深海走航投弃式剖面仪传输信道特点的分析

郑羽，方静，高宇，李红志，宋国民，尚应生，王慧泉

（1.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387；2.国家海洋技术中心，天津 300112）

深海走航投弃式剖面仪传输信道特点的分析

郑羽1，方静1，高宇1，李红志2，宋国民1，尚应生1，王慧泉1

（1.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387；2.国家海洋技术中心，天津 300112）

走航投弃式剖面仪是海洋环境数据获取的重要仪器，主要应用于海洋环境观测中海洋参数的大面积快速测量，但传输信道特点一直并不明确，对信道传输性能的提高缺乏一定的理论基础。以XCTD信道为研究对象，优化了信道的模型和传递方程，计算得到信道阻抗参数值；采用时频法研究投弃式剖面仪信道基带传输信号的时变性，分析不同频率下的信号带宽的变化特性，分析随机噪声对传输信号和误码率的影响规律，结果表明，深海走航投弃式剖面仪传输信道在不同深度和传输速率下具有的“时变/窄带/低信噪比”规律特性，该信道特点与水声信道具有更多的相似性，该结论为提高XCTD信道传输性能拓宽了研究思路，为深海投弃式观测技术发展的信道传输技术共性问题提供了理论支持。

电导率、温度、深度剖面仪；时变信道；窄带；信噪比；传输性能

海洋是我国国民经济社会发展的重要战略空间和后备资源宝库，对保障国家安全、缓解资源和环境的瓶颈制约、调节全球气候起着至关重要的作用，而海洋环境要素观测技术的进步是人类认识海洋、开发海洋、保护海洋和保卫海洋的前提、基础和根本保障。统筹近海开发与深远海空间拓展成为我国“十二五”期间海洋经济发展的基本思路之一（金永明，2012）。加强深远海水文数据获取对我国未来能源经济建设和海上军事强国战略都将具有重要的意义。

在海洋战略的牵引下，海洋监测仪器向深远海发展提出了更高的要求，其中深海走航投弃式温度剖面测量仪（Expendable Bathythermograph，XBT）、投弃式海流剖面测量仪（Expendable current profiler，XCP）、投弃式声速剖面仪（Expendable Sound Velocimeter，XSV）、投弃式电导率、温度、深度剖面仪（Expendable Conductivity Temperature Depth Profiling System，XCTD）等海洋投弃类仪器是海洋环境数据获取的重要仪器（李永军等，2011），主要应用于海洋环境观测中海洋参数的大面积快速测量。由于走航投弃式剖面仪在军事领域中重要的地位，国际上对我国实行禁运，因此发展我国自己的投弃式剖面仪技术，已经成为我国海洋考察，特别是军事应用的迫切要求。走航投弃式剖面仪作为一次性使用测量设备，通常由发射装置、水下探头、传输信道和水上接收机4个部分组成（如图1右边所示），其中，传输信道是重要的组成部分（如图1左边所示）。由于在功率、重量、尺寸和造价等方面的限制，本文以我国自主设计的XCTD为例，其传输线选用直径0.1 mm左右的单根双股细金属漆包线，虽然目前解决了传输线材料、工艺等带来的深水测量技术难题，但复杂的海洋环境噪声和XCTD特殊的工作方式大大降低了信号的传输性能（郑羽 等，2013；郑羽等，2014），该问题成为走航投弃式剖面仪发展遇到的瓶颈，极大地限制了我国向深远海进军的步伐。该问题的解决，对于走航投弃类仪器的通信技术难题具有重大的意义（Szuts et al，2012）。

图1 深海走航XCTD传输信道的工作示意图

在国外，随着海洋投弃类仪器技术的不断发展，XCTD测量探头投放时走航速度从低速3.5节提高到高速20节，探测深度从1 000 m提高到1 850 m（Keisuke et al，1998），2011年，Alexander等使用带通传输系统对XCTD进行1 600 m的测量时，会有20 m的测量误差（Alexander et al，2000）。在国内，针对数据传输导线材质的特殊性和导线长度的时变性，研制了基于ASK调制的频带数据传输系统（陈雷等，2009）。针对XCTD剖面仪信道传输速率低、可靠性差的缺点，提出了基于曼彻斯特编码的基带数据传输技术（贾志成等，2010）。受传输信道的特性制约，无论采用基带传输还是频带输出，都无法有效解决超过1 000 m深度的更长距离和更高速率信号的高速可靠性传输。因此充分掌握XCTD信道的特点，对于提高海洋投弃类仪器信道传输性能具有重要的意义。

2 信道传输方程的计算

优化的信道模型如图2所示，共分为水下线轴、展开传输线和水上线轴3个部分。其中水下线轴电路部分含有信号源，水上线轴电路部分含负载，由于线轴由导线缠绕线圈构成，因此可以采用经典的线圈模型，由线圈缠绕电感L串联导线电阻R，再并联上线圈的杂散电容C组成。由于深海走航投弃式剖面仪传输信道采用单根双股的漆包线作为信道，因此水下线轴与水上线轴都是由两个相同的线圈模型构成。

对于展开传输线部分，实际上由于该部分分布距离较长，在计算当中应当将其作为分离式元件进行积分处理，但如果将其直接作为分离式元件，在计算的过程中将使得传输函数变得异常复杂而不便于传递函数的计算与分析，因而采用等效的原理，在时域对传输线的展开部分的阻抗值进行分离式参数计算，得到展开部分传输线的阻抗值，然后用元器件等效该部分在信道模型中的作用，通过分析，该部分的阻抗值可以等效为电阻并联电容的模型，其中R3和R4分别为两根导线展开部分的电阻值，由于两根导线的各项参数完全一致，因而R3和R4相等，C3为两根导线间的分布电容（包含海水耦合引入的电容值），其值随传输线展开而增大。

图2 信道传递函数计算模型

对信道模型利用网孔电流法进行S域的计算。假定在水下线圈、展开传输线、水上线圈网孔中分别存在I1、I2、I3的网孔电流，则可得到计算方程如公式（1）所示。

分别为单股漆包线缠绕水上线圈和水下线圈产生的复阻抗，令：

则可计算信道模型的传递函数为：

由于深海走航投弃式剖面仪的信号波特率一般在几KHz左右，属于低频信号，而信号在低频传输时缠绕线圈的杂散电容（同层同股邻近匝间电容、同层异股邻近匝间电容、异层同股邻近匝间电容）C1、C2量级很小可以被忽略具体数值如表一所示，则X1与X2可简化为：

将其带入传递函数中解得最终传递函数H（S）为：

表1 杂散电容理论计算值

本文根据信道的电路模型的主要阻抗参数，通过数值计算、COMSOL建模与仿真（郑羽等，2013）、国家海洋技术中心的初期测试，计算得到了信道模型阻抗参数值，如图3所示。根据该数值，代入传输方程中，采用时频法分析XCTD信道的特性。

3 传输信道特点的分析

图3 XCTD信道阻抗值与探测深度的对应关系

信号在传输的过程中，信道阻抗参数值实时发生变化，因此信号的频谱结构变化大，非平稳性突出，包含了丰富的有关信道阻抗特性的信息。时频法在各种信道的信号分析中得到了广泛的应用。通过时频法对正交频分复用系统信道进行分析与估计（HlaingMinn et al，2006）；对10 kV压电力线传输信号采用时频法进行了分析，提出了该信道为时不变信道的结论（Yang et al，2007）；采用时频法研究单一脑电图信道的特征（LuayFraiwanetal，2012）。

3.1时变性的分析

XCTD在工作的过程中信道的电路特性在实时改变，随着放线过程的不断进行，与传输线相关的水上线轴与水下线轴部分的电感值、电阻值以及展开传输线部分的分布电容值、电阻值皆会随着展开线长的变化而变化，引起传输线阻抗值的连续改变，各个元件参数是关于展开传输线长度的方程，且阻抗值会受到海洋环境的影响，整个信道较为复杂。本文选取放线长度分别为1 000 m、2 000 m、4 000 m的放线过程进行传输信号幅值和相位的时变性分析，如图4所示。

从图4中可知，随着传输线长度的变化，传输信道具有时变的特性，在整个放线过程中幅值变化都非常不稳定，且谐振后振幅衰减较大，如果采用传统的振幅调制方式（ASK），传输信号本身很容易被海洋环境中复杂噪声信号淹没，传输信号的可靠性大大降低，所以在一定的探测深度后，振幅调制方式（ASK）不适合作为传输信道信号的调制方式。如果采用相位调制方式（PSK），首要任务是要保证信道相位延时的稳定性。然而1 000 m传输线相位变化过程复杂，2 000 m和4 000 m传输线相位变化过程相对简单，而2000m相位由-155.69°变化到-87.5°相位变化率为43.8%，4 000 m相位由-177.13°变化到-87.80°相位变化率为50.4%，这都不能保证PSK信号解调的准确性，所以无论1 000 m、2 000 m还是4 000 m的传输线长度的动态变化过程都极大的影响了整个信号传输系统的传输性能，而采用串联电感方法可以提高相位的稳定性，但信号幅值会进一步降低，降低了信道的信噪比。目前XCTD信道传输的为数字信号（方波信号），实际传输信号的形式是比较复杂的，若直接分析各种信号在该系统中的传输问题是比较困难的，而在线性系统中由于系统的线性特性，可以将一般的复杂信号分解成某些类似的基础信号之和，本文主要通过单位阶跃响应以及正弦信号响应进行分析，在信号分析的基础上再对复杂的方波信号进行分析。

通过图4可知3种线长在放线相同时幅值增益与相位延迟不同，通过表二可知放线一定时，展开线电阻值与展开线分布电容值相同，而3种线长的线圈缠绕电感值与线圈电阻值不同。由于参数的不一致即引起不同线长在放线过程中产生不一致的幅值增益与相位延迟。

（1）阶跃信号的幅值响应：XCTD剖面仪采用抗干扰能力强的数字信号传输方式，在时域上，所有的方波信号都可以表示为不同幅度的阶跃信号的线性叠加，而数字信号是由方波信号所组成，因而通过系统的阶跃响应分析具有一定的实际意义，而所有阶跃信号又可以看成是单位阶跃函数ε（t）或延时单位阶跃函数ε（t-t0）与不同比例系数的乘积，根据线性电路的叠加性原理和比例性原理,电路的阶跃响应,均可以转换为求单位阶跃响应或延时单位阶跃响应问题，所以首先从系统的单位阶跃响应分析信道系统的信号传输特点。

图4 固定1 kHz、5 kHz频率下，选择1 000 m、2 000 m、4 000 m 3种线长，讨论放线过程对传输信号幅值与相位的动态影响关系图

表2 线圈放线1 000 m时信道中具体参数值

此处水上、水下均为2 020 m的缠绕线轴进行系统的单位阶跃响应的分析，从图5可知，信道系统在初始放线过程中有一个急剧变化的过程，这个过程大概在初始放线前100 m时发生，因而除选取对放线长度为500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m时的状态进行分析外，还选取20 m、40 m、60 m、80 m、100 m作为测量分析点。

从图中可以看到，在XCTD信道系统放线长度较短时，由于信道中的电容与电感效应，系统的单位阶跃响应呈现类似于欠阻尼震荡状态，在放线100 m时响应曲线从稳态值的10%上升到90%的上升时间Tr约为673.9 μs，响应曲线的最大值为1.195 V，稳态值为1 V，最大超调量Mp为0.195 V，响应曲线达到最大超调量时所需时间，即峰值时间Tmax约为1.549 ms，响应曲线达到稳态所用的调整时间约为5.517 ms，放线长度越短，系统单位阶跃响应的震荡幅值越高，震荡越大，而达到稳态所用的调节时间越短。

而随着放线过程的继续，系统单位阶跃响应的震荡幅值降低，而达到稳态时所用的调节时间增大，而在达到放线约200 m左右时，整个系统处于临界状态，再增加放线长度，将继续增大系统的电容效应，整个系统将由欠阻尼状态变为过阻尼状态，此时的信道电路系统主要表现出电容特性，系统的震荡过程消失，响应曲线变为一条单调递增趋于稳态的曲线，而随着放线深度的不同，该曲线趋于稳定状态所用时间也不同，传输线展开部分越长时，信道系统的单位阶跃响应达到稳定状态所需要的时间就越长，因此说明传输距离越长，信道的电容效应成为了主导。

图5 信道系统单位阶跃响应曲线（a）100 m内系统单位阶跃响应（b）0～2 000 m不同放线长度单位阶跃响应

（2）正弦信号的幅值响应：选取2 020 m水上、水下线轴，针对2 000 m这一测量深度，对幅值为1 V，频率为300 Hz、800 Hz、1 500 Hz、2 400 Hz的正弦信号进行500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m不同放线深度时的输出信号特点进行分析，得到如图6所示的结果。

图6 信道系统不同频率正旋信号响应曲线 （a）300 Hz（b）800 Hz（c）1 500 Hz（d）2 400 Hz

从结果中可以看到，当幅值为1 V，频率为300 Hz的正弦信号经过XCTD的金属漆包线信道后，在经过一段较短的调整时间后达到稳态，在不同放线长度情况下，信道系统对相同频率与幅值的正弦信号具有不同程度的幅值增益和相位延时。在幅值增益上，随着放线长度的增加，输出信号的幅值逐渐减少，幅值增益比降低，输出信号将随着放线长度的增加而变得越来越微弱。而在相位延时方面，信号的相位延时并非一个稳定的状态，在不同的测量深度下，该信道系统对正弦信号的相位延时并不相同，而是随着放线过程而相应变化，在展开线长增加时，信号相位的延时随之增大，会对PSK调制技术带来一定的困难。

而在800 Hz、1 500 Hz、2 400 Hz频率时，其不同放线长度的信号传输特性变化趋势与300 Hz时基本保持一致，但是随着频率的增高，信号的幅值会受到严重的衰减，在高频情况下信号几乎无法识别，信噪比大大降低。

（3）方波信号的幅值响应：为了能够更为直观的了解该信道系统对不同频率的数字信号的传输特点，分别对频率为300 Hz、800 Hz、1 500 Hz、2 400 Hz的方波信号针对放线长度为100 m、500 m，1 000 m，1 500 m，2 000 m时的信道进行分析，得到如图7所示的结果。

图7 信道对不同频率方波信号的响应 （a）300 Hz（b）800 Hz（c）1 500 Hz（d）2 400 Hz

从结果中可以看到，由于信道对高频信号幅值的抑制作用，幅值为1 V的方波信号经过信道后产生了严重的畸变现象，在频率为300 Hz时仅能观察到部分基带信号经过一定延时后到达输出端，而方波中更高次的谐波信号几乎都被信道的滤除掉，对最终的输出信号造成的影响非常小，因而最终看到的输出信号类似于正弦信号，并且此畸变现象随着放线长度的增加而变得更为严重。在1 500 Hz与2 400 Hz时已看不到信号的特点，数字信号的严重失真大大降低了信号的传输速率，单纯地提高单载波信号的传输速率会降低信号传输的可靠性。

3.2窄带特性的分析

为了研究短周期海洋剖面的变化规律，对观测要素采集的空间分辨率和时间分辨率要求很高，目前海洋投弃类仪器信号的传输速率一直是限制该类设备发展的主要原因之一，采用时频法分析信号的幅频响应是反应系统对于不同频率的正弦信号幅值增益情况的响应，对于分析系统在不同频率下的信号特点具有重要的意义。针对2 000 m信道的放线过程，选取频率范围从0～2.5 kHz进行放线长度为500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m时的状态绘制系统的幅频特性曲线，得到如图8（上）所示的结果。在分别选取100 mv、10 mv、1 mv、0.1 mv作为阈值，计算幅值衰减到阈值以下时的截止频率得到如图8（下）所示的结果。

图8 传输速率与传输信号的关系图

通过幅频特性曲线可以看到由于信道的时变特性，在不同放线深度下，系统的幅频特性曲线具有一定的差别，信道总体呈现低通滤波器特性，且通频带比较窄；线轴放线过程随着频率的升高，信道的带宽越窄，选取0.1 mv作为可识别幅值的情况下，信道的通频带为20 kHz左右，选取1 mv作为可识别幅值的情况下，信道的通频带不到10 kHz，而在选取100 mv时更是只有不到1 kHz，与水声信道的带宽具有相似性。在满足一定信噪比条件下，提高信号的传输速率，信道容性感性负载作用效果加强，信道的带宽大大降低，高频信号的抑制作用非常严重。传统单载波传输方式下提高信道的传输速率，信号的幅值将大大减小，在满足一定信噪比条件下，有效带宽也大大降低。

3.3低信噪比特性

XCTD电信号在海洋环境中传输，影响其传输可靠性的海洋环境噪声复杂且难控制，主要包括天然电磁场和人为因素形成的电磁场产生的噪声，其中，天然电磁场主要包含海洋大地电磁场（海水运动切割地磁场产生），由于海水介质具有高电导性，相当于低通滤波器，该电磁噪声更多的集中在低频段内（Chave et al，1984）。人为因素形成的电磁场主要包含船体内部电力系统接地不良、船体运动引起的海水扰动以及螺旋桨旋转等产生的电磁场，该电磁噪声频率涵盖范围广泛（主要集中在低频段），传播距离远（Hovem et al，2014），这些电磁干扰最终都会成为信号传输过程中的噪声源。根据香农定理指出，在被噪声干扰的信道中，信息传输的最大传输速率C与信道自身的带宽B以及信噪比S/N密切相关，其关系式如公式14所示。

由于信道本身对于信号的幅值抑制较为严重，随着探测深度的增大输出信号的能量S在不断减小，海洋环境噪声复杂，尤其在信号传输到海洋表面，由于船体工频噪声更大，传输信号的信噪比S/N则大大降低，降低了信号传输的可靠性。随机噪声对单载波传输信号误码率的影响，如图9（上）（传输速率600Hz），图9（下）（传输速率1200Hz）中所示，随着噪声量级的增大，误码率呈上升趋势，其数值不满足信号可靠性传输的要求。

图9 海洋噪声与传输信号的关系

4 结论

根据本文对XCTD信号特点的分析可知，走航投弃式剖面仪信道具有“时变/窄带/低信噪比”的特性：（1）时变性：随着水下探头的快速下降，传输线不断展开，水上、水下线轴的绕线的不断减小，引起信道各部分电抗特性的连续变化，因而整个信道在不同测量深度对信号的传输具有时变性。（2）窄带性：信道系统自身呈现低通窄带的滤波特性，且随着测量深度的增大，信道的幅值增益将会变低，通频带会变的更窄，而通频带的范围会向更低频率范围偏移，降低信道容量，使得高频信号难以通过该信道；（3）低信噪比特性：电信号在海洋环境中传输，影响其传输可靠性的海洋环境噪声复杂且难控制，且随着探测深度和传输速率额增大，信号的幅值都会大幅度降低，因此信道的低信噪比特性会大大降低信号传输的可靠性（Zheng et al，2015）。

综上所述，走航投弃式剖面仪信道与水声信道、深空信道和无线光传输信道相比，不具有多径效应和多普勒频移（Paniel et al，2000），但具有时变，衰落，环境噪声复杂等问题，其最大的特点是随着探测深度和传输速率的增加信道带宽会更窄，信噪比会更低，与水声信道具有更多的相似性。研究结果对XCTD测量系统电路模型的建立，以及后期对信道进行调制解调、编码译码以提高测量数据的精度和信号传输的稳定性具有重要的指导意义，同时对指导工程研制也具有重要指导意义。

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（本文编辑：李晓光）

Analysis of Transmission Characteristic of Deep-sea Abandoned Measuring Instrument Channel

ZHENG Yu1,FANG Jing1,GAO Yu1,LI Hong-zhi2,SONG Guo-ming1, SHANG Ying-sheng1,WANG hui-quan1
（1.Tianjin Polytechnic University school of Information and Electrical Engineering,Tianjin300387,China; 2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

The expendable conductivity-temperature-depth(XCTD)profiler is an important instrument for acquiring data of marine environment,which mainly applied in measuring large area of ocean parameters rapidly in marine environment observation,but the transmission channel is always not clear,and there is lack of certain theoretical basis to improve the performance of the channel transmission.This paper takes XCTD as the research object,and optimizes the circuit model and transfer equation of the channel,and calculates the channel impedance parameters;this paper studies on the time-varying of channel baseband transmission signals of expendable profiler by time frequency method,and analyzes the variation characteristics of signal bandwidth in different frequency,and analyzes the influence of random noise on transmission signal and error rate.The results show the characteristics of"time-varying/narrowband/low signal-to-noise ratio"of the transmission channel of the expendable conductivity-temperature-depth (XCTD)profiler in different depth and transmission rate,and there is more similarity between characteristics of the channel and underwater acoustic channel.The conclusion expands the research ideas in improving the transmission performance of XCTD channel,and provides theoretical support for the common problems of channel transmission technology in the development of deep-sea expendable observation technology.

conductivity temperature depth profiling system;time-varying channel;narrowband;signal-to-noise ratio; transmission performance

X834

A

1001-6932（2016）06-0708-09

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.014

2015-08-19；

2015-10-17

天津市应用基础与前沿技术研究计划（14JCYBJC16300）。

郑羽，电子邮箱：zhengyu@tjpu.edu.cn。