海底智能封堵器水聲通信概述

　　智能封堵器應用于海底管道的維修作業時，首先要解決的是在深海處如何實現平臺母船與管道之間的即時通信。本文研究的是從海上平臺發出的數據指令信號到達管道上方接收器之間的通信過程。由于海底環境的特殊性，故采用水聲無線通信方式。智能封堵器通信信號流程如圖1所示。計算機指令信息首先轉換成聲信號在海洋環境下傳輸，最后轉換成ELF電磁波信號，利用電磁波信號穿透泥土、海水、管壁，指導管道內的智能封堵器工作。

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　　智能封堵器海底通信中的水聲通信系統部分主要研究的是從母船或平臺計算機操作界面發出指令數據，將數字信號經由Modem轉換調制成模擬信號，經過功率放大匹配電路，送至水聲換能器，轉換成聲信號。

　　1 水聲通信系統的總體結構設計

　　用于海底管道的智能封堵器，要攻克的技術難關之一是如何實現智能封堵器的水上水下通訊，以完成平臺的遙控操作。由于海洋環境的特殊性，故采用了水聲無線通信方式。水聲通信系統的設計方法通常取決于系統為克服多徑干擾和相位起伏所采用的不同技術。這些技術可分為兩個方面：一是對信號的設計，即系統調制/解調的方案設計;二是發射/接收設備的結構，即系統的幀處理及均衡方案的設計。根據對目前已有的水聲通訊技術的調研和智能封堵器的實際應用環境和特點;本文提出了如圖2所示的水聲通訊方案。整套通訊系統主要由海上控制中心、外部通訊鏈路、以及遙控執行機構三個邏輯子系統組成。該系統主要是基于聲波和超低頻電磁波來進行雙向通訊。

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　　此通訊系統分為水上收/發和水下收/發通訊系統兩部分。水上部分由計算機、Modem、收/發濾波放大電路和雙向換能器組成，水下部分由水下雙向換能器、收/發放大濾波電路、水聲/ELF轉換電路和ELF-Modem+單片機控制系統組成。因為信號均為收/發雙向傳遞，所以采用雙向換能器，雙向換能器內部既有發射器又有水聽器，既可發送聲波信號又可接收聲波信號。經過調研和選型，筆者采用的水聲發射換能器是淺海圓柱型壓電陶瓷換能器FSQ-37。

　　Modem將計算機指令信息調制成換能器工作頻帶上的電信號，此電信號經過功率放大后送給水上雙向換能器發射，經換能器發射后變為聲波信號在水中傳輸，水下雙向換能器接收到聲波信號后再將其轉換為電信號，由于信號在水中傳輸的過程中會有所衰減，并伴隨著一些干擾，所以這個轉換后的電信號必須經過放大濾波后再經水聲/ELF轉換電路轉換成ELF電磁波信號發射，ELF電磁波信號可穿透泥土、海水和管壁被管道內的ELF-Modem+單片機控制系統所接收，經ELF-Modem解調后變成邏輯電平指令送給單片機，單片機將收到的指令解析后控制封堵器完成各種動作，這樣就完成了一次信號的單向傳輸。

　　此外，封堵器在執行指令過程中，其上的傳感器將檢測到的信號傳送給單片機，管道內的單片機將這些溫度、壓力和封堵器狀態等數據送回海上的計算機進行監測和計算，這樣計算機就可以了解封堵器的運行情況，并根據反饋信號隨時調整控制指令。這個信息的傳送過程是先由單片機將邏輯電信號送給ELF-Modem，經ELF-Modem調制后變為ELF電磁波穿過管壁，被水聲/ELF轉換電路接收后轉換為換能器工作頻帶上的電信號，此電信號再經過功率放大后送給水下雙向換能器，發射器發射的聲波信號由下至上在水中傳輸，到達水上后被水上的換能器接收并變為電信號，經過放大送給Modem解調后再送給計算機，完成由海底到海面的單方向傳輸。為實現全雙工的傳輸，水聲和ELF通訊都分別使用雙信道進行通訊，即收/發采用不同的信道。

　　水聲通訊的關鍵在于實現基于Modem的水聲調制解調技術，以便可靠地收/發數據。在通訊系統方案確定之后，進行水試試驗找到最佳發射、接收頻率作為水下通信傳輸的載波頻率。水上PC機的人機交互程序和串行通信程序采用Visual Basic 6.0編寫。采用FSK方式傳送數字信息控制載波的頻率，將數字信息調制到水聲換能器的工作頻帶上，推動水聲換能器把電能轉化為聲波發射出去。