深海走航xctd時變信道對傳輸性能影響的分析方法
【專利摘要】本發(fā)明以走航拋棄式溫度、鹽度、濕度剖面儀的傳輸信道為原型，提出了一種動態(tài)分析其有線信道對傳輸信號幅值和相位影響的方法。隨著放線長度不斷變化，導致線上參數(shù)不斷變化，不能保證穩(wěn)定的信道，這種實時改變的信道阻抗特性嚴重影響了深海走航拋棄式測量儀器信道傳輸?shù)姆€(wěn)定性。本發(fā)明建立簡化的傳輸電路模型和該模型的傳輸函數(shù)。通過定性的分析得出傳輸頻率，分布電容和纏繞電感對信號相位的影響。并利用MATLAB軟件分析XCTD在動態(tài)放線過程中信道對信號幅值和相位的影響?？梢赃M一步指導拋棄式走航測量系統(tǒng)的電路設(shè)計，提高測量數(shù)據(jù)的精度和信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
【專利說明】深海走航XCTD時變信道對傳輸性能影響的分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明以走航拋棄式溫度、鹽度、濕度(XCTD)剖面儀的傳輸信道為原型，提出了一種動態(tài)分析其有線信道對傳輸信號幅值和相位影響的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]拋棄式測量儀器主要的產(chǎn)品為溫度剖面儀(XBT)，溫鹽剖面儀(XCTD)，聲速剖面儀(XSV)和海流剖面儀(XCP)等，其中XCTD最為常用。該類儀器為一次性使用，由水上接收機和水下探頭兩部分組成，入水后探頭中的傳感器即開始測量，隨著測量探頭在水中的下沉(速度約3?5m/s)，探頭內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集器實時完成海洋環(huán)境參量的采集、處理和傳輸，以數(shù)字信號形式通過探頭內(nèi)的細傳輸線同步傳到船上，最終形成測量剖面圖。由于環(huán)境的要求，深海走航拋棄式測量儀器信號傳輸部分大多使用有線信道，隨著探頭的快速下降，原纏繞在線軸上的傳輸線不斷釋放，隨放線長度不斷變化，線軸的電感量不斷減小，展開傳輸線線間電容不斷增大，信道的電阻抗，線間電容對信號的完整性傳輸?shù)钠茐男栽絹碓酱?，線上分布參數(shù)不斷變化，不能保證穩(wěn)定的信道，這種動態(tài)實時改變的信道阻抗特性破壞了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，信號畸變嚴重，嚴重影響了深海走航拋棄式測量儀器信道傳輸?shù)姆€(wěn)定性。尤其在高速率通訊時，常用的數(shù)字通訊方式已無法適用于這種工況，給信號解調(diào)帶來極大的困難。
[0003]根據(jù)所做過的一些研究表明，XCTD(拋棄式鹽、溫、深)剖面儀下沉到一定深度后信號傳輸嚴重失真，因此本發(fā)明首先推導出各電路參數(shù)隨信道長度變化的規(guī)律，建立簡化的傳輸電路模型和該模型的傳輸函數(shù)。通過定性的分析得出傳輸頻率，分布電容和纏繞電感對信號相位的影響。并利用MATLAB軟件分析XCTD在動態(tài)放線過程中信道對信號幅值和相位的影響，以及其影響的原因。可以進一步指導拋棄式走航測量系統(tǒng)的電路設(shè)計，提高測量數(shù)據(jù)的精度和信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決XCTD在傳輸信號的過程中，時變信道對傳輸性能的影響，提出了一種動態(tài)分析其有線信道對傳輸信號幅值和相位影響的方法。
[0005]本發(fā)明方法根據(jù)具體應用環(huán)境建立了 XCTD傳輸信道的模型，并利用MATLAB軟件分析XCTD在動態(tài)放線過程中信道對信號幅值和相位的影響，以及其影響的原因。
[0006]本發(fā)明以走航拋棄式溫度、鹽度、濕度(XCTD)剖面儀的傳輸信道為原型，在考慮海水這個導體環(huán)境下，估算放線長度與傳輸線電路電容(C)，電感(L)，電阻(R)的關(guān)系，并精確對信道阻抗值進行求解，并進一步討論參數(shù)間的相互影響關(guān)系，建立優(yōu)化后的變參數(shù)信道電路模型，分析2000m范圍內(nèi)線圈動態(tài)放線過程中各參數(shù)變化對信號幅值和相位的影響，討論這種時變傳輸信道對信號傳輸性能的影響，可以解決我國投棄式海洋環(huán)境監(jiān)測儀器的技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案:[0008]本發(fā)明基于水下XCTD剖面儀傳輸信道，發(fā)明了一種應用MATLAB軟件建模分析的方法，可表述為，采用MATLAB分析信道傳輸?shù)姆€(wěn)定性，從而得到兩金屬導線之間的分布電容值以及每一根金屬導線與海水之間的電容值。最后將所得的這兩個電容值和理論計算值進行比較，來驗證仿真結(jié)果的正確性。
[0009]本發(fā)明提供的深海走航XCTD時變信道對傳輸性能影響的分析方法，具體步驟是:
[0010]第I步、信道分布電容的計算
[0011]本發(fā)明采用通過多次配置鏡像電荷的方法來求解平行導線間的電容，用多次鏡像后的集中電荷系取代導體表面的分布電荷，而維持諸邊界條件不變，從而使電容的求解過程簡化，其主要根據(jù)是電磁理論中的唯一性定理和圓截面導線鏡像公式，計算模型如圖1左圖所示。
[0012]第2步、信道分布纏繞電感和分布電阻的計算
[0013]本發(fā)明線圈纏繞為標準螺旋電感，其電感緊密的纏繞在圓柱型骨架上，中間介質(zhì)為空氣，計算模型如圖1右圖所示。根據(jù)分析，采用Brooks Coil Inductance模型估算纏繞線軸的電感量，電感值與線軸線長的變化規(guī)律如圖2所示。
[0014]第3步、信道傳輸模型的建立
[0015]本發(fā)明根據(jù)放線過程中的各參數(shù)的變化規(guī)律，建立了簡化的信道電路模型圖，如圖3所示。由于傳輸線為雙股漆包線，纏繞方式和所處環(huán)境等影響因素完全相同，所以電路模型上下對稱，參數(shù)數(shù)值相等。
[0016]第4步、進行500m深信道靜態(tài)阻抗對傳輸相位的分析
[0017]由于目前在大深度測量過程中，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和質(zhì)量，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，因此在通信過程中數(shù)據(jù)的傳輸采用調(diào)相編碼與解調(diào)方式，分析信道阻抗動態(tài)變化對數(shù)據(jù)傳輸相位的影響具有重要的意義。
[0018]第5步、2000m信道動態(tài)阻抗對傳輸相位的分析
[0019]由于目前大深度測量的范圍在2000m內(nèi)，因此分析2000m深度范圍內(nèi)動態(tài)阻抗信道對信號相位失真分析具有重要的意義。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果:
[0021]本發(fā)明針對于深海走航XCTD傳輸信道阻抗動態(tài)變化會很大程度上影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，并且當剖面儀下沉到一定深度后信號傳輸嚴重失真，變參數(shù)對信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾缘钠茐男栽絹碓酱?，因此提出一種對深海走航XCTD時變信道傳輸性能影響的分析方法，該方法避免了由于幾千米完全展開的實時測量難度較大的影響，并且對于了解信道阻抗參數(shù)變化特點，建立信道的傳輸模型，分析變參數(shù)信道數(shù)據(jù)的傳輸特性提供一定的理論指導意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是傳輸線模型圖，其中(a)為纏繞電感模型圖，(b)傳輸線截面圖。
[0023]圖2是電感隨線軸線長的變化規(guī)律圖。
[0024]圖3是信道簡化電路模型圖。
[0025]圖4是電路參數(shù)和傳輸頻率對信號相位影響定性分析圖。圖中(a)80nF平行電容下IpH相位延時曲線，(b)0.3H纏繞電感下8pF相位延時曲線，(c)80nF平行電容下0.04H相位延時曲線，(d)0.3H纏繞電感下8nF相位延時曲線，(e)80nF平行電容下0.3H相位延時曲線，(f)0.3H纏繞電感下0.2uF相位延時曲線。
[0026]圖5是分布電容以及螺旋電感對信號相位的影響分析圖。圖中(a) IkHz傳輸頻率80nf分布電容時纏繞電感與相位衰減關(guān)系圖，(b) IkHz傳輸頻率0.25H纏繞電感時分布電容與相位衰減關(guān)系圖，(c) IkHz傳輸頻率200nf分布電容時纏繞電感與相位衰減關(guān)系圖，(d) IkHz傳輸頻率IH纏繞電感時分布電容與相位衰減關(guān)系圖。
[0027]圖6是2000米傳輸線放線過程信號幅值增益和相位失真變化圖。圖中(a) IkHz傳輸頻率2000米水下線軸幅值增益圖，(b)5kHz傳輸頻率2000米水下線軸幅值增益圖，(c) IkHz傳輸頻率2000米水下線軸相位延時圖，(d) 5kHz傳輸頻率2000米水下線軸相位延時圖。
[0028]以下結(jié)合附圖和通過實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。
【具體實施方式】
[0029]實施例一
[0030]XCTD剖面儀的傳輸信道為雙股漆包線作為傳輸導線，線纜的兩根導線在海洋中平行排列，該傳輸線表面覆有絕緣涂層，在上下兩個線軸上螺旋緊密纏繞。其平行圓環(huán)導線結(jié)構(gòu)如圖2所示，內(nèi)環(huán)為傳輸電纜，半徑r為0.05_。外環(huán)為絕緣漆包半徑R為0.0545mm,周圍為海水，信號采用差動傳輸?shù)姆绞健?br> [0031]隨著投棄式儀器的正常工作，傳輸信道阻抗在動態(tài)的變化，隨著線圈的展開，這些分布電容迅速增大和等效電感逐漸減小。所以，建立傳輸線放線長度(D)和纏繞電感(L)、分布電容(C)、分布電阻(R)的變化規(guī)律是進行放線過程動態(tài)分析的關(guān)鍵。
[0032]第I步、信道分布電容的計算:
[0033]圖1為兩平行導線的橫截面圖其中τ為導線上的電荷量根據(jù)以上公式，利用20次迭代算法計算的結(jié)果如公式(I)所示。
[0034]C = SjoioesxjiXerXec1 = SiopFZm (I)
[0035]傳輸線的總分布電容主要由線圈纏繞形成的電容和平行導線間的電容并聯(lián)構(gòu)成，線圈纏繞形成的電容主要有線圈內(nèi)同層同股鄰近匝間電容，同層異股鄰近匝間電容，異層鄰近匝間電容三部分構(gòu)成。為了便于分析，選用二層四匝雙股電感線圈橫截面圖作為分布電容基本結(jié)構(gòu)單元的模型，設(shè)繞組為對稱繞制，為了計算方便，忽略邊緣效應，因此求取該基本結(jié)構(gòu)單元分布電容就可以推導出電感線圈的等效總電容，同計算單股螺旋電感線圈分布電容時一樣，基本結(jié)構(gòu)單元的單元等效電容可以采用平行板電容器計算公式進行計算。
[0036]第2步、信道分布纏繞電感和分布電阻的計算
[0037]采用Brooks Coil Inductance電感計算公式進行估算,其理論計算公式如公式
(2)所示。
[0038]L= 1.699 X 10-6X R外 Xnturn2 (2)
[0039]其中L為纏繞電感的數(shù)值，R,為圓柱型骨架的外徑，nturn為纏繞圈數(shù)。由勾股定理可以推算出纏繞一圈所需傳輸線長度，因為單根傳輸線直徑約0.1_，相對線軸半徑較小，所以不考慮由于多層疊加導致R#值增大帶來的影響，則纏繞匝數(shù)(nturn)和線圈上傳輸線長度(D)的計算公式如公式(3)所示。[0040]
【權(quán)利要求】
1.深海走航XCTD時變信道對傳輸性能影響的分析方法，其特征在于具體步驟是: 第I步、信道分布電容的計算 通過多次配置鏡像電荷的方法來求解平行導線間的電容，用多次鏡像后的集中電荷系取代導體表面的分布電荷，而維持諸邊界條件不變，從而使電容的求解過程簡化，其主要根據(jù)是電磁理論中的唯一性定理和圓截面導線鏡像公式； 第2步、信道分布纏繞電感和分布電阻的計算 線圈纏繞為標準螺旋電感，其電感緊密的纏繞在圓柱型骨架上，中間介質(zhì)為空氣，根據(jù)分析，采用Brooks Coil Inductance模型估算纏繞線軸的電感量； 第3步、信道傳輸模型的建立 根據(jù)放線過程中的各參數(shù)的變化規(guī)律，建立了簡化的信道電路模型圖，由于傳輸線為雙股漆包線，纏繞方式和所處環(huán)境等影響因素完全相同，所以電路模型上下對稱，參數(shù)數(shù)值相等； 第4步、進行500m深信道靜態(tài)阻抗對傳輸相位的分析 對500m標準水下線軸的信道參數(shù)進行測量，分析不同傳輸頻率下信道對傳輸信號相位延時的影響和不同的信道參數(shù)對傳輸信號相位延時的影響； 第5步、2000m信道動態(tài)阻抗對傳輸相位的分析 分析總線長為2000m的傳輸線路，從Im到2000m的幅值增益和相位失真變化過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述的信道分布電容的計算采用多次配置鏡像電荷的方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述的信道分布纏繞電感和分布電阻的計算采用Brooks Coil Inductance模型估算纏繞線軸的電感量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述的信道傳輸模型的建立采用電路模型上下對稱，參數(shù)數(shù)值相等的方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述的500m信道靜態(tài)阻抗對傳輸相位的分析利用Agilent4294A阻抗分析儀對線軸的信道參數(shù)進行測量，用Matlab進行幅頻特性和相頻特性隨傳輸頻率的變化趨勢，來分析不同傳輸頻率下信道對傳輸信號相位延時的影響和不同的信道參數(shù)對傳輸信號相位延時的影響。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述的2000m信道動態(tài)阻抗對傳輸相位的分析采用對傳輸信道進行簡化的方法，在基于簡化的信道傳輸模型的傳輸函數(shù)的基礎(chǔ)上，分析總線長為2000m的傳輸線路。
【文檔編號】G06F17/50GK103984837SQ201410242097
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】鄭羽, 付孝洪, 高宇, 方靜, 王金海 申請人:天津工業(yè)大學