水温对XCTD剖面仪单模光纤传输信道影响的研究

提出采用单模光纤作为XCTD的传输信道,首先对使用漆包线作为传输信道所面临的难题进行了简要的分析;其次,分析了单模光纤技术优势;最后,针对XCTD工作环境中海水温度变化对光纤传输信道带来的影响进行了理论研究和实验验证,实验结果表明,单模光纤信道在海水介质及0~20℃海温变化下,以10 MB/S的传输速率传输数据时误码率为0,且损耗变化几乎可以忽略,大大提高了信号传输的速率和传输稳定性,实验结果说明采用单模光纤作为XCTD的传输信道具有一定的可行性。     

深海走航投弃式剖面仪传输信道特点的分析

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。     

提高走航式XCTD剖面仪时变信道相位稳定性的方法

目前,国内外深海走航式XCTD剖面仪信道探测深度在2 000 m范围内,采用阻抗时变金属有线信道的传输方式严重影响了信号的传输质量,成为XCTD大深度测量的难点问题。首先阐述了信号传输DPSK相位解调方法,其次分析了2 000 m测量范围内信号传输的相频特性,进而重点讨论了时变电感、电容量、传输频率对传输信号相位的影响,提出在大深度测量中,时变电感量是影响相位变化的最主要原因,引起相位变化率超过40%,甚至产生振荡,最终提出通过串联固定电感量的方法,使整个测量范围内相位的变化率控制在5.9%,大大提高了DPSK信号解调的准确性,提高了XCTD剖面仪传输信号传输的稳定性。该文的研究结果为深海走航式XCTD剖面仪在大深度测量中提高信号传输质量提供了解决问题的办法,也值得深海走航式XBT、XCP等同类产品参考借鉴。     

采用RS-CC级联码提高深海投弃式剖面仪传输可靠性的研究

为了提高深海投弃式剖面仪ASK频带传输的可靠性,提出了RS-CC级联码的解决方案。首先,从信道模型入手,分析了XCTD时变信道的特点;其次,根据信道环境存在复杂噪声的特点,分析了信号在传输过程中可能产生的错码类型,设计了(255,223)RS码+(8,255)交织器+(7,1/2)卷积码的算法结构;最后,针对XCTD的工作特点,分析了不同探测深度、传输频率和噪声量级条件下信号传输的误码率。仿真结果表明,RS-CC级联码的编码方案能够保证XCTD以高传输频率在大深度、大噪声环境中测量时较高的数据传输可靠性,对提高深海投弃式剖面仪传输性能提供了一种新的研究思路。     

深海耐水漆包线的性能试验

为了全面考核深海耐水漆包线的技术性能,我们对深海耐水漆包线进行了海水和海上使用的试验。并做了性能测试,将其结果和美国同类产品作了对比,本文将详细阐述这方面的试验的数据和结果。     

水下XCTD剖面仪传输线间分布电容的建模与计算

由于XCTD(抛弃式盐温深)剖面仪下沉到一定深度后信号传输严重失真,传输电缆动态展开后的线间电容对信号的完整性传输的破坏性越来越大。根据具体应用环境建立了XCTD电缆电容计算模型,然后从理论上建立了平行电缆电容和偏心电缆电容的数学公式,最后采用Comsol Multiphysics进行建模仿真。结果表明,理论计算验证了Comsol平行电缆电容仿真模型的正确性,并进一步采用该方法计算出更为复杂的水下电缆的电容值,其对分析我国自主研发的XCTD剖面仪深水信道信号传输完整性具有重要的参考价值,为该课题的深入研究提供了一种全新的建模方法。     

不同特性阻抗参数对深海走航投弃式剖面仪传输信道影响的分析

深海走航投弃式剖面仪由于信道的时变特性,严重影响信号传输的准确性,成为深海走航投弃式剖面仪进一步发展的难题。针对该类信道进行了深入分析,首先提出了信道模型的建立方法,建立了准确的信道模型传递函数,并在此基础上,讨论了在3 000 m长传输线下,不同特性阻抗参数对信号传输性能的影响。通过分析可知:(1)在负载端使用大电阻可以极大地降低水上线轴电感量变化对信号的影响,最佳电阻取值为10 MΩ;(2)通过提高水下线轴电感量的方法可以提高信道相位延时的稳定性,从而提高DPSK信号解调的准确性;(3)为了让负载端获得稳定的幅值增益,要减小分布电容的数值,在信道中加入容性元件会降低信号幅值的稳定性,降低信号的传输质量。通过本文的分析,可以进一步明确对该特殊信道阻抗匹配方法,优化信道硬件电路模型,加快走航投弃式剖面仪向深海进军的步伐。     

磁谐振海水电导率测量方法研究

针对海水电导率测量问题,本文提出了一种基于磁耦合谐振技术的海水电导率测量方法,从不同角度分析了海水涡流对磁耦合谐振系统的影响,并且利用仿真软件验证了谐振对于磁场与涡流的放大作用。以相位差和有效值两个参数为测量对象,搭建水下磁耦合电导率测量系统进行实验研究,比较了海水电导率变化对系统的影响及电导率测量效果。实验结果表明：采用磁耦合谐振技术,通过测量相位差或电压有效值来进行海水电导率测量是可行的。     

水下量子通信的数值模拟及误码率分析

水下量子密钥分配可以为水下通信提供绝对安全的保密手段。本文采用蒙特卡洛方法,结合海水信道的光学性质和光子的量子特性模拟了光子在海水中的传输过程,研究其衰减和偏振特性,计算了接收到的光子数随接收端口径、视场角和传输距离的变化,从保真度的角度分析散射光的偏振变化情况,并结合背景光的影响分析了水下量子通信误码率。结果表明,水下量子通信理论上可以实现百米量级的安全通信。     

XCTD与CTD的对比测试研究

海水声速剖面的准确获取对于利用多波束声呐系统进行水深测量至关重要,而传统的声速剖面获取方式都需要停船进行测量,导致海上调查作业效率较低。为了解决该问题,本文首先介绍了温盐深剖面测量仪(CTD)和抛弃式温盐深剖面测量仪(XCTD)间接测量声速剖面的原理,然后对"海洋地质六号"调查船在同一站位及时间利用CTD、XCTD和AML PLUS SV声速剖面仪测量得到的声速剖面进行了一个对比分析。研究结果表明,三者测量得到的声速剖面在相同水深处声速互差引起的水深差值最大为0.130 9 m。在多波束水深测量过程中,可考虑使用CTD和XCTD间接测量获得的声速剖面代替声速剖面仪直接测得的声速剖面,通过合理布设CTD站位以及使用XCTD来提高海上多波束水深调查的作业效率。     

水声通信中的鲁棒图像编码研究

由于受各种因素的影响，水下声信道是一种传输差错率较高的信道。标准化的图像编码系统(例如JPEC；H．263，MPEG等)使用了相似的压缩技术，它们往往存在严重的错误扩散，甚至单个错误比特就可能破坏整幅图像，所以一般不适合作为水下声信道图像传输的编码方案。文章针对常用的图像编码的缺点，利用定长编码技术，提出了一种高鲁棒性的图像压缩方案。实验表明在压缩率1．25比特／象素时，压缩后的图像仍然保持了较好的质量，并且能够较好地抵抗信道误码，提高了水下声信道图像传输的质量。     

多模光导纤维光学声探测

声波在液体中传播时,声压的变化会引起置于声场中的单模光导纤维折射率和尺寸的变化,进而使其中激光束的相位被声压所调制。这一现象,已被许多学者研究过、。本文则叙述多模光纤在声压作用下,激光束相位调制原理及其实验结果。在声压作用下,多模光纤产生固定相位差和调制系数(v)的机制与单模光纤是不同的。但是,两者声探测的结果倒是一样的。     

深海RAP下的水声信道特性与通信技术研究

可靠声路径（Reliable Acoustic Path,RAP）是深海声传播的重要通道之一,其受界面影响较小,传播损失较低,可以传播到较远的距离,而且在临界深度以下,环境噪声较低;其次,可靠声路径有效避开了多途扩展现象,声线以结构稳定的直达声为主。在总结可靠声路径物理机理和声传播优势的基础上,对比分析了几种不同海洋参数条件下RAP声传播特性,然后采用射线模型仿真分析了RAP声信道内的接收声线结构,之后基于仿真的RAP信道进行了单载波通信性能的分析。仿真结果发现：在RAP声信道内,直达声能量高,传播损失低,声线结构稳定且多途扩展小,对环境变化不敏感,在35km左右的中远程距离内具有很高的信噪比;相同仿真条件下,RAP区域的误码率较同距离浅深度的接收低很多,而且RAP区域接收信号信噪比高出其他区域10 dB左右。该研究结果对于实现垂直方向上深海信息的跨域传输具有重要意义。     

基于多特征匹配跟踪的深海发光浮游生物自动计数方法

生物发光现象在海洋中广泛存在,基于微光成像技术对深海发光浮游生物的发光现象进行视觉捕获是一种先进的原位观测手段,但目前缺乏有效的方法对获取的生物发光影像资料进行自动分析。针对此问题,本文提出一种基于多特征匹配跟踪的发光浮游生物自动计数方法,基于同一目标在连续帧间的运动具有连续性的思想,首先采用帧间质心差小于一定阈值的原则进行初始粗匹配,然后针对目标过近造成的误匹配问题再进一步进行运动方向的匹配,提高帧间匹配精度,从而准确计数。采用所提出的方法对深海发光浮游生物的真实视频数据进行了自动分析,实验结果证明该计数方法具有较好的准确率,对生物发光区域的尺度变化、发光目标间距过近等情况具有较好的鲁棒性,能达到较好的计数效果。     

三种微纳光纤环形腔海水盐度传感器理论研究

盐度在研究海水水体密度、水质监测、海洋渔业等方面发挥着重要的作用,为发展一种新型的光学传感器来进行海水盐度的测量。从理论上设计3种温度不敏感的微纳光纤环形腔海水盐度传感器并进行了数值计算。利用有限元软件COMSOL计算了微纳光纤中传输的基模有效折射率,结合MATLAB对盐度传感器的特征参量进行数值研究。首先,研究了传感器的温度特性,得到了温度不敏感条件对应下的光纤半径。其次,研究了温度不敏感下传感器的灵敏度和探测极限。结果表明,在选择MgF2为镀膜材料的情况下,通过优化传感器参数,盐度灵敏度可达到0.02nm,盐度探测极限可达到0.18。本文结果可以为微纳光纤环形腔应用于海水盐度测量提供理论依据。     

基于等相位体概念的水下激光背向散射强度的估算方法

详细讨论了海水作为激光传输信道的基本特点,在此基础上提出了等相位体的概念,分析了等相位体的形状,并且研究了等相位体背向散射强度的估算方法,为利用伪随机序列进行水下测量或通讯获得的资料估算散射强度提供一种方法.     

深海探测技术研发和展望

深海探测是人类实现可持续发展的战略途径和重要手段。为加快我国开发利用深海资源的进程,文章系统梳理深海探测技术及其研发,分析关键性深海探测技术,并提出深海探测技术的发展趋势。研究结果表明:全球积极研发深海探测技术,主要包括载人潜水器等深海运载器探测技术,声学、光学、电磁学和热学等深海传感探测技术以及生物、海水和岩芯等深海取样探测技术;我国也取得一系列研究成果,但技术水平和产业化水平总体较落后;精确、可靠和高效深海探测的关键性技术主要包括深海光学通信技术、深海导航定位技术、深海动力能源技术和深海装备材料技术,亟须技术攻关;未来深海探测技术将向体系化、协同化和智能化方向发展。     

温度或盐度对水下量子密钥分配影响的研究

水下量子密钥分配对保障水下通信安全具有十分重要的意义。本文研究不同温度或盐度的海水对光传输以及水下量子密钥分配的影响。本文在有限的范围内改变水槽中水的温度或盐度,在温盐均匀和有温盐差的海水信道中对出射光进行偏振测试,并进行了基于偏振编码的BB84协议水下量子密钥分配实验研究。研究表明:偏振光经过温盐均匀或有温盐差的模拟海水后其偏振态几乎不发生变化;在温盐均匀的海水中,温度或盐度的变化几乎不改变误码率,但在温盐不均匀的海水中,误码率随温盐差的增大呈增加趋势。     

环境温度宽范围变化对光纤布里渊频移的影响

搭建了光纤布里渊频移测量系统,实现了色散位移光纤20 ℃到820 ℃布里渊频移的测量,并对测量数据进行拟合. 在环境温度大范围变化时,目前采用的布里渊频移-温度一阶线性关系式对测量数据分析误差较大,针对这个问题,本文从纯石英光纤的结构特点和材料的物性系数出发,在分析光纤的热膨胀系数、光纤密度、折射率、弹性模量和泊松比与宽范围温度关系的基础上,根据布里渊频移与各物性参数的关系式理论推导了宽范围温度变化与布里渊频移之间的二次项关系式. 理论推导结果与实验数据基本符合,验证了理论分析的正确性,从而为光纤宽范围布     

基于同轴电缆的能源与数据信息混合传输技术中数据耦合器的设计与实现

目前,深海科学考察所用的调查设备动力与监控系统的供电电源主要采用水下锂离子电池供电,但采用锂离子电池供电存在较多弊端,严重制约着深海科考工作的发展。本文针对这个弊端设计并制作了数据耦合器,实现了基于铠装同轴电缆的能源、彩色实时图像以及上、下位机数据的混合传输。该技术主要采用低通滤波和电容耦合,将数据信号叠加到电源信号上,通过同轴电缆,实现长距离功率能源与数据混合传输。