一种海光缆潜水浮标的定位系统的制作方法

1.本发明属于海光缆定位领域，特别是涉及一种海光缆潜水浮标的定位系统。


背景技术：

2.随着信息和通信技术的发展，海底光缆以容量大保密性好越来越成为通信干线的信息主体，建设规模逐年递增。但是由于海缆处于水下，特别是在深水下敷设，水下情况复杂，一旦出现故障，即使确定了位置，寻找打捞和维修施工难度都非常之大。在对海中的海光缆进行维修时，由于海况或其他因素的影响，不得不中断对海缆的维修，将海缆扔回海底，等海况好转时下次再继续回到相同位置对海缆进行打捞作业。针对此种情形，现有技术中存在的类似技术是在海缆的修理端系上一条长绳，长绳的另一端系上一个足以浮出水面的浮标，然后撤离，待海况良好时作业船只再回到此处，通过肉眼观察浮在水面上的浮标来搜寻待作业光缆的位置，找到浮标后将浮标牵引的长绳拉出，直到拉出被长绳系者的海光缆，从而继续作业。但现有技术中的这种方法缺陷很多，由于海面情况复杂，浮标所在的位置可能会经过各种渔船，浮标极有可能被渔船的捕鱼网挂下来，一旦没有浮标定位，则也无法快速找到上次作业的位置了。特别是在故障点水下施工作业时，常常需要将某些设施放入海底，然后在水面设置浮标进行定位标记。但是由于海面情况复杂，一旦标记被破坏，再度寻找目标十分困难。
3.针对上述现有技术中存在的缺陷，急需一种方法进行解决。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种海光缆潜水浮标的定位系统，以解决上述现有技术存在的问题。
5.一方面为实现上述目的，本发明提供了一种海光缆潜水浮标的定位系统，包括：水声信号发射单元和潜水浮标；
6.所述水声信号发射单元在船上，用于对所述潜水浮标发送水声信号；
7.所述潜水浮标与海光缆连接，用于对海光缆进行定位，所述潜水浮标位于海面下。
8.可选的，所述水声信号发射单元包括信号编码器、放大器、水声发射换能模块和电源模块，
9.其中所述信号编码器用于将控制信号编码成水声信号；
10.所述放大器用于将水声信号进行放大；
11.所述水声发射换能模块用于将所述水声信号发送出去；
12.所述电源模块用于给所述水声信号发射单元供电。
13.可选的，所述信号编码器将控制信号编码成水声信号的过程中采用的调制方法包括二进制幅移键控、二进制相移键控或二进制频移键控中的一种。
14.可选的，所述信号编码器在调制过程中，在两个码元之间加无信号状态的时间间隔。
15.可选的，所述潜水浮标包括水声信号接收模块和锁扣模块；
16.所述水声信号接收模块用于接收所述水声信号发射单元发送的水声信号并进行解调；
17.所述锁扣模块用于通过所述水声信号对浮标进行锁定或释放。
18.可选的，所述水声信号接收模块包括解调模块，用于对所述水声信号发射单元发送来的经调制的水声信号进行解调。
19.可选的，所述水声信号发射单元对所述潜水浮标发送水声信号的过程中采用了奇偶检验法，包括：先发送两个字节的地址编码信息，最后发送两个字节的地址编码信息的校验位，第一个字节采用偶检验的方式，第二个字节采用奇检验的方式。
20.可选的，所述水声信号接收模块采用了模糊处理法，包括：对码元信息的载波频率信号识别中，采用中间型隶属函数；由信息码元的频率和监督码元的频率构成第一模糊向量；
21.对码元间的时序间隔信息采用偏小型隶属函数进行表示，构成各码元对时序吻合程度的第二模糊向量；
22.基于所述第一模糊向量和所述第二模糊向量获得水声信息。
23.可选的，所述水声信号接收模块采用单片机进行解调和识别，所述单片机设置为休眠待机模式。
24.可选的，所述单片机包括监控模块，所述监控模块用于监控单片机的运行情况，包括：
25.所述单片机一直给所述监控模块发送脉冲信号，若所述单片机死机停止发送脉冲信号，且所述监控模块没有接收到所述脉冲信号时，所述监控模块经过预设好的的时间后对所述单片机发送复位信号，使单片机重新开始工作。
26.本发明的技术效果为：
27.本发明采用了水声信号用来传递信息，并且通过放大器、滤波器的辅助，增加了信号在保证清楚的前提下的最大传播距离，且需要传播的水声信号信息量少，对通信速度要求不高，降低了本系统的成本和功耗，本系统中对水声信号接收单元选用低功耗的电池，增加了水下的潜水浮标的续航，增加了本系统的可用性，使用可靠的机械锁扣完成锁止和释放，增加了本系统的可靠性。
附图说明
28.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
29.图1为本发明实施例中的结构示意图。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
31.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不
同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
32.如图1所示，本实施例中提供一种海光缆潜水浮标的定位系统，包括：
33.水声信号发射单元和潜水浮标；
34.水声信号发射单元在船上，用于对潜水浮标发送水声信号；
35.潜水浮标与海光缆连接，用于对海光缆进行定位，潜水浮标位于海面下。
36.水声信号发射单元包括信号编码器、放大器、水声发射换能模块和电源模块，
37.其中所述信号编码器用于将控制信号编码成水声信号；
38.放大器用于将水声信号进行放大；
39.水声发射换能模块用于将水声信号发送出去；
40.电源模块用于给水声信号发射单元供电。
41.信号编码器将控制信号编码成水声信号的过程中采用的调制方法包括二进制幅移键控、二进制相移键控或二进制频移键控中的一种。
42.信号编码器在调制过程中，在两个码元之间加无信号状态的时间间隔。
43.潜水浮标包括水声信号接收模块和锁扣模块；
44.水声信号接收模块用于接收水声信号发射单元发送的水声信号并进行解调；
45.锁扣模块用于通过水声信号对浮标进行锁定或释放。
46.水声信号接收模块包括解调模块，用于对水声信号发射单元发送来的经调制的水声信号进行解调。
47.水声信号发射单元对潜水浮标发送水声信号的过程中采用了奇偶检验法，包括：先发送两个字节的地址编码信息，最后发送两个字节的地址编码信息的校验位，第一个字节采用偶检验的方式，第二个字节采用奇检验的方式。
48.水声信号接收模块采用了模糊处理法，包括：对码元信息的载波频率信号识别中，采用中间型隶属函数；由信息码元的频率和监督码元的频率构成第一模糊向量；
49.对码元间的时序间隔信息采用偏小型隶属函数进行表示，构成各码元对时序吻合程度的第二模糊向量；
50.基于第一模糊向量和第二模糊向量获得水声信息。
51.水声信号接收模块采用单片机进行解调和识别，单片机设置为休眠待机模式。单片机包括监控模块，监控模块用于监控单片机的运行情况，包括：
52.单片机一直给监控模块发送脉冲信号，若单片机死机停止发送脉冲信号，且监控模块没有接收到脉冲信号时，监控模块经过预设好的的时间后对单片机发送复位信号，使单片机重新开始工作。
53.本发明公开的系统由一台遥控发射主机和多台带有接收机、机械解锁机构的分机——潜水浮标组成。其中主机包括嵌入式处理器为核心构成的遥控信号编码器、脉冲功率放大器、水声发射换能器和主机供电、充电电源。分机包括水声信号传感器、信号放大器、单片机信号解码电路、功率驱动电路和受其控制的机械执行机构组成。分机的上述部件安装在密封的壳体内构成水声遥控浮标，置于海中。
54.使用时水声信号发射机放置在船上，水声信号接收机浮标通过重物沉入水下施工目标物体上。当水声信号接收机收到水声信号发射机发来的数字编码信息，并确认此信息与自身编码相符时，既打开自身的锁具，上浮到水面。
55.甲板上操作主机向水中分机发出遥控编码信号，可在1000米远的范围内实现一点对多点的遥控。水声浮标随维修设施一同沉入水下几十米深处，以避免水面风浪和过往船只的干扰，当接收到主机发射的水声编码信号时，被选中的接收器驱动浮标内的执行机构，打开机械装置，使浮标浮出水面，即可顺着浮标连带的绳索进行作业。因此，这种遥控装置及其相关技术在深海水域的打捞定位、海底电缆施工标位置记等方面发挥重要作用。
56.本发明中的水声遥控潜标定位系统，利用的是数字水声通信技术。
57.由于需要传输的信息量少，对通信速度要求不高，因此可以把相关技术大大简化。其特点是用简单可靠的硬件和严谨周密的信号处理软件，克服了水声信道的多径效应和时变特性，技术简练，性能稳定，实现低成本，便于向非军事应用领域发展。
58.数字通信技术的实现，给远程控制带来了极大的方便。在水声信号发送单元发送一组数字编码，在潜水浮标单元由处理器或数字逻辑电路驱动执行机构，可以解析为具体的某种操作，完成执行过程。
59.在水声信号的传播过程中需借助信道。信道起着传输信号的作用，同时，又对信号产生影响。这种影响主要包括：信道噪声、幅度和相位失真、信号衰减等。
60.海洋中的声速与温度、压力(深度)和盐度有关，一般可按如下公式来计算：
61.c＝1492.9 31-10)-6
×
10(1-10)2-4
×
1020-18)2
62. 1.2(s-35)-1021-18)(s-35) h/61
63.其中c为声速，单位是m/s，t为温度，单位是℃，s为盐度，单位是千分比：ppt，h为深度，单位是m。当温度为10℃、深度为0m、盐度为35ppt时，声速为1490m/s，以此标准为基础，存在几个声速增量的近似系数，可以将二者有效地匹配起来计算声速：
64.温度：每增加1℃，ac/a/＝3.4m/s盐度：ppt每增加1，ac/as＝1.2m/s压力(深度)：每增加1000m，
△
c/
△
h＝17m/s水声信道是一个非常复杂时变、空变、频变的信道。其主要特征表现为：传播损失、多径效应、频散效应。
65.传播损失是水声信道传播特性的重要参量之一。信号在水声信道中传播时，随传播距离和信号频率的增加，传播损失也增大。它对水声通信系统的传播距离、信噪比、信号频率和系统带宽等都有很大的影响。水声信道的一个重要特性是海水中的声吸收。在水声通信过程中，声波是信息的载体，声波在传播过程中能量的损耗程度是信道有效性的一个非常重要的标志。在海水中，光波和电磁波等都因受到严重的衰减而不能作为信息的载体。低频段的声波，是长距离水声通信的较为适合的工具。
66.多径传播是水声信道的另一个重要的特性。造成多径传播的主要原因是声线弯曲和界面反射。多径传播会造成码间干扰，严重影响数据传输速率。
67.多普勒频率扩散也是水声信道的重要特性。它主要是由于海洋介质的不均性造成的。
68.本发明在传输水声信号的过程中，能够采用基带数据传输和频带数据传输。其中频带数据传输包括：幅移键控、频移键控和相移键控三种形式，本实施例则以频移键控为例，进行说明，所述频移键控采用二进制频移键控(2fsk)的工作方式。
69.在2fsk中，使用两个不同的频率f1和f2来表示“0”或者“1”，f1和f2后在这里被称为特征频率。f1和f2的差别越大，越利于识别，但会加大信号的带宽，对频带利用率是不利的。同时，由于海水吸收系数a是频率的函数，过大的特征频率差会使接收端的信号强度不一
致。
70.使用频率选择法实现2fsk调制。频率选择法就是利用脉冲控制两个载波频率信号f1和f2的通断，f1和f2可以使用同一信号源采取不同的分频方法获得，如图1所示。
71.而2fsk的解调分为相干解调和非相干解调，此解调方法是对输入信号进行带通选频滤波后，再进行频率检测，根据f1、f2频率的排列，得到二进制脉冲序列。
72.关于差错控制问题，奇偶校验码可分为奇校验码和偶校验码两种。两者原理相同，方法是把要发送的信息码分成等长度的信息码组，一般是每8个信息码元为1组，然后在每个信息码组的后面插入1个代表奇偶校验结果的监督码元。在一组信息码中，如果为“1”信息码元的个数是偶数的，则监督码元为“0”，否则，如果为“1”信息码元的个数是奇数的，则监督码元为“1”，就是偶校验；相反如果为“1”信息码元的个数是偶数的，则监督码元为“1”，否则，如果为“1”信息码元的个数是奇数的，则监督码元为“0”，就是奇校验。设信息码元长度为n，o为第一个信息码元，-为第最后一个信息码元。
73.这种奇偶校验编码只能检出单个或奇数个误码，而无法检知偶数个误码，对于连续多位的突发性误码也不能检知，故检错能力有限。奇偶监督码常用于反馈纠错法。由于奇偶校验编码结构简单，易于实现，编码效率高，所以在信道干扰不严重，码字不长的情况下被广泛使用。
74.由于海水信道的多径效应、时变特性及多普勒效应的影响，并考虑海水的声吸收作用，2fsk调制波形到达接收机后，信号的振幅、频率和时序特性都会有所变化。
75.在接收机处收到的未必是等幅的信号波形，甚至会出现一些不连续的离散波形，而且信号码元间的空隙往往也会变窄。但这些问题，都可以通过软件手段得以解决，通过使用软件滤波和模糊识别的方法得到有用的信息。考虑多径衰落及海水信道参数的不确定性，并考虑实际施加在发射水声换能器上的是方波的因素，实际选取的频率范围更低一些，通常在7000hz～11000hz之间。在本设计中，不同的系统分别采用不同的载波频率，采用的频带范围即在7～11khz之内。
76.水声信道受海洋边界及海水温度等因素的影响，实际上是个特性随时间和空间不断变化的信道，是变参数信道。受多径效应的影响，在接收端收到的信号实际上是发送端信号经不同路径传播结果的叠加组合。
77.发射机安装在船上，发射水声信号时，船可能在移动，而水声信号的载波频率相对较低，因而对接收机而言，可能会产生明显的多普勒效应。对于这种情况，可以放宽频率符合判定条件，采用模糊识别的方法来处理。由于水声信道的多径效应及时变特性，在接收端得到的码元时序不可能与发送端完全吻合，同时也难以得到与实际情况完全吻合的数学模型，因此在接受系统的码元信息处理过程中，使用模糊模式识别是较为合适的方案。
78.在码元信息中，主要有两种信息需要提取、识别，一是代表码元信息的载波频率信号，另一个是码元间的时序间隔信息，通过这两种信息来确定一个通信帧。考虑海水信道的时变性及多径效应的综合影响，以及载有信号发射机的船体运动带来的多普勒效应的影响，并考虑发射机实际发射频率的误差，在对码元频率辨识中采用中间型隶属函数，由信息码元和监督码元的频率数值构成模糊向量a。对码元间的时序间隔信息使用偏小型隶属函数进行表示，形成各码元对时序吻合程度的模糊向量b。在实际设计中，
79.通过测量码元载波信号的周期来辨识码元信息的隶属度，对载波的每个周期都进
行测量，并进行符合计数，使用偏大型隶属函数来表征计数结果，形成各码元信号的每个周期合格数量的模糊向量c。
80.本文中提出两种码元识别方法，第一种方法是对码元信息独立识别，第二种方法是综合整个帧的贴近度，来确定比较模糊的码元。
81.发射机中使用8051为内核的单片机，使用单片机中的t2定时器通过p1.0引脚发出占空比为50％方波，当方波的频率设为fl f0时代表“0”码元，频率设为f2 f0时代表“1”码元，其中f0为载波频率。该方波经驱动电路增加驱动能力后施加在换能器上。在接收端对接收到的频率信号进行解调，得到代表“0”码元的频率信号f1和代表“1”码元的频率信号f2，然后对频率信号的周期进行测量，并综合运用各种辨识方法进行判别，得到正确的数字信息。为降低接收机电路的功耗，以延长浮标在水下的潜伏时间，在程序中把单片机设为休眠待机的模式，只有在接收到频率信号时，单片机才处于工作状态，而在无信号时，使单片机处于休眠模式。
82.以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。