拋棄式海水溫度測量?jì)x數據傳輸系統設計

摘要：提出一種拋棄式海水溫度測量?jì)x數據傳輸系統的設計方案。針對傳輸信道距離長(cháng)，波形畸變大的特點(diǎn)，采用頻率調制的方法克服傳輸信道自身和海洋環(huán)境的不利條件。系統選用單片調制解調芯片MSM7512B對信號進(jìn)行FSK調制和解調，實(shí)現了水下探頭和水面控制單元的通信。采用低功耗的MSP430單片機作為運算處理器，軟件設計上充分利用其多種低功耗工作模式，降低了系統的功耗。
關(guān)鍵詞：海水溫度測量；拋棄式探頭；FSK調制；低功耗

0 引言
溫度、鹽度等海洋水文環(huán)境參數的獲取日益重要。拋棄式溫探測系統是快速獲取大面積海域溫度剖面資料的儀器，為海洋調查、科學(xué)研究、軍事應用提供了先進(jìn)的測量手段。國外發(fā)達國家自20世紀60年代開(kāi)始，研制了機載可拋棄式海洋水文探測系統，其系列產(chǎn)品(已有溫、鹽、深、流)主要應用于美國海軍，能夠在一次任務(wù)航線(xiàn)上，利用同一種探測平臺快速獲取遠海目標海域的多要素實(shí)時(shí)數據，是至今機動(dòng)性最好的遠?，F場(chǎng)探測手段。其優(yōu)點(diǎn)是：海洋水文要素獲取的機動(dòng)性強；遠海探測成本、信息獲取的機動(dòng)性、實(shí)時(shí)性均顯著(zhù)優(yōu)于船載系統。美國海軍使用的機載投棄式溫度計利用熱敏傳感器測量海水剖面溫度，溫度準確度達0．5℃。我國國家海洋局海洋技術(shù)研究所于1998年自主研制了機載投棄式溫深浮標，溫度準確度達±0．2℃。
新型遠海機動(dòng)水文環(huán)境監測系統(NMOHEMS)通過(guò)采用無(wú)人機機載方式，將多枚被投擲單元投放到目標區域，然后由被投擲單元受控釋放測溫探頭，實(shí)現多點(diǎn)、同步獲取海水剖面溫度的信息。

1 NMOHEMS被投擲單元的構成和工作原理
NMOHEMS被投擲單元由被投擲單元主體和探頭組成，如圖1所示。探頭位于水下，包括數據采集單元和數據發(fā)送單元。數據采集單元完成海水剖面溫度的測量和數據處理，數據發(fā)送單元將測量數據經(jīng)信號傳輸線(xiàn)發(fā)送到被投擲單元主體。被投擲單元主體位于水面，包括數據接收單元和控制處理單元。數據接收單元接收由水下探頭發(fā)送的溫度測量數據，控制處理單元負責對系統的控制和與地面主站的聯(lián)系。

被投擲單元由無(wú)人機攜帶，抵達目標海域后投放，通過(guò)降落傘放慢下降速度，當觸及海面時(shí)降落傘自動(dòng)脫落。當被投擲單元接收到測量控制信號時(shí)，探頭開(kāi)始下沉測量海水剖面溫度。探頭內的數據采集單元采用低功耗、高性能、多外設的MSP430單片機作為微處理器同時(shí)完成數據的采集和處理任務(wù)，使用靈敏度高、響應速度快的NTC熱敏電阻作為溫度傳感器以獲得海水溫度。探頭在測量溫度的同時(shí)將測量數據發(fā)送到被投擲單元的主體，然后由控制處理單元通過(guò)流星余跡的通信方式將數據傳回地面主站。
探頭與被投擲單元主體的通信為有線(xiàn)傳輸，傳輸信道處于復雜的海洋環(huán)境中，傳輸性能的好壞直接影響到測量結果的有效性和完整性，因此數據傳輸系統的設計是非常重要的。

2 傳輸信道的特性
溫度測量過(guò)程中，被投擲單元要將測溫探頭釋放到水下1 000 m左右，二者使用信號線(xiàn)連接。系統采用1 000 m長(cháng)，0．1 mm線(xiàn)徑的聚氨酯漆包線(xiàn)。由于線(xiàn)徑很細，傳輸導線(xiàn)的直流電阻很大，線(xiàn)間電容和等效電感的數值也很大，并且隨著(zhù)線(xiàn)軸展開(kāi)，傳輸信號的波形畸變較大，使數據在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生嚴重衰減和形變。
除了傳輸介質(zhì)自身對信號傳輸的不利影響外，海洋環(huán)境噪聲的影響也是不容忽視的。海洋環(huán)境噪聲對于信號的干擾是很明顯的，噪聲的組成復雜，與海域的地理位置、探頭的深度、周?chē)欢加嘘P(guān)系。根據產(chǎn)生的原因可以分為以下幾類(lèi)：
(1)海洋動(dòng)力噪聲。與海水的流動(dòng)有關(guān)，包括海浪噪聲、雨噪聲等。
(2)交通噪聲與工業(yè)噪聲。是人為產(chǎn)生的噪聲，包船只噪聲、海上油田噪聲。
(3)地震噪聲。由地震、火山、海嘯等自然現象產(chǎn)生的噪聲。
綜上所述，對此傳輸距離長(cháng)、幅度衰減和波形畸變嚴重且信道參數快速時(shí)變的不利條件，需采取方法使信號適合在信道上傳輸。系統設計對傳輸信號進(jìn)行調制處理，采用FSK調制，可以克服傳輸距離長(cháng)、信道參數快速時(shí)變等不利條件導致的信號衰減、形變，保障數據傳輸的可靠性。