CN103544339A - 水下xctd剖面仪传输线间分布电容的建模计算方法 - Google Patents

Abstract

水下XCTD剖面仪传输线间分布电容的建模方法。解决XCTD信号传输中信道阻抗的动态变化对信号传输质量的影响问题。本发明采用ProE进行3D建模结合ComsolMultiphysics中AC/DC模块计算该模型的电容值，从而得两金属导线之间的分布电容值以及每一根金属导线与海水之间的电容值。最后将所得的这两个电容值和理论计算值进行比较，来验证仿真结果的正确性。本发明方法避免了由于几千米完全展开的实时测量难度较大的影响，并且对于了解信道阻抗参数变化特点，相比传统场论计算的方法，操作方法简单易行，计算结果精度较高，对信道的阻抗参数建模对分析信号传输特性和实时测量提供一定的理论指导意义。

Description

水下XCTD剖面仪传输线间分布电容的建模计算方法

技术领域

本发明涉及投弃式深海参数测量仪器水下走航式投弃式温、盐、深测量仪（XCTD）中有线传输信道，特别是一种投弃式温、盐、深（XCTD）剖面仪传输线间分布电容计算的建模方法。 

背景技术

投弃式电导率、温度、深度剖面仪（Expendable Conductivity Temperature Depth Profiling System, 简称XCTD）也称投弃式温、盐、深测量仪，是国外近年研制并得到快速发展的一种先进快速、低成本海水电导率、温度剖面测量设备，它能够在快速下降过程中实时测量海水的温度和电导率，并通过下降的时间和下降速率来计算相应的深度，最大测量深度可达2000m左右。但XCTD的特点为投弃使用，为了节约成本，其数据传输线采用性价比更高的单根双股漆包线，传输线分别以螺旋式缠绕在水上和水下线轴。XCTD投弃时，水下传感器实时采集数据，并通过漆包线实时传输。由于缠绕状态下的漆包线在仪器下放过程中不断展开，线上分布参数会产生相应的变化，这样就不能保证一个稳定的数据传输信道，其信道阻抗参数随着缠绕漆包线的展开是在实时改变的。了解信道阻抗参数变化特点，对信道的阻抗参数建模和信号传输特性的分析具有重要的意义。 

根据所做过的一些研究表明，XCTD(抛弃式盐、温、深)剖面仪下沉到一定深度后信号传输严重失真，传输电缆动态展开后的线间电容对信号的完整性传输的破坏性越来越大，但是几千米完全展开海水电缆电容的实时测量难度大，因此本文应用COMSOL Multiphysics来计算水下电缆的电容值，对分析我国863计划自主研发的XCTD剖面仪深水信道信号传输完整性具有重要的参考价值。 

发明内容

本发明的目的是解决XCTD信号传输中信道阻抗的动态变化对信号传输质量的影响问题，提出一种动态分布电容的计算方法，即水下XCTD剖面仪传输线间分布电容的建模方法。 

本发明方法根据具体应用环境建立了XCTD电缆电容计算模型，从理论上建立了平行电缆电容计算和偏心电缆电容计算的数学公式，并且采用Comsol Multiphysics进行线间电容仿真计算。 

本发明的技术方案： 

本发明基于水下XCTD剖面仪线间电容计算，发明了一种应用ProE软件三维建模与COMSOL Multiphysics软件分析的结合计算电路参数的方法，可表述为，按照传输线的具体缠绕的物理结构，利用ProE软件对其进行三维建模，之后将建立的模型导入Comsol Multiphysics中，采用AC/DC模块计算该模型的电容值等电抗参数，从而得两金属导线之间的分布电容值以及每一根金属导线与海水之间的电容值。最后将所得的这两个电容值和理论计算值进行比较，来验证仿真结果的正确性。

本发明提供的水下XCTD剖面仪传输线间分布电容的建模方法，具体步骤是： 

第1步、构造电缆传输线的物理结构模型

利用ProE三维建模软件，根据缠绕线轴的物理结构建立物理计算模型，如图1所示的物理模型结构图，该结构图包括：中部表示两根平行金属导线的两个圆形区域即第一区域和第二区域，两个圆形区域之外表示绝缘外皮层的第三区域，以及第三区域之外表示电缆工作环境空间的第四区域；

第2步、建立平行电缆分布电容的计算模型

将建立的物理计算模型导入在Comsol Multiphysics之后，在模型创建器中选择材料选项，为物理模型结构图中的各个区域，设定电导率和物理参数。并选择计算模型库里选择AC/DC模块内相应计算模型，利用Comsol Multiphysics中的模型创建器在图形创造界面创造根据电缆的工作环境要求，设置电缆中通入电缆金属导线的电流幅值和类型，以及参考地等电路参数和环境参数。之后，进行网格划分，将整个模型剖分成很多小区域进行计算，这里可以使用Comsol Multiphysics的自动网格划分功能，也可按照计算精度自行划分。

第3步、得到电极电容的场域与计算结果 

软件仿真计算，得到相应的2D、3D的电势分布图。得到相应的电容分布和电容值。加以验证，从而得两金属导线之间的分布电容值以及每一根金属导线与海水之间的电容值。

本发明的优点和有益效果：

本发明针对于XCTD信号传输中其信道阻抗动态变化会很大程度上影响信号传输的质量，并且XCTD(抛弃式盐温深)剖面仪下沉到一定深度后信号传输严重失真，传输电缆动态展开后的线间电容对信号的完整性传输的破坏性越来越大，然而由于在传输信道实际工作环境下测量难度很大，而且信道参数变换迅速，单纯利用场论的方法计算限制条件较多，步骤复杂，不易迅速得到有限信道在放线过程中每一点的电参数值，因此提出了一种采用ProE进行数学建模导入COMSOL Multiphysics来计算分布电容大小的方法，该方法避免了由于几千米完全展开的实时测量难度较大的影响，并且对于了解信道阻抗参数变化特点，对信道的阻抗参数建模对分析信号传输特性和实时测量提供一定的理论指导意义。

附图说明

图1是电缆传输线剖面图，图中，圆形第一区域1和圆形第二区域2均为金属导线，第三区域3是电缆的绝缘外皮层，第四区域4是电缆工作的环境空间——海水，d是两金属导线之间的圆心距，r是单根金属导线半径，R是传输电缆半径。 

图2是采用Comsol软件，依据电极电容场域计算原理对平行电缆电容的仿真结果图，其中A、为平行电缆（图2中圆形第一区域1和第二区域2）间电势的分布图。B、电缆与周围海水（图2中圆形第一区域1和第四区域4）间电势的分布图。C、平行电缆（图2中圆形第一区域1和第二区域2）间计算模型的网格划分图。D、电缆与周围海水（图2中圆形第一区域1和第四区域4）间计算模型的网格划分图。 

图3是考虑到周围海水环境的整个电缆模型仿真结果图，其中A、海水区域4半径为0.12mm的平行电缆（图2中圆形第一区域1和第二区域2）间电势的分布图。B、海水区域4半径为0.2mm的平行电缆（图2中圆形第一区域1和第二区域2）间电势的分布图。C、海水区域4半径为1mm平行电缆（图2中圆形第一区域1和第二区域2）间电势的分布图。D、海水区域4半径为0.12mm的平行电缆（图2中圆形第一区域1和第二区域2）间计算模型的网格划分图。E、海水区域4半径为0.2mm平行电缆（图2中圆形第一区域1和第二区域2）间计算模型的网格划分图。F、海水区域4半径为1mm平行电缆（图2中圆形第一区域1和第二区域2）间计算模型的网格划分图。 

考虑周围海水区域的大小，同时也要考虑到模型计算的可行性和可视性，因此选择海水区域半径分别为0.12mm、0.2mm、1mm进行建模与计算，从而验证海水区域大小对计算方法的精度影响，这里假设海水是均匀的，其电特性是一致的，可以看做一个单一性质的电极进行处理。 

以下结合附图和通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。 

具体实施方式

实施例1

由于XCTD传感器具有海洋勘探的应用背景，并且在使用的过程中，一根金属传输线与海水共地，因此在这样的应用背景下，电容值就不仅仅是传统意义上两根金属导线之间的电容值，而且还包含带电金属导线与海水之间的电容值，这就大大增加了电容计算的复杂性，而在实际的应用过程中，深水信道电容测量难度大，因此利用前期的仿真建模对实际测量具有重要的意义。

本发明提供的水下XCTD剖面仪传输线间分布电容的建模方法，（计算两金属导线之间的分布电容值以及每一根金属导线与海水之间的电容值）具体步骤如下： 

第1步、构造电缆传输线的物理结构模型；

利用ProE三维建模软件，根据缠绕线轴的物理结构建立物理计算模型，如图1所示的物理模型结构图，该结构图包括：中部表示两根平行金属导线的两个圆形区域即第一区域1和第二区域2，两个圆形区域之外表示绝缘外皮层的第三区域3，以及第三区域之外表示电缆工作环境空间——海水的第四区域4；图中 d是两金属导线之间的圆心距，r是单根金属导线半径，R是传输电缆半径。

第2步、建立平行电缆分布电容的计算模型； 

在Comsol Multiphysics操作界面中导入ProE建立的物理模型，之后计算模型库里选择AC/DC模块内的电容值计算模型，在Comsol Multiphysics模型创建器中选择材料选项，如图1所示，电缆传输线为双芯对称电缆结构，其中，1和2是两根半径相同的金属导线，Comsol默认为理想电导体，3是电缆的绝缘层选用聚苯乙烯ε_r=2.6，ε₀=8.85pF/m。4是指电缆工作的环境空间——海水，同样默认为理想电导体。

由于本电缆的工作环境为海水介质，线缆内传输的为经过DPSK调制的波特率约为9200bps的差模数字信号，如图1中电缆传输线中的金属导线2会与周围海水4共地使用，假设电缆传输线中的金属导线1为激励源，这样会在金属导线2和海水4上感应出电荷，构成2个电容器。 

根据这些实际的环境因素，设置电缆金属导线1为激励源，其电流幅值为1A和类型为直流，分别设置电缆金属导线2为金属导线1的参考地，不处理海水区域4和设置海水为金属导线1的浮地，不处理设置金属导线2以及设置电缆金属导线2为金属导线1的参考地，海水为金属导线1的浮地三种情况，完这些电路参数后，分别对这三种情况的模型进行进行网格划分，由于模型尺寸较小，网格划分精度要求不高，所以，这里选择Comsol Multiphysics中模型创建器里的自由网格剖分的标准剖分原则，进行网格自动划分，如果需要提高精度，可以选择自由网格剖分的高精度剖分原则，也可在剖分选项中选择自定义选项来定义网格数量、网格大小以及按比例划分网格等，这里不做具体论述。得到如图2中C的平行电缆（图2中圆1和2）间计算模型的网格划分图和如图2中D的电缆与周围海水（图2中圆1和区域4）间计算模型的网格划分图以及如图3中A的、海水区域4半径为0.2mm的平行电缆（图2中圆1和2）间电势的分布图。 

第3步、得到电极电容的场域与计算结果 

选择Comsol Multiphysics中模型创建器里的计算选项，分别得到如图1中A的平行电缆（图2中圆1和2）间电势的分布图和如图1中B的电缆与周围海水（图2中圆1和区域4）间电势的分布图。在下方的结果显示区内得到相应的计算结果。其中图2中A中的计算结果为2.006e-10 F/m，图2中B的计算结果是4.141e-10 F/m。图3中的A的计算结果为5.48e-10 F/m。

为了验证海水区域4的面积对计算结果的影响。建立如图3中A、B、C的海水半径分别为0.12mm 、0.2mm、1mm的模型，重复步骤1,2,3得到结果如图3所示，所得计算结果均为5.48e-10 F/m，所以看以看出海水区域4面积不影响计算结果。 

为了验证计算结果的正确性，用传统场论的计算方式进行验证两导线间分布电容值的计算结果准确性，本模型采用的低频激励小于1MHz，且电极轴线长度远远大于其到电缆边界的距离，即可认为是二维场，也就是说电极轴向的边缘效应可以忽略。假设电极空间自由电荷为0，数学模型可以用泊松方程来描述。 

$\▿\·(\mathrm{\ϵ}(x,y)\▿\mathrm{\φ}(x,y))=0---\left(1\right)$

这里，ε(x,y)是介电常数分布函数，φ(x,y)是二维的电势函数。

当电极i是激励电极，j是检测电极时，给定场域边界上的位函数值，该问题称为第一类边值问题或狄里赫利（Dirichilet）问题。 

$\mathrm{\φ}(x,y){|}_{(x,y)\∈{\mathrm{\Γ}}_i}=U---\left(2\right)$

$\mathrm{\φ}(x,y){|}_{(x,y)\∈{\mathrm{\Γ}}_j}=0---\left(3\right)$

式中

为激励电极，

为检测电极。

依据电磁场理论，静电场中的电场强度可用电势的梯度求解得到。 

$E(x,y)=-\▿\mathrm{\φ}(x,y)---\left(4\right)$

当电极i为源电极，电极j为检验电极时，由高斯定律可知，电极j上的感应电荷Q_ij计算式为：

式中ε₀为自由空间的介电常数，Cur_j为包围检测电极j的封闭曲面，

为曲线Cur_j的单位法向量。求得Q_ij后，电极i和j之间的电容计算式为：

$C_{\mathrm{ij}}=\frac{Q_{\mathrm{ij}}}{U_{\mathrm{ij}}}---\left(6\right)$

其中U_ij为电极i和j之间的电压。因此问题的关键为求解电极截面上的电位分布φ(x,y)的值。经过计算C_ij为2.098e-10 F/m，与图2中C的计算结果2.006e-10 F/m相比。相差不大。

仿真与分析结果

模型参数为：大圆半径R为0.109mm，内部小圆半径r为0.05mm，两个小圆之间的距离d为0.106mm。本例建立的模型为三维模型，建立的模型高度为1m，电缆中的绝缘材料（指图2中的绝缘层3），本例选用聚苯乙烯ε_r=2.6，ε₀=8.85pF/m，求解过程如下：

（1）只考虑两个平行电缆之间的分布电容，利用公式（8）和Comsol对比计算结果一致，Comsol仿真结果如图2中C所示。

（2）计算激励电缆（图1中的导线1）与周围海水（图1中的圆环4，假设周围海水材料特性一致）的电容值，在理论计算过程中，由于本模型激励电缆半径接近两圆心距离，

计算出现负值，故理论计算不适合本模型，但Comsol仿真计算成立，如图2中D所示。 

（3）考虑实际应用，海水与电缆中导线2共地，因此激励电缆所产生的电容就变成上述（1）和（2）共同作用的结果，由于电缆尺寸小，两者耦合效果明显，计算复杂，Comsol仿真更加方便，改变周围海水的面积，分别计算电容的大小，其对比计算结果如图3所示。图3是考虑到周围海水环境的整个电缆模型和周围海水区域的大小仿真结果图。综上所述，采用COMSOL Multiphysics来计算分布电容的大小，对实时测量提供一定的理论指导意义。 

Claims (2)

1.水下XCTD剖面仪传输线间分布电容的建模方法，其特征在于具体步骤是：

第1步、构造电缆传输线的物理结构模型

利用ProE三维建模软件，根据缠绕线轴的物理结构建立物理计算模型，物理模型结构图包括：中部表示两根平行金属导线的两个圆形区域即第一区域和第二区域，两个圆形区域之外表示绝缘外皮层的第三区域，以及第三区域之外表示电缆工作环境空间的第四区域；

第2步、建立平行电缆分布电容的计算模型

将建立的物理计算模型导入在Comsol Multiphysics之后，在模型创建器中选择材料选项，为物理模型结构图中的各个区域，设定电导率和物理参数，并选择计算模型库里选择AC/DC模块内相应计算模型，利用Comsol Multiphysics中的模型创建器在图形创造界面创造根据电缆的工作环境要求，设置电缆中通入电缆金属导线的电流幅值和类型，以及参考地电路参数和环境参数；之后，进行网格划分，将整个模型剖分成很多小区域进行计算；

第3步、得到电极电容的场域与计算结果

软件仿真计算，得到相应的2D、3D的电势分布图；得到相应的电容分布和电容值；加以验证，从而得两金属导线之间的分布电容值以及每一根金属导线与海水之间的电容值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第2步所述的网格划分方法是，使用Comsol Multiphysics的自动网格划分功能，或按照计算精度自行划分。

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