激光控制的水下机械的智装构造方法与流程

深海开发是人类久久企求的伟大目标，海洋矿藏远超陆地矿藏的总和。但是太难了。为了采矿就须深海大规模使用超大型无人机械，为了操作控制机械那就要找到高可靠，高速率的水中通信热插拔技术。千百年来，人类朝这个目标百般努力却怎么也做不到。我们专注于用水下激光通信的办法，来解决这个难题。本发明将公开的高可靠水下激光通信技术，和一种“以宽度识别数据的通信收发方法”，即“宽度法”。详细介绍了高可靠激光通信所以能够成功的原理。还同时公开了一种“工业控制网络的一管双向型的水中激光总线”。其带来的是把分离独立建造的水下机械，怎么能给组织成一个功能互相合作，动作步调一致，配合天衣无缝的高度一体化组装体的办法。而不是如集装箱般的简单堆摞。这种组装称为智装。上述这些技术内容的总合成，准确地一致指向了开发海洋这个伟大目标，我们归纳为“激光控制的水下机械的智装构造方法”。本发明涉及到数据通信的基本收发原理，水下激光通信，水中工业控制网络，水中激光总线，水下机械的驾驶操作功能分离到舱外等等。水下机械的分离独立建造技术特征的重要性，首先解决了维修的时候怎么办的问题。再有突然遇到新的需要，功能舱要改一下。这也是必须要拆的。“拆”和“装”，对于地面的机械来说，是个普通得不能再普通的工作，但是到了水下，到了深海，其却艰难无比。完全是技术实力的较量。“分离”的意思首先包括了驾驶功能向舱外分离。运行，维护，调试，处处离不开这个技术特征，可全世界几十年做不到。智装是为了分离独立建造后保持功能完整性，给出的一个按功能互相合作，动作步调一致，配合天衣无缝的标准合为一体的具体办法和技术方向。我们的高可靠，蓝绿激光，水下通信，一管双向，水中激光总线，等等技术内容，希望能用“智装”这个词得到诠释。

背景技术：

激光通信有良好的保密性，高带宽，抗干扰性好，无电磁辐射，无污染，信道质量高，平行光束，小功率也能传送大距离，可以穿透水体，大气，云层，冰层，细雨和薄雾，长期以来为各国非常重视，但是还没有成功。本发明公开了我们针对地解决了这个问题的方法，叫“宽度法”，是一种“以宽度识别数据的通信收发方法”。同时为了对各个舱体独立建造，合成一体后能达到足够强大的整体工作能力，再提出了一个水下工业控制网的水中激光总线技术，实际阐明了本发明的“智装”的坚实技术道路。

现有技术，对1000米以下水域，视为禁区，除了科研和探险，军用民用都从不涉足。更无谈海洋开发。误码率优于10^-13的激光通信技术，意味着连续通信几十上百年，最多一个通信错位出现。

技术实现要素：

1)以宽度识别数据的通信收发方法，简称“宽度法”，其包括：(1)用数据信号的升降方向判断信号数值为“0”或者为“1”；(2)从数据线上提取连续信号的时长宽度；(3)从信号宽度来解读此连续信号的个数；(4)适合的编码方案，其包括：确定报文的码长，确定插入异数的限长，选择填充码，选择命令码。

2)宽度法的特征是：可以从数据线上分析出对方的发送速率；可以使用命令字来动态协调双方速率，管理线路；通信双方无需同步时钟(包括准同步时钟，伪同步时钟)，免同步时钟线路，也无需预定速率，起始位，停止位。

3)激光从外部高可靠地控制的水下机械。其特征在于：接受外部可热插拔的高可靠控制；无人化；巨型化；水下机械长时间滞留水下连续工作目标达成，时间可以长达数月，数年，或数十年以上；所述的巨型化，其特征在于：依靠智装构造方法。水下蓝绿激光通信的误码率优于10^-13。特征是：良好的保密性，高带宽，无电磁辐射，无污染，信道质量高，平行光束，小功率，可以传送大距离，可以穿透水体，大气，云层，冰层，细雨和薄雾，高抗干扰能力，即使同波长，方向对冲的激光也不能干扰其通信过程。

4)水下机械驾驶操作控制功能分离到舱外。从此涉及到驾驶操作控制事项，再也无需人工在舱内参与。独立建造水下机械的分离方法：驾驶操作控制功能本身也可以一段分为多段；随着驾驶操作控制功能本身的分离，舱体也做更细化分离。分离的碎小程度要最大有利于日后深海维修的拆卸，和技术改进的拆卸的作业；分离的碎小程度以保证舱外驾驶操作控制的质量不降低为度。

5)“工业控制网络的一管双向型的水中激光总线”其特征是：光路弯曲可控；全部水中通信热插拔；一根管同时开通双向激光通信；一主多从工作方式；防鱼，防污浊水体；耐深海高压；暴露水中工作；可逶迤延绵数公里以上；控制光路弯曲；全部水中通信热插拔；一根管同时开通双向激光通信；一主多从工作方式；其构造包括(a)总线控制保护管是一根柔软可弯曲但不瘪扁，内壁反光良好，外径可大可小，两端开口，内部充水，耐深海高压的细长管。(b)被控站紧贴在长管外壁，按弯曲角度控制分光量的办法，从长管内析出不过量的，主控站发出的下行通信激光给每个被控站，主控站堵在长管内壁的上端，全注姿态接收有权的被控站发来的上行通信激光，并发出下行通信激光。(c)通信激光束顺着长管，满足双向同时工作，被包容曲折穿行于其中。包容在一根细长管之内的双向的激光总线就建立好了。

6)分离独立建造的水下机械功能舱，按照功能互相合作，动作步调一致，配合天衣无缝的标准智装成一体；水下机械长时间滞留水下连续工作目标达成，时间可以长达数月，数年，或数十年以上。

附图说明：

图1：a，b，c，d是发送方的变迁信号时刻，a’，b’，c’，d’是接收方从数据线上测出的信号变迁点。在通信过程中，接收点与发送点有迟滞。出现在上升沿的迟滞aa’，cc’为δ1，下降沿的迟滞bb’，dd’为δ2。

图2：是对连续的填充码【01111110】(7e)的接收时长记录。0x040b为两个“0”码的时长记录，0x0c41为六个“1”码的时长记录。

图3：用户报文举例。

图4：上线报文举例。

具体实施方式：

针对激光通信是以没有预先协商的短报文的一对一的方式为特点，有一套激光线路上适用的编码方案，实现了高可靠激光通信。方案的要点是(a)定为8位码线路，(b)以0x7e【01111110】为填充码，(c)报文采取5插入改造。

信号宽度测量与记录举例：如图2。16位字长，“0”信号的宽度，“1”信号的宽度，…顺序排列。分别是0x040b，0x0c41，0x040b，…。

分析填充码举例：如图1。设δ1＜δ2，合计迟滞δ＝δ2-δ1。若单个信号字的发送时长同为t，n个信号字“1”的接收时长nt(1)，则nt(1)＝nt-δ1+δ2＝nt+δ。n个信号字“0”的接收时长nt(0)，则nt(0)＝nt+δ1-δ2＝nt-δ。

分析对方发送速率举例：根据图2(十六进制)，有2t(0)＝40b，6t(1)＝0c41。那么2t(0)+6t(1)＝2t-δ+6t+δ＝8t＝40b+c41＝104c。所以(十进制)t＝521.5ips，δ＝8ips。如果接收系统是600mips(每秒机器完成指令数)，那么发送的速率约是1.15mbps。

上/下线报文的5插入：为了通信过程中保证填充码，命令字等不会与其他用户数据混淆，需要同时对等待传送的数据，改造成数据中连续信号“1”和“0”都不超过5个的上线报文，办法是对用户数据中出现5个连续“1”或“0”的地方插入一个异数，报文最后一字插入改造没收尾的补0(补1也可以)。接收到的下线报文需要复原，要把数据上线传送之前的异数插入都给拔出。方法是对每5个连续的信号后面的异数减少一个。图3是用户报文举例，0x00～0xff，共256个byte。图4是将图3的用户报文改造成上线报文。

插入异数细节：

传送过程中报文应连续传送，直到一个报文结束。