專利名稱：海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法
技術領域：
本發明屬于海洋地質勘探拖曳線陣與電纜定深器等外掛設備通信及饋電方法。
現有技術國外已有此類海洋地質勘探拖曳線陣產品，在線纜內的一對雙絞線上，等間隔并聯多個磁棒線圈，在該點電纜外部掛接一個電纜定深器或其它設備，船上控制設備通過拖曳線纜內的對絞線上并聯的磁棒線圈，與掛接在拖纜外部的電纜定深器內部的磁棒線圈感應耦合傳輸信號，利用總線地址輪詢和廣播通信方式，實現船上控制設備與多個拖曳線陣外掛設備傳輸之間的數據傳輸，數據傳輸采用載波通信技術，以達到數公里甚至十幾公里無中繼傳輸。電纜定深器由電池供電，在電池電量耗盡后，必須將整個線陣回收后，更換定深器內電池。
上述產品存在著如下問題1)電纜通信方式采用總線輪詢和廣播方式，在掛接設備節點數量較大時，整個線陣數據輪詢上傳一次周期時間過長，不能真正做到實時監測控；2)定深器使用電池供電，電池電量耗盡后必須整個線陣回收后，更換定深器內電池，使用不方便，也限制了持續使用的時間，同時對電池儲備電量的需求，又導致定深器內電池體積重量較大，不利于加裝其它功能設備。
發明內容
本發明的目的是提供一種海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，以解決海洋地質勘探拖曳線陣拖曳線纜在無中繼下，信號長距離傳輸；海洋拖曳線纜多節點信號傳輸，即船上控制設備可以和線纜上多個通信設備通信和線纜通信節點采用線圈耦合方式，實現海洋拖曳線纜與電纜定深器水下非接觸式數據傳輸及電池進行充電等問題；本發明的海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，它包括如下步驟1)、拖曳線纜(簡稱拖纜)內一對雙絞線作為通信傳輸線，雙絞線上等間隔并聯連接磁棒線圈，磁棒線圈埋植在拖纜內，與拖纜軸線平行，電纜定深器掛接在拖電纜上，其內部的磁棒線圈靠近電纜，并與拖纜內的線圈平行，每個拖纜內的磁棒，其外部對應位置都可以掛接電纜定深器；2)、船上控制設備將通信數據調制后通過放大驅動電路發送到拖纜內的雙絞線上，船上控制器與各個定深器之間采用半雙工通信方式船上控制器可以采用廣播方式向所有定深器發送控制指令和參數數據，定深器檢查確認收到的數據滿足廣播通信數據格式和通信約定，即可按照指令和參數執行操作；3)、電纜定深器內解調適配電路將接收到通過磁棒線圈耦合的信號放大、均衡整形后解調還原成通信數據，發送給定深器內的中心控制器，控制器根據接收到的數據、指令執行相應的操作；當電纜定深器需上傳數據給船上控制設備時，將通信數據調制后，通過放大驅動電路發送到在電纜定深器內的磁棒線圈的兩端，拖纜內磁棒線圈將感應耦合的電信號輸通過雙絞線，傳輸給船上控制設備，船上控制設備接收到信號后，放大、均衡整形后解調還原成通信數據；4)、當船上控制器需要查詢各定深器工作狀態或設定單個定深器工作參數時，采用點對點的呼叫輪詢方式，即船上控制發送的指令和參數數據幀中包括被呼叫定深器的地址，當定深器檢查確認接收到的滿足數據格式的數據幀中包括自身地址，就按照該數據指令執行操作，否則不響應該指令；采用點對點輪詢通信方式，每個電纜定深器只有在接收到船上控制器點名詢問后，才應答工作狀態和工況數據，在電纜定深器工作狀態和數據未變化時無需上傳，因此可以采用網絡偵聽方式，即任一節點電纜定深器在發出數據前和發送過程中監測網上數據，如網上無數據信號則開始發送數據，在發送過程中，如監測到的網上數據與發送數據一致，表明發送成功且發送過程中無其它節點定深器發送數據，如網上監測數據與發送數據不一致或為無效數據，表示發送過程中有其它節點數據發送，因此將停止發送，等延遲一個時間間隔后發送，每個節點延遲發送的時間間隔長短由定深器確定；5)、除了通過線圈耦合向電纜定深器發送通信數據外，在數據發送的間歇，船上控制器向雙絞傳輸線上發送大功率驅動信號，電纜定深器將感應電流輸出到儲能電路里，通過升壓電路和充電電路為電池充電，補充電池能量，延長電纜定深器工作時間。
如上所述的海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，采用拖纜內一對雙絞線作為通信傳輸線是采用載波通信技術實現信號長距離無中繼傳輸，即將數字信號調制成對應的正弦頻率信號，調制比不小于3。
本發明具有如下優點和積極效果1、采用載波傳輸方式，使海洋拖曳線列陣線纜在無中繼下，信號傳輸距離達到6～12km；2、采用海洋拖曳線列陣線纜多通信節點傳輸方式，使電纜上可以掛接多個通信設備，通信節點最多達256個；3、線纜通信節點采用線圈耦合方式，實現海洋拖曳線列陣線纜與電纜定深器水下非接觸式數據傳輸；4、采用網絡通信或總線通信方式，實現船上控制設備與海洋拖曳線列陣線纜外掛電纜定深器之間的時分雙工或半雙工通信，通信速率不低于2400bps；
5、采用磁棒線圈感應耦合技術，實現海洋拖曳線列陣線纜向電纜定深器的非接觸饋電，以對電池進行充電，解決電纜定深器長期持續工作和定期更換電池的問題。
圖1是本發明線纜與外掛設備的水下非接觸射頻通信系統工作原理示意圖。
圖2是本發明的磁棒線圈結構及感應耦合示意圖。
圖3是本發明的船上控制器與電纜定深器的連接及結構示意圖。
具體實施例方式
本發明利用磁棒線圈信號傳輸，實現線纜與外掛設備的水下非接觸射頻通信。拖曳線纜(簡稱拖纜)內一對雙絞線作為通信傳輸線，雙絞線上等間隔并聯連接磁棒線圈，磁棒線圈埋植在拖纜內，與拖纜軸線平行，電纜定深器掛接在拖電纜上，其內部的磁棒線圈靠近電纜，并與拖纜內的線圈平行，每個拖纜內的磁棒，其外部對應位置都可以掛接電纜定深器，船上控制設備將通信數據調制后通過放大驅動電路發送到拖纜內的雙絞線上，這樣通信信號同時加載在磁棒線圈的兩端，磁棒線圈產生跟隨信號變化的磁場，定深器內平行的磁棒線圈感應耦合磁場變化，并通過線圈輸出跟隨磁場變化的電信號，電纜定深器內解調適配電路將接收到的信號放大、均衡整形后解調還原成通信數據，發送給定深器內的中心控制器，控制器根據接收到的數據、指令執行相應的操作，同理，當電纜定深器需上傳數據給船上控制設備時，將通信數據調制后，通過放大驅動電路發送到在電纜定深器內的磁棒線圈的兩端，拖纜內磁棒線圈將感應耦合的電信號輸通過雙絞線，傳輸給船上控制設備，船上控制設備接收到信號后，放大、均衡整形后解調還原成通信數據，這樣就實現了船上控制設備與拖纜外掛定深器的數據通信。線纜與外掛設備的水下非接觸射頻通信系統工作原理見圖1。圖1中1.拖拽線纜，2是雙絞線，3是電纜定深器數據發送流向，4是船上控制器數據發送流向。線圈磁棒選用錳鋅鐵氧體，外形圓柱形，磁棒上纏繞線圈，線圈使用漆包線，將線圈與磁棒固定好，從一端引出線圈兩端后，磁棒線圈外部硫化密封加固。磁棒線圈結構及感應耦合示意圖見圖2。圖2中5是外護套，6是電纜中的線圈，7是磁棒，8是電纜定深器中的線圈。
拖曳線陣載波通信拖纜通常有數公里至十幾公里長，拖纜內一對雙絞線作為通信傳輸線，采用載波通信技術實現信號長距離無中繼傳輸，即將數字信號調制成對應的正弦頻率信號，調制比不小于3。
拖曳線陣點對點輪詢通信拖纜上可外掛上多個電纜定深器(多達上百個)，包括船上控制器都掛接在同一對雙絞線上，船上控制器發出的通信數據和電纜定深器發送的通信數據都在雙絞線上傳輸，因此雙絞線上所有掛接設備都可以收到任一設備發送的數據，為避免傳輸碰撞，船上控制器與各個定深器之間采用半雙工通信方式船上控制器可以采用廣播方式向所有定深器發送控制指令和參數數據，定深器檢查確認收到的數據滿足廣播通信數據格式和通信約定，即可按照指令和參數執行操作，當船上控制器需要查詢各定深器工作狀態或設定單個定深器工作參數時，采用點對電的呼叫輪詢方式，即船上控制發送的指令和參數數據幀中包括被呼叫定深器的地址，當定深器檢查確認接收到的滿足數據格式的數據幀中包括自身地址，就按照該數據指令執行操作，否則不響應該指令。
網絡偵聽通信采用點對點輪詢通信方式，每個電纜定深器只有在接收到船上控制器點名詢問后，才應答工作狀態和工況數據，這樣在掛接定深器較多時，輪詢一遍所需時間較長，且有些電纜定深器工作狀態和數據未變化，無需上傳，因此可以采用網絡偵聽方式，即任一節點電纜定深器在發出數據前和發送過程中監測網上數據，如網上無數據信號則開始發送數據，在發送過程中，如監測到的網上數據與發送數據一致，表明發送成功且發送過程中無其它節點定深器發送數據，如網上監測數據與發送數據不一致或為無效數據，表示發送過程中有其它節點數據發送，因此將停止發送，等延遲一個時間間隔后發送，每個節點延遲發送的時間間隔長短由定深器確定，這種通信方式可以由各定深器節點根據工況數據自主確定發送數據的時間和頻度，有效提高了數據的利用率。
除了通過線圈耦合向電纜定深器發送通信數據外，在數據發送的間歇，船上控制器向雙絞傳輸線上發送大功率驅動信號，電纜定深器將感應電流輸出到儲能電路里，通過升壓電路和充電電路為電池充電，補充電池能量，延長電纜定深器工作時間。
電纜定深器控制與長距離通信電纜定深器控制系統由掛接在拖纜上的電纜定深器、船上的控制器臺、電纜定深器和控制器臺之間的雙絞線通信網絡組成。
電纜定深器和船上控制器之間的數據傳輸，是由電纜定深器與拖纜節點之間通過射頻線圈耦合方式進行的，射頻信號采用二進制FSK，拖纜通信節點和電纜定深器內通信模塊在接收到射頻信號后，將其復原成數字信號后，再進行網絡傳輸或分解指令數據。電纜定深器內的通信模塊由收發切換單元、阻抗匹配單元、發射驅動單元、接收濾波單元、調試解調單元、通信控制單元、電源變換單元組成，組成原理見圖4。
射頻線圈拖纜內的線圈(帶磁棒以增加線圈間的耦合系數)沿著拖纜軸線放置，電纜定深器內的線圈在電纜定深器掛接在拖纜上后，其內部線圈與拖纜內的線圈平行。圖3是本發明的船上控制器與電纜定深器的連接及結構示意圖，其中1是線纜，9是電纜定深器，6是電纜中的線圈，8是電纜定深器中的線圈，10是船上控制器。
收發切換單元線圈在射頻傳輸時是收發和一的，船上控制臺與電纜定深器之間采用半雙工、點名訊問方式通信，只有在接收到控制器對本節點的詢問后，電纜定深器才向控制器發送數據，通常電纜定深器的通信模塊都處于接收狀態，此時收發切換單元將線圈連接到接收通道，通信控制單元要發送數據時，先控制收發切換單元將發送通道與線圈連接。
調制單元FSK是信息傳輸中使用得較早的一種調制方式，它的主要優點是實現起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數據傳輸中得到了廣泛的應用。所謂FSK就是用數字信號去調制載波的頻率，電纜定深器和拖纜之間的射頻載波頻率為26KHz，調制時二進制的基帶信號用電平來表示的，1對應于載波頻率F1(26kHz)，0對應于F2(13kHz)，在電平切換時要使產生的波形在切換的時刻相位是連續的，以防止由于相位的不連續造成頻譜擴展，即首先產生FSK基帶信號，再利用基帶信號對單一載波振蕩器進行頻率調制。該FSK信號載波頻率F1(26kHz)、F2(13kHz)，通信傳輸速率為2400bps。
解調單元接收到的FSK正弦波信號經放大濾波后，接入解調電路，為提高可靠性，解調電路直接使用專用解調器件，可實時將接收到的FSK信號解調成二進制數字信號。
通信控制單元通信控制單元是通信模塊的核心，有其控制線圈的收發狀態，將電纜定深器內主控模塊發來的數據傳輸給調制單元，將解調出來的有效的FSK控制信息發送給主控模塊。
權利要求
1.一種海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，它包括如下步驟1)、拖曳線纜內一對雙絞線作為通信傳輸線，雙絞線上等間隔并聯連接磁棒線圈，磁棒線圈埋植在拖纜內，與拖纜軸線平行，電纜定深器掛接在拖電纜上，其內部的磁棒線圈靠近電纜，并與拖纜內的線圈平行，每個拖纜內的磁棒，其外部對應位置都可以掛接電纜定深器；2)、船上控制設備將通信數據調制后通過放大驅動電路發送到拖纜內的雙絞線上，船上控制器與各個定深器之間采用半雙工通信方式船上控制器可以采用廣播方式向所有定深器發送控制指令和參數數據，定深器檢查確認收到的數據滿足廣播通信數據格式和通信約定，即可按照指令和參數執行操作；3)、電纜定深器內解調適配電路將接收到通過磁棒線圈耦合的信號放大、均衡整形后解調還原成通信數據，發送給定深器內的中心控制器，控制器根據接收到的數據、指令執行相應的操作；當電纜定深器需上傳數據給船上控制設備時，將通信數據調制后，通過放大驅動電路發送到在電纜定深器內的磁棒線圈的兩端，拖纜內磁棒線圈將感應耦合的電信號輸通過雙絞線，傳輸給船上控制設備，船上控制設備接收到信號后，放大、均衡整形后解調還原成通信數據；4)、當船上控制器需要查詢各定深器工作狀態或設定單個定深器工作參數時，采用點對電的呼叫輪詢方式，即船上控制發送的指令和參數數據幀中包括被呼叫定深器的地址，當定深器檢查確認接收到的滿足數據格式的數據幀中包括自身地址，就按照該數據指令執行操作，否則不響應該指令；采用點對點輪詢通信方式，每個電纜定深器只有在接收到船上控制器點名詢問后，才應答工作狀態和工況數據，在電纜定深器工作狀態和數據未變化時無需上傳，因此可以采用網絡偵聽方式，即任一節點電纜定深器在發出數據前和發送過程中監測網上數據，如網上無數據信號則開始發送數據，在發送過程中，如監測到的網上數據與發送數據一致，表明發送成功且發送過程中無其它節點定深器發送數據，如網上監測數據與發送數據不一致或為無效數據，表示發送過程中有其它節點數據發送，因此將停止發送，等延遲一個時間間隔后發送，每個節點延遲發送的時間間隔長短由定深器確定；5)、除了通過線圈耦合向電纜定深器發送通信數據外，在數據發送的間歇，船上控制器向雙絞傳輸線上發送大功率驅動信號，電纜定深器將感應電流輸出到儲能電路里，通過升壓電路和充電電路為電池充電，補充電池能量，延長電纜定深器工作時間。
2.如權利要求1所述的海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，其特征在于采用拖纜內一對雙絞線作為通信傳輸線是采用載波通信技術實現信號長距離無中繼傳輸，即將數字信號調制成對應的正弦頻率信號，調制比不小于3。
全文摘要
本發明公開了一種海洋拖曳線陣射頻通信及饋電方法，其步驟是拖曳線纜內一對雙絞線作為通信傳輸線，在其上等間隔并聯連接磁棒線圈，電纜定深器內部的磁棒線圈靠近電纜；船上控制設備將通信數據調制后與各個定深器之間采用半雙工通信方式船上控制器可以采用廣播方式向所有定深器發送控制指令和參數數據；當船上控制器需要查詢各定深器工作狀態或設定單個定深器工作參數時，采用點對電的呼叫輪詢方式；在數據發送的間歇，船上控制器向雙絞傳輸線上發送大功率驅動信號，電纜定深器將感應電流輸出到儲能電路里。本發明具有如下優點和積極效果信號傳輸距離遠，通信節點多，可實現非接觸式數據傳輸和對電池饋電，通信速率不低于2400bps。
文檔編號G05B19/418GK101039131SQ20071010787
公開日2007年9月19日 申請日期2007年5月21日 優先權日2007年5月21日
發明者張輝, 李朝暉, 呂學敏, 王德亮, 任宏偉, 官紅, 趙治平, 裴武波, 苗建明, 張承科, 何小軍, 何承玲 申請人:中國船舶重工集團公司第七一○研究所