海底智能封堵器水声通信系统的设计

　　海底智能封堵器水声通信概述

　　智能封堵器应用于海底管道的维修作业时，首先要解决的是在深海处如何实现平台母船与管道之间的即时通信。本文研究的是从海上平台发出的数据指令信号到达管道上方接收器之间的通信过程。由于海底环境的特殊性，故采用水声无线通信方式。智能封堵器通信信号流程如图1所示。计算机指令信息首先转换成声信号在海洋环境下传输，最后转换成ELF电磁波信号，利用电磁波信号穿透泥土、海水、管壁，指导管道内的智能封堵器工作。

　　智能封堵器海底通信中的水声通信系统部分主要研究的是从母船或平台计算机操作界面发出指令数据，将数字信号经由Modem转换调制成模拟信号，经过功率放大匹配电路，送至水声换能器，转换成声信号。

　　1 水声通信系统的总体结构设计

　　用于海底管道的智能封堵器，要攻克的技术难关之一是如何实现智能封堵器的水上水下通讯，以完成平台的遥控操作。由于海洋环境的特殊性，故采用了水声无线通信方式。水声通信系统的设计方法通常取决于系统为克服多径干扰和相位起伏所采用的不同技术。这些技术可分为两个方面：一是对信号的设计，即系统调制/解调的方案设计;二是发射/接收设备的结构，即系统的帧处理及均衡方案的设计。根据对目前已有的水声通讯技术的调研和智能封堵器的实际应用环境和特点;本文提出了如图2所示的水声通讯方案。整套通讯系统主要由海上控制中心、外部通讯链路、以及遥控执行机构三个逻辑子系统组成。该系统主要是基于声波和超低频电磁波来进行双向通讯。

　　此通讯系统分为水上收/发和水下收/发通讯系统两部分。水上部分由计算机、Modem、收/发滤波放大电路和双向换能器组成，水下部分由水下双向换能器、收/发放大滤波电路、水声/ELF转换电路和ELF-Modem+单片机控制系统组成。因为信号均为收/发双向传递，所以采用双向换能器，双向换能器内部既有发射器又有水听器，既可发送声波信号又可接收声波信号。经过调研和选型，笔者采用的水声发射换能器是浅海圆柱型压电陶瓷换能器FSQ-37。

　　Modem将计算机指令信息调制成换能器工作频带上的电信号，此电信号经过功率放大后送给水上双向换能器发射，经换能器发射后变为声波信号在水中传输，水下双向换能器接收到声波信号后再将其转换为电信号，由于信号在水中传输的过程中会有所衰减，并伴随着一些干扰，所以这个转换后的电信号必须经过放大滤波后再经水声/ELF转换电路转换成ELF电磁波信号发射，ELF电磁波信号可穿透泥土、海水和管壁被管道内的ELF-Modem+单片机控制系统所接收，经ELF-Modem解调后变成逻辑电平指令送给单片机，单片机将收到的指令解析后控制封堵器完成各种动作，这样就完成了一次信号的单向传输。

　　此外，封堵器在执行指令过程中，其上的传感器将检测到的信号传送给单片机，管道内的单片机将这些温度、压力和封堵器状态等数据送回海上的计算机进行监测和计算，这样计算机就可以了解封堵器的运行情况，并根据反馈信号随时调整控制指令。这个信息的传送过程是先由单片机将逻辑电信号送给ELF-Modem，经ELF-Modem调制后变为ELF电磁波穿过管壁，被水声/ELF转换电路接收后转换为换能器工作频带上的电信号，此电信号再经过功率放大后送给水下双向换能器，发射器发射的声波信号由下至上在水中传输，到达水上后被水上的换能器接收并变为电信号，经过放大送给Modem解调后再送给计算机，完成由海底到海面的单方向传输。为实现全双工的传输，水声和ELF通讯都分别使用双信道进行通讯，即收/发采用不同的信道。

　　水声通讯的关键在于实现基于Modem的水声调制解调技术，以便可靠地收/发数据。在通讯系统方案确定之后，进行水试试验找到最佳发射、接收频率作为水下通信传输的载波频率。水上PC机的人机交互程序和串行通信程序采用Visual Basic 6.0编写。采用FSK方式传送数字信息控制载波的频率，将数字信息调制到水声换能器的工作频带上，推动水声换能器把电能转化为声波发射出去。