深海潛標觀測數據無線實時傳輸系統設計

徐立軍，侯朝煥，鄢社鋒，張震，曾迪

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深海潛標觀測數據無線實時傳輸系統設計

徐立軍1,2，侯朝煥1，鄢社鋒1,2，張震1，曾迪1

（1. 中國科學院聲學研究所，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100190）

針對深海潛標數據實時傳輸的需求，設計了一種無線數據實時傳輸技術方案，實現在長達一年時間內對深海潛標流速數據的實時獲取。由于水介質和空氣介質的不同，該方案在水下和水上采用了不同的數據通信傳輸技術，其中在水下采用了無線水聲通信方式實現深海潛標數據實時獲取，而在水上則采用銥星通信的方式將數據中繼回傳到陸地的監控中心，該系統設計完成后在西太平洋深海潛標上進行了實際應用，并經過了長時間的穩定運行。實際運行過程表明，該系統完全能夠實現潛標數據實時獲取功能，在多種海況條件下表現出優異的可靠性和穩定性。

水聲通信；深海潛標；實時傳輸

1 引言

深遠海數據的連續和實時觀測能力建設對海洋與氣候預報和海洋環境安全保障意義重大[1]。深海觀測數據的長時間連續積累和實時化傳輸，將加快我國海洋與氣候預報和環境保障業務系統建設步伐，提升我國深海探測和科學研究能力，為實施“21世紀海上絲綢之路”倡議、保障國家海洋環境安全提供重要基礎支撐[2]。長期以來深海潛標數據獲取主要通過長時間布放潛標后，返回布放現場回收潛標，以獲取過去一段時間的觀測數據，這種工作模式降低了海洋觀測數據的時效性，無法滿足短期內獲取觀測數據的實際需求，因此如何實現潛標的數據實時獲取是物理海洋科學家迫切需要解決的問題。美國在20世紀80年代就開始嘗試實時獲取CTD（鹽度、溫度、深度）和流速等傳感數據，1986年美國新罕布什爾大學[3]為了監測緬因灣口的水質季節變化，利用磁感應傳輸對水下CTD數據進行了實時獲取，在6個月時間內獲取了水深270 m的CTD數據。美國科學家后來相繼開展利用磁感應傳輸技術獲取海洋觀測數據的研究，包括實時獲取北極水面下1 000 m CTD剖面[4]、水下地震和火山低頻噪聲采集器時間同步[5]、監測魚類和浮游生物[6]等。磁感應傳輸獲取水下數據具有比較高的功耗效率比，但是由于設備間需要通過鋼纜連接，連接纜重力較大，需要匹配浮力設備，因此不適合幾千米長距離的水下數據實時傳輸。水聲通信是目前水下遠距離無線通信的唯一手段，為了進行大水深條件下水下數據獲取，科研機構開始嘗試采用水聲通信技術進行水下觀測數據的實時獲取。在1990年，美國WoodsHole海洋研究所就嘗試采用水聲通信技術將多個水下設備數據傳到浮標[7]，然后通過衛星中繼到岸站基地，該系統對水下300 m、1 500 m和2 900 m 3套設備，這是一次典型的水下無線數據獲取嘗試，實際應用過程中僅有1 500 m水深的通信機正常工作，該通信機采用非相干通信技術，通信速率為600 bit/s，平均誤碼率為0.1%。在20世紀90年代，美國國家大氣海洋管理局也嘗試了利用水聲通信獲取水下溫鹽深流等參數的實驗[7]，采用非相干點對點通信，速率同樣是600 bit/s，工作時長5個月。鑒于非相干水聲通信技術的日漸成熟，非相干通信一直應用于水下數據的無線獲取應用[8-11]。進入21世紀以來，物理海洋領域對水下觀測數據實時回傳的需求日益增大，要求水下設備進行聲傳輸時有更高的能源利用率，與此同時水聲通信技術快速發展，通信速率更高、每比特能耗更低的相干水聲通信開始應用于水下設備數據實時傳輸[12-13]。除水聲通信技術外，國內在水下觀測數據實時傳輸領域還嘗試了在長電纜上利用電信號進行水下長距離有線傳輸[14-15]。目前實際運行的實時化系統主要分布在近岸、河口等地，在遠海大洋布放的潛標實時化鮮有報道。在深遠海觀測領域，國內外均有布放在深海大洋的潛標觀測陣列，其中應用規模較大的有中國科學院海洋研究所的西太平洋潛標觀測陣列和美國國家海洋大氣管理局（NOAA）以及美國國家潛標數據中心（National Data Buoy Center）的TAO潛標陣列。

中國科學院戰略性先導科技專項“熱帶西太平洋海洋系統物質能量交換及其影響”于2013年啟動，構建西太平洋科學觀測網是專項的重點任務之一。西太平洋科學觀測網的建設目標是實現對西太平洋赤道主流系及其與西邊界流關聯區、中深層環流大規模同步連續現場觀測，填補國際上在西太平洋赤道流系和中深層環流同步觀測的空白[1]。中國科學院海洋研究所為了打破以往一年回讀數據的弊端，提高潛標觀測數據的時效性，在2016年開始委托中國科學院聲學研究所進行潛標數據實時化傳輸改造，目的是能夠在長達一年的時間內實時獲取水面以下1 000 m的流速剖面數據。

實現深海潛標長期實時數據獲取的主要技術難點如下所示。

? 數據實時回傳系統需要具有極高的工作可靠性，符合海洋工程應用條件，能夠在大風、強流以及高浪涌等多種惡劣海況條件和天氣條件下保持長期穩定工作。這需要設備組成結構和設備間的連接部件耐壓、耐海水腐蝕、抗沖擊，設備運行的軟、硬件均能夠保證長期穩定工作。

? 該系統處于長期自主工作狀態，需要具備穩定的能源獲取途徑，同時該系統應該具有功耗控制模式，能夠保持在遠離陸地條件下依靠自身能源供應長期工作。

? 數據實時回傳系統需具有易組裝、易維護、易布放、易回收的工程應用特點。深海潛標布放點遠離陸地，無法像陸地設備獲得可靠的技術保障和支持，而且深海潛標的工作海區通常在大洋深處，海深較大、海況比近岸海域更加惡劣，因此該系統的組裝、布放和回收操作要簡單、快捷。

根據以上需求和實際應用難度分析，結合的海洋工程經驗，中國科學院聲學研究所提出了水聲通信和銥星通信兩種不同無線通信方式，通過系統集成后，研制出一整套潛標實時化數據傳輸系統，并進行了海上試驗應用。

2 潛標無線實時化數據傳輸系統設計

2.1 總體方案結構

潛標無線實時化數據傳輸系統工作方式如圖1所示，該系統包括水下通信分系統、水面通信分系統兩個部分。水下通信分系統包括潛標傳感器、水聲通信機和電源系統。水面通信分系統包括水聲通信機、衛星定位通信系統和電池系統。由于空氣介質和水下介質兩種不同的信道特質，該系統通信鏈路分為水上和水下兩個部分，水上采用衛星通信，水下采用水聲通信的無線通信技術方案，潛標傳感器和水聲通信機之間通過水密電纜進行數據交換。

圖1 潛標數據無線實時化傳輸系統工作示意

該系統水面和水下分系統具體結構如圖2所示，潛標在水下500 m主浮體上安裝兩部多普勒流速剖面儀（ADCP）和一部水聲通信機，3部設備通過水密電纜連接進行數據通信。ADCP能夠獲得海面以下1 000 m流速剖面數據，水聲通信機通過水密電纜讀取ADCP數據后，用水聲通信和水面通信機建立數據連接然后進行數據傳輸，水聲通信完成后，水面系統利用衛星通信模塊通過衛星通信鏈路將數據傳給陸地數據監控中心。

2.2 基于單載波的高速水聲通信技術

水聲通信是深海潛標觀測數據無線實時傳輸系統的關鍵技術。聲波在水介質中傳播時能量會產生衰減，傳播能量衰減主要受兩個因素影響：擴散衰減、吸收衰減。擴散損失和吸收損失帶來的總傳播損失可用式（1）表示：

其中，l為傳輸距離，f為信號頻率，lr為參考距離，k決定了聲傳播模型，它是一個1~2之間的數值，k=1時對應柱面波擴展，k=2時對應球面波擴展，a(f)是聲吸收系數是頻率的函數。從式（1）可以看出，擴散損失對所有頻率都是一樣的，吸收衰減產生的能量損失主要由海水介質本身的剪切粘滯性、體積粘滯性和離子馳豫等原因造成，聲吸收系數a與頻率f之間的關系較為復雜，它可由經驗公式得到。在水聲通信中，通常采用Thorp經驗公式計算聲吸收系數a(f)，它主要適用于50 kHz以下頻段，其具體形式為：

由式（2）可以看出，當頻率較高時，式（2）中的前兩項近似為常數，因此吸收衰減主要與聲波頻率的平方成正比，這使得聲波的吸收衰減隨著頻率增大而快速增長。根據式（2）繪制的不同頻率聲波信號在傳播不同距離時的吸收衰減如圖3所示，圖3中自下而上分別為傳播1~10 km時，不同頻率信號由于海水吸收產生的衰減。

由式（2）和圖3可以看出，由于海水對聲波的吸收衰減作用，在長距離聲信號傳播過程中，頻率越高的信號能量衰減越大，這使得利用寬帶信號進行長距離水聲通信時，水聲信道呈現一種低通特性，是典型的低通信道。海水的吸收衰減特性使得長距離水聲通信帶寬很窄，因此水聲通信不是一個能量效率很高的通信方式。深海潛標通常采用自容式工作模式，只能攜帶有限的電池進行供電，在帶寬和能量受限的條件下，需要盡可能采用頻帶利用率高的水聲通信調制方式。目前比較成熟的長距離水聲通信調制方式包括非相干通信、單載波相干通信、多載波正交頻分復用（OFDM）通信、擴頻通信等，其中單載波相干通信和OFDM通信可以最大限度利用通信帶寬，提高能量利用效率。采用BPSK和QPSK符號映射的水聲OFDM通信調制信號的峰均比相比單載波調制高4 dB左右[16-17]，長距離通信時，OFDM調制方式對功率放大器的動態范圍要求較高，基于以上幾點，本系統設計時采用了單載波相干水聲通信方式，信號通信頻帶為9~15 kHz，通信速率6 kbit/s，在1 000 m通信距離上可以獲得1 200 bit/J的能量利用率。

在水聲通信過程中，由于聲信號在傳播過程中在水面和水底反射，會產生多徑效應，其結果會使通信信號產生符號間干擾，因此相干水聲通信在解調時需要進行信道均衡以消除符號間干擾。判決反饋均衡器的優異性能已經在水聲通信得到廣泛驗證[18]，進而產生了利用迭代譯碼和均衡器相結合的Turbo均衡器，本系統在Turbo均衡器基礎上設計了基于時域反轉技術的的雙向Turbo均衡器，其原理是利用Turbo碼解碼過程中，時域正向和時域反向誤碼不相關性，進行雙向Turbo迭代均衡后，進行判決信息合并，產生時域分集效果。其調制過程中符號映射過程如圖4所示。

圖4 相干通信符號映射

圖5 直接自適應雙向Turbo均衡器結構

3 應用效果

該系統設計完成后，在2016年的“西太主流系潛標觀測網維護及升級”航次中得到成功應用，該航次是中國科學院戰略性先導科技專項“熱帶西太平洋海洋系統物質能量交換及其影響”2016年科學考察任務之一，目的是完成一年一次的潛標回收、維護、數據讀取、再次布放任務。在本航次中，該系統成功實現了一套赤道深海潛標1 000 m深流速數據長達8個月的無線實時傳輸，圖6（a）和圖6（b）是水面浮標、水下潛標布放過程示意，圖6（c）是根據該系統實時回傳的聲學流速剖面數據繪制的流速剖面圖。

圖6 海上應用效果

4 結束語

本文提出了一種潛標實時化數據傳輸系統構建方案，在水面和水下采用了不同的無線通信方式。實際應用表明，該系統非常適合深海大洋水下數據的遠程獲取。相比有纜通信，該系統布放方式簡單、維護容易，對海洋上惡劣的氣候條件的適應能力更強。目前來看，水聲通信的通信速率和長距離有纜通信速率相當，雖然在能量利用效率上還有差距，但是在海洋應用過程中表現出更好的穩定性和可靠性。該系統原計劃工作時間為365天，理論計算工作時間為577天，實際海上工作時間252天。實際工作時間未達要求的原因是水面系統值班電路電池電量耗盡，水面值班電路在海上實際應用前4個月已經工作，水下值班電路則是在布放當天工作，一年后設備維護時水下系統仍舊在正常工作。潛標無線實時化傳輸系統的研制成功，將徹底改變深海潛標數據獲取模式，極大提高深海觀測數據時效性，該系統工作可靠，易于布放維護，能夠進行大規模推廣應用，對于海洋天氣預報、海洋氣候災害預防具有重要意義。

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Design of a wireless real-time observation data transmission system for deep ocean mooring

XU Lijun1,2, HOU Zhaohuan1, YAN Shefeng1,2, ZHANG Zhen1, ZENG Di1

1. The Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

According to the requirement of the transmission of deep ocean mooring observation data, a wireless data transmission system was designed to help the ocean graphic scientists get the current data from the instruments of the ocean mooring in real-time mode. Because of the difference of the underwater acoustic channel and the terrestrial channel, communication technologies were applied, one was underwater acoustic communication, and the other was the communication by iridium satellites, the scientists could read the data at the land monitoring station. The results indicate that the system can fulfill the real-data acquisition from the deep ocean mooring, and the system shows the reliability under all kinds of weather conditions.

underwater acoustic communication, deep ocean mooring, real-time transmission

P715.2

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018194

徐立軍（1977?），男，中國科學院聲學研究所副研究員，中國科學院大學電子電氣與通信工程學院副教授，主要研究方向為水聲通信、水下信號處理。

侯朝煥（1936?），男，中國科學院院士，中國科學院聲學研究所研究員、博士生導師，主要研究方向為聲學、信息處理。

鄢社鋒（1978?），男，中國科學院聲學研究所研究員、博士生導師，水下航行器信息技術重點實驗室主任，中國科學院大學電子電氣與通信工程學院教授，主要研究方向為聲學陣列信號處理、水聲通信、信息處理。

張震（1989?），男，中國科學院聲學研究所助理研究員，主要研究方向為水聲通信。

曾迪（1990?），男，中國科學院聲學研究所助理研究員，主要研究方向為水聲通信。

2018?05?01；

2018?06?09

鄢社鋒，sfyan@mail.ioa.ac.cn

國家自然科學基金資助項目（No.61531017，No.61431020）

The National Natural Science Foundation of China (No.61531017, No.61431020)