一种水声同步信号体制传输系统及数据传输方法和应用与流程

本发明涉及水声传输技术，属于水声数据传输
技术领域：
，具体为一种水声同步信号体制传输系统及数据传输方法。
背景技术：
：深海探测领域中，采集扰动装置和海底应答器基阵之间为无缆通信，要精确实现水声定位的功能，必须海底水声传播速度c，从声速公式可知，需要知道长基线水声定位基阵所处海底位置的水压和海水温度，因此，只能采用水声数据传输技术完成水压和温度数据的采集。水声数据读取顾名思义就是利用水声信号对应答器的某些参数的读取，和水声授时技术一样，都是运用水声信号在海水中的等距离水声直达波传输时间的恒定性为基础的。当目前的海水环境数值需要通过有线电缆或复杂的超声波算法进行数据信息的传输，无形中增加了设备的成本。就水声定位系统而言，目前国内外已有多种形式的定位基阵。按照基阵的安装形式分有坐底式基阵，浮标式基阵和船载式基阵；按照基线长度分有超短基线阵，短基线阵和长基线阵。特别是在6000m的水深，有强背景噪声的情况下，定位精度要达到米级精度。船载式和浮标式基阵由于声波脉冲需要穿越6000m的水深，声速变化会很大，声速测量精度就会变得很低，而且这种定位基阵的实时性不好，所以无法满足本系统高精度、高实时性的要求。坐底式的短基线阵也有很多型号的成熟产品，可是这种短基线阵的定位精度无法满足米级的要求，同样不适用。坐底式的超短基线阵在施工上比较方便，可是这种超短基线阵的定位原理决定了这种定位不可能全部覆盖整个采集扰动区域，所以也不适用。故，目前的水下定位系统的传输技术，存在精度不高、实时性不够强、无法克服误差修正等问题。技术实现要素：为解决上述现有技术存在的不足和缺陷，本发明旨在提供了一种能够在复杂恶劣海况下完成海水的信息传输的同步信号体制系统，以及利用该同步信号体制系统进行的数据传输方法，有效的简化了数据传输的方法，提高了传输的精准度和高效率，且降低了成本。本发明是这样实现的：提供了一种水声同步信号体制传输系统，包括：发射器，用于向应答器发射水声指令信号、应答器发出的应答信号；应答器，用于接收发射器发出的水声指令信号或接收另外的应答器发出的应答信号、向发射器或另外的应答器发射水声信号；水声同步信号体制，周期性的时间脉冲信号，写入所述发射器和所述应答器内用作水声通信的信息载体，且发射器和应答器内的周期性的时间脉冲信号处于同步状态。进一步的，所述应答器上安装有数字温度传感器和数字深度传感器并获取温度信息和深度信息，并用于将温度信息和深度信息通过线性表达后转换为相应的时间数据。进一步的，所述的数据信息的有效范围可通过设定时间周期t获得扩展，如1秒周期温度信息的有效范围为-20℃～60℃；深度信息范围为0～8000m，周期为1.5秒后范围线性增加。进一步的，所述水声同步信号体制的每个时间周期以一次同步信号下降或下降沿作为起始点。进一步的，还包括接收机，掉放作业母船安装，或与发射器一体安装，并与所述发射器通信连接，用于应答器的应答信号，并做数据处理发送至处理器终端。本发明的另一方面，提供了一种水声同步信号体制数据传输方法，包括以下步骤：s1、应答器将获取待传输信息x并转换成时间信息dx；s2、发射器的同步信号下降沿有效后，发射数据读取信号指令码；s3、应答器经过tx时间后接收到数据读取信号指令码后延时tδ，发射第一应答水声信号，发射器经过2tx+tδ时间后接收到第一应答水声信号；所述延时tδ的时间大于应答器自身的反应延迟时间；s4、当下一个同步信号下降沿到后，应答器延迟dx时间后发射第二应答水声信号，发射器经过tx+dx时间后接收到第二应答水声信号；s5、发射器通过dx的值换算出传输信息x，完成数据的传输。进一步的，所述步骤1中的待传输信息x转换成时间信息dx包括：对所述待传输信息x通过转换常数与水声传输延迟时间dx建立线性关系。进一步的，还包括：非轮询应答模式，应答信号采用码分或频分方式，一次数据读取多个传感器同步应答，可同时完成多传感器数据读取。进一步的，所述数据信息x包括传感器所处的环境中的深度信息、水压信息、温度信息或海水ph值中的一种或多种。如上述的水声同步信号体制传输系统在海底设备定位、海底应答器水声授时、海底应答器自校准技术中的应用。本发明的工作原理介绍：通过海底的应答器获取到其海底环境中的条件信息，如海水压力值、海水温度值、海水深度值，将这些待传输信息x通过线性化转换成时间信息dx，并依附于水声同步信号体制传输系统完成传输，水声同步信号体制为周期性的时间脉冲信号，写入所述发射器和所述应答器内用作水声通信的信息载体，且发射器和应答器内的周期性的时间脉冲信号处于同步状态。将携带有条件信息值的时间信息dx通过时间的长短于水声同步信号体制中进行传输，发射器进行接收，从而完成对时间信息dx的水声传输，再有发射器或处理器终端对时间信息dx反向解算，从而获得条件信息的值，实现数据的传输功能。本发明与现有技术相比，具有的有益效果：1、采用坐底式基阵，可以提高系统传输精度，并能够满足水下长时间值班的要求；2、坐底式基阵方式可以忽略浪、涌、流的影响，保证了基阵之间通讯过程的稳定性；3、采用同步式应答定位方式，可以有效避免强有色背景噪声的干扰。4、利用缆控接收机作为水声数据信号的接收手段，将数据传播延时降至可接受范围。5、采用频分或码分编码信号，可完成一次数据读取多个传感器同步数据接收，有效解决轮询应答所带来的时间延迟，提高效率。6、采用同步应答式模式，可任意设定信号体制周期，根据数据有效范围选定定位周期，数据有效范围可设定。7、采用的同步信号体制，有效解决不同温度梯度引起的声速误差对数据精度的影响。8、采用的同步信号体制，数据传输误差只与线性化参数有关，线性化参数越小，数据传输精度越高。附图说明图1发射器(集矿车s)读取应答器数据的同步信号体制原理示意图；图2为实施例2中集矿车读取基阵a数据流程图；图3为基于同步信号体制的海底水声应答式定位方法流程图；图4为同步水声定位信号体制示意图；图5为同步水声同步授时信号体制示意图；图6为基于同步信号体制的集矿车定位步骤示意图；图7为同步水声应答器基阵孔径水声自校准信号体制示意图；图8为基于同步信号体制的应答器基阵孔径水声自校准实现步骤示意图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。实施例1：一种水声同步信号体制传输系统，包括：发射器，用于向应答器发射水声指令信号、应答器发出的应答信号；应答器，用于接收发射器发出的水声指令信号或接收另外的应答器发出的应答信号、向发射器或另外的应答器发射水声信号；水声同步信号体制，周期性的时间脉冲信号，写入所述发射器和所述应答器内用作水声通信的信息载体，且发射器和应答器内的周期性的时间脉冲信号处于同步状态。应答器上安装有数字温度传感器和数字深度传感器并获取温度信息和深度信息，并用于将温度信息和深度信息通过线性表达后转换为相应的时间数据。通过水声传输温度数据，需要把水的温度t与水声传输延迟时间dt建立线性关系式(1)。dt＝a0×t(ms)(1)其中：a0为转换常数；at的有效范围是0～100(ms)；t的有效范围是-10℃～60℃。深度数据和温度数据一样，也是通过线性化公式(2)，把深度数据d乘以一个常数a1等于时间信息。dt＝a1×d(ms)(2)其中：a1为转换常数；dt的有效范围是0～100(ms)；d的有效范围是0～8000米。同理，海底压力值也是同样的转换方法。水声同步信号体制的每个时间周期以一次同步信号下降沿作为起始点。以采集扰动装置作为发射器、四个应答器摆放成基阵为例，如图1所示为采集扰动装置读取应答器数据信号体制，采集扰动装置发射水声数据读取功能码(s_rd_a，s_rd_b，s_rd_c,s_rd_d，s_rt_a，s_rt_b，s_rt_c，s_rt_d)，应答器应答水声信号(a_resp1，b_resp1，c_resp1，d_resp1)后，采集扰动装置和应答器基阵就可确定声脉冲从采集扰动装置到基阵a、b、c、d之间的传输延迟时间ta、tb、tc、td的值，当下一次同步信号下降沿有效时，应答器基阵延迟dt之后，应答器基阵发射应答信号(a_resp2，b_resp2，c_resp2，d_resp2)，采集扰动装置经过ta、tb、tc、td的传输延迟后，接收到的应答器基阵的应答信号(a_resp2，b_resp2，c_resp2，d_resp2)，采集扰动装置接收到应答信号后，可以解算出时间延迟dt所对应的深度或温度值，从而完成应答器基阵的数据读取功能。本系统还包括接收机，位于应答器的上方与所述发射器通信连接，用于应答器的应答信号，并做数据处理发送至处理器终端。实施例2：一种水声同步信号体制数据传输方法，包括以下步骤：s1、应答器将获取待传输信息x并转换成时间信息dx；如传感器所处的环境中的深度信息、水压信息或温度信息；并将这些信息通过转换常数与水声传输延迟时间dx建立线性关系，使得延迟时间dx包含了需要传输的信息；s2、发射器的同步信号下降沿有效后，发射数据读取信号指令码，经过海水介质传播出去，让应答器接收；s3、应答器经过tx时间后接收到数据读取信号指令码后延时tδ，发射第一应答水声信号，发射器经过2tx+tδ时间后接收到第一应答水声信号；延时tδ的时间值是预设的固定值且大于应答器自身的反应延迟时间，以修正应答器的实际延迟时间，即通过确定tx的值获知该应答器到发射器之间的时间差值；s4、当下一个同步信号下降沿到后，应答器延迟dx时间后发射第二应答水声信号，发射器经过tx+dx时间后接收到第二应答水声信号；发射器根据收到的第二应答水声信号所间隔的时间值tx+dx解算出dx的值；s5、发射器通过dx的值换算出传输信息x，完成数据的传输。发射器获取传输信息x，实现数据的传输。进一步的，以采集扰动装置作为发射器、四个应答器摆放成基阵为例，如图2所示，水声读取基阵数据实现步骤如下：第一步：采集扰动装置(发射器、集矿车)同步信号下降沿有效后，发射应答器基阵a数据读取信号(s_rd_a)指令码，经过海水介质传输后；第二步：延迟ta(ms)应答器基阵a收到s_rd_a信号，应答器基阵a延迟tδ后，发射返回应答信号(a_resp1)；第三步：采集扰动装置接收到基阵a的应答信号后，就可以确定采集扰动装置到应答器基阵a之间的水声传输时间ta(ms)；第四步：采集扰动装置在下一个同步信号下降沿到后，延迟dt(ms)之后，应答器基阵a发射的应答信号(a_resp2)；第五步：采集扰动装置收到的a_resp2信号，通过测得的dt值就可以解算出基阵a的深度数据；同理，基阵b、c、d的深度或温度数据与基阵a的读取过程一样。实施例3：水声同步信号体制数据传输方法在海底定位的应用发射器、每个应答器均使用一套一致的同步信号体制，请参阅图3，本方法包括以下步骤：步骤1、发射器的同步信号下降沿有效后立即发出水声定位信号指令码s1；步骤2、每个应答器x在分别经过tx时间后接收到水声定位信号指令码s1后，均延迟tδ后，发射第一应答信号a1x；步骤3、待下一个同步信号下降沿到后，每个应答器x立即发射第二应答信号a2x；步骤4、接收机接收到水声定位信号指令码s1、若干组第一应答信号a1x和第二应答信号a2x后，得每个应答器x到发射器的距离信息lx；步骤5、基于每个应答器x到发射器的距离信息lx与每个应答器的位置信息结合解算，得发射器所在的定位信息或移动轨迹信息。如图4所示为水声定位信号体制，以基阵中的应答器a和发射器之间的信号传输时延ta获取为例，说明长基线水声定位系统水声定位原理。同步信号下降边沿到后，发射器发射水声定位功能码(s_loc_c)，基阵中的应答器a接收到水声信号(s_loc_c)后，基阵中的应答器a可确定其到发射器之间的水声延迟时间ta，应答器a延迟时间tδ后，发射应答信号a_resp1，等待下一个同步信号下降沿到来，应答器a发射应答信号a_resp2，基阵中的应答器a发射的水声信号被浮力点f(接收机)所接收，基阵a发射两个信号(a_resp1，a_resp2)之间的时间差t0-ta-tδ，也可求出taf,结合现有数据，既可解算出基阵a到发射器的水声传输时间ta；同理，同样的方法可以测出其它的时间差tb，tc，td。知道传输延迟时间后，根据长基线同步定位交互公式，即可解算出发射器的位置坐标，从而完成发射器的水声位置定位功能。以其中一个应答器作为原点建立三维坐标系，用坐标点到点距离公式，确定每个应答器所构成的基阵的坐标的值，根据三维空间坐标距离公式1：其中：z1为海底应答器1的深度；z2为海底应答器2的深度；z3为海底应答器3的深度；z4为海底应答器4的深度。令:z1＝0；(x1,y1,z1)＝(0,0,0)，且y2＝0，d21为海底应答器2到1的距离，d31为海底应答器3到1的距离，d41为海底应答器4到1的距离。根据距离信息lx和坐标(x,y,z)公式2：即可可推导出待定位装置所在的坐标值。同理，通过获取缆控接收机接收到的应答信号2的时间taf,能够获知应答器到缆控接收机的距离，通过解算，能够获取缆控接收机的坐标信息，实现对缆控接收机的定位功能。即使用非轮询应答模式，应答信号采用码分或频分方式，一次定位同步应答，并可同时完成发射器和缆控接收机的位置确定。实施例4：水声同步信号体制数据传输方法在水声同步授时上的应用在实施例1的基础上，在步骤1之前，还包括设备水声同步授时步骤，所述设备包括每个应答器和发射器，所述同步授时为每个应答器和发射器内的原子钟同步。所述设备水声同步授时步骤包括：s1、发射器的同步信号下降沿有效后立即发出第一授时信号指令码；s2、每个应答器x在分别经过tx时间后接收到第一授时信号指令码后，均延迟tδ后，分别发射各自的一号返回应答信号；s3、发射器于2tx+tδ时间后分别接收到每个一号返回应答信号后，在下一个同步信号下降沿到后，延迟一个信号的周期减去tx的时间后发射应答器同步指令；s4、每个应答器x在分别经过tx时间后接收到所述应答器同步指令时各原子钟同步脉冲初始化，完成各个应答器x之间的水声同步授时。同步授时的目的是修正大深度应答器的同步原子钟的同步信号的输出，使得大深度应答器基阵始终保持同步状态，应答器基阵是否完全同步，极大影响应答器的温度和深度数据传输和基阵自校准，从而导致系统无法精确完成水声定位功能。发射器处于同步状态，而基阵中的应答器a、b、c、d的同步原子钟输出的同步信号为随机信号，基阵中的应答器在无缆连接的状态下只能采用水声信号对其进行同步校准。如图5所示为基阵a同步授时信号体制，授时同步技术原理来源于在海水中恒定距离水声信号的传输延迟时间是确定值。发射器发射水声授时功能码(s_tc_a，s_tc_b，s_tc_c，s_tc_d)，应答器应答水声信号(a_resp1，b_resp1，c_resp1，d_resp1)后，发射器就可确定声脉冲从发射器到基阵a、b、c、d之间的传输延迟时间ta、tb、tc、td的值，当下一次同步信号下降沿有效时，相应延迟t0-ta、t0-tb、t0-tc、t0-td之后，发射器发射同步授时信号(s_tc_a，s_tc_b，s_tc_c，s_tc_d)，基阵a、b、c、d接收到的同步授时信号为基阵的初始同步信号，从而完成同步授时的功能。具体的应用于集矿车定位系统中如图6所示，：第一步：发射器(集矿车)同步信号下降沿有效后，发射基阵中的基阵a应答器a授时信号(s_tc_a)指令码，经过海水介质传输后；第二步：延迟ta(ms)基阵中的应答器a收到s_tc_a信号，基阵中的应答器a延迟tδ后，发射返回应答信号(a_resp1)；第三步：发射器接收到基阵a的应答信号后后，就可以确定发射器到基阵中的应答器a之间的水声传输时间ta(ms)；第四步：发射器在下一个同步信号下降沿到后，延迟t0-ta(ms)之后，发射基阵中的应答器a的同步指令s_tc_a，基阵a收到的s_tc_a信号就是其同步脉冲的初始化信号；同理，基阵b、c、d的同步重复基阵a的过程。应答器的布放区域面积为1000m×1000m，因此，发射器到应答器的最远距离为1414米，可以保证信号源发射的水声信号在1s的同步脉冲之内被接收机采集到。实施例5：水声同步信号体制数据传输方法在基阵自校准上的应用基阵自校准包括步骤：s1、发射器的同步信号下降沿有效后立即发出水声自校准功能指令码；s2、每个应答器x在分别经过tx时间后接收到水声自校准功能指令码后，在下一个同步信号下降沿到后，立即发射第一校准应答信号ax；s3、每个应答器x在分别经过tn时间后接收到其他应答器所发射的第一校准应答信号ax后，均延迟tδ后，发射第二校准应答信号ax；s4、发射器接收到每个应答器x所发射的第一校准应答信号ax和第二校准应答信号ax，将接收到的同一个应答器x所发射的第一校准应答信号ax和第二校准应答信号ax之间的延迟时间与另一个应答器x的tx时间进行解算，得这两个应答器x之间的时间差值tn的值；s5、重复步骤s4得所有应答器x之间两两的时间差值tn，解算出两两应答器x之间的间距，完成基阵自校准。如图7所示为应答器基阵孔径水声自校准信号体制，以基阵a(应答器a)和基阵b(应答器b)之间的距离lab校准为例子，说明长基线水声定位系统基阵孔径的自校准技术。同步信号下降边沿到后，发射器发射水声自校准功能码(s_sef_c)，基阵a和b接收到水声信号(s_sef_c)后，基阵a和b确定其到发射器之间的水声延迟时间ta和tb，当下一个信号下降沿到后，基阵a和b发射应答信号a_resp1和b_resp1，基阵b收到基阵a发出的a_resp1信号后，延迟tδ后基阵b发射应答信号b_resp2；基阵a和b发射的水声信号都被发射器所接收，基阵b发射两个信号(b_resp1，b_resp2)之间的时间差tab既为基阵a到基阵b的水声传输时间；同理，同样的方法可以测出其它的时间差tab，tac，tad，tbc，tcd，tbd依次类推。知道传输延迟时间后就可以确定基阵的孔径，从而完成应答器基阵的水声自校准功能。请参阅附图8，水声自校准实现步骤如下：第一步：发射器(集矿车)同步信号下降沿有效后，发射应答器基阵水声自校准信号(s_sef_c)指令码，经过海水介质传输后；第二步：分别延迟ta、tb、tc、td(ms)基阵a、b、c、d收到s_sef_c信号，每个应答器都可以确定其与发射器的距离；第三步：下一个同步信号下降沿到后，应答器a、b、c、d分别发射应答信号(a_resp1，b_resp1，c_resp1，d_resp1)；第四步：如果应答器a收到d_resp1信号，延迟tδ后，应答器a返回信号a_resp2；如果应答器a收到c_resp1信号，延迟tδ后，应答器a返回信号a_resp3；如果应答器b收到a_resp1信号，延迟tδ后，应答器b返回信号b_resp2；如果应答器c收到b_resp1信号，延迟tδ后，应答器c返回信号c_resp2；如果应答器d收到b_resp1信号，延迟tδ后，应答器d返回信号d_resp3；如果应答器d收到d_resp1信号，延迟tδ后，应答器d返回信号d_resp2；第五步：发射器应答器a、b、c、d发射的全部水声信号(a_resp1，a_resp2，a_resp3，b_resp1，b_resp2，c_resp1，c_resp2，d_resp1，d_resp2，d_resp3)；第六步：处理器根据接收到的水声信号1和2的时间差(按照表1的对应关系)，解算出基阵之间的距离，从而完成基阵的水声自校准。表1两个水声信号确定延迟时间表序号水声信号1水声信号2延迟时间基阵距离1b_resp1b_resp2tablab2c_resp1c_resp2tbclbc3d_resp1d_resp2tcdlcd4a_resp1a_resp2tadlad5d_resp1d_resp3tbdlbd6a_resp1a_resp3taclac应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。当前第1页12