专利名称：一种水下通信装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种水下通信装置与方法，属于水下通信技术领域。
背景技术：
在现有水下通信技术的应用中，有采用电信号进行通信的，一般是水下作业装置通过连接在水面舰船或岸上监控装置的电缆进行通信。也有采用长波通信的。由于短波在水中衰减很快，水下无线电波通信常常采用长波和甚长波通信，以被动接收为主。由于电磁波在水介质中的传播衰减很大，达到2dB/m，利用无线电进行水下通信的距离很短，所以常常需要水下设备浮出水面或将接收天线伸出水面，接收水面舰船或岸上监控装置发送的信息。传统技术中水下设备与岸上或母船间的通信也有采用光信号的案例。例如复旦大学公开了一种“基于水下光缆的水下航行体通信方法与系统”(201110006252. I)该系统通过布设光缆网络，构建被动声接收网，实现水下航行体与陆上基站的单向通信，该方案需要预先铺设通信光缆，这一点限制了其应用。
发明内容
本发明的目的是解决现有水下通信方法中传播距离短，需要预先铺设通信光缆等问题，而提出一种水下通信装置。本发明为解决上述技术问题提出一种基于铁磁材料的水下磁通信装置，该装置包括由水上信号发送器、信号接收器或者信号收发器构成的水上信号系统及与之相对应的由水下信号接收器、信号发送器或者信号收发器构成的水下信号系统，水上信号系统与水下信号系统之间通过有线信号通路连接，所述的有线信号通路为铁磁材料制成的缆索。所述的信号发送器包括处理器、发送信号转换器和励磁线圈，处理器的输出端与发送信号转换器的输入端相连，发送信号转换器的输出端与励磁线圈相连，励磁线圈穿设在发送端的缆索上，所述的信号接收器包括处理器、接收信号转换器和磁感应器，磁感应器串设在接收端的铁磁缆索上，与铁磁缆索磁连接，接收信号转换器输入端与磁感应器相连，接收信号转换器的输出端与处理器的输入端相连。所述的信号收发器包括处理器、收发信号转换器、励磁线圈和磁感应器，处理器与收发信号转换器相连，收发信号转换器分别与励磁线圈和磁感应器相连，励磁线圈穿设在铁磁缆索上，磁感应器串设在铁磁缆索上。所述的铁磁缆索旁还设有一根并行的由铁磁材料制成的缆线，该铁磁缆线的两端与所述的铁磁缆索的两端磁连接，且铁磁缆线和铁磁缆索上都包覆有铜箔，用以进行磁隔离。所述的信号发送器和信号接收器中的至少一个安装在水下作业装置上。所述的励磁线圈和磁感应器与信号转换器之间采用水密电缆和水密连接器连接。所述的信号接收器和信号收发器中还包括调理电路，调理电路的输入端与接收信号转换器和收发信号转换器相连，用于对接收到的电信号进行放大、滤波、整流和模数转换。所述的水下通信装置中的电路部分设置有磁屏蔽装置，用以避免电路受到磁干扰。本发明还出一种水下通信方法，该方法的具体步骤如下
O.进行水下通信的两端的信号以磁信号的形式通过信号发送器、信号接收器或者信号收发器；
2).将得到的磁场信号以铁磁材料为传输介质进行传送。 所述的信号发送器包括处理器、发送信号转换器和励磁线圈，处理器的输出端与发送信号转换器的输入端相连，发送信号转换器的输出端与励磁线圈相连，励磁线圈穿设在发送端的缆索上，所述的信号接收器包括处理器、接收信号转换器和磁感应器，磁感应器串设在接收端的铁磁缆索上，与铁磁缆索磁连接，接收信号转换器输入端与磁感应器相连，接收信号转换器的输出端与处理器的输入端相连。所述的信号收发器包括处理器、收发信号转换器、励磁线圈和磁感应器，处理器与收发信号转换器相连，收发信号转换器分别与励磁线圈和磁感应器相连，励磁线圈穿设在铁磁缆索上，磁感应器串设在铁磁缆索上。所述的铁磁材料的传输介质为连接水下通信两端的铁磁缆索和在该缆索旁设置的一根并行的由铁磁材料制成的缆线，该铁磁缆线的两端与所述的铁磁缆索的两端磁连接，且铁磁缆线和铁磁缆索上都包覆有铜箔，用以进行磁隔离。所述的发送端和接收端中至少有一端安装在水下作业装置上。所述的收、发信号采用相同的水系磁通信体制，即励磁信号采用开关量控制，串行收发，波特率一致的体制。本发明的有益效果本发明通过在发送端设置发送信号转换器和励磁线圈，在接收端设置磁感应器和接收信号转换器，待发送的信号首先被转换为磁通信电信号后通过励磁线圈以铁磁材料为传输介质，传送到接收端，接收端通过磁感应器将接收到的磁信号转换成电信号。本发明结构简单，易实现。
图I是基于铁磁材料的水下磁通彳目装直不意 图2是双向磁通彳目系统不意 图3是水面舰船或岸上监控装置单向向水下作业装置发送指令系统示意 图4是水下作业系统单向向水面舰船或岸上监控装置发送数据系统示意 图5是微处理器发送数据或指令的系统示意 图6是微处理器接收数据或指令的系统示意 图7是RS485通信总线发送数据或指令的系统示意 图8是RS485通信总线接收数据或指令的系统示意 图9是并行通信总线发送数据或指令的系统示意 图10是并行通信总线接收数据或指令的系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步说明。本发明的一种水下通信装置的实施例一
该实施例中的水下通信装置为双向通信装置，水下作业装置与水面舰船或岸上监控装置上都安装有信号收发器，如图I和图2所示，水下作业装置与水面舰船或岸上监控装置铁磁缆索I连接，安装在水面舰船或岸上控制装置的信号收发器包括水面舰船或岸上控制装置的磁感应器5-a、水面舰船或岸上控制装置的微处理器4-a、水面舰船或岸上控制装置的励磁线圈2-a和水面舰船或岸上控制装置的收发信号转换器3-a，磁感应器5_a和励磁线圈2_a都与收发信号转换器3_a相连,收发信号转换器3_a与微处理器4_a相连,磁感应器5-a串设在与水面舰船或岸上控制装置相连的铁磁缆索I上且与铁磁缆索I磁连接，励 磁线圈2-a穿设在与水面舰船或岸上控制装置相连的铁磁缆索I上；安装在水下作业装置上的收发器包括水下作业装置的磁感应器5-b、水下作业装置的微处理器4-b、水下作业装置的励磁线圈2_b和水下作业装置的收发电信号转换器3_b,励磁线圈2_b和磁感应器5_b都与收发信号转换器3_b相连,收发信号转换器3_b与微处理器4_b相连,磁感应器5_b串设在与水下作业装置相连铁磁缆索I上且与铁磁缆索I磁连接，励磁线圈2-b穿设在与水下作业装置相连的铁磁缆索I上。其工作过程如下当水面舰船或岸上监控装置需要向水下作业装置传送指令或数据时，由微处理器4-a，发出通信数据(数字信号)，由收发信号转换器3-a将通信数据转换为驱动感应线圈2-a的励磁电信号(即进行功率放大)，励磁电信号作用与励磁线圈2-a激磁，磁场信号通过铁磁缆索I传导到水下作业装置，由磁感应器5-b检测磁场参数并将检测电信号传送到收发信号转换器3-b，收发信号转换器3-b将检测到的电信号进行放大、滤波、模数转换、整形，然后传送给水下作业装置的微处理器4-b;当水下作业装置需要向水面舰船或岸上监控装置传送数据时，和上述过程类似，不过信号传递路线正好相反，即从水下作业装置微处理器4-b——水下作业装置收发信号转换器3-b——水下作业装置励磁线圈2-b——铁磁缆索I——水面舰船或岸上监控装置的磁感应器5-a——水面舰船或岸上监控装置收发转换器3-a——水面舰船或岸上监控装置微处理器4-a。本发明的一种水下通信装置的实施例二
该实施例中的水下通信装置为单向通信装置，水下作业装置与水面舰船或岸上监控装置中一个安装信号发送器另一个信号接收器，水下作业装置与水面舰船或岸上监控装置铁磁缆索I连接，如图3和图4所示，图3中，信号发送器安装在水面舰船或岸上监控装置，包括水面舰船或岸上控制装置的励磁线圈2-a、水面舰船或岸上控制装置的微处理器4-a和发送信号转换器6,发送信号转换器6的输入端与微处理器4-a相连,发送信号转换器6的输出端与励磁线圈2-a相连，励磁线圈2-a穿设在在与水面舰船或岸上监控装置相连的铁磁缆索I上，信号接收器安装在水下作业装置上，包括水下作业装置的磁感应器5-b、水下作业装置微处理器4-b和接收信号转换器7，接收信号转换器7的输入端与磁感应器5-b相连，信号转换器7的输出端与微处理器4-b相连，磁感应器5-b串设在最靠近铁磁缆索I位置并与铁磁缆索I磁连接；图4中，磁通信发送器安装在水下作业装置上，磁通信接收器安装在水面舰船或岸上监控装置中，其具体的连接关系如上所述，这里就不再详述。其具体的工作过程如下如果只需从水下作业装置向相关水面舰船或岸上监控装置传送数据，如图3中所示，其信息传送过程为水面舰船或岸上监控装置微处理器4-a——发送信号转换器6——水面舰船或岸上监控装置励磁线圈2-a——铁磁缆索I——水下作业装置的磁感应器5-b——接收信号转换器7——水下作业装置微处理器4-b ;如果是水面舰船或岸上监控装置向水下作业装置传送数据，如图4所示，其信息传送过程为水下作业装置微处理器4-b—发送信号转换器6—水下作业装置励磁线圈2-b—铁磁缆索I—水面舰船或岸上监控装置的磁感应器5-a—接收信号转换器7—水面舰船或岸上监控装置微处理器4-a。本发明的一种水下通信装置的实施例三
图5和图6所示是以微处理器4为通信核心的实施实例，微处理器4可采用单片机、数字信号处理器、可编程控制器等，微处理器4通过自身配置的通信接口将通信数据或指令输出到发送信号转换器6中，发送信号转换器6完成微处理器4输出数据或指令到励磁电 信号的电气和能量转换，这一转换可依靠微处理器4输出的通信数据或指令作为控制信号去控制直流电源的输出实现，经转换后的电信号输出到励磁线圈2中。励磁线圈2产生磁场并磁化铁磁缆索I，磁感应器5感应铁磁缆索I中的磁场参数(如磁感应强度等)，磁感应器5可采用霍尔传感器、磁电式传感器等，可以是开关量输出也可以是模拟量输出。接收电信号转换器7接收磁感应器5输出的电信号，并将其转换为微处理器4能够辨识的电信号，接收电信号转换器7主要为放大电路、滤波电路、调理电路和模数转换电路(当磁感应器5为模拟信号输出时选用)等，由接收端的微处理器4接收通信数据或指令。本发明的一种水下通信装置的实施例四
图7和图8所示为以RS485通信总线8为通信数据源和目的地的实施例。其中RS485是水下作业装置、水面舰船或岸上监控装置中多微处理器系统的通信总线，发送端，RS485通信总线接口 8发出的通信数据，控制程控开关9动作，控制励磁电源10与励磁线圈2的电气连接，使得铁磁缆索I中的磁场信号反映通信数据；接收端，磁感应器5检测到铁磁缆索I中磁场信号，转换为对应的电信号，输入到调理电路11。调理电路11主要包括放大、滤波、整形和模数转换，调理电路11输出信号送给接收端RS485通信总线8。本发明的一种水下通信装置的实施例五
图9和图10所示为以并行通信总线14为通信数据源和目的地的实施实例。其中并行通信总线14是水下作业装置、水面舰船或岸上监控装置中多微处理器系统的通信总线，发送端，并行通信总线接口 14发出的并行通信数据，送给缓存器13，缓存器13协调高速的并行通信与相对低速的磁通信，起到缓冲作用，缓存器13将并行数据送入移位器15，并被移位器15转换为串行数据，该串行数据控制程控开关9动作，控制励磁电源10与励磁线圈2的电气连接，使得铁磁缆索I中的磁场信号反映通信数据，其中，移位器15和缓存器13的协调工作由时序控制器12完成，时序控制器12可由微处理器、数字电路、可编程逻辑电路、可编程门阵列等实现；接收端，磁感应器5检测到铁磁缆索I中磁场信号，转换为对应的电信号，输入到调理电路11，调理电路11主要包括放大、滤波、整形和模数转换，调理电路11输出数字信号，送给移位器15并被转换为并行数据，经缓存器13缓冲并被并行通信总线14接收，其中，移位器15和缓存器13的协调工作由时序控制器12完成。本发明的一种水下通信方法的实施例
下面以水下作业装置与相关的水面舰船或岸上监控装置之间的通信为例来说明，水下作业装置与相关的水面舰船或岸上监控装置之间可是单向通信，也可以是双向通信，水下作业装置与相关的水面舰船或岸上监控装置之间通过铁磁缆索连接，其通信方法的具体步骤如下
I.进行水下通信的两端的信号以磁信号的形式通过信号发送器、信号接收器或者信号收发器，其具体过程如下以励磁线圈和磁感应器为能量转换部件，以收发电信号转换器为磁通信和传统电通信的接口，实现传统通信电信号-磁通信电信号-磁信号和磁信号-磁通信电信号-传统通信电信号的转换过程；
2.将得到的磁场信号以铁磁材料为传输介质进行传送，该铁磁材料的传输介质为 连接水下通信两端的铁磁缆索和在该缆索旁设置的一根并行的由铁磁材料制成的缆线，该铁磁缆线的两端与所述的铁磁缆索的两端磁连接，且铁磁缆线和铁磁缆索上都包覆有铜箔，用以进行磁隔离。
权利要求
1.一种水下通信装置，包括由水上信号发送器、信号接收器或者信号收发器构成的水上信号系统及与之相对应的由水下信号接收器、信号发送器或者信号收发器构成的水下信号系统，水上信号系统与水下信号系统之间通过有线信号通路连接，其特征在于所述的有线信号通路为铁磁材料制成的缆索。
2.根据权利要求I所述的水下通信装置，其特征在于所述的信号发送器包括处理器、发送信号转换器和励磁线圈，处理器的输出端与发送信号转换器的输入端相连，发送信号转换器的输出端与励磁线圈相连，励磁线圈穿设在发送端的缆索上，所述的信号接收器包括处理器、接收信号转换器和磁感应器，磁感应器串设在接收端的铁磁缆索上，与铁磁缆索磁连接，接收信号转换器输入端与磁感应器相连，接收信号转换器的输出端与处理器的输入端相连。
3.根据权利要求I所述的水下通信装置，其特征在于所述的信号收发器包括处理器、收发信号转换器、励磁线圈和磁感应器，处理器与收发信号转换器相连，收发信号转换器分别与励磁线圈和磁感应器相连，励磁线圈穿设在铁磁缆索上，磁感应器串设在铁磁缆索上。
4.根据权利要求I所述的水下通信装置，其特征在于所述的铁磁缆索旁还设有一根并行的由铁磁材料制成的缆线，该铁磁缆线的两端与所述的铁磁缆索的两端磁连接，且铁磁缆线和铁磁缆索上都包覆有铜箔，用以进行磁隔离。
5.根据权利要求2所述的水下通信装置，其特征在于所述的信号发送器和信号接收器中的至少ー个安装在水下作业装置上。
6.根据权利要求2或3所述的水下通信装置，其特征在于所述的励磁线圈和磁感应器与信号转换器之间采用水密电缆和水密连接器连接。
7.根据权利要求2或3所述的水下通信装置，其特征在于所述的信号接收器和信号收发器中还包括调理电路，调理电路的输入端与接收信号转换器和收发信号转换器相连，用于对接收到的电信号进行放大、滤波、整流和模数转换。
8.根据权利要求7所述的水下通信装置，其特征在于所述的水下通信装置中的电路部分设置有磁屏蔽装置，用以避免电路受到磁干扰。
9.一种水下通信方法，其特征在于该水下通信方法的具体步骤为 O.进行水下通信的两端的信号以磁信号的形式通过信号发送器、信号接收器或者信号收发器； 2).将得到的磁场信号以铁磁材料为传输介质进行传送。
10.根据权利要求9所述的水下通信方法，其特征在于所述的信号发送器包括处理器 发送信号转换器和励磁线圈，处理器的输出端与发送信号转换器的输入端相连，发送信号转换器的输出端与励磁线圈相连，励磁线圈穿设在发送端的缆索上，所述的信号接收器包括处理器、接收信号转换器和磁感应器，磁感应器串设在接收端的铁磁缆索上，与铁磁缆索磁连接，接收信号转换器输入端与磁感应器相连，接收信号转换器的输出端与处理器的输入端相连。
11.根据权利要求9所述的水下通信方法，其特征在于所述的信号收发器包括处理器、收发信号转换器、励磁线圈和磁感应器，处理器与收发信号转换器相连，收发信号转换器分别与励磁线圈和磁感应器相连，励磁线圈穿设在铁磁缆索上，磁感应器串设在铁磁缆索上。
12.根据权利要求9所述的水下通信方法，其特征在于所述的铁磁材料的传输介质为连接水下通信两端的铁磁缆索和在该缆索旁设置的一根并行的由铁磁材料制成的缆线，该铁磁缆线的两端与所述的铁磁缆索的两端磁连接，且铁磁缆线和铁磁缆索上都包覆有铜箔，用以进行磁隔离。
13.根据权利要求9所述的水下通信方法，其特征在于所述的发送端和接收端中至少有一端安装在水下作业装置上。
14.根据权利要求9所述的水下通信方法，其特征在于所述的收、发信号采用相同的水系磁通信体制，即励磁信号采用开关量控制，串行收发，波特率一致的体制。
全文摘要
本发明涉及一种水下通信装置与方法，属于水下通信技术领域。该水下通信装置包括由水上信号发送器、信号接收器或者信号收发器构成的水上信号系统及与之相对应的由水下信号接收器、信号发送器或者信号收发器构成的水下信号系统，水上信号系统与水下信号系统之间通过有线信号通路连接，所述的有线信号通路为铁磁材料制成的缆索，该铁磁缆索旁设有一根并行的由铁磁材料制成的缆线，该铁磁缆线的两端与所述的铁磁缆索的两端磁连接。本发明能够实现水下作业装置与水面舰船或岸上控制装置之间的单双向通信，且结构简单，易实现。
文档编号H04B3/00GK102684741SQ201110405940
公开日2012年9月19日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者宋海滨, 尚振东, 胡志刚, 蔡海潮, 韩建海 申请人:河南科技大学