CN108847898A - 一种紧凑型水声通信节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型水声通信节点，包括圆筒状的舱体、水密接插件和水声换能器；所述紧凑型水声通信节点还包括：位于舱体内的电池供电系统和通信机电路系统；所述电池供电系统，用于采用锂电池给通信机电路系统供电；所述通信机电路系统，用于对接收到的信号进行转换和运算处理，然后对处理后的信号进行功率放大，再经滤波和变压后转换为发射所需的高压电信号；所述水声换能器设置在舱体内；所述水声换能器和水密接插件分别设置舱体的两个端口。本发明的紧凑型水声通信节点在技术方面的提高及成本方面的降低，使得原来无法实现的全水深实时通信成为可能；成功实现了长时间深海无线实时通信以及全海深通信，使得国内深海全水深通信技术达到国际领先水平。

Description

一种紧凑型水声通信节点

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，具体而言涉及一种紧凑型水声通信节点，可应用于全水深海洋通信。

背景技术

常规的电磁波、光通信由于在水下衰减严重，无法实现在水下长距离的信息传输。目前海洋中无线信息传输的主要技术手段是水声通信，水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器和载人潜水器作业等方面有着广泛应用。水声通信机网络可灵活地用于不同的速率载荷、覆盖距离、水体深度和网络结构的情景，可广泛地应用于海洋环境监测，实现水下不同空间位置多个观测设备之间的信息交互。同时，水声信道传输状态多变和海洋恶劣的作业环境，对通信和设备可靠性有较高要求。

传统水下通信节点，包括水密接插件、通信机芯、电声换能器和电池供电系统。通常电池供电系统作为单独一部分，设置在通信节点的外部，其余部分作为通信机。在某些应用中，例如无线潜标实时化系统中，由于要求潜标工作一年以上，所以电池供电系统采用两罐26公斤的电池并联。由于电池罐电池仓笨重且相互之间用水密线缆连接，因此需要提供额外的机械结构固定这些设备，甚至需要连接浮球提供额外的浮力。这种通信节点会造成两方面的困难：第一，操作灵活性差，通信节点体积大，重量重，需要专门的起吊设备对通信节点进行操作；第二，可靠性低，因为各个独立部分相互之间需要使用线缆连接，在操作及使用过程中容易出现因为拉拽磕碰等现象，从而导致设备出现故障。因为传统的通信节点设备自身的这两方面困难，导致其应用受到限制。例如，因为其整体结构体积大重量重，外部线缆连接复杂，只能将其应用于个别水深的水下通信，每增加一个这样的通信节点就要相应地增加更多的配套设施，实时难度以及成本都将成倍增长，所以一直无法应用于全水深多节点的水下实时通信。

发明内容

本发明的目的在于解决传统的通信节点其电池罐或电池仓笨重，且相互之间在操作及使用过程中容易出现拉拽磕碰导致设备故障，无法应用于全水深多节点的水下实时通信问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种水下紧凑型水声通信节点，

包括圆筒状的舱体、水密接插件和水声换能器；所述紧凑型水声通信节点还包括：位于舱体内的电池供电系统和通信机电路系统；

所述电池供电系统，用于采用锂电池给通信机电路系统供电；

所述通信机电路系统，用于对接收到的信号进行转换和运算处理，然后对处理后的信号进行音频集成功放，再经滤波和变压后转换为发射所需的高压电信号；

所述水声换能器设置舱体内；所述水声换能器和水密接插件分别设置舱体的两个端口。

作为本发明装置的一种改进，所述电池供电系统为24V锂电池。

作为本发明装置的一种改进，所述水声换能器与舱体之间采用防水密封连接。

作为本发明装置的一种改进，所述通信机电路系统包括信号接收处理模块、发射机模块和电源模块；

所述信号接收处理模块，与水密接插件连接，用于处理从所述水密接插件接收到的外部数据信号，将处理后的信号传送给发射机模块；

所述发射机模块，用于将接收到的信号处理为发射所需的高压电信号提供给所述水声换能器；所述发射机模块包括，运算放大器、音频集成功放单元和LC滤波电路和变压器；

所述运算放大器将所述信号接收处理模块输入的单端模拟信号运放之后转换为差分模拟信号，输出给所述音频集成功放单元；

所述音频集成功放单元将所述差分模拟信号经放大功率后输出到所述LC滤波电路；

所述LC滤波电路将所述放大功率后的模拟信号经过变压器变压加载到所述水声换能器上；

所述电源模块，与所述电池供电系统连接，用于为所述的信号接收处理模块和发射机模块供电。

作为本发明装置的一种改进，所述运算放大器还能够放大从所述水密接插件接收到的外部数据信号。

作为本发明装置的一种改进，所述音频集成功放单元包括PWM波形调制子单元、驱动电路、功率放大子单元和过温过压保护电路；

所述音频集成功放单元的采用所述电池供电系统供电，瞬间供电电流能达到5A，采用470微法50V的功放供电电容；

所述音频集成功放单元的功放功率电源引脚电压采用宽压供电方式。

作为本发明装置的一种改进，所述LC滤波电路的电感为工形功率电感，用于防止电流饱和，所述LC滤波电路的电容为陶瓷电容。

作为本发明装置的一种改进，所述水声换能器为带有滤波功能的滤波器。

作为本发明装置的一种改进，所述通信机电路系统整体宽度为60mm，长度为100mm。

作为本发明装置的一种改进，所述舱体的外直径为70mm，舱体的内径为60mm，舱体的长度为648mm，整个紧凑型水声通信节点的总长度小于847mm。

本发明的优势在于：

1、本发明提出的紧凑型水声通信节点操作灵活性强，具有体积小，重量轻的优点，不需要专门设备对其进行移动，可以灵活地对其进行安装维护；

2、本发明的紧凑型水声通信节点可靠性强，省去了通信系统与电池之间的外部水密线缆连接，只需在壳体内部采用普通的电线连接，操作过程中不会受到拉拽磕碰的影响，其应用更加可靠；

3、本发明的紧凑型水声通信节点成本降低，一方面，原来的舱体结构由多个部分变为一个部分，舱体的体积减小，由此减少了原材料的使用，从而降低了成本，另一方面，省去的耐高压水密线缆及接插件等零部件使成本进一步降低，再者，本发明的紧凑型水声通信节点不再需要连接整体的结构件，极大地降低了紧凑型水声通信节点的成本；

4、本发明的紧凑型水声通信节点应用更加广泛，因为其在技术方面的提高及成本方面的降低，使得原来无法实现的全水深实时通信成为可能；

5、本发明的紧凑型水声通信节点克服了深海通信的困难，成功实现了长时间深海无线实时通信以及全海深通信，使得国内深海水深通信技术达到国际领先水平。

附图说明

图1为本发明的紧凑型水声通信节点的结构示意图；

图2为本发明的紧凑型水声通信节点的通信机电路系统的示意图；

图3为本发明的发射机电路原理图；

图4为本发明的音频集成功放单元的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

针对目前水声紧凑型水声通信节点体积大，重量重而导致的操作灵活性差及可靠性低的缺点，本发明公开了一种小型化的紧凑型水声通信节点。该小型化紧凑型水声通信节点，通过使用小体积的通信机，及紧凑的电路结构设计，实现了紧凑型水声通信节点一体化。使紧凑型水声通信节点体积变小，重量变轻，使用更加灵活，应用范围更加广阔。成功应用于6000米深海无线实时通信数据传输实验。从2018年1月份至今(2018年6月)依然在稳定工作，并将持续工作一年。

如图1所示，本发明的一种紧凑型水声通信节点包括顺序连接的：水密接插件、通信机电路系统、电池供电系统和水声换能器；

所述紧凑型水声通信节点舱体外直径70mm，舱体内径60mm，舱体长度648mm，所述紧凑型水声通信节点整体总长度小于847mm。

所述水密接插件设置于本发明所述通信节的端部，用来连接输入信号的接口与通信机电路系统，具有防水密封性能，可以保护系统在深水也能正常工作。

所述通信机电路系统所包括信号接收处理模块、发射机模块和电源模块。

所述信号接收处理模块与水密接插件用高温线连接，用于接收输入端的AD信号数据，处理接收到的数据信号，并将处理后的信号发送给发射机模块；

所述发射机模块通过高温线与换能器连接，为换能器提供所需的DA信号作为发射的高压电信号；

所述电源模块与本发明的电池供电系统通过双绞线连接，用于为所述信号接收处理模块和发射机模块供电。

所述通信机电路系统与所述电池供电系统及换能器都在同一个仓体内，不需要使用水密线缆，仅使用普通电线连接即可，而且在密封的壳体内，故连接不易受外部环境的影响。

所述电池供电系统为正六边形的六棱柱形状的+24V锂电池供电，正好紧贴紧凑型水声通信节点舱体内壁，固定在舱体内部。供电系统电源线从靠近通信机系统一端引出电源线，与通信机通过导线连接，使得仓体内电源线走线最短。虽然电池与舱体内壁之间紧密固定，但其为六棱柱形，故电池与舱体之间留出了六个缝隙，这些缝隙足够导线穿过。

水声换能器在紧凑型水声通信节点的另一端口，与舱体之间防水密封连接，相当于本发明紧凑型水声通信节点的另一端盖，能够确保通信机不会进水，保证其能够在水下工作。

换能器引线穿过电池与舱体之间的缝隙与通信机用导线连接。换能器的作用是将通信机提供的电信号转换成声信号发射出去。

通信机电路板尺寸40mmx50mm，通信机电路系统整体宽度60mm，长度100mm。

如图2所示，所述的通信机电路系统包括信号接收处理模块、发射机模块和电源模块；所述信号接收处理模块和发射机模块通过电源模块供电；所述信号接收处理模块接收输入信号，并处理信号，最后将信号发送给发射机模块，所述发射机模块发射放大后的信号，信号功率大小可以足够垂直传输上万米距离。所述信号接收处理模块从电源模块接收供电电压，并为电源模块提供各种控制信号，例如发射机电源开关信号，单片机开关及工作方式控制信号。

传统的通信机电路系统结构采用底板连接信号接收处理模块、发射机模块和电源模块的方式连接电路，以满足各种空间形状的要求；或者采用将接收信号处理模块、发射机模块和电源模块各部分画在一块电路板上的方式，减小电路板所占空间和面积。本发明采用的连接方式为：接收信号处理模块和电源模块由于连接信号线较多，故采用公母接插件对插的方式连接；发射机模块相对比较独立，故采用高温线连接。这样既省去了传统方案中第一种方案中的底板，也比传统方案中第二种方案摆放更加自由，也更容易利用空间。

所述发射机模块电路集成化是本发明的重要基础。

如图3所示，发射机模块电路原理图结构示意图，所述发射机模块包括，运算放大器、音频集成功放单元、LC滤波电路和变压器；

所述运算放大器将外部输入的单端模拟信号运放之后转换为差分模拟信号输出给所述音频集成功放单元；

所述音频集成功放单元将所述差分模拟信号经放大功率后输出到所述LC滤波电路；

所述LC滤波电路将所述放大功率后的模拟信号经过变压器变压为高压电加载到所述换能器上；

所述运算放大器还能够放大前端的单端模拟信号。

本发明所述发射机模块采用所述电池供电系统的+24V锂电池供电，输入单端模拟信号经前端所述运算放大器运放之后变为差分模拟信号，且所述运算放大器的运放功能也可以放大前端的单端模拟信号。所述差分信号经所述音频集成功放单元放大功率后输出到滤波电路，再经过变压器变压加载到负载换能器上。

如图4所示，本发明所述发射机模块的核心是采用音频集成功放单元，该功放单元为发射机的小型化以及通信机的小型化，乃至整个小尺寸紧凑型水声通信节点的发明奠定了基础。

本发明的具体方案如下：

第一，所述音频集成功放单元将PWM波形调制、驱动电路、功率放大和过温过压保护等电路全部集成在一个功放芯片之中，这就使得发射机的整体尺寸必然比普通发射机小得多。

第二，所述音频集成功放单元功放采用所述锂电池供电，瞬间供电电流能达到5A，所以功放供电电容不需要太大，这里仅使用470微法50V的供电电容，相比传统的紧凑型水声通信节点需要采用法拉级别的容值电容，该电容尺寸已相当小。

第三，所述LC滤波电路电感选用工形功率电感防止电流饱和，LC滤波电容使用普通的陶瓷电容，该电感电容相比音频电路中要求极高的LC滤波电感电容尺寸已相当小。另外，因为本发明所使用的水声换能器本身具有滤波功能，滤波电路部分作为一种替代方案，可以不使用该滤波电路，这样可以进一步简化并减小发射机的尺寸。

第四，本发明所述音频集成功放单元使用单端电源电压供电，相比于普通正负对称电压电源供电的功放电路设计，本发明的电源模块不需要使用隔离电压及正负电压转换模块(通常该正负电压转换模块尺寸比较大)，为本发明的电源模块尺寸的缩小奠定了重要基础。

第五，本发明所述音频集成功放单元的功放功率电源引脚电压采用宽压供电方式，故所述锂电池可直接为功放供电，省去了电源模块中宽压降压模块的设计，不但使电源模块尺寸进一步减小，而且减少了变压过程中的功率损耗。

第六，本发明所述音频集成功放单元功放的效率能够达到80％以上，效率大大增加，使得电池能量需求大大减小，这样电池供电部分体积也大大减小。

通过以上六步设计，整个通信机电路的尺寸大大减小，且所述锂电池体积很小，这样便可以使本发明的紧凑型水声通信节点体积大大减小。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种紧凑型水声通信节点，包括圆筒状的舱体、水密接插件和水声换能器；其特征在于，所述通信节点还包括：位于舱体内的电池供电系统和通信机电路系统；

所述电池供电系统，用于采用锂电池给通信机电路系统供电；

所述通信机电路系统，用于对接收到的信号进行转换和运算处理，然后对处理后的信号进行功率放大，再经滤波和变压后转换为发射所需的高压电信号；

所述水声换能器设置舱体内；所述水声换能器和水密接插件分别设置舱体的两个端口。

2.根据权利要求1所述的紧凑型水声通信节点，其特征在于，所述电池供电系统为24V锂电池。

3.根据权利要求1所述的紧凑型水声通信节点，其特征在于，所述水声换能器与舱体之间采用防水密封连接。

4.根据权利要求1所述的紧凑型水声通信节点，其特征在于，所述通信机电路系统包括信号接收处理模块、发射机模块和电源模块；

所述信号接收处理模块，与水密接插件连接，用于处理从所述水密接插件接收到的外部数据信号，将处理后的信号传送给发射机模块；

所述发射机模块，用于将接收到的信号处理为发射所需的高压电信号提供给所述水声换能器；所述发射机模块包括，运算放大器、音频集成功放单元和LC滤波电路和变压器；

所述运算放大器将所述信号接收处理模块输入的单端模拟信号运放之后转换为差分模拟信号，输出给所述音频集成功放单元；

所述音频集成功放单元将所述差分模拟信号经放大功率后输出到所述LC滤波电路；

所述LC滤波电路将所述放大功率后的模拟信号经过变压器变压加载到所述水声换能器上；

所述电源模块，与所述电池供电系统连接，用于为所述的信号接收处理模块和发射机模块供电。

5.根据权利要求4所述的紧凑型水声通信节点，其特征在于，所述运算放大器还能够放大从所述水密接插件接收到的外部数据信号。

6.根据权利要求5所述的紧凑型水声通信节点，其特征在于，所述音频集成功放单元包括PWM波形调制子单元、驱动电路、功率放大子单元和过温过压保护电路；

所述音频集成功放单元的采用所述电池供电系统供电，瞬间供电电流能达到5A，采用470微法50V的功放供电电容；

所述音频集成功放单元的功放功率电源引脚电压采用宽压供电方式。

7.根据权利要求6所述的紧凑型水声通信节点，其特征在于，所述LC滤波电路的电感为工形功率电感，用于防止电流饱和，所述LC滤波电路的电容为陶瓷电容。

8.根据权利要求7所述的紧凑型水声通信节点，其特征在于，所述水声换能器能够滤波。

9.根据权利要求8所述的紧凑型水声通信节点，其特征在于，所述通信机电路系统整体宽度为60mm，长度为100mm。

10.根据权利要求9所述的紧凑型水声通信节点，其特征在于，所述舱体的外直径为70mm，舱体的内径为60mm，舱体的长度为648mm，整个紧凑型水声通信节点的总长度小于847mm。