖纜軸線平行，電纜定深器掛接在拖電纜上，其內(nèi)部的磁棒線圈靠近電纜，并與拖纜內(nèi)的線圈平行，每個拖纜內(nèi)的磁棒，其外部對應(yīng)位置都可以掛接電纜定深器，船上控制設(shè)備將通信數(shù)據(jù)調(diào)制后通過放大驅(qū)動電路發(fā)送到拖纜內(nèi)的雙絞線上，這樣通信信號同時加載在磁棒線圈的兩端，磁棒線圈產(chǎn)生跟隨信號變化的磁場，定深器內(nèi)平行的磁棒線圈感應(yīng)耦合磁場變化，并通過線圈輸出跟隨磁場變化的電信號，電纜定深器內(nèi)解調(diào)適配電路將接收到的信號放大、均衡整形后解調(diào)還原成通信數(shù)據(jù)，發(fā)送給定深器內(nèi)的中心控制器，控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)、指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，同理，當(dāng)電纜定深器需上傳數(shù)據(jù)給船上控制設(shè)備時，將通信數(shù)據(jù)調(diào)制后，通過放大驅(qū)動電路發(fā)送到在電纜定深器內(nèi)的磁棒線圈的兩端，拖纜內(nèi)磁棒線圈將感應(yīng)耦合的電信號輸通過雙絞線，傳輸給船上控制設(shè)備，船上控制設(shè)備接收到信號后，放大、均衡整形后解調(diào)還原成通信數(shù)據(jù)，這樣就實現(xiàn)了船上控制設(shè)備與拖纜外掛定深器的數(shù)據(jù)通信。線纜與外掛設(shè)備的水下非接觸射頻通信系統(tǒng)工作原理見圖1。圖1中1.拖拽線纜，2是雙絞線，3是電纜定深器數(shù)據(jù)發(fā)送流向，4是船上控制器數(shù)據(jù)發(fā)送流向。線圈磁棒選用錳鋅鐵氧體，外形圓柱形，磁棒上纏繞線圈，線圈使用漆包線，將線圈與磁棒固定好，從一端引出線圈兩端后，磁棒線圈外部硫化密封加固。磁棒線圈結(jié)構(gòu)及感應(yīng)耦合示意圖見圖2。圖2中5是外護套，6是電纜中的線圈，7是磁棒，8是電纜定深器中的線圈。
拖曳線陣載波通信拖纜通常有數(shù)公里至十幾公里長，拖纜內(nèi)一對雙絞線作為通信傳輸線，采用載波通信技術(shù)實現(xiàn)信號長距離無中繼傳輸，即將數(shù)字信號調(diào)制成對應(yīng)的正弦頻率信號，調(diào)制比不小于3。
拖曳線陣點對點輪詢通信拖纜上可外掛上多個電纜定深器(多達(dá)上百個)，包括船上控制器都掛接在同一對雙絞線上，船上控制器發(fā)出的通信數(shù)據(jù)和電纜定深器發(fā)送的通信數(shù)據(jù)都在雙絞線上傳輸，因此雙絞線上所有掛接設(shè)備都可以收到任一設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，為避免傳輸碰撞，船上控制器與各個定深器之間采用半雙工通信方式船上控制器可以采用廣播方式向所有定深器發(fā)送控制指令和參數(shù)數(shù)據(jù)，定深器檢查確認(rèn)收到的數(shù)據(jù)滿足廣播通信數(shù)據(jù)格式和通信約定，即可按照指令和參數(shù)執(zhí)行操作，當(dāng)船上控制器需要查詢各定深器工作狀態(tài)或設(shè)定單個定深器工作參數(shù)時，采用點對電的呼叫輪詢方式，即船上控制發(fā)送的指令和參數(shù)數(shù)據(jù)幀中包括被呼叫定深器的地址，當(dāng)定深器檢查確認(rèn)接收到的滿足數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)幀中包括自身地址，就按照該數(shù)據(jù)指令執(zhí)行操作，否則不響應(yīng)該指令。
網(wǎng)絡(luò)偵聽通信采用點對點輪詢通信方式，每個電纜定深器只有在接收到船上控制器點名詢問后，才應(yīng)答工作狀態(tài)和工況數(shù)據(jù)，這樣在掛接定深器較多時，輪詢一遍所需時間較長，且有些電纜定深器工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)未變化，無需上傳，因此可以采用網(wǎng)絡(luò)偵聽方式，即任一節(jié)點電纜定深器在發(fā)出數(shù)據(jù)前和發(fā)送過程中監(jiān)測網(wǎng)上數(shù)據(jù)，如網(wǎng)上無數(shù)據(jù)信號則開始發(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)送過程中，如監(jiān)測到的網(wǎng)上數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一致，表明發(fā)送成功且發(fā)送過程中無其它節(jié)點定深器發(fā)送數(shù)據(jù)，如網(wǎng)上監(jiān)測數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致或為無效數(shù)據(jù)，表示發(fā)送過程中有其它節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送，因此將停止發(fā)送，等延遲一個時間間隔后發(fā)送，每個節(jié)點延遲發(fā)送的時間間隔長短由定深器確定，這種通信方式可以由各定深器節(jié)點根據(jù)工況數(shù)據(jù)自主確定發(fā)送數(shù)據(jù)的時間和頻度，有效提高了數(shù)據(jù)的利用率。
除了通過線圈耦合向電纜定深器發(fā)送通信數(shù)據(jù)外，在數(shù)據(jù)發(fā)送的間歇，船上控制器向雙絞傳輸線上發(fā)送大功率驅(qū)動信號，電纜定深器將感應(yīng)電流輸出到儲能電路里，通過升壓電路和充電電路為電池充電，補充電池能量，延長電纜定深器工作時間。
電纜定深器控制與長距離通信電纜定深器控制系統(tǒng)由掛接在拖纜上的電纜定深器、船上的控制器臺、電纜定深器和控制器臺之間的雙絞線通信網(wǎng)絡(luò)組成。
電纜定深器和船上控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸，是由電纜定深器與拖纜節(jié)點之間通過射頻線圈耦合方式進行的，射頻信號采用二進制FSK，拖纜通信節(jié)點和電纜定深器內(nèi)通信模塊在接收到射頻信號后，將其復(fù)原成數(shù)字信號后，再進行網(wǎng)絡(luò)傳輸或分解指令數(shù)據(jù)。電纜定深器內(nèi)的通信模塊由收發(fā)切換單元、阻抗匹配單元、發(fā)射驅(qū)動單元、接收濾波單元、調(diào)試解調(diào)單元、通信控制單元、電源變換單元組成，組成原理見圖4。
射頻線圈拖纜內(nèi)的線圈(帶磁棒以增加線圈間的耦合系數(shù))沿著拖纜軸線放置，電纜定深器內(nèi)的線圈在電纜定深器掛接在拖纜上后，其內(nèi)部線圈與拖纜內(nèi)的線圈平行。圖3是本發(fā)明的船上控制器與電纜定深器的連接及結(jié)構(gòu)示意圖，其中1是線纜，9是電纜定深器，6是電纜中的線圈，8是電纜定深器中的線圈，10是船上控制器。
收發(fā)切換單元線圈在射頻傳輸時是收發(fā)和一的，船上控制臺與電纜定深器之間采用半雙工、點名訊問方式通信，只有在接收到控制器對本節(jié)點的詢問后，電纜定深器才向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，通常電纜定深器的通信模塊都處于接收狀態(tài)，此時收發(fā)切換單元將線圈連接到接收通道，通信控制單元要發(fā)送數(shù)據(jù)時，先控制收發(fā)切換單元將發(fā)送通道與線圈連接。
調(diào)制單元FSK是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，它的主要優(yōu)點是實現(xiàn)起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。所謂FSK就是用數(shù)字信號去調(diào)制載波的頻率，電纜定深器和拖纜之間的射頻載波頻率為26KHz，調(diào)制時二進制的基帶信號用電平來表示的，1對應(yīng)于載波頻率F1(26kHz)，0對應(yīng)于F2(13kHz)，在電平切換時要使產(chǎn)生的波形在切換的時刻相位是連續(xù)的，以防止由于相位的不連續(xù)造成頻譜擴展，即首先產(chǎn)生FSK基帶信號，再利用基帶信號對單一載波振蕩器進行頻率調(diào)制。該FSK信號載波頻率F1(26kHz)、F2(13kHz)，通信傳輸速率為2400bps。
解調(diào)單元接收到的FSK正弦波信號經(jīng)放大濾波后，接入解調(diào)電路，為提高可靠性，解調(diào)電路直接使用專用解調(diào)器件，可實時將接收到的FSK信號解調(diào)成二進制數(shù)字信號。
通信控制單元通信控制單元是通信模塊的核心，有其控制線圈的收發(fā)狀態(tài)，將電纜定深器內(nèi)主控模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)傳輸給調(diào)制單元，將解調(diào)出來的有效的FSK控制信息發(fā)送給主控模塊。
權(quán)利要求
1.一種海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，它包括如下步驟1)、拖曳線纜內(nèi)一對雙絞線作為通信傳輸線，雙絞線上等間隔并聯(lián)連接磁棒線圈，磁棒線圈埋植在拖纜內(nèi)，與拖纜軸線平行，電纜定深器掛接在拖電纜上，其內(nèi)部的磁棒線圈靠近電纜，并與拖纜內(nèi)的線圈平行，每個拖纜內(nèi)的磁棒，其外部對應(yīng)位置都可以掛接電纜定深器；2)、船上控制設(shè)備將通信數(shù)據(jù)調(diào)制后通過放大驅(qū)動電路發(fā)送到拖纜內(nèi)的雙絞線上，船上控制器與各個定深器之間采用半雙工通信方式船上控制器可以采用廣播方式向所有定深器發(fā)送控制指令和參數(shù)數(shù)據(jù)，定深器檢查確認(rèn)收到的數(shù)據(jù)滿足廣播通信數(shù)據(jù)格式和通信約定，即可按照指令和參數(shù)執(zhí)行操作；3)、電纜定深器內(nèi)解調(diào)適配電路將接收到通過磁棒線圈耦合的信號放大、均衡整形后解調(diào)還原成通信數(shù)據(jù)，發(fā)送給定深器內(nèi)的中心控制器，控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)、指令執(zhí)行相應(yīng)的操作；當(dāng)電纜定深器需上傳數(shù)據(jù)給船上控制設(shè)備時，將通信數(shù)據(jù)調(diào)制后，通過放大驅(qū)動電路發(fā)送到在電纜定深器內(nèi)的磁棒線圈的兩端，拖纜內(nèi)磁棒線圈將感應(yīng)耦合的電信號輸通過雙絞線，傳輸給船上控制設(shè)備，船上控制設(shè)備接收到信號后，放大、均衡整形后解調(diào)還原成通信數(shù)據(jù)；4)、當(dāng)船上控制器需要查詢各定深器工作狀態(tài)或設(shè)定單個定深器工作參數(shù)時，采用點對電的呼叫輪詢方式，即船上控制發(fā)送的指令和參數(shù)數(shù)據(jù)幀中包括被呼叫定深器的地址，當(dāng)定深器檢查確認(rèn)接收到的滿足數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)幀中包括自身地址，就按照該數(shù)據(jù)指令執(zhí)行操作，否則不響應(yīng)該指令；采用點對點輪詢通信方式，每個電纜定深器只有在接收到船上控制器點名詢問后，才應(yīng)答工作狀態(tài)和工況數(shù)據(jù)，在電纜定深器工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)未變化時無需上傳，因此可以采用網(wǎng)絡(luò)偵聽方式，即任一節(jié)點電纜定深器在發(fā)出數(shù)據(jù)前和發(fā)送過程中監(jiān)測網(wǎng)上數(shù)據(jù)，如網(wǎng)上無數(shù)據(jù)信號則開始發(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)送過程中，如監(jiān)測到的網(wǎng)上數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一致，表明發(fā)送成功且發(fā)送過程中無其它節(jié)點定深器發(fā)送數(shù)據(jù)，如網(wǎng)上監(jiān)測數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致或為無效數(shù)據(jù)，表示發(fā)送過程中有其它節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送，因此將停止發(fā)送，等延遲一個時間間隔后發(fā)送，每個節(jié)點延遲發(fā)送的時間間隔長短由定深器確定；5)、除了通過線圈耦合向電纜定深器發(fā)送通信數(shù)據(jù)外，在數(shù)據(jù)發(fā)送的間歇，船上控制器向雙絞傳輸線上發(fā)送大功率驅(qū)動信號，電纜定深器將感應(yīng)電流輸出到儲能電路里，通過升壓電路和充電電路為電池充電，補充電池能量，延長電纜定深器工作時間。
2.如權(quán)利要求1所述的海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，其特征在于采用拖纜內(nèi)一對雙絞線作為通信傳輸線是采用載波通信技術(shù)實現(xiàn)信號長距離無中繼傳輸，即將數(shù)字信號調(diào)制成對應(yīng)的正弦頻率信號，調(diào)制比不小于3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，其步驟是拖曳線纜內(nèi)一對雙絞線作為通信傳輸線，在其上等間隔并聯(lián)連接磁棒線圈，電纜定深器內(nèi)部的磁棒線圈靠近電纜；船上控制設(shè)備將通信數(shù)據(jù)調(diào)制后與各個定深器之間采用半雙工通信方式船上控制器可以采用廣播方式向所有定深器發(fā)送控制指令和參數(shù)數(shù)據(jù)；當(dāng)船上控制器需要查詢各定深器工作狀態(tài)或設(shè)定單個定深器工作參數(shù)時，采用點對電的呼叫輪詢方式；在數(shù)據(jù)發(fā)送的間歇，船上控制器向雙絞傳輸線上發(fā)送大功率驅(qū)動信號，電纜定深器將感應(yīng)電流輸出到儲能電路里。本發(fā)明具有如下優(yōu)點和積極效果信號傳輸距離遠(yuǎn)，通信節(jié)點多，可實現(xiàn)非接觸式數(shù)據(jù)傳輸和對電池饋電，通信速率不低于2400bps。
文檔編號G05B19/418GK101039131SQ20071010787
公開日2007年9月19日 申請日期2007年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日
發(fā)明者張輝, 李朝暉, 呂學(xué)敏, 王德亮, 任宏偉, 官紅, 趙治平, 裴武波, 苗建明, 張承科, 何小軍, 何承玲 申請人:中國船舶重工集團公司第七一○研究所