CN102362438B - 水下通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种针对地震拖缆的双层通信系统。该通信系统在对拖缆的长度方向进行延长的未屏蔽双绞线通信线路上进行操作。具有转发器功能和设备控制器功能的转发器单元将双绞线分割成线路段。在经配置的外部设备和相关联的设备控制器之间的低速2400波特FSK数据链路中，每个段上的线圈将信号感应地耦合到这些外部设备。沿着全部段建立高斯8级FSK高速60千比特/秒的数据链路，其中转发器沿着通信链路的整个长度方向重新发送经过增强的信号。在高速数据速率时，线圈是透明的。采用时分多址(TDMA)或频分多址(FDMA)来在单个双绞线上容纳两个链路。

Description

水下通信系统及方法

技术领域

本发明一般涉及通信系统，更具体地，涉及用于与连接到水下听音器(underwater hydrophone)电缆的定位和传感设备进行通信的通信系统和方法。 

背景技术

传统的水下听音器电缆(例如拖拽在勘测船后面的拖缆(streamer))配备有定位和传感设备，例如电缆瞄准(cable-leveling)或电缆操控(cable-steering)的吊舱、声收发机和航向传感器(heading sensor)。可以将这些设备安装在拖缆外部或者与拖缆同轴。未屏蔽的双绞线贯穿每一条拖缆的长度方向。沿着双绞线的长度方向连接在间隔开的位置处的通信线圈在通信线路和这些设备之间感应地耦合命令、控制和数据信号。拖拽拖缆的勘测船上的控制器在双绞线上向这些设备发送消息并从这些设备接收数据。在传统的系统中，双绞线通信以2400波特(每符号1比特)的半双工进行操作，在中心频率26kHz处进行频移键控(FSK)调制。 

当将具有越来越多的设备的、越来越长的拖缆投入服务时，2400波特的通信系统就成为限制进一步延长的因素。首先，信号沿着拖缆的长度方向进行衰减，从而限制了拖缆的有用长度。已经部署了沿着拖缆长度方向增强信号的转发器，来解决信号衰减的问题。但是，即使在具有转发器的情况下，设备数量的增长意味着需要更多的时间进行通信，并且，在2400波特的通信带宽是有限的。 

因此，需要一种通信系统，其在现有的未屏蔽的双绞线通信线路上支持更长的拖缆和更多的设备。 

发明内容

这些需要以及其它需要由一种具有本发明特征的、用于与连接到水下 电缆的设备进行通信的通信系统来解决。所述通信系统在双绞线通信线路上进行操作，其中所述双绞线通信线路沿着水下电缆(例如水下听音器拖缆)的长度方向进行布置。转发器单元沿着所述电缆的长度方向在间隔开的位置处进行布置。所述转发器单元串行地连接到所述通信线路中，将所述通信线路分割成连续的转发器单元之间的多个段。在所述多个段中，通信线圈被连接到所述通信线路上，用以与连接到所述电缆的设备感应地进行通信。在第一时间窗期间或者在第一信道上，高速数据链路在所述通信线路的整个长度上以第一数据速率通过所述转发器单元进行操作。在与所述第一时间窗不同的第二时间窗期间或者在另一第二信道上，低速数据链路各自在所述转发器单元之间的多个段中的一个段上，以比所述第一数据速率低的第二数据速率进行操作，以向设备发送数据并从设备接收数据。 

本发明的另一方面提供一种在双绞线拖缆通信线路上与通过线圈感应地耦合到所述线路上的设备进行通信的方法，所述线圈沿着所述拖缆位于间隔开的位置处。所述方法包括：(a)通过以与连续的段串行的方式插入转发器单元来将所述通信线路分割成段；(b)在第一时间窗期间或者在第一信道上，以第一数据速率在全部所述多个段上操作高速数据链路，以与所述转发器单元中的每一个进行通信；(c)在所述转发器单元中的连接到该段的一个转发器单元和耦合到该段上的线圈的设备之间，在另一第二时间窗期间或者在另一第二信道上，在每个段上以较低的第二数据速率操作低速数据链路。 

附图说明

通过参考下面的描述、所附的权利要求以及附图，将更好地理解本发明的这些特征和方面及其优点，在附图中： 

图1是拖拽地震拖缆(seismic streamer)的勘测船的绘画示图，其中地震拖缆所具有的外部设备通过具有本发明特征的通信系统进行通信； 

图2是可用在图1的拖缆中的双层通信系统的物理层的方框图； 

图3是图2的双层通信系统的逻辑层的方框图；以及 

图4是图2的通信系统中使用的转发器/控制器的方框图。 

具体实施方式

图1示出了拖拽地震拖缆12的勘探船10(一种船)，地震拖缆12沿着其长度方向安置有水下听音器。沿着水下拖缆电缆的长度方向将外部设备(例如水下声收发机14、电缆瞄准吊舱16以及航向传感器18)连接到水下拖缆电缆的外围。也可以连接其它外部设备，例如速度计和电缆操控的吊舱。还可以提供安置在拖缆内部的内部设备。在典型的3-D勘测中，船可以拖拽多个拖缆，拖缆的长可以为12km。由船上控制器20来控制全部的设备(外部的和内部的)，船上控制器20沿着对拖缆长度方向进行延长的未屏蔽的双绞线通信线路进行通信。(在单独的未示出的通信链路上将水下数据发送到船上控制器)。 

在图2中示出了设备通信系统的物理层。双绞线通信线路22通过线路接口单元(未示出)与船上控制器对接，船上控制器在船上被连接到通信线路的头端。沿着通信线路间隔开的转发器单元26将双绞线通信线路分割成多个段24。连续的转发器单元之间的间隔不超过4km。转发器单元包括多个转发器，所述多个转发器进行重发以及对入站(进入船)和出站(来自船)数据流的功率进行提升以确保足够的信号电平和质量到达拖缆尾端。 

沿着每个段24在特定的位置将通信线圈28连接到双绞线上。通信线圈在通信线路和外部设备14，16之间感应地耦合信号，其中外部设备14，16在相关联的线圈的附近被连接到拖缆的外围30。也可以将安置在拖缆内部的内部设备32耦合到线圈28。 

如图3中所示，通信系统的逻辑层在图2所示的单个双绞线通信线路22上提供双层通信系统。通信系统优选地包括高速、对称、半双工数据链路，该链路具有基于双层转发器的架构，该架构由作为第一层的单个高速骨干链路34以及作为第二层的多个低速短回程链路36(每个通信线路段24上一个低速短回程链路)组成。因为高速和低速数据链路都在相同的双绞线上进行操作，所以采用时分多址(TDMA)来避免两个链路上的消息之间的冲突，在TDMA中，两个数据链路是在不同的时间窗期间被操作的。可替换地，使用频分多址(FDMA)在两个不同的信道上，在双绞线上操作高速和低速数据链路。例如，高速数据链路可以在中心频率约为104kHz(较低频率信道的中心频率的第4谐波)的第一较高频率信道中进行操作，而 每个低速数据链路可以在中心频率约为26kHz的第二较低频率信道中进行操作。FDMA将允许这两个数据链路的同时操作。TDMA和FDMA是可以用于在单个通信线路上允许两个数据链路的通信技术中的两个实例。在具有转发器的情况下，高速骨干优选地采用8级高斯FSK调制38。高速链路以60千比特/秒(20千波特，其中每个符号3比特)的数据速率进行操作，从而对约为100kHz的中心频率进行调制。以这种较高的频率，通信线路看起来像发送线路，并且针对26kHz被调谐的通信线圈是透明的。低速链路逻辑上在每个转发器单元26处进行分叉，以使用2400波特的FSK调制40(其中，中心频率约为26kHz)与外部和内部设备进行通信，对于现有的外部设备这是标准的通信系统。因而，那些现有设备可以在不进行修改的情况下与这种双层通信系统一起使用。每个低速链路包含转发器单元以及该转发器单元尾端侧的通信链路段24。 

在图4中示出了转发器单元的方框图。将通信线路的每个段24连接到转发器单元26，并经由变压器42耦合到接收机44和信号发生器46。因为入站和出站接收机以及信号发生器是相同的，所以只详细描述了出站电路。 

通信线路上的出站信号由变压器42耦合到接收机44。信号从变压器经过输入阻抗48和限制器50(其提供过压保护)传递到低噪预放大器52。低通抗混叠滤波器54移除高频噪声，以避免在16比特的模数转换器(ADC)56所产生的数字化信号55中产生混叠。ADC的前面是跟踪保持采样器(track-and-hold sampler)58，ADC以约为400千个采样/秒的采样速率进行操作。然后在数字信号处理器(DSP)60中处理数字化的入站信号。 

DSP将数字信号发送到出站信号发生器46。在以约400kHz进行操作的16比特数模转换器(DAC)62中将数字信号转换成模拟信号。重构滤波器64对所转换的波形进行时间内插，过零比较器66确保模拟信号不经过时间量化。在H桥功率放大器68中放大信号，将H桥功率放大器68的输出应用到变压器42。接收机通过变压器42将出站信号发送到通信线路段24上。因为通信系统是以半双工的方式操作的，所以在数据接收时间窗期间，将功率放大器的输出接地，并且在负载电阻70中终止变压器的信号发生器绕组。 

DSP 60实现高速以及低速调制解调器。将高速调制解调器实现为转发 器单元的转发器功能的一部分。DSP对在其接收机中被数字化的经高斯8级FSK调制的消息(入站或出站)进行解调，并将这些消息转换成比特流。DSP将出站消息组装成字节，对这些字节进行缓冲并通过控制线路74将它们发送到设备控制器72，其中控制线路74可以包括数据总线、地址和控制线路。简单地转发入站消息流。对于起源于转发器单元的消息，在对输出消息进行FSK调制之前，DSP将固定数量的前导码字节添加在所解调的消息的字节处。转发器链中的下一转发器单元使用该前导码来恢复时钟，并使解调同步。在建立出站消息的过程中，船上控制器也因为同样的原因添加前导码字节。转发器单元中实现的定时恢复功能根据输入消息流推导该时钟。为了最小化经过每个转发器的延迟，高速转发器在符号级别上进行操作。高速重发功能忽略更高级别的消息结构，诸如字节和帧。 

每个低速数据链路36与转发器单元26中的一个相关联。每个转发器单元中的设备控制器72(其可以是微控制器)在连接到该转发器单元的尾端侧的通信线路段24上对相关联的低速数据链路进行管理。设备控制器在高速数据链路和低速数据链路之间中继命令和响应。低速半双工链路以2400波特异步地进行操作。DSP 60充当调制解调器，以对从设备控制器到感应地耦合到通信线路段的外部设备的输出(出站)命令进行FSK调制，并对输入(入站)响应进行解调。 

每个设备控制器是可由船上控制器寻址的，并且包括存储元件76，其包括连接到其相关联的通信链路段的设备的列表，即登记表。在使用TDMA的标准的设备扫描周期中，在第一时间窗期间，船上控制器在高速数据链路上向全部转发器广播声同步命令，其中在第一时间窗内高速数据链路是活动的。然后，在第二时间窗期间，每个转发器单元中的设备控制器在与该转发器单元离拖缆头端的已知距离成反比的预先选择的延迟之后，在其低速链路上发送本地声同步命令，其中在第二时间窗内低速数据链路是活动的。这确保在全部段上同时发送全部声同步命令。接下来，每个转发器单元通过以下方式单独地对其设备登记表中的每一个非声学设备(例如，吊舱和航向传感器)进行轮询：在其通信线路段上发送轮询消息并等待从设备接收及时的响应。设备控制器控制DSP调制解调器的接收和发送状态以及声同步命令所参考的或者由船上控制器所设定的高速和低速状态。在 对非声学设备进行轮询并接收到它们的响应之后，设备控制器单独地对声学测距设备进行轮询并接收它们的响应。设备控制器对全部响应进行缓存，以通过DSP发送到船上控制器，船上控制器在高速数据链路上对每个转发器单元进行轮询以获得其设备的响应数据。船上控制器控制线路转向(line turnaround)。每个转发器在不进行发送时，处于“侦听”状态，监测其船侧和尾侧的通信段中的输入数据。 

因此，本发明提供了一种双层通信系统，其在现有的未屏蔽双绞线和传统拖缆上，在高速和多个低速数据链路上进行操作以与许多个设备和长拖缆进行可靠通信。 

Claims (15)

1.一种用于与连接到水下电缆的设备进行通信的通信系统，所述系统包括：

两线通信线路，沿着水下电缆的长度方向进行布置；

多个转发器单元，沿着所述水下电缆的长度方向在间隔开的位置处进行布置，并串行地与所述两线通信线路连接以将所述线路分割成连续的转发器之间的多个段；

多个通信线圈，在所述多个段中被连接到所述两线通信线路上，以与连接到所述水下电缆的设备感应地进行通信；

高速数据链路，在所述通信线路的整个长度上以第一数据速率通过所述转发器进行操作；

多个低速数据链路，每一个低速数据链路在转发器单元之间的所述多个段中的一个段上，以比所述第一数据速率低的第二数据速率进行操作，以在所述通信线圈上向所述设备发送数据并从所述设备接收数据。

2.如权利要求1所述的通信系统，其中，所述两线通信线路包括双绞线。

3.如权利要求1所述的通信系统，其中，所述线圈被调谐为对于以所述第一数据速率进行操作的所述高速数据链路是透明的。

4.如权利要求1所述的通信系统，其中，所述多个低速数据链路中的每一个是由所述多个转发器单元中连接到相应的段的唯一一个转发器单元控制的。

5.如权利要求4所述的通信系统，其中，每个转发器单元包括存储元件，所述存储元件包括列出了耦合到所述相应的段的全部外部设备的登记表。

6.如权利要求1所述的通信系统，其中，每个转发器单元包括接收机和信号发生器，所述接收机和所述信号发生器耦合到所述通信线路中连接到该转发器单元的每个段。

7.如权利要求1所述的通信系统，其中，每个转发器单元包括数字信号处理器，所述数字信号处理器包括在所述高速数据链路上的、耦合到所述通信线路中连接到该转发器单元的每个段的调制解调器。

8.如权利要求1所述的通信系统，其中，所述高速数据链路以60千比特/秒的速度进行操作，并且所述低速数据链路以2400波特的速度进行操作。

9.如权利要求1所述的通信系统，其中，所述高速数据链路在第一时间窗期间进行操作，并且所述低速数据链路中的每一个在另一第二时间窗期间在相关联的段上进行操作。

10.如权利要求1所述的通信系统，其中，所述高速数据链路在第一信道中进行操作，并且所述低速数据链路中的每一个在另一第二信道中在相关联的段上进行操作。

11.一种用于在双绞线拖缆通信线路上与通过通信线圈感应地耦合到所述通信线路上的设备进行通信的方法，所述通信线圈沿着所述拖缆在间隔开的位置处进行布置，所述方法包括：

通过以与连续的段串行的方式插入转发器单元来将所述通信线路分割成段；

以第一数据速率在全部所述段上操作高速数据链路，以与所述转发器单元中的每一个进行通信；

在每个段上，在所述转发器单元中连接到该段的一个转发器单元与耦合到该段上的通信线圈的设备之间，以较低的第二数据速率操作低速数据链路。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述高速数据链路是在第一时间窗期间进行操作的，并且所述低速数据链路是在另一第二时间窗期间进行操作的。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述高速数据链路是在第一信道上进行操作的，并且所述低速数据链路是在另一第二信道上进行操作的。

14.如权利要求11所述的方法，还包括：

在每个转发器单元中存储不同的登记表，所述登记表列出了耦合到与该转发器单元所操作的所述低速数据链路相关联的段的全部设备。

15.如权利要求11所述的方法，还包括：

在所述高速数据链路上向全部所述转发器单元发送声同步命令；以及

随后同时在所述低速数据链路中的每一个上发送本地声同步命令。

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