CN112102998A - 复合电缆、伴随大功率信号的供电与数据传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合电缆及以该复合电缆为传输载体的一种伴随大功率信号的供电与数据传输系统和传输方法。复合电缆包括大功率信号电缆、电力电缆和数据电缆，大功率信号电缆、电力电缆和数据电缆由被覆单元被覆在一起，被覆单元与大功率信号电缆、电力电缆和数据电缆的空隙中填充有填充物；其中，数据电缆为差分双绞屏蔽电缆。本申请的伴随大功率信号的供电与数据传输系统，利用差分总线固有的共模干扰抑制能力及自身的隔离、滤波、接地措施，加之复合电缆良好的抗干扰能力，能够有效应对伴随大功率信号带来的传导或辐射干扰，确保供电和数据传输的稳定性，能够伴随25kW～35kW的大功率信号进行300米以上的远距离稳定供电和数据传输。

Description

复合电缆、伴随大功率信号的供电与数据传输系统及方法

技术领域

本发明涉及于水下声学技术领域，尤其涉及一种复合电缆、伴随大功率信号的供电与数据传输系统及传输方法。

背景技术

船载拖曳声源通常是将水声换能器、状态监测设备安装于拖体内部，由母船通过拖缆释放、拖曳及回收。在收放、航行过程中，状态监测设备实时将拖体的深度、姿态信息及水声换能器发射声波强度的信息上传到母船。上述信息的传输要与驱动声源的大功率信号共用一条拖缆。拖缆的长度视拖速、拖曳深度等因素而定，通常为几百米。

驱动声源的信号的功率为30kW左右，为避免大功率信号对状态监测设备所使用的低压直流供电信号、状态监测设备与母船之间的数据传输造成影响，在供电方面，现有技术方案多采用电池供电，在数据传输方面，现有技术多采用非实时传输或利用光纤传输。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复合电缆、伴随大功率信号的供电与数据传输系统及传输方法。

根据本发明的一个方面，本申请提供了一种复合电缆，包括大功率信号电缆、电力电缆和数据电缆，大功率信号电缆、电力电缆和数据电缆由被覆单元被覆在一起，被覆单元与大功率信号电缆、电力电缆和数据电缆的空隙中填充有填充物；其中，数据电缆为差分传输电缆。

可选择地，大功率信号电缆为不具有屏蔽层的非屏蔽电缆；电力电缆和数据电缆为具有屏蔽层的屏蔽电缆。

可选择地，电力电缆包括至少两根电力传输线芯、由内向外依次被覆至少两根电力传输线芯的第一护套和第一屏蔽层。

可选择地，数据电缆包括至少一对差分线芯对、由内向外依次被覆至少一对差分线芯对的第二护套和第二屏蔽层；每对差分线芯对由具有隔离层的两根差分线芯绞合而成，差分线芯的隔离层为镀锡铜丝编织层。

可选择地，被覆单元包括由内向外依次设置的绕包层、外护套和加强层；加强层为铠装钢丝层，加强层包括至少两层铠装钢丝层。

根据本发明的另一个方面，本申请提供了一种伴随大功率信号的供电与数据传输系统，用于监测水声换能器深度、姿态及水声换能器发射声波的强度；系统包括控制系统和监测系统，通过本申请的复合电缆连接控制系统和监测系统；控制系统包括电源模块、上位机；监测系统包括电源管理模块、控制传输模块以及多个传感器节点。复合电缆的大功率信号电缆连接水声换能器和驱动水声换能器的功率放大器。电源模块通过复合电缆的电力电缆与电源管理模块连接，上位机和控制传输模块通过复合电缆的数据电缆连接，上位机和控制传输模块共用一对差分线芯对半双工通信。

可选择地，上位机数据电缆之间设置有第一隔离芯片；控制传输模块与数据电缆之间设置有第二隔离芯片；第一隔离芯片与数据电缆之间设置有第一抗浪涌模块；第二隔离芯片与数据电缆之间设置有第二抗浪涌模块。

可选择地，监测系统的传感器节点包括深度传感器、姿态传感器以及监听水听器；深度传感器用于获取水声换能器的深度信息；姿态传感器用于获取水声换能器的姿态信息；监听水听器用于获取水声换能器发射声波的强度信息。

可选择地，上位机和控制传输模块依据预定的差分协议采用一问一答的模式通信，通过监听水听器按照预定的采样率采集水声换能器发射声波的周期的通信时序。

根据本发明的又一个方面，本申请提供了一种伴随大功率信号的供电与数据传输方法，采用本申请的复合电缆或本申请的伴随大功率信号的供电与数据传输系统。

本申请的复合电缆具有良好的抗干扰能力，电力电缆和数据电缆设置有屏蔽层，同时数据电缆为差分电缆，数据电缆的差分线芯对采用具有隔离层的差分线芯，能够有效屏蔽伴随大功率信号的干扰，确保供电和数据传输的稳定性，能够伴随30kW左右的大功率信号进行300米以上的远距离稳定供电和数据传输。

本申请的复合电缆采用铠装钢丝层被覆复合电缆以增强复合电缆的结构强度和可承受拉力强度，可满足高速大深度拖曳需求，即使在恶劣环境中频繁收放和拖曳，复合电缆也不会破损或断裂，提高复合电缆的服役寿命。

本申请的伴随大功率信号的供电与数据传输系统通过本申请的复合电缆向监测系统供电，无需在系统中增加额外的供电电池，减轻系统的维护负担和重量；通过电缆传输数据，数据传输可与大功率信号传输同时进行，在水声换能器工作时也可以对水声换能器运行状态的各个参数进行数据采集，实时监测水声换能器的运行状态，便于对水声换能器进行控制。本申请的伴随大功率信号的供电与数据传输系统设计科学合理、成本低、实用性强、使用寿命长。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本申请的复合电缆的结构示意图；

图2是本申请的伴随大功率信号的供电与数据传输系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征向量可以相互任意组合。

船载拖曳声源通常是将水声换能器、状态监测设备安装于拖体内部，由母船通过拖缆释放、拖曳及回收。在收放、航行过程中，状态监测设备实时将拖体的深度、姿态信息及水声换能器发射声波的强度信息上传到母船。上述信息的传输要与驱动声源的大功率信号共用一条拖缆。拖缆的长度视拖速、拖曳深度等因素而定，通常为几百米。

驱动声源的信号的功率为30kW左右，为避免大功率信号对状态监测设备所使用的低压直流供电信号、状态监测设备与母船之间的数据传输造成影响，在供电方面，现有技术方案多采用电池供电，其缺点是：

(1)不论是一次性电池，还是充电电池，都有一定的寿命期限，需定期更换或充电，增加了产品的维护负担。

(2)为了支持较长的工作时间，电池需具有一定的容量，因而重量较大，给拖曳系统带来的负担。

在数据传输方面，现有技术多采用光纤传输或非实时传输的方案，其缺点是：

(1)使用光纤传输：增加了拖缆的设计制造复杂度及成本，在频繁收放和拖曳后，拖缆内部的光纤受应力后容易产生损耗，甚至断裂。如果采用光纤传输，拖曳绞车需要配备光电滑环，大大增加了成本。

(2)非实时传输方案：在拖曳声源不工作时才启动数据传输，这种方案不能实时得到水声换能器的深度、姿态信息，不能完全满足使用要求，可以用于声源工作占空比较小的工况。对于声源需要较长时间大功率工作的情况，这种非实时传输方案会造成母船长时间无法掌握水声换能器在水下的航行状态，因而无法对水声换能器进行控制。

为此，本申请提供了一种复合电缆，包括大功率信号电缆100、电力电缆200和数据电缆300，大功率信号电缆100、电力电缆200和数据电缆300由被覆单元400被覆在一起，被覆单元400与大功率信号电缆100、电力电缆200和数据电缆300的空隙中填充有填充物500；其中，数据电缆300为差分传输电缆。本申请的复合电缆在伴随大功率信号的情况下，可连接水上电源向水下供电，同时实现远距离数据传输，实时获得水声换能器信息并可通过下行指令对水声换能器进行控制。

如图1所示，本申请的复合电缆，包括大功率信号电缆100、电力电缆200和数据电缆300，大功率信号电缆100、电力电缆200和数据电缆300由被覆单元400被覆在一起，被覆单元400与大功率信号电缆100、电力电缆200和数据电缆300的空隙中填充有填充物500；其中，数据电缆300为差分传输电缆。

其中，本申请中提及的大功率信号为功率25kW～35kW的信号。

作为一种示例，复合电缆的大功率信号电缆100为不具有屏蔽层的非屏蔽电缆；200和数据电缆300为具有屏蔽层的屏蔽电缆。本申请通过在电力电缆和数据电缆外侧设置屏蔽层以减小信号电缆传输信号造成的影响。

作为一种示例，电力电缆200包括至少两根电力传输线芯210、由内向外依次被覆至少两根电力传输线芯210的第一护套220和第一屏蔽层230；数据电缆300包括至少一对差分线芯对310、由内向外依次被覆至少一对差分线芯对310的第二护套320和第二屏蔽层330；每对差分线芯对310由具有隔离层的两根差分线芯绞合而成，差分线芯的隔离层为镀锡铜丝编织层。

本申请中的数据电缆为差分传输电缆，采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，有效应对伴随大功率信号对数据传输线路的干扰。同时，在电力电缆200和数据电缆300外包覆屏蔽层增强了对抗伴随大功率信号产生干扰的能力，本申请的复合电缆可同时进行信号传输、电力传输和数据传输，电力传输和数据传输不受伴随大功率信号的干扰。

基于上述示例，一种可行的实施方式，如图1所示，包括两根用于信号传输的大功率信号电缆100。电力电缆200包括三根电力传输线芯210，复合电缆使用过程中使用其中的两根电力传输线芯210供电，另外一根电力输送线芯210作为备用线芯。数据电缆300包括至少两对差分线芯对310，应用时一对差分线芯对310传输数据，另一对差分线芯对310备用；本申请的电缆设有备用电力输送线芯210和备用差分线芯对310，应用时，使用中的线芯故障可及时更换为备用线芯，提高现场维修效率。

作为本实施方式的一个具体实施例，用于信号传输的大功率信号电缆100为截面积为2mm²的线芯；电力电缆200的电力传输线芯210的规格为16AWG；数据电缆300的差分线芯对310为差分线芯双绞线，差分线芯的规格为22AWG。

在此条件下，本申请的复合电缆传输的伴随大功率信号的功率可达到30kW以上，数据传输长度可以达到300米以上，而电力电缆200和数据电缆300的传输不受伴随大功率信号的传导干扰或辐射干扰。

基于上述示例，一种可行的实施方式，差分线芯的隔离层由密度80％以上的镀锡铜丝编织而成。

作为一种示例，被覆单元400包括由内向外依次设置的绕包层410、外护套420和加强层430；加强层430为铠装钢丝层，加强层430包括至少两层铠装钢丝层。本申请在复合电缆外部被覆铠装钢丝层，提高复合电缆的结构强度和可承受拉力，可用于大深度、高速拖曳。

如图2所示，本申请的伴随大功率信号的供电与数据传输系统，用于监测水声换能器004；系统包括控制系统001和监测系统002，控制系统001通过如本申请的复合电缆003连接监测系统002。控制系统001包括电源模块0012、上位机0013。监测系统002包括电源管理模块0021、控制传输模块0022以及多个传感器节点。功率放大器009和水声换能器004通过复合电缆003的大功率信号电缆100连接；电源模块0012通过复合电缆003的电力电缆200与电源管理模块0021连接；上位机0013和控制传输模块0022通过复合电缆003的数据电缆300连接，上位机0013和控制传输模块0022使用一对差分线芯对半双工通信。

作为一种示例，上位机0013与数据电缆300之间设置有第一隔离芯片005；控制传输模块0022与数据电缆300之间设置有第二隔离芯片006；第一隔离芯片005与数据电缆300之间设置有第一抗浪涌模块007；第二隔离芯片006与数据电缆300之间设置有第二抗浪涌模块008。数据电缆300的屏蔽层联通控制系统001的第一隔离芯片005的地层和监测系统002的第二隔离芯片006的地层。

作为一种示例，本申请的伴随大功率信号的供电与数据传输系统，用于监测水声换能器004。控制系统001为水上控制系统001，监测系统002为水下监测系统002。控制系统001通过本申请的复合电缆003与监测系统002连接。功率放大器009用于向水声换能器004发送驱动信号以驱动水声换能器004发射水声信号；同时，控制系统001还用于向监测系统002供电并获取监测系统002的监测数据。监测系统002用于监测水声换能器004在水下的航行状态。

作为一种示例，控制系统001包括功率放大器009、电源模块0012、上位机0013；功率放大器009用于放大脉冲信号或通信信号以产生驱动水声换能器004发射水声信号的大功率信号；电源模块0012用于向监测系统002供电；上位机0013用于与监测系统002通信以获取水声换能器004的航行状态及水声换能器004的工作状态。

监测系统002包括电源管理模块0021、控制传输模块0022、深度传感器0023、姿态传感器0024、监听水听器0025；电源管理模块0021用于将直流供电转换为各模块及传感器的工作电压并向控制传输模块0022、深度传感器0023、姿态传感器0024、监听水听器0025分别供电；控制传输模块0022用于采集深度传感器0023、姿态传感器0024以及监听水听器0025的监测数据，将监测数据传送给上位机0013；深度传感器0023用于获取水声换能器004的深度信息；姿态传感器0024用于获取水声换能器004的姿态信息；监听水听器0025用于获取水声换能器004发射声波的强度信息。

功率放大器009和水声换能器004通过复合电缆003的大功率信号电缆100连接；电源模块0012通过复合电缆003的电力电缆200与电源模块电源管理模块0021连接；上位机0013和控制传输模块0022通过复合电缆003的数据电缆300连接，上位机0013和控制传输模块0022共用一对差分线芯对310半双工通信。

作为一种示例，电源管理模块0021包括输入滤波模块、电压变换模块以及输出滤波模块；输入滤波模块的输入端与电力电缆200连接，电压变换模块的输入端与输入滤波模块的输出端连接，电压变换模块的输出端与输出滤波模块的输入端连接，输出滤波模块包括多个输出端，输出滤波模块的多个输出端分别与监测系统002的其它模块和传感器节点连接以向监测系统002的其它模块和传感器节点供电。

滤波模块用于对抗大功率信号对电力电缆200产生的传导干扰或辐射干扰。

电压变换模块用于整流来自电力电缆200的电压。

输出滤波模块用于对整流后的电压输出进行滤波处理并分别向监测系统002的其它模块和传感器供电。

作为一种示例，上位机0013与数据电缆300之间设置有第一隔离芯片005；控制传输模块0022与数据电缆300之间设置有第二隔离芯片006；第一隔离芯片005、第二隔离芯片005用于防止大功率信号产生的传导干扰或辐射干扰串入线路影响上位机0013和控制传输模块0022的通信质量。

第一隔离芯片005与数据电缆300之间设置有第一抗浪涌模块007，第一抗浪涌模块007用于防止大功率信号产生的传导干扰或辐射干扰从第一隔离芯片005前端串入线路影响0013和控制传输模块0022的通信质量。

第二隔离芯片006与数据电缆300之间设置有第二抗浪涌模块008，第二抗浪涌模块008用于防止大功率信号产生的传导干扰或辐射干扰从第二隔离芯片006前端串入线路影响上位机0013和控制传输模块0022的通信质量。

作为一种示例，上位机0013和控制传输模块0022依据预定的差分协议采用一问一答的模式通信，通过监听水听器0025按照预定的采样率采集水声换能器004发射声波的周期设计通信的时序。

上位机0013向控制传输模块0022主动发起通信请求，控制传输模块0022处理上位机0013的通信请求并向上位机0013发送应答数据，上位机0013接收到控制传输模块0022的应答数据，通信请求完成。

通信请求完成后，控制传输模块0022回归接收请求的状态，等待接收下一个通信请求。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种复合电缆，其特征在于，包括大功率信号电缆(100)、电力电缆(200)和数据电缆(300)，所述大功率信号电缆(100)、所述电力电缆(200)和所述数据电缆(300)由被覆单元(400)被覆在一起，所述被覆单元(400)与所述大功率信号电缆(100)、所述电力电缆(200)和所述数据电缆(300)的空隙中填充有填充物(500)；

其中，所述数据电缆(300)为差分传输电缆。

2.如权利要求1所述的复合电缆，其特征在于，所述大功率信号电缆(100)为不具有屏蔽层的非屏蔽电缆；所述电力电缆(200)和所述数据电缆(300)为具有屏蔽层的屏蔽电缆。

3.如权利要求2所述的复合电缆，其特征在于，所述电力电缆(200)包括至少两根电力传输线芯(210)、由内向外依次被覆所述至少两根电力传输线芯(200)的第一护套(220)和第一屏蔽层(230)。

4.如权利要求2所述的复合电缆，其特征在于，所述数据电缆(300)包括至少一对差分线芯对(310)、由内向外依次被覆所述至少一对差分线芯对(310)的第二护套(320)和第二屏蔽层(330)；每对所述差分线芯对(310)由具有隔离层的两根差分线芯绞合而成，所述差分线芯的所述隔离层为镀锡铜丝编织层。

5.如权利要求1所述的复合电缆，其特征在于，所述被覆单元(400)包括由内向外依次设置的绕包层(410)、外护套(420)和加强层(430)；所述加强层(430)为铠装钢丝层，所述加强层(430)包括至少两层铠装钢丝层。

6.一种伴随大功率信号的供电与数据传输系统，其特征在于，用于监测水声换能器(004)；所述系统包括控制系统(001)和监测系统(002)，所述控制系统(001)通过如权利要求1～5中任一项所述的复合电缆(003)连接所述监测系统(002)；

所述控制系统(001)包括电源模块(0012)以及上位机(0013)；

所述监测系统(002)包括电源管理模块(0021)、控制传输模块(0022)以及多个传感器节点；

所述复合电缆(003)的所述大功率信号电缆(100)连接所述水声换能器(004)和驱动所述水声换能器(004)的功率放大器(009)；所述电源模块(0012)通过所述复合电缆(003)的所述电力电缆(200)与所述电源管理模块(0021)连接；所述上位机(0013)和所述控制传输模块(0022)通过所述复合电缆(003)的所述数据电缆(300)连接，所述上位机(0013)和所述控制传输模块(0022)共用一对所述差分线芯对进行半双工通信。

7.如权利要求6所述的伴随大功率信号的供电与数据传输系统，其特征在于，所述上位机(0013)与所述数据电缆(300)之间设置有第一隔离芯片(005)；所述控制传输模块(0022)与所述数据电缆(300)之间设置有第二隔离芯片(006)；所述第一隔离芯片(005)与所述数据电缆(300)之间设置有第一抗浪涌模块(007)；所述第二隔离芯片(006)与所述数据电缆(300)之间设置有第二抗浪涌模块(008)。

8.如权利要求6所述的伴随大功率信号的供电与数据传输系统，其特征在于，所述监测系统(002)的所述传感器节点包括深度传感器(0023)、姿态传感器(0024)以及监听水听器(0025)；所述深度传感器(0023)用于获取所述水声换能器(004)的深度信息；所述姿态传感器(0024)用于获取所述水声换能器(004)的姿态信息；所述监听水听器(0025)用于获取所述水声换能器(004)发射声波的强度信息。

9.如权利要求8所述的伴随大功率信号的供电与数据传输系统，其特征在于，所述上位机(0013)和所述控制传输模块(0022)依据预定的差分协议采用一问一答的模式通信，通过所述监听水听器(0025)按照预定的采样率采集所述水声换能器(004)发射声波的周期的通信时序。

10.一种伴随大功率信号的供电与数据传输方法，其特征在于，采用如权利要求1～5中任一项所述的复合电缆或如权利要求6～9中任一项所述的伴随大功率信号的供电与数据传输系统。

Images