一种拖曳式多电极阵列水下电场通信装置的制作方法

1.本发明涉及水下电场通信领域，特别是涉及一种拖曳式多电极阵列水下电场通信装置。


背景技术：

2.水下电场通信技术作为目前最新一代的非声通信技术，在水下机器人、蛙人指挥、无人潜航器、鱼雷和舰艇等特殊应用场景中有着巨大的潜在应用价值。由于海水等介质对高频电磁波的剧烈衰减作用，目前基于超声波的水声通信技术是唯一得到实际应用的水下通信方案，由于其传播受海水密度、盐度、温度的影响较大，通信带宽较小，方向性较强，设备体积大，难以满足上述特殊场景下的应用需求。水下电场通信技术借助水下通电电极产生的电流场实现通信，具有覆盖方位较宽，不受海水温度等变化影响，通信带宽高，微型化，电极阵列易于加工覆盖至水下运动载体表面等优点。然而，其通信范围主要由电极间距决定，电极间距越大，通信范围越大；现有水下电场通信装置其电极固定在载体上，受限于载体尺寸电极间距较短，约为数十厘米至数米，其通信范围仅为数米至数十米，难以满足实际应用需要。


技术实现要素：

3.基于此，本发明实施例提供一种拖曳式多电极阵列水下电场通信装置，电极间距不限于载体尺寸，能适用于较大的通信范围。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种拖曳式多电极阵列水下电场通信装置，包括：运动载体、通信控制电路、多电极阵列电极板、拖曳布放机构和拖曳线缆；
6.所述多电极阵列电极板包括载体电极极板和拖曳电极极板；所述通信控制电路、所述载体电极极板和所述拖曳布放机构均设置在所述运动载体上；所述通信控制电路分别与所述拖曳布放机构和所述载体电极极板电连接；所述拖曳布放机构通过所述拖曳线缆与所述拖曳电极极板电连接；
7.所述通信控制电路，用于：
8.根据设定通信范围，控制所述拖曳布放机构收放所述拖曳线缆；
9.向所述多电极阵列电极板接入电压，所述载体电极极板和所述拖曳电极极板放电从而产生脉冲电场，所述脉冲电场用于传输通信信息。
10.可选的，所述拖曳式多电极阵列水下电场通信装置，还包括：拖曳动力部；
11.所述拖曳布放机构通过所述拖曳线缆与所述拖曳动力部电连接；所述拖曳动力部上布设所述拖曳电极极板。
12.可选的，所述拖曳布放机构，具体包括：
13.拖曳线缆绞盘、导电滑环和拖曳线缆驱动件；
14.所述拖曳线缆绞盘用于收纳所述拖曳线缆；所述拖曳线缆通过所述导电滑环与所
述通信控制电路电连接；所述拖曳线缆驱动件用于驱动所述拖曳线缆进行收放。
15.可选的，所述通信控制电路，具体包括：
16.低压直流电源、控制器、电压转换电路、储能电容、隔离电压变送器、功率开关、收发复用器和信号处理电路；
17.所述控制器分别与所述低压直流电源、所述电压转换电路、所述隔离电压变送器、所述功率开关、所述收发复用器、所述信号处理电路和所述拖曳布放机构连接；所述低压直流电源通过所述电压转换电路与所述储能电容连接；所述储能电容分别与所述隔离电压变送器以及所述功率开关连接；所述功率开关与所述收发复用器连接；所述收发复用器通过所述拖曳布放机构与所述多电极阵列电极板连接；
18.所述控制器，用于：
19.当处于发送模式时，控制所述电压转换电路对所述低压直流电源输出的直流电进行升压，得到升压后的直流电，并根据所述隔离电压变送器测得的所述储能电容两端的电压控制所述升压后的直流电为所述储能电容充电；根据电场通信信号控制所述功率开关将所述储能电容依次经过所述收发复用器和所述拖曳布放机构接入所述多电极阵列电极板，所述多电极阵列电极板放电使流体介质中产生脉冲电场；所述电场通信信号为对通信信息编码后形成的脉冲信号；
20.当处于接收模式时，通过所述收发复用器和所述信号处理电路获取所述多电极阵列电极板产生的电压变化信号，并对所述电压变化信号解码，得到发送方传输的通信信息；所述电压变化信号为随发送方的脉冲电场变化的电压信号。
21.可选的，所述拖曳动力部，具体包括：
22.拖曳锥和拖曳辅助动力单元；
23.所述拖曳锥为下底面开口的圆台状镂空支架；所述拖曳布放机构通过所述拖曳线缆与所述拖曳锥的上底面电连接；所述拖曳锥的上底面设置所述拖曳辅助动力单元；所述拖曳锥的侧面设置所述拖曳电极极板。
24.可选的，所述拖曳线缆驱动件，包括：拖曳线缆收放电机和至少一对驱动轮；
25.所述拖曳线缆收放电机的输出轴与各驱动轮连接；所述拖曳线缆位于两个所述驱动轮之间且与两个所述驱动轮接触；所述拖曳线缆收放电机用于驱动所述驱动轮，使所述拖曳线缆进行收放。
26.可选的，所述通信控制电路位于所述运动载体内部；所述载体电极极板位于所述运动载体的头部；与所述拖曳布放机构连接的所述拖曳线缆穿过所述运动载体的尾部与所述拖曳电极极板连接。
27.可选的，所述信号处理电路，具体包括：
28.自动增益控制器和正交锁相放大器；所述收发复用器与所述自动增益控制器连接；所述自动增益控制器通过所述正交锁相放大器与所述控制器连接。
29.可选的，所述电压转换电路，具体包括：
30.逆变器、升压变压器和整流器；所述逆变器分别与所述低压直流电源以及所述控制器连接；所述逆变器通过所述升压变压器与所述整流器连接；所述整流器与所述储能电容连接。
31.可选的，所述拖曳辅助动力单元为螺旋桨；所述螺旋桨的旋转面与所述拖曳锥的
上底面平行。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
33.本发明实施例提出了一种拖曳式多电极阵列水下电场通信装置，载体电极极板设置在运动载体上，拖曳电极极板通过拖曳线缆与设置在运动载体上的拖曳布放机构连接，通信控制电路能够根据设定通信范围，控制拖曳布放机构收放拖曳线缆，使得拖曳电极极板可以处于流体介质中的不同位置，拖曳电极极板与载体电极极板之间的间距可调且电极间距不限于运动载体的尺寸，从而产生更广的脉冲电场，适用于较大的通信范围，满足实际应用需要。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本发明实施例提供的拖曳式多电极阵列水下电场通信装置的结构示意图；
36.图2为本发明实施例提供的通信控制电路的结构示意图；
37.图3为本发明实施例提供的拖曳式多电极阵列水下电场通信装置的输出信号与现有装置输出信号的对比图；
38.图4为本发明实施例提供的水下电场通信示意图；
39.图5为本发明实施例提供的收发模式切换示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
42.图1为本发明实施例提供的拖曳式多电极阵列水下电场通信装置的结构示意图。参见图1，本实施例的拖曳式多电极阵列水下电场通信装置，包括：运动载体1、通信控制电路、多电极阵列电极板、拖曳布放机构和拖曳线缆2。
43.所述多电极阵列电极板包括载体电极极板3和拖曳电极极板4；所述通信控制电路、所述载体电极极板3和所述拖曳布放机构均设置在所述运动载体1上；所述通信控制电路分别与所述拖曳布放机构和所述载体电极极板3电连接；所述拖曳布放机构通过所述拖曳线缆2与所述拖曳电极极板4电连接。
44.所述通信控制电路，用于：根据设定通信范围，控制所述拖曳布放机构收放所述拖曳线缆2；以及向所述多电极阵列电极板接入电压，所述载体电极极板3和所述拖曳电极极板4放电从而产生脉冲电场，所述脉冲电场用于传输通信信息。
45.本实施例中的拖曳式多电极阵列水下电场通信装置，利用拖曳布放机构对搭载有
拖曳电极极板4的拖曳线缆2实施布放控制，实现了对载体电极极板3和拖曳电极极板4的任意间距控制，在有限的载体空间上极大地增大了电极间距，实现了数倍至数十倍的电极间距提升，解决了现有水下电场通信装置通信范围严重受限于电极间距的问题。
46.在一个示例中，所述拖曳式多电极阵列水下电场通信装置，还包括：拖曳动力部；所述拖曳布放机构通过所述拖曳线缆2与所述拖曳动力部电连接；所述拖曳动力部上布设所述拖曳电极极板4。
47.其中，所述拖曳动力部，具体包括：
48.拖曳锥5和拖曳辅助动力单元6；所述拖曳锥5为下底面开口的圆台状镂空支架；所述拖曳布放机构通过所述拖曳线缆2与所述拖曳锥5的上底面电连接；所述拖曳锥5的上底面设置所述拖曳辅助动力单元6；所述拖曳锥5的侧面设置所述拖曳电极极板4；所述拖曳锥5用于稳定所述拖曳电极极板4。所述拖曳线缆2内包含多条导电电缆，用于传输电信号及驱动拖曳动力部，通过拖曳动力部，解决了载体运动造成的拖曳线缆2布放中的缠绕问题。
49.其中，所述拖曳辅助动力单元6可以为螺旋桨；所述螺旋桨的旋转面与所述拖曳锥5的上底面平行。
50.在一个示例中，所述拖曳布放机构，具体包括：拖曳线缆绞盘7、导电滑环8和拖曳线缆驱动件；所述拖曳线缆绞盘7用于收纳所述拖曳线缆2；所述拖曳线缆2通过所述导电滑环8与所述通信控制电路电连接；所述拖曳线缆驱动件用于驱动所述拖曳线缆2进行收放。所述拖曳线缆2布放时通过拖曳线缆驱动件驱动，向运动载体1后方布放，为避免布放过程中拖曳线缆2在外部水流流场作用下发生缠绕与振荡现象，布放过程中与拖曳线缆2末端连接的拖曳动力部所属的拖曳辅助动力单元6启动工作，产生同运动载体1运动方向相反的推力，用于加快布放拖曳线缆2并避免其发生缠绕及振荡。所述拖曳电极极板4附着在拖曳动力部所属的拖曳稳定锥表面。
51.其中，所述拖曳线缆驱动件，包括：拖曳线缆收放电机和至少一对驱动轮。所述拖曳线缆收放电机的输出轴与各驱动轮9连接；所述拖曳线缆2位于两个所述驱动轮9之间且与两个所述驱动轮9接触；所述拖曳线缆收放电机用于驱动所述驱动轮9，使所述拖曳线缆2进行收放。
52.在一个示例中，参见图1和图2，所述通信控制电路，具体包括：
53.低压直流电源、控制器、电压转换电路、储能电容10、隔离电压变送器、功率开关、收发复用器和信号处理电路。
54.所述控制器分别与所述低压直流电源、所述电压转换电路、所述隔离电压变送器、所述功率开关、所述收发复用器、所述信号处理电路、所述拖曳线缆收放电机和所述拖曳辅助动力单元6连接；所述低压直流电源通过所述电压转换电路与所述储能电容10连接；所述储能电容10分别与所述隔离电压变送器以及所述功率开关连接；所述功率开关与所述收发复用器连接；所述收发复用器通过所述拖曳线缆绞盘7、所述导电滑环8与所述多电极阵列电极板连接。所述收发复用器功能上为一电控单刀双掷开关，可用机械继电器、固态继电器、半导体开关、mems微机械开关实现。隔离电压变送器，用于测量储能电容10两端的电压，并反馈至控制器进行控制。功率开关，用于控制储能电容10接通载体电极极板3和拖曳电极极板4，从而释放高压脉冲。
55.所述低压直流电源还分别与所述拖曳线缆收放电机以及所述拖曳辅助动力单元6
连接，所述低压直流电源为所述控制器、所述拖曳线缆收放电机以及所述拖曳辅助动力单元6供电。所述低压直流电源一般为5伏
‑
36伏的直流电源，所述低压直流电源一般由运动载体1，或使用本实施例的装置的搭载平台自身提供。
56.所述电压转换电路，具体包括：逆变器、升压变压器11和整流器；所述逆变器分别与所述低压直流电源以及所述控制器连接；所述逆变器通过所述升压变压器11与所述整流器连接；所述整流器与所述储能电容10连接。逆变器，用于将低压直流电源供给的直流电变成交流电送往升压变压器11。整流器，用于将升压变压器11产生的高压交流电变成高压直流电，对储能电容10充电。
57.所述信号处理电路，具体包括：自动增益控制器和正交锁相放大器；所述收发复用器与所述自动增益控制器连接；所述自动增益控制器通过所述正交锁相放大器与所述控制器连接。所述正交放大器用于提取载体电极极板3和拖曳电极极板4上特定频率的信号，具备良好的抗干扰能力，在远距离通信情况下，该信号非常微弱，常规放大器无法实现放大功能。自动增益控制器，用于对载体电极极板3和拖曳电极极板4上的信号进行前置衰减或放大处理，由于电场信号强弱随距离远近变化，在通信距离较近时需要对信号进行衰减避免后续放大电路饱和，在通信距离较远时需要对信号进行放大，才能达到后续放大电路的工作要求。
58.所述控制器连接数据总线，用于接收来自其他设备的通讯信号，或向其他设备发送接收的电场通信信号。具体的，所述控制器，用于：
59.当处于发送模式时，控制所述电压转换电路对所述低压直流电源输出的直流电进行升压，得到升压后的直流电，并根据所述隔离电压变送器测得的所述储能电容10两端的电压控制所述升压后的直流电为所述储能电容10充电；根据电场通信信号控制所述功率开关将所述储能电容10依次经过所述收发复用器和所述拖曳布放机构接入所述多电极阵列电极板，所述多电极阵列电极板放电使流体介质中产生脉冲电场；所述电场通信信号为对通信信息编码后形成的脉冲信号。
60.当处于接收模式时，通过所述收发复用器和所述信号处理电路获取所述多电极阵列电极板产生的电压变化信号，并对所述电压变化信号解码，得到发送方传输的通信信息；所述电压变化信号为随发送方的脉冲电场变化的电压信号。
61.本示例中，通过收发控制电路中的储能结构(储能电容10)，实现了高压脉冲通信，在进一步提升通信距离的情况下，增大了能量利用效率。
62.在一个示例中，所述通信控制电路位于所述运动载体1内部；所述载体电极极板3位于所述运动载体1的头部(沿其几何尺寸最大方向的前部)；与所述拖曳布放机构连接的所述拖曳线缆2穿过所述运动载体1的尾部与所述拖曳电极极板4连接。
63.上述实施例中的拖曳式多电极阵列水下电场通信装置，载体电极极板3、拖曳电极极板4与运动载体1外部的海水、河水等流体介质构成导电回路，通信控制电路中的控制器控制储能电容10接通，产生的高压脉冲(400v
‑
1600v)经由拖曳线缆绞盘7及导电滑环8至拖曳线缆2至拖曳电极极板4至外部流体介质产生电流场分布，经载体电极极板3返回，构成闭合回路。本实施例的拖曳式多电极阵列水下电场通信装置的输出信号与现有装置输出信号的对比图如图3所示。按照特定的通信编码规则控制高压脉冲的接通与断开，即可在运动载体1周围产生电流场分布用于通信。通信接收方使用任意电极或电极阵列测量周围流体介
质中的电势变化信号即可实现水下电场通信。水下电场通信如图4所示。
64.下面对上述实施例中的拖曳式多电极阵列水下电场通信装置的工作流程进行详细介绍。
65.当拖曳式多电极阵列水下电场通信装置处于发送模式时，参见图5的(a)部分，当需要对外进行电场通信时，控制器首先根据所需通信范围远近驱动拖曳线缆收放电机及拖曳辅助动力单元6进行拖曳线缆2及拖曳电极极板4的布放。该装置中电极极板(载体电极极板3和拖曳电极极板4)既承担了电场信号发生也承担了接收功能，电场信号发生与接收功能需要不同的信号通路实现，收发复用器实现了信号通路切换功能。在发送模式下，收发复用器使自动增益控制器断开，载体电极极板3和拖曳电极极板4分别与功率开关接通，控制器驱动逆变器通过升压变压器11经整流器产生高压直流电向储能电容10充电，控制器经隔离电压变送器测量储能电容10两端的电压，达到目标输出电压(400v
‑
1600v)后停止充电，控制器按照通信协议与编码规则将数据总线所获取的通信信息(0
‑
1二进制信号)按照图3所示编码为脉冲信号(例如：有脉冲代表1，无脉冲代表0)，按照此脉冲信号控制功率开关的导通与关闭，从而使得储能电容10经功率开关、收发复用器、拖曳线缆绞盘7以及导电滑环8向载体电极极板3和拖曳电极极板4放电，从而在运动载体1周围的水中产生脉冲电场分布。电场分布如图4所示。
66.当拖曳式多电极阵列水下电场通信装置处于接收模式时，参见图5的(b)部分，当需要接收外部电场信号时，控制器首先根据所需通信范围远近驱动拖曳线缆收放电机及拖曳辅助动力单元6进行拖曳线缆2和拖曳电极极板4的布放。该装置装置电极既承担了电场信号发生也承担了接收功能，电场信号发生与接收功能需要不同的信号通路实现，收发复用器实现了信号通路切换功能。在接收模式下，收发复用器使自动增益控制器接通，载体电极极板3和拖曳电极极板4均与与功率开关断开。由于载体电极极板3和拖曳电极极板4处于不同的等电势线上，因而在载体电极极板3和拖曳电极极板4的两端产生随发送方脉冲电场变化的微小信号电压。该微小信号电压经拖曳线缆绞盘7和导电滑环8后，再经收发复用器、自动增益控制器放大或衰减至设定输出幅值后送入正交锁相放大器解调，还原成发送方编码的(0
‑
1二进制信号)脉冲信号，经控制器按照通信协议与编码规则解码后，得到通信信息，再通过数据总线发送至其他处理设备。
67.本实施例的拖曳式多电极阵列水下电场通信装置，具有如下优点：
68.1)相比现有水下电场通信技术，本实施例提供的装置能够根据情况利用拖曳布放机构控制载体电极极板和拖曳电极极板之间的间距，突破了运动载体有限尺寸带来的电极间距限制，产生更广的电流场分布，现有水下电场通信技术所使用的电极固定在载体上，受限于水下载体的大小，其电极间距极为有限，导致其水下电场通信距离相当有限。在相同使用条件下，本实施例的装置能够实现数倍至数十倍通信距离的提升。
69.2)相比现有水下电场通信技术，本实施例提供的装置在有限的载体空间下，能实现更远的电极间距，电极间距越大，在相同的发送方功率条件下，电极接收到的电场信号幅值更大，本该装置具有更高的接收灵敏度。
70.3)相比现有水下电场通信技术，本实施例提供的装置借助升压变压器和储能电容，能够实现更高的电极输出电压，该装置工作在脉冲调制状态下而非现有水下电场通信装置的连续正弦波或方波调制模式，该装置中的控制器及电路所使用的通信脉冲宽度仅为
数百微秒至数毫秒，虽然输出电压高，然而其输出时间短，因而消耗能量并未大幅增加，实现了较高的能量利用效率，避免了对水下生物的影响。
71.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
72.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。