基于感应耦合温盐深链传输信道的三级分布式分析方法与流程

本发明以感应耦合温盐深链的传输信道为原型，提出利用三级分布式分析方法来研究感应耦合海洋通信系统的信道特性，为感应耦合传输信道研究提供了一个新的方法，对提高该信道信号的传输速率和可靠性都具有重要的意义。

背景技术：

感应耦合传输通讯技术作为海洋测量的重要技术之一，是采用电磁感应原理实现无接触水下信号传输，其具有传输方式结构简单、成本低，传输距离远的特点，同时传感器可以部署到很深的海域。采用无接触式电磁感应方式进行数据传输是一种有效、经济、可靠的方法，适宜于深海数据的传输，可将其应用于海洋立体观测网络建设的剖面测量中。感应耦合海洋通信系统主要由水下数据采集系统，传输信道和水上接收终端三部分组成，其中传输信道由耦合磁环(包括水上磁环和水下磁环)、传输缆和水体组成。在感应耦合海洋实际测量工作中，传输缆与海水组成一个闭合回路，相当于一个单匝线圈，水下数据采集系统中的传感器完成对不同深度下的海水温度、盐度等信息的采集，并将数据保存下来传到水下磁环，然后通过感应耦合传输到单匝线圈再传输到水上磁环，最后传输到水上终端进行处理。

目前，中国所研发的感应耦合传输系统即是以海洋环境、铁氧体材料的磁环、高强度的塑包钢缆为传输通道，实现数据信息的传输，其传输速率达到1200bps。相较于中国，其他国家基于感应耦合原理的传输系统已拥有多种类型的成熟的产品。现阶段，掌握感应耦合传输技术并实际应用到海洋监测系统的主要有两个公司，分别是美国的sbe-bird和加拿大的rbr公司。sbe-bird公司的感应耦合传输系统与海流计、多普勒剖面仪等设备有标准串行接口，与遥测感应传输系统可集成在一起，其传输速率可达9.6kbps。rbr公司的感应耦合数据传输系统是将水下感应耦合发送器和水下仪器集成在一起，与声学传输方式或电缆传输相比，性能优越，价格适中。但其传输速率不高，只能达4.8kbps。本发明通过comsol建模分布式分析方法来研究感应耦合海洋通信系统的信道特性，全面分析影响感应耦合信道传输特性的重要影响因素，为提高感应耦合海洋通信系统的信道传输特性提供了一种新的研究思路。

技术实现要素：

本发明的目的是采用comsol软件，建立了三级感应耦合温盐深链信道模型，分析影响感应耦合传输系统的关键因素，并提出解决方案，提高海洋通信系统传输信道的耦合效率。首先建立了水上磁环耦合信道模型，分析磁环参数对信号耦合效率的影响，计算感应到钢缆上的感应电压的大小，第二部分是钢缆、海水水体构成的信道模型，分析钢缆电流和水体电阻，进而计算水下磁环耦合信道模型的输出电压，第三部分是水下磁环耦合信道模型，其特点是随着探测深度的增大，水下节点数增大，水下耦合磁环的数量增大，负载增大，本部分结合前两部分重点分析信道参数对信道幅值比的影响。

本发明以感应耦合温盐深链系统传输信道为研究对象，把复杂模型进行简单化，分别计算了钢缆上的耦合电动势，水体电阻以及传输信道幅值比。并分析感应耦合传输信道的磁环参数、信号频率、水下传感器节点数等参数对信道耦合效率的影响。确定影响感应耦合温盐深链系统传输信道的重要影响因素。该发明为感应耦合传输信道研究提供了一个新的方法，并对提高感应耦合温盐深链系统传输信道耦合效率具有重要的理论指导意义。

本发明的技术方案：

本发明基于感应耦合温盐深链系统的传输信道，发明了comsol建模三级分布式分析方式，逐级分析感应耦合温盐深链系统传输信道的中间参数并分析其对信道耦合效率的影响。可表述为，利用comsol软件建模分析信道参数对幅值比的影响及其幅频特性曲线。

本发明提供的感应耦合温盐深链系统的传输信道三级分布式分析方法，具体步骤是：

第1步、分析磁环参数对信道特性的影响

首先是建立水上磁环耦合信道模型，该模型将由水体和钢缆组成的单匝线圈闭合回路的电阻设成1mω，目的是分析磁环参数对信号耦合效率的影响，并最终计算出感应到钢缆上的感应电压的大小。

第2步、估算水体电阻的大小和单匝闭合回路的电流值

第二部分是建立钢缆、海水水体构成的信道模型，通过建模分析在水体中的电流密度分布，其目的是重点讨论海水水体电阻的大小。尤其是针对深海测量，水体电阻的测量更难，对模型进行分级、简化以便于计算钢缆长度较长时水体电阻以及单匝闭合回路的电流值，水体电阻对该耦合系统的传输效率大小具有重要的意义。

第3步、计算信道幅值比并做分析

第三部分是水下磁环耦合信道模型，其特点是随着探测深度的增大，水下节点数增大，水下耦合磁环的数量增大，负载增大。通过将整个传输信道分成三个部分，可以更清楚地讨论信道参数对传输性能的影响。

本发明的优点和有益效果：

本发明针对于感应耦合温盐深链系统的传输信道采用三级分布式分析方法，利用comsol建模分析感应耦合信道的信道特性。由于感应耦合实际传输信道较长，把耦合信道分为三部分建模分析，减少模型计算量。第二部分针对钢缆和水体的建模分析，更有利于模拟实际长度钢缆，计算钢缆长度较长时水体电阻及钢缆电流的大小，并可以更准确的分析信道参数对信道幅值比的影响，更清楚地反映信号在整个信道各个阶段的传输特性。该发明为感应耦合传输信道研究提供了一个新的方法，并对提高感应耦合信道的信噪比和耦合效率具有重要的理论指导意义。

图1是感应耦合温盐深链系统的传输信道各个阶段模型，其中图(a)是水上磁环耦合信道模型；(b)是钢缆、海水水体构成的信道模型；(c)水下磁环耦合信道模型。

图2是海水中钢缆的简化模型，其中图(a)简化的计算模型及海水中的电流流线图，(b)水域中横向截面电流密度的分布图.(c)不同计算域的电流值的分布，(d)100m宽和高的计算域中水域横截面的电流密度分布。

图3是感应耦合温盐深链系统的传输信道各参数对传输信道幅值比的特性曲线。其中图(a)仿真计算和实际测量所得的幅频曲线，图(b)磁环上线圈电感对幅值比的影响，图(c)水下挂载传感器个数与幅值比的关系，图(d)水下挂载10个传感器节点时频率对幅值比的影响。

以下结合附图和通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。

具体实施方式

实施例一

第1步、分析磁环参数对信道特性的影响

通过对水上磁环耦合信道建立模型，并根据所建立的comsol模型分析磁环的形状，气隙，磁导率等参数对电感的影响，确定了应用圆环形磁环高磁环磁导率，减少磁环间的气隙有助于提高磁环耦合效率。最终计算出感应到钢缆上的感应电压的大小为0.047v。

第2步、估算水体电阻的大小和单匝闭合回路的电流值

通过建立钢缆、海水水体构成的信道模型，把第一步计算出的感应电动势作为激励加在钢缆上，分析在水体中的电流密度分布，得出随着探测深度的增加，钢缆长度变长，电流在水体中扩散的范围也会更宽，钢缆上的电流基本不变，说明水体电阻基本保持在39ω基本不变。

第3步、计算信道幅值比并做分析

通过建立水下磁环耦合信道模型，计算输出电压与输入电压幅值比。随着探测深度的增大，水下节点数增大，水下耦合磁环的数量增大，负载增大，信道幅值比逐渐下降。随着信号频率的增加，信道幅值比逐渐增加。

仿真与分析结果

(1)由图中可以看出，磁环的形状、气隙、磁导率等参数对电感的影响，得出圆形高磁导率无缝隙磁环时电感值较大。

(2)由图中可以看出，随着钢缆长度增加，电流流过水体的长度增加，电流在水体中的扩散范围也增加，水体的电阻基本不变，钢缆上的电流基本不变，估算为39ω。

(3)由图中可以看出，随着探测深度的增大，水下耦合磁环的数量增大，钢缆上的电流逐渐减小，传输信道的耦合效率也逐渐下降。

(4)通过这个实验还可以得出如下结论：磁环间的缝隙，海水的电阻以及传感器节点的数量对传输信道的耦合效率影响较大。通过改变磁环的形状，减小磁环的缝隙，提高磁环磁导率有助于提高信道的耦合效率。本文为提高感应耦合传输信道耦合效率提供了新思路，并对提高感应耦合传输速率和可靠性具有重要的理论指导意义。