CN101831923A - 具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法 - Google Patents

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一种具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法，采用水下机和水上机之间的无线传输将海上构筑物的水下自动采集仪器的监测信息传输到水上；其水下机和水上机中的水声收发合置换能器分别单独构成一单元体并放在水中，水下机水声收发合置换能器设置在距海底2～3m的固定装置上，水上机中的水声收发合置换能器放置在水面以下的水中。在远距岸线水下的连续监测中，可进行定时或实时数据采集并传输，减少了恶劣天气和施工的干扰。传输快捷、安全可靠。数据采集、传输准确度高，误码率在10-3～10-4以内。数据采集、传输的长期稳定性强。

Description

具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法
技术领域
本发明属于远程自动监测系统，特别涉及一种具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法。
背景技术
我单位于2006年3月申请了“水下地基原位自动监测成套技术方法”专利，专利号ZL200610013275.4，国家专利局于2009年12月2日批准了该专利。该专利中地基的八种应力、应变量测仪器全部采用弦式传感器；采集与储存仪器采用美国SMARTDATA-2000测控系统，经改进并解决了水下防渗、防潮、防砸、防电缆挂断等一系列措施。该技术首次应用于9m深的水下，并经两年以上的监测证明是成功的。
在该项技术方法中，传输数据采用两种方法，一是将测控系统中通讯接口和蓄电池单独放在一小密封罐中，需传输数据时捞出并打开密封罐，使笔记本电脑与通讯接口连接后取出数据至电脑中；另一种是无线传输方法，采用美国圣迭哥LinkQuest公司制造的Modem(调制解调器)。圣迭哥制造的Modem有多种型号，从M1000至M10000八种型号，最小型号工作水深不大于200m，数据传输距离350m以内；最大型号工作水深不大于10000m，工作水深范围内数据传输误码率小于10-7。这种仪器适合于水较深的外海，当水深较浅时误码率增加。
在沿海海工建筑物监测中，水深范围大致为数米到数十米，监测距离数公里至数十公里。上述有线方法不易实现实时数据传输，上述无线方法在浅海中误码率较高。为了在沿海海工建筑物监测中实现实时数据传输，以及监测数据的准确性，因此原有的技术有待进一步改进。
对于无线传输一般有两种模式，一种是陆上无线传输，另一种是水下无线传输。陆上，通过空气介质传输信号，已是很成熟的无线传输技术；距岸较近的工程，监测信息的自动化传输也是比较容易实现的，如大坝水下传感器的监测数据可通过电缆引到岸上室内或大坝廊道内，很容易实现自动化传输；但是，距岸较远的海上工程水下监测，国内外研究的较少，难度也较大，其中量测仪器、采集及存储仪器、传输仪器三部分均需与陆上自动化监测做彻底的变革，才能适应水下自动化监测的要求。其中量测仪器、采集及存储仪器在我单位上述专利中已经得到较好地解决，而传输仪器需通过水中传输信息，技术难度大大增加，也正是本专利申请的主要内容。
水下自动监测信息的传输，一般分为水下电通信和水声通信。水下电通信一般距离较短，调试比较困难；水声通信距离远，是近年来各国研究的热点。早期水声通信采用模拟信号，因海洋中波浪、船只、各类水下生物等发出大量噪声，使水下的声场极为杂乱，导致接收到的信号模糊不清。随着计算机技术的发展，使得水声数字通信成为可能，特别是数字信号处理器(DSP)的问世，成功地解决了大量水下信息的传输问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法。达到适应海工建筑物水下地基自动监测中监测数据实时传输的需求，本系统具有水下无线传输系统的自动监测技术，水下无线传输系统的工作水深＞3m，传输距离≤35km，传输速率≥16bits/s，误码率≤10-3～10-4，以达到实时或定期传输水下地基监测数据，完善水下地基自动监测的目的，减少恶劣天气和施工对监测的干扰。
本发明的技术方案是：
一种具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法，其特征在于：本方法采用水下机和水上机之间的无线传输将海上构筑物的水下自动采集仪器的监测信息传输到水上；其水下机和水上机中的水声收发合置换能器分别单独构成一单元体并放在水中，水下机水声收发合置换能器设置在距海底2～3m的固定装置上，水上机中的水声收发合置换能器放置水面以下的水中；
其水下机的具体结构是：在水下自动采集仪器上设置连接端子，水下自动采集仪器上的连接端子连接水下机，水下自动采集仪器的输出端通过水下自动采集仪器上的连接端子连接水下机的RS232串行通信接口，RS232串行通信接口连接纠错编码器，纠错编码器连接扩频编码器，扩频编码器连接交织电路，交织电路连接调制电路，调制电路连接D/A转换器，D/A转换器连接功率放大器，功率放大器连接水声收发合置换能器；水声收发合置换能器连接放大器，放大器连接滤波器，滤波器连接A/D转换器，A/D转换器连接解调器，解调器连接解码器，解码器连接上电开关；定时器连接上电开关；电源通过上电开关给电路供电；
水上机的结构是：水声收发换能器连接放大器，放大器连接滤波器，滤波器连接A/D转换器，A/D转换器通过接口连接解调、解扩纠错、解码处理机；微处理器连接解调、解扩纠错、解码处理机；解调、解扩纠错、解码处理机连接指令编码器，指令编码器连接调制器，调制器连接D/A转换器，D/A转换器连接功率放大器，功率放大器连接水声收发合置换能器。
水下机设置在海底混凝土底座上，水声收发合置换能器设置在海底混凝土底座上的支架顶端的钢筋保护笼内。
本发明效果是：
本具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法适应海工建筑物水下地基自动监测中监测数据实时传输的需求，本系统具有水下无线传输系统的自动监测技术，水下无线传输系统的工作水深＞3m，传输距离≤35km，传输速率≥16bits/s，误码率≤10-3～10-4，以达到实时或定期传输水下地基监测数据，完善水下地基自动监测的目的，减少恶劣天气和施工对监测的干扰。
优越性
①首次提出了具有水下无线传输系统的水下原位自动监测技术，试验证明该技术相对于传统水下监测技术有着明显的技术优势。
②该技术适合浅海(＞3m水深)的数据自动定时或实时采集和水下无线传输，传输距离可达35km以内，传输速率≥16bits/s。
③远程、高可靠性的水声扩谱通信技术，误码率≤10-3～10-4。
技术效果
①在远距岸线水下的连续监测中，可进行定时或实时数据采集并传输，减少了恶劣天气和施工的干扰。传输快捷、安全可靠。
②数据采集、传输准确度高，误码率在10-3～10-4以内。
③数据采集、传输的长期稳定性强。
附图说明
图1a是水声传输仪器水下机原理框图
图1b是水声传输仪器水上机原理框图
图2是大西洋水下声道声线图
图3是极地海区表面水下声道声线图
图4是负梯度海水区中的声线图
图5具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法的结构示意图
具体实施方式
如图5所示的一种具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法，本方法采用水下机和水上机之间的无线传输将海上构筑物的水下自动采集仪器的监测信息传输到水上；其水下机和水上机中的水声收发合置换能器分别单独构成一单元体并放在水中，水下机水声收发合置换能器设置在距海底2～3m的固定装置上，水上机中的水声收发合置换能器放置水面以下的水中；
如图1a)其水下机结构是：在水下自动采集仪器上设置连接端子，水下自动采集仪器上的连接端子连接水下机，水下自动采集仪器的输出端通过水下自动采集仪器上的连接端子连接水下机的RS232串行通信接口，RS232串行通信接口连接纠错编码器，纠错编码器连接扩频编码器，扩频编码器连接交织电路，交织电路连接调制电路，调制电路连接D/A转换器，D/A转换器连接功率放大器，功率放大器连接水声收发合置换能器；水声收发合置换能器连接放大器，放大器连接滤波器，滤波器连接A/D转换器，A/D转换器连接解调器，解调器连接解码器，解码器连接上电开关；定时器连接上电开关；电源通过上电开关给电路供电；
如图1b)水上机结构是：水声收发换能器连接放大器，放大器连接滤波器，滤波器连接A/D转换器，A/D转换器通过接口连接解调、解扩纠错、解码处理机；微处理器连接解调、解扩纠错、解码处理机；解调、解扩纠错、解码处理机连接指令编码器，指令编码器连接调制器，调制器连接D/A转换器，D/A转换器连接功率放大器，功率放大器连接水声收发合置换能器。
如图5水下机设置在海底混凝土底座上，水声收发合置换能器设置在海底混凝土底座上的支架顶端的钢筋保护笼内。
本专利技术采用水声通信的原理，其系统由水下机和水上机两部分组成。水下机由微处理器、水声信号发射机、换能器组成。微处理器与水下监测仪器及设备相连接，可自成体系也可与其它设备结合在一起采集到监测数据，并转换成声脉冲信号，再由水下信号发射机通过水声换能器将数据发出；水上机由水声换能器、水声信号接收机、信号解析系统(微处理器)组成。水声信号接收机通过水声换能器接收水下机发出的信号，并进行放大和处理，信号解析系统进行信号解调、运算处理和贮存，再通过无线电通讯或卫星通讯将数据发至陆地台站。
仪器组成、作用及工作方式
本专利技术的水下自动采集仪器采用如前所述的ZL200610013275.4中的美国SMARTDATA-2000测控系统，并加以改进，增加了传输到水下无线传输的连接端子。
水下无线传输系统采用基于水声通信的传输系统，由水下机和水上机两部分组成。水下机由微处理器、水声信息发射器、换能器组成；水上机由换能器、水声信息接收器、微处理器组成。两者的换能器均单独构成一单元体并放在水中，前者换能器需距海底2～3m的距离，后者换能器需放在水面以下的水中。两者的其余部分单独构成一单元体，简称发射机与接收机，发射机放在海底面单独放置或与采集仪器构成一体，接收机放在海面上面(如船或码头上)。
水下和水上机的微处理器，前者是将采集和储存仪器中的监测数据接收进来并转换为声脉冲信号，后者是将监测数据解调和运算，发射和接收器为供电、滤波、功放、工作状态转换等作用；换能器为发出或接收监测数据信号。
水下无线传输系统有收发和睡眠两种工作模式，无监测数据传输时，处于睡眠模式，此时能耗非常低；收发监测数据时，处于接收模式。有两种方法由睡眠模式转入发送模式，一是定时传输，由于先设置的间隔时间，由定时器按时，上电后进入收发模式，另一是实发传输，按遥控指令唤醒。数据全部传输完后，自动进入睡眠状态。
工作原理
具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术工作图见附图5，其中，水下无线传输系统的水上机的工作原理如图1a所示。上部虚线范围内为微处理器部分，圆柱为换能器部，其余部分为水声信息发射器部分；水上机的工作原理如图1b所示。除标出的换能器和微处理器外，其它部分为水声信息接收器部分。水声传输仪器解编码采用扩谱方法。
本技术解决的难题
(1)技术难题
采用水声通信技术的无线传输系统时，在极浅(3～5米)海中存在严重的物理限制，其中包括声信号的衰减、多途干扰和环境噪声影响等，因此产生误码率较高。
(2)产生的主要原因：
①主要是受到了极浅海声信道传播条件的制约。按照射线声学理论，海水的负温度梯度会造成声线向下弯曲。由于海水过浅，不太严重的负温度梯度，就足以造成声线在不长的距离内弯曲到海底，从而严重影响传播距离。如在天津炎热的夏季，但其日最高温度在38～39℃以上，昼夜温差一般在10℃左右，因而负温度梯度影响传播距离是非常明显的。如图2和图3、图4声线图所示：
②淤泥底，反射能力极差，无法形成多跳；
③水质混浊，存在严重声散射；
④从FSK方案和DSSS(直接序列扩谱)的不同的调制解调和编解码方法对作用距离
是有影响的。原因是不同的方法具有不同的信号处理增益，从而对信噪比的要求不同。
(3)主要技术措施
采用扩谱技术的水声通信换能器，增大功放功率等技术措施。
仪器指标
水下无线传输系统可达到如下指标：
●传输距离：≤35km
●工作水深：≥3m
●传输数率：≥16bits/s
●误码率：≤10-3-10-4
●功率消耗：休眠模式：≤5mw
            工作模式：≤50w
现场监测数据传输实施方案
现场量测仪器全部采用弦式传感器，埋设在欲测的地表或地基内，各导线引至构筑物之外，多余导线放在导线框内；自动采集存储仪器采用“自动测控系统”，放在构筑物旁的密封缸内，自动测控系统的通讯接口和蓄电池用铠装电缆引至小密封罐内。各量测仪器和水声传输仪器都采用有线方式与自动测控系统相连接；水下机的发射机和微处理器均放在另一密封罐中，发射换能器上连悬浮漂下用铁链连接在混凝土底座上并浮在海底以上2～3m的海水中。水上机的接收机放在船上或海面以上其它物体上，接收换能器放在海水面以下。为了导线框、密封缸、密封罐不能浮动其下均连接混凝土底座。
传感器监测的数据通过测控系统采集并储存，实时或定时有线传输至水下无线采集系统的水下机，水下机把信号通过水下换能器发射水下无线传输传至水上的换能器最后传输到水上机中，水上机可放置在船或观测平台(站)上，也可以通过陆上无线通讯或卫星通讯继续传输到更远的陆地观测站，由观测站进行数据处理与绘图分析。
小密封罐可定时由潜水员捞至船上，更换蓄电池、改换设置与指令、定时连接手提电脑取出测控系统中的数据等等。
实施实例2009.7天津临港产业区一期防波堤监测工程；2010.1天津港南疆南外堤外延工程；2010.5海南1801岛堤工程施工监测。

Claims (2)

1.一种具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法，其特征在于：本方法采用水下机和水上机之间的无线传输将海上构筑物的水下自动采集仪器的监测信息传输到水上；其水下机和水上机中的水声收发合置换能器分别单独构成一单元体并放在水中，水下机水声收发合置换能器设置在距海底2～3m的固定装置上，水上机中的水声收发合置换能器放置在水面以下的水中；
其水下机的结构是：在水下自动采集仪器上设置连接端子，水下自动采集仪器上的连接端子连接水下机，水下自动采集仪器的输出端通过水下自动采集仪器上的连接端子连接水下机的RS232串行通信接口，RS232串行通信接口连接纠错编码器，纠错编码器连接扩频编码器，扩频编码器连接交织电路，交织电路连接调制电路，调制电路连接D/A转换器，D/A转换器连接功率放大器，功率放大器连接水声收发合置换能器；水声收发合置换能器连接放大器，放大器连接滤波器，滤波器连接A/D转换器，A/D转换器连接解调器，解调器连接解码器，解码器连接上电开关；定时器连接上电开关；电源通过上电开关给电路供电；
水上机的结构是：水声收发换能器连接放大器，放大器连接滤波器，滤波器连接A/D转换器，A/D转换器通过接口连接解调、解扩纠错、解码处理机；微处理器连接解调、解扩纠错、解码处理机；解调、解扩纠错、解码处理机连接指令编码器，指令编码器连接调制器，调制器连接D/A转换器，D/A转换器连接功率放大器，功率放大器连接水声收发合置换能器。
2.根据权利要求1所述的具有水下无线传输系统的海上构筑物自动监测技术方法，其特征在于：水下机设置在海底混凝土底座上，水声收发合置换能器设置在海底混凝土底座上的支架顶端的钢筋保护笼内。
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