具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術方法

專利名稱：具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術方法
技術領域：
本發明屬于遠程自動監測系統，特別涉及一種具有水下無線傳輸系統的海上構筑 物自動監測技術方法。
背景技術：
我單位于2006年3月申請了 “水下地基原位自動監測成套技術方法”專利，專利 號ZL200610013275. 4，國家專利局于2009年12月2日批準了該專利。該專利中地基的八 種應力、應變量測儀器全部采用弦式傳感器；采集與儲存儀器采用美國SMARTDATA-2000測 控系統，經改進并解決了水下防滲、防潮、防砸、防電纜掛斷等一系列措施。該技術首次應用 于9m深的水下，并經兩年以上的監測證明是成功的。在該項技術方法中，傳輸數據采用兩種方法，一是將測控系統中通訊接口和蓄電池單 獨放在一小密封罐中，需傳輸數據時撈出并打開密封罐，使筆記本電腦與通訊接口連接后取出 數據至電腦中；另一種是無線傳輸方法，采用美國圣迭哥LinkQuest公司制造的Modem(調制解 調器)。圣迭哥制造的Modem有多種型號，從M1000至M10000八種型號，最小型號工作水深不 大于200m，數據傳輸距離350m以內；最大型號工作水深不大于10000m，工作水深范圍內數據傳 輸誤碼率小于10_7。這種儀器適合于水較深的外海，當水深較淺時誤碼率增加。在沿海海工建筑物監測中，水深范圍大致為數米到數十米，監測距離數公里至數 十公里。上述有線方法不易實現實時數據傳輸，上述無線方法在淺海中誤碼率較高。為了 在沿海海工建筑物監測中實現實時數據傳輸，以及監測數據的準確性，因此原有的技術有 待進一步改進。對于無線傳輸一般有兩種模式，一種是陸上無線傳輸，另一種是水下無線傳輸。陸 上，通過空氣介質傳輸信號，已是很成熟的無線傳輸技術；距岸較近的工程，監測信息的自 動化傳輸也是比較容易實現的，如大壩水下傳感器的監測數據可通過電纜引到岸上室內或 大壩廊道內，很容易實現自動化傳輸；但是，距岸較遠的海上工程水下監測，國內外研究的 較少，難度也較大，其中量測儀器、采集及存儲儀器、傳輸儀器三部分均需與陸上自動化監 測做徹底的變革，才能適應水下自動化監測的要求。其中量測儀器、采集及存儲儀器在我單 位上述專利中已經得到較好地解決，而傳輸儀器需通過水中傳輸信息，技術難度大大增加， 也正是本專利申請的主要內容。水下自動監測信息的傳輸，一般分為水下電通信和水聲通信。水下電通信一般距 離較短，調試比較困難；水聲通信距離遠，是近年來各國研究的熱點。早期水聲通信采用模 擬信號，因海洋中波浪、船只、各類水下生物等發出大量噪聲，使水下的聲場極為雜亂，導致 接收到的信號模糊不清。隨著計算機技術的發展，使得水聲數字通信成為可能，特別是數字 信號處理器(DSP)的問世，成功地解決了大量水下信息的傳輸問題。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術方法。達到適應海工建筑物水下地基自動監測中監測數據實時傳輸的需求，本 系統具有水下無線傳輸系統的自動監測技術，水下無線傳輸系統的工作水深> 3m，傳輸距 離彡35km，傳輸速率彡16bits/s，誤碼率彡10_3 10_4，以達到實時或定期傳輸水下地基監 測數據，完善水下地基自動監測的目的，減少惡劣天氣和施工對監測的干擾。本發明的技術方案是一種具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術方法，其特征在于本方 法采用水下機和水上機之間的無線傳輸將海上構筑物的水下自動采集儀器的監測信息傳 輸到水上；其水下機和水上機中的水聲收發合置換能器分別單獨構成一單元體并放在水 中，水下機水聲收發合置換能器設置在距海底2 3m的固定裝置上，水上機中的水聲收發 合置換能器放置水面以下的水中；其水下機的具體結構是在水下自動采集儀器上設置連接端子，水下自動采集儀 器上的連接端子連接水下機，水下自動采集儀器的輸出端通過水下自動采集儀器上的連接 端子連接水下機的RS232串行通信接口，RS232串行通信接口連接糾錯編碼器，糾錯編碼器 連接擴頻編碼器，擴頻編碼器連接交織電路，交織電路連接調制電路，調制電路連接D/A轉 換器，D/A轉換器連接功率放大器，功率放大器連接水聲收發合置換能器；水聲收發合置換 能器連接放大器，放大器連接濾波器，濾波器連接A/D轉換器，A/D轉換器連接解調器，解調 器連接解碼器，解碼器連接上電開關；定時器連接上電開關；電源通過上電開關給電路供 電；水上機的結構是水聲收發換能器連接放大器，放大器連接濾波器，濾波器連接 A/D轉換器，A/D轉換器通過接口連接解調、解擴糾錯、解碼處理機；微處理器連接解調、解 擴糾錯、解碼處理機；解調、解擴糾錯、解碼處理機連接指令編碼器，指令編碼器連接調制 器，調制器連接D/A轉換器，D/A轉換器連接功率放大器，功率放大器連接水聲收發合置換 能器。水下機設置在海底混凝土底座上，水聲收發合置換能器設置在海底混凝土底座上 的支架頂端的鋼筋保護籠內。本發明效果是本具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術方法適應海工建筑物水下 地基自動監測中監測數據實時傳輸的需求，本系統具有水下無線傳輸系統的自動監測技 術，水下無線傳輸系統的工作水深> 3m，傳輸距離彡35km，傳輸速率彡16bits/s，誤碼率 (10_3 10_4，以達到實時或定期傳輸水下地基監測數據，完善水下地基自動監測的目的， 減少惡劣天氣和施工對監測的干擾。優越性①首次提出了具有水下無線傳輸系統的水下原位自動監測技術，試驗證明該技術 相對于傳統水下監測技術有著明顯的技術優勢。②該技術適合淺海(> 3m水深)的數據自動定時或實時采集和水下無線傳輸，傳 輸距離可達35km以內，傳輸速率彡16bits/s。③遠程、高可靠性的水聲擴譜通信技術，誤碼率彡10_3 10_4。技術效果①在遠距岸線水下的連續監測中，可進行定時或實時數據采集并傳輸，減少了惡劣天氣和施工的干擾。傳輸快捷、安全可靠。②數據采集、傳輸準確度高，誤碼率在10_3 10_4以內。③數據采集、傳輸的長期穩定性強。


圖Ia是水聲傳輸儀器水下機原理框Ib是水聲傳輸儀器水上機原理框2是大西洋水下聲道聲線3是極地海區表面水下聲道聲線4是負梯度海水區中的聲線5具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術方法的結構示意圖
具體實施例方式如圖5所示的一種具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術方法，本方 法采用水下機和水上機之間的無線傳輸將海上構筑物的水下自動采集儀器的監測信息傳 輸到水上；其水下機和水上機中的水聲收發合置換能器分別單獨構成一單元體并放在水 中，水下機水聲收發合置換能器設置在距海底2 3m的固定裝置上，水上機中的水聲收發 合置換能器放置水面以下的水中；如圖la)其水下機結構是在水下自動采集儀器上設置連接端子，水下自動采集 儀器上的連接端子連接水下機，水下自動采集儀器的輸出端通過水下自動采集儀器上的連 接端子連接水下機的RS232串行通信接口，RS232串行通信接口連接糾錯編碼器，糾錯編碼 器連接擴頻編碼器，擴頻編碼器連接交織電路，交織電路連接調制電路，調制電路連接D/A 轉換器，D/A轉換器連接功率放大器，功率放大器連接水聲收發合置換能器；水聲收發合置 換能器連接放大器，放大器連接濾波器，濾波器連接A/D轉換器，A/D轉換器連接解調器，解 調器連接解碼器，解碼器連接上電開關；定時器連接上電開關；電源通過上電開關給電路 供電；如圖lb)水上機結構是水聲收發換能器連接放大器，放大器連接濾波器，濾波器 連接A/D轉換器，A/D轉換器通過接口連接解調、解擴糾錯、解碼處理機；微處理器連接解 調、解擴糾錯、解碼處理機；解調、解擴糾錯、解碼處理機連接指令編碼器，指令編碼器連接 調制器，調制器連接D/A轉換器，D/A轉換器連接功率放大器，功率放大器連接水聲收發合 置換能器。如圖5水下機設置在海底混凝土底座上，水聲收發合置換能器設置在海底混凝土 底座上的支架頂端的鋼筋保護籠內。本專利技術采用水聲通信的原理，其系統由水下機和水上機兩部分組成。水下機由微處理器、水聲信號發射機、換能器組成。微處理器與水下監測儀器及設備相連接，可自 成體系也可與其它設備結合在一起采集到監測數據，并轉換成聲脈沖信號，再由水下信號 發射機通過水聲換能器將數據發出；水上機由水聲換能器、水聲信號接收機、信號解析系統 (微處理器)組成。水聲信號接收機通過水聲換能器接收水下機發出的信號，并進行放大和 處理，信號解析系統進行信號解調、運算處理和貯存，再通過無線電通訊或衛星通訊將數據發至陸地臺站。
儀器組成、作用及工作方式本專利技術的水下自動采集儀器采用如前所述的ZL200610013275.4中的美國 SMARTDATA-2000測控系統，并加以改進，增加了傳輸到水下無線傳輸的連接端子。水下無線傳輸系統采用基于水聲通信的傳輸系統，由水下機和水上機兩部分組 成。水下機由微處理器、水聲信息發射器、換能器組成；水上機由換能器、水聲信息接收器、 微處理器組成。兩者的換能器均單獨構成一單元體并放在水中，前者換能器需距海底2 3m的距離，后者換能器需放在水面以下的水中。兩者的其余部分單獨構成一單元體，簡稱發 射機與接收機，發射機放在海底面單獨放置或與采集儀器構成一體，接收機放在海面上面 (如船或碼頭上)。水下和水上機的微處理器，前者是將采集和儲存儀器中的監測數據接收進來并轉 換為聲脈沖信號，后者是將監測數據解調和運算，發射和接收器為供電、濾波、功放、工作狀 態轉換等作用；換能器為發出或接收監測數據信號。水下無線傳輸系統有收發和睡眠兩種工作模式，無監測數據傳輸時，處于睡眠模 式，此時能耗非常低；收發監測數據時，處于接收模式。有兩種方法由睡眠模式轉入發送模 式，一是定時傳輸，由于先設置的間隔時間，由定時器按時，上電后進入收發模式，另一是實 發傳輸，按遙控指令喚醒。數據全部傳輸完后，自動進入睡眠狀態。工作原理具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術工作圖見附圖5，其中，水下無 線傳輸系統的水上機的工作原理如圖Ia所示。上部虛線范圍內為微處理器部分，圓柱為換 能器部，其余部分為水聲信息發射器部分；水上機的工作原理如圖Ib所示。除標出的換能 器和微處理器外，其它部分為水聲信息接收器部分。水聲傳輸儀器解編碼采用擴譜方法。本技術解決的難題(1)技術難題采用水聲通信技術的無線傳輸系統時，在極淺(3 5米)海中存在嚴重的物理限 制，其中包括聲信號的衰減、多途干擾和環境噪聲影響等，因此產生誤碼率較高。(2)產生的主要原因①主要是受到了極淺海聲信道傳播條件的制約。按照射線聲學理論，海水的負溫 度梯度會造成聲線向下彎曲。由于海水過淺，不太嚴重的負溫度梯度，就足以造成聲線在不 長的距離內彎曲到海底，從而嚴重影響傳播距離。如在天津炎熱的夏季，但其日最高溫度在 38 39°C以上，晝夜溫差一般在10°C左右，因而負溫度梯度影響傳播距離是非常明顯的。 如圖2和圖3、圖4聲線圖所示②淤泥底，反射能力極差，無法形成多跳；③水質混濁，存在嚴重聲散射；④從FSK方案和DSSS (直接序列擴譜)的不同的調制解調和編解碼方法對作用距 離是有影響的。原因是不同的方法具有不同的信號處理增益，從而對信噪比的要求 不同。(3)主要技術措施
采用擴譜技術的水聲通信換能器，增大功放功率等技術措施。儀器指標水下無線傳輸系統可達到如下指標 傳輸距離彡35km 工作水深彡3m 傳輸數率彡 16bits/s參誤碼率彡KT3-IO-4 功率消耗休眠模式彡5mw工作模式彡50w現場監測數據傳輸實施方案現場量測儀器全部采用弦式傳感器，埋設在欲測的地表或地基內，各導線引至構 筑物之外，多余導線放在導線框內；自動采集存儲儀器采用“自動測控系統”，放在構筑物 旁的密封缸內，自動測控系統的通訊接口和蓄電池用鎧裝電纜引至小密封罐內。各量測儀 器和水聲傳輸儀器都采用有線方式與自動測控系統相連接；水下機的發射機和微處理器均 放在另一密封罐中，發射換能器上連懸浮漂下用鐵鏈連接在混凝土底座上并浮在海底以上 2 3m的海水中。水上機的接收機放在船上或海面以上其它物體上，接收換能器放在海水 面以下。為了導線框、密封缸、密封罐不能浮動其下均連接混凝土底座。傳感器監測的數據通過測控系統采集并儲存，實時或定時有線傳輸至水下無線采 集系統的水下機，水下機把信號通過水下換能器發射水下無線傳輸傳至水上的換能器最后 傳輸到水上機中，水上機可放置在船或觀測平臺(站)上，也可以通過陸上無線通訊或衛星 通訊繼續傳輸到更遠的陸地觀測站，由觀測站進行數據處理與繪圖分析。小密封罐可定時由潛水員撈至船上，更換蓄電池、改換設置與指令、定時連接手提電腦取出測控系統中的數據等等。實施實例2009. 7天津臨港產業區一期防波提監測工程；2010. 1天津港南疆南外 提外延工程；2010. 5海南1801島提工程施工監測。
權利要求
一種具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術方法，其特征在于本方法采用水下機和水上機之間的無線傳輸將海上構筑物的水下自動采集儀器的監測信息傳輸到水上；其水下機和水上機中的水聲收發合置換能器分別單獨構成一單元體并放在水中，水下機水聲收發合置換能器設置在距海底2～3m的固定裝置上，水上機中的水聲收發合置換能器放置在水面以下的水中；其水下機的結構是在水下自動采集儀器上設置連接端子，水下自動采集儀器上的連接端子連接水下機，水下自動采集儀器的輸出端通過水下自動采集儀器上的連接端子連接水下機的RS232串行通信接口，RS232串行通信接口連接糾錯編碼器，糾錯編碼器連接擴頻編碼器，擴頻編碼器連接交織電路，交織電路連接調制電路，調制電路連接D/A轉換器，D/A轉換器連接功率放大器，功率放大器連接水聲收發合置換能器；水聲收發合置換能器連接放大器，放大器連接濾波器，濾波器連接A/D轉換器，A/D轉換器連接解調器，解調器連接解碼器，解碼器連接上電開關；定時器連接上電開關；電源通過上電開關給電路供電；水上機的結構是水聲收發換能器連接放大器，放大器連接濾波器，濾波器連接A/D轉換器，A/D轉換器通過接口連接解調、解擴糾錯、解碼處理機；微處理器連接解調、解擴糾錯、解碼處理機；解調、解擴糾錯、解碼處理機連接指令編碼器，指令編碼器連接調制器，調制器連接D/A轉換器，D/A轉換器連接功率放大器，功率放大器連接水聲收發合置換能器。
2.根據權利要求1所述的具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術方法，其 特征在于水下機設置在海底混凝土底座上，水聲收發合置換能器設置在海底混凝土底座 上的支架頂端的鋼筋保護籠內。
全文摘要
一種具有水下無線傳輸系統的海上構筑物自動監測技術方法，采用水下機和水上機之間的無線傳輸將海上構筑物的水下自動采集儀器的監測信息傳輸到水上；其水下機和水上機中的水聲收發合置換能器分別單獨構成一單元體并放在水中，水下機水聲收發合置換能器設置在距海底2～3m的固定裝置上，水上機中的水聲收發合置換能器放置在水面以下的水中。在遠距岸線水下的連續監測中，可進行定時或實時數據采集并傳輸，減少了惡劣天氣和施工的干擾。傳輸快捷、安全可靠。數據采集、傳輸準確度高，誤碼率在10-3～10-4以內。數據采集、傳輸的長期穩定性強。
文檔編號E02B1/00GK101831923SQ20101014940
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月19日 優先權日2010年4月19日
發明者喻志發, 尹自強, 張健, 張曉峻, 朱勝利, 楊京方, 桑恩方, 袁連喜, 解林博, 趙巖 申請人:中交天津港灣工程研究院有限公司;中交第一航務工程局有限公司