CN115182402A - 海底岩石媒介透地通信装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海底通信领域，具体涉及了一种海底岩石媒介透地通信装置及其使用方法，旨在解决传统的海底通信方式形式单一，一旦出现故障则无法实现监控且维修困难，重新布设工程量大的问题。本发明包括：钻头外壳、套管、凹槽连接件、凹槽固定件、透地信号发射器、光电湿插拔接口、控制电路、磁信号接收器和舱室外壳。本发明通过机械天线旋转而产生低频透地磁信号进行通信，因而将外壳设置为带有钻头的形状，不需要像传统的海底通信装置先用钻头钻孔，然后抽出钻头、通过图像技术对准，然后抵抗海流的影响插入并填埋，安装快速简单且不影响正常的通讯功能。
Description
技术领域
本发明属于海底通信领域，具体涉及了一种海底岩石媒介透地通信装置及其使用方法。
背景技术
低频通信技术是利用无线电频谱中的低频谱段进行通信的技术，特点在于传输范围远，在各种介质中衰减小，能一定程度穿透地层和水体，在地下或海中传输。能够用于透地通信、抵制勘探、潜艇通信等领域。
海底观测网是一种新兴的海洋观测技术手段，主要由岸基站，光电海缆)、中继器、海底主基站、海底接驳盒、观测设备等组成，其中岸基站、海缆、中继器、海底主基站等构成了海底观测网的主干网络，海底接驳盒为海底观测网的次级网络，数量众多的观测设备构成了海底观测网的观测网络。
海底观测网的工作模式如下：观测设备将采集到的科学数据发送到海底接驳盒，在海底接驳盒内部汇聚后传送到海底主基站，海底主基站将多个海底接驳盒的数据进一步汇聚后通过海缆中的光纤传送到岸基站；岸基站可通过海缆为水下设备供电并将控制指令发送到水下各级设备。但是由于海底暗流、地质运动情况复杂，海缆中的光纤可能会出现故障，且一旦出现故障难以立刻补救维修，重新布设工程量大，而海底观测如果出现信息回传受阻的情况极容易出现数据丢失等问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即传统的海底通信方式形式单一，一旦出现故障则无法实现监控且维修困难，重新布设工程量大的问题，本发明提供了一种海底岩石媒介透地通信装置，包括：包括：钻头外壳1、套管2、凹槽连接件3、凹槽固定4、透地信号发射器5、光电湿插拔接口6、控制电路7、磁信号接收器8和舱室外壳9；
所述钻头外壳1，包括在同一轴线上的实心钻头101、空心天线舱外壳102、空心元件舱外壳103和凹槽固定件4；
所述套管2，配置为空心套管，套管2的内侧为螺纹，套管2的内径与所述光电湿插拔接口6的外径相同，所述透地通信装置布设完成前通过所述凹槽连接件3和凹槽固定件4与钻头外壳1连接，布设完成后套管2与钻头外壳1脱离；
所述舱室外壳9包括由下至上的第一舱室901、第二舱室902和第三舱室903；
所述透地信号发射器5，配置为设置于第一舱室901内的，处于空心天线舱外壳102位置的低频磁信号发射器；
所述光电湿插拔接口6，配置为设置于钻头外壳1最上端的凹槽固定件4内；
所述控制电路7，配置为设置于第三舱室903内的，处于空心元件舱外壳103位置的电路或芯片；
所述磁信号接收器8，配置为设置于第二舱室外壳902内的，处于空心元件舱外壳103位置的磁传感器。
在一些优选的实施方式中，所述光电湿插拔接口6，包括：
圆柱形的固定底座601和位于固定底座601圆心的圆锥形的数据接口602；
圆锥形的数据接口602的尖端为光信号接口6021，由尖端向外周共分为4层，依次为光信号接口6021、绝缘填充层6022、电信号接口6023和外皮6024；
所述固定底座601的侧面设置为螺纹，与所述套管2的螺纹配合。
在一些优选的实施方式中，所述舱室外壳9与钻头外壳1之间通过油性填充液填充。
在一些优选的实施方式中，所述透地信号发射器5，包括永磁体机械天线501，永磁体机械天线501通过转轴502与旋转电机503固定并连接。
在一些优选的实施方式中，永磁体机械天线501由过圆心的直线分割为两个半圆柱部分，第一半圆柱部分为S极5011，第二半圆柱部分为N极5012。
本发明的另一方面，提出了一种海底岩石媒介透地通信装置使用方法，基于上述的海底岩石媒介透地通信装置实现，所述方法包括：
步骤S100，根据观测网点选定安装地点；
步骤S200，在安装地点上方将所述海底岩石媒介透地通信装置连带套管2向下投出；
步骤S300，当所述海底岩石媒介透地通信装置接触海底时，启动钻头外壳1向下挖掘埋放坑；
步骤S400，当埋放坑挖掘完成后，通过控制凹槽连接件3反向旋转与凹槽固定件4脱离，套管2带着凹槽连接件3由安装船回收，其余部分均留在海底；
步骤S500，通过光电湿插拔接口6接入观测网点，并通过磁信号接收器8向其他透地通信装置发出入网请求信号；
步骤S600，接收到入网请求反馈信号后，进入待机模式；
步骤S700，当检测到光缆传输出现故障时，自动启动通过透地信号发射器5发出通讯信号。在一些优选的实施方式中，所述高精度磁传感器，包括设置于另一基于旋转磁天线的低频透地通信设备的高精度磁传感器、设置于地表终端的高精度磁传感器和设置于搜救设备的高精度磁传感器。
在一些优选的实施方式中，所述设置于搜救设备的高精度磁传感器，可根据计算高精度磁传感器与永磁体两点之间的顶角、倾角、方位角和工具面角，获得搜救设备钻头出三分量磁力仪和定位磁源之间的空间位置关系。
在一些优选的实施方式中，所述入网请求信号，包括本透地通信装置的标识码、本透地通信装置连接的观测网点或接驳盒的标识码和通信质量验证信息，当通过对通信质量验证信息进行核验后，若认定满足通信质量阈值，则返回入网请求反馈信号。
在一些优选的实施方式中，所述通讯信号，为通过将待发送信息通过调制器调制后获得叠加电信号，通过叠加电信号通过旋转电机503控制永磁体机械天线501的转速，产生规律的交变磁场，将通讯信息加载到低频透地磁信号中并发射。
在一些优选的实施方式中，可通过无线电磁波的方式将控制电路7与海底基站进行通讯。
在一些优选的实施方式中，所述步骤S700还包括：当光缆传输出现故障时，对应的海底岩石媒介透地通信装置将自身的对应标号和位置信息；
当磁信号接收器8收到了带有标号和位置信息的低频透地磁信号时，将所述低频透地磁信号调制为对应的叠加电信号，控制透地信号发射器5发出相同的通讯信号。
本发明的有益效果：
(1)本发明因为是通过机械天线旋转而产生低频透地磁信号进行通信，因而将外壳设置为带有钻头的形状，不需要像传统的海底通信装置先用钻头钻孔，然后抽出钻头、通过图像技术对准，然后抵抗海流的影响插入并填埋，安装快速简单且不影响正常的通讯功能。
(2)本发明通过设置海底岩石媒介透地通信装置，避免了传统的只通过单一的光缆通信的方式出现故障难以立刻补救维修，重新布设工程量大，而海底观测如果出现信息回传受阻的情况极容易出现数据丢失的问题。
(3)本发明海底岩石媒介透地通信装置的安装不需要额外布设海底光缆，不会因为拖锚、海底施工等原因损坏线路，导致海底基站失联。
(4)本发明海底岩石媒介透地通信装置可搭配海底基站使用海洋潮汐能、温差能等方式的发电装置供电使用，连接的该海底基站可以完全不使用任何形式的海缆也能进行长期海洋观测的工作。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施例中海底岩石媒介透地通信装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中光电湿插拔接口和光电湿插拔连接槽的结构示意图；
图3是本发明实施例中海底岩石媒介透地通信装置的透视结构示意图；
图4是本发明实施例中透地信号发射器的结构示意图；
图5是本发明实施例中多个海底岩石媒介透地通信装置相互通信的原理示意图；
图6是本发明实施例中辅助连接件的结构示意图；
图7是本发明实施例中海底岩石媒介透地通信装置使用方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
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可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供一种海底岩石媒介透地通信装置，本设备通过机械天线旋转而产生低频透地磁信号进行通信，因而将外壳设置为带有钻头的形状，不需要像传统的海底通信装置先用钻头钻孔，然后抽出钻头、通过图像技术对准，然后抵抗海流的影响插入并填埋，安装快速简单且不影响正常的通讯功能。
为了更清晰地对本发明海底岩石媒介透地通信装置进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各结构展开详述。
在对海洋进行研究和观测，构建海底观测网的过程中，需要将海底基站、光电海缆等设备安装在海底，并相互连接组网。其中，海底基站需要用其配备的各种传感器收集海洋数据，在通过光电海缆中的光纤将数据传递至岸基数据中心，而光电海缆中的电缆则承担着给海底基站供电的功能。
当海缆遭到损坏，光纤通信断绝时，需要一种不需要缆线的应急通信手段进行数据的紧急传输。
考虑到海底的环境中，发射的无线电波无法通过海水传输足够距离，如果用释放天线浮标的方法，则需要考虑稳定性和收放难度的问题。所以本发明采用了低频透地通信天线，将磁信号以海底岩石为介质传输，实现应急通信。
本发明的一种基于旋转磁天线的低频透地通信设备，包括：钻头外壳1、套管2、凹槽连接件3、凹槽固定4、透地信号发射器5、光电湿插拔接口6、控制电路7、磁信号接收器8和舱室外壳9；
所述钻头外壳1，包括在同一轴线上的实心钻头101、空心天线舱外壳102、空心元件舱外壳103和凹槽固定件4；外壳1可通过无磁钢材料构建，提供充足的扛压能力和钻孔所需硬度。
所述套管2，配置为空心套管，套管2的内侧为螺纹，套管2的内径与所述光电湿插拔接口6的外径相同，所述透地通信装置布设完成前通过所述凹槽连接件3和凹槽固定件与钻头外壳1连接，布设完成后套管2与钻头外壳1脱离；
所述舱室外壳9如图3所示，包括由下至上的第一舱室901、第二舱室902和第三舱室903；
在本实施例中，所述舱室外壳9与钻头外壳1之间通过油性填充液填充。
所述透地信号发射器5，配置为设置于第一舱室901内的，处于空心天线舱外壳102位置的低频磁信号发射器；
在本实施例中，所述透地信号发射器5，包括永磁体机械天线501，永磁体机械天线501通过转轴502与旋转电机503固定并连接。
在本实施例中，永磁体机械天线501如图4所示，由过圆心的直线分割为两个半圆柱部分，第一半圆柱部分为S极5011，第二半圆柱部分为N极5012。本实施例中，所述永磁体机械天线501为一个半径5cm，长度10cm的圆柱永磁体，通过调整旋转速度产生携带信息的频率控制在1-30Hz范围内的交变磁信号能够在岩层中传输1000m。
所述光电湿插拔接口6，配置为设置于钻头外壳1最上端的凹槽固定件4内；
在本实施例中，所述光电湿插拔接口6如图2所示，包括
圆柱形的固定底座601和位于固定底座601圆心的圆锥形的数据接口602；
圆锥形的数据接口602的尖端为光信号接口6021，由尖端向外周共分为4层，依次为光信号接口6021、绝缘填充层6022、电信号接口6023和外皮6024；
所述固定底座601的侧面设置为螺纹，与所述套管2的螺纹配合。
本实施例还公开一种可连接光电湿插拔接口6的光电湿插拔连接槽603，如图2所示，包括与所述套管2内径相同的连接管道6031，内部设置了与所述圆锥形的数据接口602形状匹配的圆锥形光电接口凹槽6032，圆锥形光电接口凹槽6032与光信号接口6021和电信号接口6023对应的位置连接光信号读取通道6033和电信号读取通道6034；连接管道6031的下端设置有内侧为螺纹外侧为凹槽的连接槽凹槽固定件6035；所述连接槽凹槽固定件6035与所述凹槽连接件3尺寸一致。
本实施例还公开一种将海底观测基站连接至所述透地通信装置的辅助连接件604，如图6所示，辅助连接件604包括一个方形的导引底座6041，所述导引底座6041的中心设置有内径与凹槽固定件4的外径相同的固定圆孔6043，导引底座6041的四角连接着钢索6042；需要将海底观测基站与所述透地通信装置连接时，先将所述辅助连接件604与所述透地通信装置连接，将固定圆孔6043扣在所述凹槽固定件4外周，并通过钢索6042穿过海底观测基站或接驳盒6044的四角，在工程船把海底观测基站或接驳盒6044投下后，将海底观测基站本体引导至透地通信装置上端，并旋紧完成连接。
所述控制电路7，配置为设置于第三舱室903内的，处于空心元件舱外壳103位置的电路或芯片；
所述磁信号接收器8，配置为设置于第二舱室外壳902内的，处于空心元件舱外壳103位置的磁传感器。
本发明的第二实施例，如图6所示，公开了一种海底岩石媒介透地通信装置使用方法，所述方法基于上述的海底岩石媒介透地通信装置实现，包括：
步骤S100，根据观测网点选定安装地点；
步骤S200，在安装地点上方将所述海底岩石媒介透地通信装置连带套管2向下投出；可通过工程船将透地通信装置携带至安装地点并投放；
步骤S300，当所述海底岩石媒介透地通信装置接触海底时，启动钻头外壳1向下挖掘埋放坑；
步骤S400，当埋放坑挖掘完成后，通过控制凹槽连接件3反向旋转与凹槽固定件4脱离，套管2带着凹槽连接件3由安装船回收，其余部分均留在海底；
步骤S500，通过光电湿插拔接口6接入观测网点，并通过磁信号接收器8向其他透地通信装置发出入网请求信号；可通过水下机器人ROV或潜水员实现湿插拔接口6的连接，湿插拔接口6可直接连接至海底观测站或接驳盒。
步骤S600，接收到入网请求反馈信号后，进入待机模式；
在本实施例中，所述入网请求信号，包括本透地通信装置的标识码、本透地通信装置连接的观测网点或接驳盒的标识码和通信质量验证信息，当通过对通信质量验证信息进行核验后，若认定满足通信质量阈值，则返回入网请求反馈信号。
步骤S700，当检测到光缆传输出现故障时，自动启动通过透地信号发射器5发出通讯信号。多个海底岩石媒介透地通信装置相互通信的原理如图5所示。
在本实施例中，所述通讯信号，为通过将待发送信息通过调制器调制后获得叠加电信号，通过叠加电信号通过旋转电机503控制永磁体机械天线501的转速，产生规律的交变磁场，将通讯信息加载到低频透地磁信号中并发射。低频透地磁信号可经由海底岩层传输并被其他设备的高精度磁传感器探测到，转化为可识别讯息，实现应急通信。
在本实施例中，所述步骤S700还包括：当光缆传输出现故障时，对应的海底岩石媒介透地通信装置将自身的对应标号和位置信息；
当磁信号接收器8收到了带有标号和位置信息的低频透地磁信号时，将所述低频透地磁信号调制为对应的叠加电信号，控制透地信号发射器5发出相同的通讯信号。
在本实施例中，可通过无线电磁波的方式将控制电路7与海底基站进行通讯。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的基于旋转磁天线的低频透地通信系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海底岩石媒介透地通信装置，其特征在于，所述装置包括：钻头外壳(1)、套管(2)、凹槽连接件(3)凹槽固定件(4)、透地信号发射器(5)、光电湿插拔接口(6)、控制电路(7)、磁信号接收器(8)和舱室外壳(9)；
所述钻头外壳(1)，包括在同一轴线上的实心钻头(101)、空心天线舱外壳(102)、空心元件舱外壳(103)和凹槽固定件(4)；
所述套管(2)，配置为空心套管，套管(2)的内侧为螺纹，套管(2)的内径与所述光电湿插拔接口(6)的外径相同，所述透地通信装置布设完成前通过所述凹槽连接件(3)和凹槽固定件(4)与钻头外壳(1)连接，布设完成后套管(2)与钻头外壳(1)脱离；
所述舱室外壳(9)包括由下至上的第一舱室(901)、第二舱室(902)和第三舱室(903)；
所述透地信号发射器(5)，配置为设置于第一舱室(901)内的，处于空心天线舱外壳(102)位置的低频磁信号发射器；
所述光电湿插拔接口(6)，配置为设置于钻头外壳(1)最上端的凹槽固定件(4)内；
所述控制电路(7)，配置为设置于第三舱室(903)内的，处于空心元件舱外壳(103)位置的电路或芯片；
所述磁信号接收器(8)，配置为设置于第二舱室外壳(902)内的，处于空心元件舱外壳(103)位置的磁传感器。
2.根据权利要求1所述的海底岩石媒介透地通信装置，其特征在于，所述光电湿插拔接口(6)，包括圆柱形的固定底座(601)和位于固定底座(601)圆心的圆锥形的数据接口(602)；
圆锥形的数据接口(602)的尖端为光信号接口(6021)，由尖端向外周共分为4层，依次为光信号接口(6021)、绝缘填充层(6022)、电信号接口(6023)和外皮(6024)；
所述固定底座(601)的侧面设置为螺纹，与所述套管(2)的螺纹配合。
3.根据权利要求1所述的海底岩石媒介透地通信装置，其特征在于，所述舱室外壳(9)与钻头外壳(1)之间通过油性填充液填充。
4.根据权利要求1所述的海底岩石媒介透地通信装置，其特征在于，所述透地信号发射器(5)，包括永磁体机械天线(501)，永磁体机械天线(501)通过转轴(502)与旋转电机(503)固定并连接。
5.根据权利要求4所述的海底岩石媒介透地通信装置，其特征在于，永磁体机械天线(501)由过圆心的直线分割为两个半圆柱部分，第一半圆柱部分为S极(5011)，第二半圆柱部分为N极(5012)。
6.一种海底岩石媒介透地通信装置使用方法，其特征在于，基于如权利要求1-5任一项所述的海底岩石媒介透地通信装置实现，所述方法包括：
步骤S100，根据观测网点选定安装地点；
步骤S200，在安装地点上方将所述海底岩石媒介透地通信装置连带套管(2)向下投出；
步骤S300，当所述海底岩石媒介透地通信装置接触海底时，启动钻头外壳(1)向下挖掘埋放坑；
步骤S400，当埋放坑挖掘完成后，通过控制凹槽连接件(3)反向旋转与凹槽固定件(4)脱离，套管(2)带着凹槽连接件(3)由安装船回收，其余部分均留在海底；
步骤S500，通过光电湿插拔接口(6)接入观测网点，并通过磁信号接收器(8)向其他透地通信装置发出入网请求信号；
步骤S600，接收到入网请求反馈信号后，进入待机模式；
步骤S700，当检测到光缆传输出现故障时，自动启动通过透地信号发射器(5)发出通讯信号。
7.根据权利要求6所述的海底岩石媒介透地通信装置使用方法，其特征在于，所述入网请求信号，包括本透地通信装置的标识码、本透地通信装置连接的观测网点或接驳盒的标识码和通信质量验证信息，当通过对通信质量验证信息进行核验后，若认定满足通信质量阈值，则返回入网请求反馈信号。
8.根据权利要求6所述的海底岩石媒介透地通信装置使用方法，其特征在于，所述通讯信号，为通过将待发送信息通过调制器调制后获得叠加电信号，通过叠加电信号通过旋转电机(503)控制永磁体机械天线(501)的转速，产生规律的交变磁场，将通讯信息加载到低频透地磁信号中并发射。
9.根据权利要求6所述的海底岩石媒介透地通信装置使用方法，其特征在于，可通过无线电磁波的方式将控制电路(7)与海底基站进行通讯。
10.根据权利要求6所述的海底岩石媒介透地通信装置使用方法，其特征在于，所述步骤S700还包括：当光缆传输出现故障时，对应的海底岩石媒介透地通信装置将自身的对应标号和位置信息；
当磁信号接收器(8)收到了带有标号和位置信息的低频透地磁信号时，将所述低频透地磁信号调制为对应的叠加电信号，控制透地信号发射器(5)发出相同的通讯信号。
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