拋棄式海水溫度測量儀數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

摘要：提出一種拋棄式海水溫度測量儀數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案。針對傳輸信道距離長，波形畸變大的特點，采用頻率調(diào)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(tǒng)選用單片調(diào)制解調(diào)芯片MSM7512B對信號進行FSK調(diào)制和解調(diào)，實現(xiàn)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(shè)計上充分利用其多種低功耗工作模式，降低了系統(tǒng)的功耗。
關(guān)鍵詞：海水溫度測量；拋棄式探頭；FSK調(diào)制；低功耗

0 引言
溫度、鹽度等海洋水文環(huán)境參數(shù)的獲取日益重要。拋棄式溫探測系統(tǒng)是快速獲取大面積海域溫度剖面資料的儀器，為海洋調(diào)查、科學(xué)研究、軍事應(yīng)用提供了先進的測量手段。國外發(fā)達國家自20世紀(jì)60年代開始，研制了機載可拋棄式海洋水文探測系統(tǒng)，其系列產(chǎn)品(已有溫、鹽、深、流)主要應(yīng)用于美國海軍，能夠在一次任務(wù)航線上，利用同一種探測平臺快速獲取遠海目標(biāo)海域的多要素實時數(shù)據(jù)，是至今機動性最好的遠海現(xiàn)場探測手段。其優(yōu)點是：海洋水文要素獲取的機動性強；遠海探測成本、信息獲取的機動性、實時性均顯著優(yōu)于船載系統(tǒng)。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(zhǔn)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(biāo)，溫度準(zhǔn)確度達±0．2℃。
新型遠海機動水文環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(NMOHEMS)通過采用無人機機載方式，將多枚被投擲單元投放到目標(biāo)區(qū)域，然后由被投擲單元受控釋放測溫探頭，實現(xiàn)多點、同步獲取海水剖面溫度的信息。

1 NMOHEMS被投擲單元的構(gòu)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(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)發(fā)送單元。數(shù)據(jù)采集單元完成海水剖面溫度的測量和數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)發(fā)送單元將測量數(shù)據(jù)經(jīng)信號傳輸線發(fā)送到被投擲單元主體。被投擲單元主體位于水面，包括數(shù)據(jù)接收單元和控制處理單元。數(shù)據(jù)接收單元接收由水下探頭發(fā)送的溫度測量數(shù)據(jù)，控制處理單元負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的控制和與地面主站的聯(lián)系。

被投擲單元由無人機攜帶，抵達目標(biāo)海域后投放，通過降落傘放慢下降速度，當(dāng)觸及海面時降落傘自動脫落。當(dāng)被投擲單元接收到測量控制信號時，探頭開始下沉測量海水剖面溫度。探頭內(nèi)的數(shù)據(jù)采集單元采用低功耗、高性能、多外設(shè)的MSP430單片機作為微處理器同時完成數(shù)據(jù)的采集和處理任務(wù)，使用靈敏度高、響應(yīng)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將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到被投擲單元的主體，然后由控制處理單元通過流星余跡的通信方式將數(shù)據(jù)傳回地面主站。
探頭與被投擲單元主體的通信為有線傳輸，傳輸信道處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，傳輸性能的好壞直接影響到測量結(jié)果的有效性和完整性，因此數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計是非常重要的。

2 傳輸信道的特性
溫度測量過程中，被投擲單元要將測溫探頭釋放到水下1 000 m左右，二者使用信號線連接。系統(tǒng)采用1 000 m長，0．1 mm線徑的聚氨酯漆包線。由于線徑很細(xì)，傳輸導(dǎo)線的直流電阻很大，線間電容和等效電感的數(shù)值也很大，并且隨著線軸展開，傳輸信號的波形畸變較大，使數(shù)據(jù)在傳輸過程中產(chǎn)生嚴(yán)重衰減和形變。
除了傳輸介質(zhì)自身對信號傳輸?shù)牟焕绊懲?，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(fù)雜，與海域的地理位置、探頭的深度、周圍船只都有關(guān)系。根據(jù)產(chǎn)生的原因可以分為以下幾類：
(1)海洋動力噪聲。與海水的流動有關(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(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲。
綜上所述，對此傳輸距離長、幅度衰減和波形畸變嚴(yán)重且信道參數(shù)快速時變的不利條件，需采取方法使信號適合在信道上傳輸。系統(tǒng)設(shè)計對傳輸信號進行調(diào)制處理，采用FSK調(diào)制，可以克服傳輸距離長、信道參數(shù)快速時變等不利條件導(dǎo)致的信號衰減、形變，保障數(shù)據(jù)傳輸的可靠性。