CN116707583B - 一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统，涉及深海传输领域，该系统包括耦合主控、多级中继耦合中控以及多段传输缆；中继耦合中控的数量与传输缆的段数相同；相邻级的中继耦合中控之间以及耦合主控与第一级的中继耦合中控之间均通过传输缆连接；耦合主控设置在水下平台主浮体上，中继耦合中控安装于水下平台各级子浮体上；中继耦合中控用于无接触传输数据和能量，并发送至耦合主控；耦合主控用于无接触传输数据和能量，发送控制指令，以及实时与远程监控平台交互。本发明系统具有可靠、布放难度低以及成本低的特点。

Description

一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统

技术领域

本发明涉及深海传输领域，特别是涉及一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统。

背景技术

深海（≧200米）数据的长时间获取和实时传输对海洋与气候预报、海洋环境安全保障、水下航行器的航行和作业意义重大，尤其是多节点连续数据的实时传输，对分析掌握水文系统、全水层海洋动力过程、及时预警等提供重要数据支持。

常用的实时数据传输方法有直读、水声和感应耦合传输。直读缆通讯的方法，在深海长距离使用时，非常不可靠，尤其是超过使用水深超过100米情况下，非常容易被水生物和人为破坏。水声通信法虽然可靠，但是若要铺设多节点，成本非常高，且回收后维护造价高（一般铺设节点数3~5个）。对比来说，使用感应耦合方式实现的非接触式水下数据传输技术，其深度可到6000米以上，铺设节点数可达百余个，造价低，易于布放、回收和维护。

感应耦合技术是在以水体、同一根传输缆（塑包钢缆）为介质构成的信号回路中，在传输缆上选取若干节点（≦99），每个节点安装通信器，且按照协议进行通信，从而实时获取水下各个节点通信器所连接测量仪所采集的观测数据。

感应耦合类仪器需要安装于浮标、潜标等水下平台上，使用包塑钢缆进行数据传输。包塑钢缆既能承重又能作为单匝线圈耦合传输数据。但其在使用长度超过1000米时，不易在甲板铺设，且非常容易磨损，而且自重很大，给标体和系统布放带来了很大困难。

因此，亟需提供一种应用于深海水下平台的耦合中继传输系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统，具有可靠、布放难度低以及成本低的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统，包括：耦合主控、多级中继耦合中控以及多段传输缆；中继耦合中控的数量与传输缆的段数相同；

相邻级的中继耦合中控之间以及耦合主控与第一级的中继耦合中控之间均通过传输缆连接；

耦合主控设置在水下平台主浮体上，中继耦合中控安装于水下平台各级子浮体上；

中继耦合中控用于无接触传输数据和能量，并发送至耦合主控；

耦合主控用于无接触传输数据和能量，发送控制指令，以及实时与远程监控平台交互。

可选地，所述耦合主控包括：磁环c、调制解调单元c、主控单元以及电池b；

所述调制解调单元c分别与磁环c和主控单元连接；

所述主控单元与电池b连接；

所述主控单元用于对调制解调单元c进行供电控制以及发送控制指令至调制解调单元c；

所述调制解调单元c用于接收并解调传输缆传输的数据，发送调制指令至传输缆以及发送数据至主控单元；

所述磁环c用于耦合传输缆上的数据。

可选地，所述主控单元采用32位的ARM Cortex-M4芯片。

可选地，所述耦合主控采用RS232接口或485接口。

可选地，所述中继耦合中控包括：磁环a、磁环b、调制解调单元a、调制解调单元b、有两个UART接口的中控单元以及电池a；

所述调制解调单元b分别与磁环b和中控单元连接；所述中控单元与电池a连接；所述调制解调单元b用于接收调制指令，并将调制指令传输至中控单元；

所述调制解调单元a分别与磁环a和中控单元连接；所述调制解调单元a用于实时接收中控单元控制指令，以及接收并解调传输缆传输的数据，并传输数据至中控单元。

可选地，所述中继耦合中控的外扩接口的数量大于或等于4个。

可选地，每段传输缆的长度小于1000米。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统，相邻级的中继耦合中控之间以及耦合主控与第一级的中继耦合中控之间均通过传输缆连接，使用多段中继的设计方式，将几千米深海传输缆分成几段，减轻每段重量，减少浮球使用，大大简化了整条传输系统的布放过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统的结构示意图；

图2为本发明所提供的一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统的数据与指令传输过程示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统，具有可靠、布放难度低以及成本低的特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所提供的一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统，包括：耦合主控、多级中继耦合中控以及多段传输缆；中继耦合中控的数量与传输缆的段数相同。

相邻级的中继耦合中控之间以及耦合主控与第一级的中继耦合中控之间均通过传输缆连接。

耦合主控设置在水下平台主浮体上，中继耦合中控安装于水下平台各级子浮体上。

中继耦合中控用于无接触传输数据和能量，并发送至耦合主控。

耦合主控用于无接触传输数据和能量，发送控制指令，以及实时与远程监控平台交互。

所述耦合主控包括：磁环c、调制解调单元c、主控单元以及电池b。所述调制解调单元c分别与磁环c和主控单元连接。所述调制解调单元c使用接插件插接方式对外连接磁环c；使用五针接插件连接主控单元；同时以RS232接口方式接收控制指令。

所述主控单元与电池b连接。

所述主控单元用于对调制解调单元进行供电控制以及发送控制指令至调制解调单元c。

所述调制解调单元c用于接收并解调传输缆传输的数据，发送调制指令至传输缆以及发送数据至主控单元。

所述磁环c用于耦合传输缆上的数据。

在深海耦合中继传输系统自身层面，耦合主控一方面需要控制整条传输系统的时间，以世界时间为基准，及时按照海洋现象监测需求，控制整条传输系统的开启、休眠、传输时间；另一方面，耦合主控将根据要素提取的实时性、连续性全覆盖的要求，按照合理的工作流程，有效管控整条链路中每级中继节点，按需及时调整采样时间间隔，控制整条传输系统的采样模式。

耦合主控主要包括：主控单元、调制解调单元c、磁环c、电池b。其中，主控单元作为耦合主控的核心，选用32位ARM Cortex-M4芯片，实现调制解调单元电能控制、采样控制、对内外通信控制、存储数据的全部功能。

调制解调单元c包括调制、解调、电源管理、信号管理四部分。信号管理部分选用MSP430控制芯片与晶振提供载波，同时使用两组分频芯片，分频出调制、解调部分所需时钟信号。电源管理部分将主控单元提供的电能线性变换为3.3V、5V、-5V的电压信号，提供给调制、解调部分使用。信号管理部分使用电子开关芯片，由主控单元提供的切换信号控制耦合信号选通。

磁环c负责耦合传输其下传输缆上所有测量仪的数据信号。

电池b直接给主控单元供电，由主控单元按需供给调制、解调部分电能。可选用电池内安装高效功率型锂电池组，可提供时间间隔10分钟的采样/传输，连续运行不少于360天；或选用外置锂电池组，可满足连续不间断工作180天需求。

所述中继耦合中控包括：磁环a、磁环b、调制解调单元a、调制解调单元b、有两个UART接口的中控单元以及电池a。

所述调制解调单元b分别与磁环b和中控单元连接；所述中控单元与电池a连接；所述调制解调单元b用于接收调制指令，并将调制指令传输至中控单元。

所述调制解调单元a分别与磁环a和中控单元连接；所述调制解调单元a用于实时接收中控单元控制指令，以及接收并解调传输缆传输的数据，并传输数据至中控单元。

中继耦合中控安装于水下平台（浮标、潜标）各级子浮体上，预留水密接插件，具备RS232或485接口，可与（或不与）子浮体实现指令和数据交互。预留水密接插件，可外接（或不接）其他仪器（温盐深测量仪、ADCP声学多普勒流速测量仪等），以感应耦合方式传输其他仪器数据。

在深海耦合中继传输系统自身层面，每一级中继耦合中控一方面接收并存储其下链路传输上的所有测量仪数据，同时，接收耦合主控发送的设置工作模式与校时指令；另一方面，每一级中继耦合中控使用感应耦合传输的方式，由底至顶，依次将数据组合打包传输至耦合主控。

中继耦合中控主要包括：主控单元、两个调制解调单元、磁环a、磁环b、电池a。其中，主控单元作为耦合中控的核心，选用32位ARM Cortex-M4芯片，具有不少于四路的UART对外接口，实现调制解调单元电能控制、采样控制、存储数据、接收外接其他仪器数据等的全部功能。

两个调制解调单元（调制解调单元a和调制解调单元b）分别连接磁环a和磁环b，调制解调传输缆与中控数据。每个调制解调单元均包括调制、解调、电源管理、信号管理四部分。信号管理部分选用MSP430控制芯片与晶振提供载波，同时使用两组分频芯片，分频出调制解调电路部分所需时钟信号。电源管理部分将主控单元提供的电能线性变换为3.3V、5V、-5V的电压信号，提供给调制、解调部分使用。信号管理部分使用电子开关芯片，由主控单元提供的切换信号控制耦合信号选通。

磁环a负责耦合传输其下传输缆上所有测量仪数据。

磁环b负责耦合传输每级中继耦合中控中存储的全部数据。

电池a可选用电池内安装高效功率型锂电池组，可提供时间间隔10分钟的采样/传输，连续运行不少于360天；或选用外置锂电池组，可满足连续不间断工作180天的需求。

每段传输缆的长度小于1000米。每段传输缆采用单芯线结构，外包绝缘皮，两端裸露于海水中。每段传输缆的内芯均需与水体绝缘，两端内芯伸出，结构为O型，既需与海水接触形成传输回路，又防止长期与海水接触造成腐蚀；与海水构成回路，感应且无接触传输数据和能量。传输缆内芯由捻制在一起的螺旋状钢丝束组成，材质包括碳素钢或合金钢，具有较高的抗拉强度和韧性，在使用过程中需要承受交变载荷的作用，电阻不大于500欧姆，其力学性能、几何尺寸符合传输系统挂配的水下平台要求。

传输缆外皮由聚乙烯等绝缘材料组成，具有较高的抗拉强度、抗疲劳强度和抗冲击韧性，耐腐蚀性、耐磨、抗震、运转稳定性好，适宜于牵引、拉拽、捆扎，能够在各种有害介质的恶劣环境中正常工作。

深海耦合中继传输系统的数据与指令传输过程如图2所示，深海耦合中继传输系统接收到平台指令后：

第1步，耦合主控与每级中继耦合中控，接收其下所属链路中仪器的全部数据（包括CTD、ADCP等全部耦合仪器），接收后存储。

第2步，耦合主控发送设置时间间隔和校准指令，发送至每一级中继耦合中控，严格控制链路仪器时间与世界时间一致。校准后，主控与中控均进入低功耗待机。

第3步，第n级中继耦合中控，将第n级中继耦合中控存储的数据发送至n-1级中继耦合中控。

第4步，第n-1级中继耦合中控，将第n级至第n-1级中继耦合中控存储的数据发送至第n-2级中继耦合中控。

……

第n+1步，第2级中继耦合中控，将第n级至第2级中继耦合中控存储的数据发送至第1级中继耦合中控。

第n+2步，第1级中继耦合中控，将第n级至第1级中继耦合中控存储的数据发送至耦合主控。

最后，第n+3步，耦合主控将全部链路数据发送至平台。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统，其特征在于，包括：耦合主控、多级中继耦合中控以及多段传输缆；中继耦合中控的数量与传输缆的段数相同；

相邻级的中继耦合中控之间以及耦合主控与第一级的中继耦合中控之间均通过传输缆连接；

耦合主控设置在水下平台主浮体上，中继耦合中控安装于水下平台各级子浮体上；

中继耦合中控用于无接触传输数据和能量，并发送至耦合主控；

耦合主控用于无接触传输数据和能量，发送控制指令，以及实时与远程监控平台交互；

所述耦合主控包括：磁环c、调制解调单元c、主控单元以及电池b；

所述调制解调单元c分别与磁环c和主控单元连接；

所述主控单元与电池b连接；

所述主控单元用于对调制解调单元c进行供电控制以及发送控制指令至调制解调单元c；

所述调制解调单元c用于接收并解调传输缆传输的数据，发送调制指令至传输缆以及发送数据至主控单元；

所述磁环c用于耦合传输缆上的数据；

所述中继耦合中控包括：磁环a、磁环b、调制解调单元a、调制解调单元b、有两个UART接口的中控单元以及电池a；

所述调制解调单元b分别与磁环b和中控单元连接；所述中控单元与电池a连接；所述调制解调单元b用于接收调制指令，并将调制指令传输至中控单元；

所述调制解调单元a分别与磁环a和中控单元连接；所述调制解调单元a用于实时接收中控单元控制指令，以及接收并解调传输缆传输的数据，并传输数据至中控单元。

2.根据权利要求1所述的一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统，其特征在于，所述主控单元采用32位的ARM Cortex-M4芯片。

3.根据权利要求1所述的一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统，其特征在于，所述耦合主控采用RS232接口或485接口。

4.根据权利要求1所述的一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统，其特征在于，所述中继耦合中控的外扩接口的数量大于或等于4个。

5.根据权利要求1所述的一种应用于水下平台的深海耦合中继传输系统，其特征在于，每段传输缆的长度小于1000米。