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中圖分類號：TP563 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）08-0258-01
引言
在淺海石油勘探施工中，水下檢波器由于受到洋流、人工布設等因素影響，會偏離施工設計位置，利用水下聲學定位系統(tǒng)可確定檢波器在水下實際位置，作為施工和資料處理的依據(jù)，目前水下聲學定位系統(tǒng)已經(jīng)成為海上施工的標配設備。水聲通訊技術是水下聲學定位系統(tǒng)的一項關鍵技術，根據(jù)水聲通訊技術的不同，水下聲學定位系統(tǒng)可劃分為兩代。地球物理公司勝利分公司曾經(jīng)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化第一代水下聲學定位系統(tǒng)，并大面積應用，取得了很好的應用效果，目前正在研發(fā)第二代水下聲學定位系統(tǒng)。下面介紹水聲通訊技術在聲學定位系統(tǒng)中的實現(xiàn)方式，作為系統(tǒng)研發(fā)的參考。
1 系統(tǒng)主機與應答器通訊工作方式
水下聲學定位系統(tǒng)的通訊是指位于水面的系統(tǒng)主機與水下的應答器之間的通訊，通訊信息采用聲波作為載體。由于在渾濁、含鹽的海水中，光波、電磁波的傳播衰減都非常大，只有聲波在水中的衰減最小，在低頻條件下，衰減只有2-3dB/km，因此水下通信一般都使用聲波來進行通信。采用聲波作為信息傳送的載體是目前海中實現(xiàn)中、遠距離無線通信的唯一手段。
系統(tǒng)主機與應答器的通訊采用一問一答的方式，不同的是主機發(fā)出的詢問信號是群發(fā)，針對的是一個組內的所有應答器，而不是某一個應答器。實際上，主機發(fā)出的詢問信號就是一組應答器的組號，一般又稱為Group號。接收到主機詢問的應答器，首先要判明是否是自己的Group號，如果是就發(fā)出回應信號，否則繼續(xù)保持休眠狀態(tài)?；貞盘柵c組內其他應答器是有區(qū)別的，代表了每個應答器的ID，在布設之前用編碼器按照需要寫入應答器CPU的RAM存儲器。
兩代水下聲學定位系統(tǒng)通訊工作方式是相同的，但在系統(tǒng)容量以及施工方式、效率等方面有了很大差異。第一代水下聲學定位系統(tǒng)的代表產(chǎn)品美國I/O公司的Digipoint系統(tǒng)容量只能包含8組512個應答器。系統(tǒng)主機工作時，采用8組應答器組號循環(huán)發(fā)送的方式，施工效率較低；第二代水下聲學定位系統(tǒng)的代表產(chǎn)品英國Sonardyne公司的TZ/OBC，系統(tǒng)容量為401組，應答器個數(shù)為3609個。系統(tǒng)主機工作時，因為應答器布放位置已知，主機只發(fā)送特定的應答器組號，因此施工效率也大大提高。造成兩代水下聲學定位系統(tǒng)差異的原因在于通訊信息編碼方式不同，這也是劃分為兩代系統(tǒng)的依據(jù)。
2 系統(tǒng)通訊信息編碼
聲波在水下傳播，要受到聲信道的嚴重影響。首先，水聲信道對水聲通信的主要影響是傳播損失和多徑傳播，表現(xiàn)為信號的衰落和碼間串擾，淺海海域浮游生物多、泥沙含量高，對聲波的吸收衰減更為嚴重，使通信質量大大下降，誤碼率增加；其次，淺海海域環(huán)境噪聲十分嚴重，包括漲落潮的海底摩擦、淺海船只噪音，對系統(tǒng)的抗干擾能力要求更高。這些都是水下通訊中信號設計與處理時所要考慮的。
聲信號頻帶的選擇是首先要解決的問題。雖然低頻聲信號衰減小，但傳播速度慢，影響施工效率和定位精度，而基帶頻率越高，測距精度越高，但信號衰減快，測程短。權衡考慮，水下聲學定位系統(tǒng)聲信號選用了30-50kHz的頻帶，這一頻率范圍的海洋噪聲比較少， 抗干擾能力比較強，而且測距精度比較高。
使用特定頻率的音頻脈沖，作為一個碼元，按照一定編碼調制方式，即可表示各種信息。水下聲通訊信息的編碼調制目前主要有兩種方式，分別是多頻移鍵控（MFSK）和跳頻時延（FH-TDFSK）方式。
2.1 MFSK編碼調制方式
美國I/O公司的Digipoint系統(tǒng)采用此種編碼調制方式。MFSK系統(tǒng)使用不同的音頻脈沖來表示數(shù)字信息，也有一定的優(yōu)勢。首先，它可以利用糾錯編碼技術來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕黄浯?，它能夠對在時域和頻域上的信道畸變進行各種補償。由于MFSK編碼調制方式，需要多種頻率的碼元進行組合，應答器組數(shù)越多，這種組合越復雜，尤其是應答器在表示自身的ID時，需要發(fā)射更多的碼元，造成應答器功耗過高，成為系統(tǒng)的致命缺陷。
2.2 跳頻時延（FH-TD-FSK）編碼調制方式
跳頻時延（FH-TDFSK）編碼原理是將一個數(shù)據(jù)幀周期T分成N個時間段，每個時間段又分成M個時間片，每個時間片再分成P個時隙，每個時隙對應一個CW窄脈沖（即單頻矩形脈沖）的脈寬，再根據(jù)一定的帶寬要求將可用的水聲信道頻帶分割成Q個相鄰的信道（頻隙），分別為：f1、f1、……、fq，將其分成N個組，每組有P個頻點，即Q=N*P。這樣每個頻點的CW脈沖都對應M進制數(shù)的一位，每一個CW脈沖在M個時間片內的某個對應時隙出現(xiàn)，即表示了M進制中的某個值。因此，Q個頻點即可構成Q位M進制的數(shù)據(jù)幀，再加上一個幀同步CW脈沖，即實現(xiàn)了跳頻時延編碼。
英國Sonardyne公司的TZ/OBC系統(tǒng)采用了此種編碼調制方式。這種利用不同頻率的音頻脈沖出現(xiàn)在特定時間點的編碼方式，減輕了應答器的功耗負擔，使得應答器水下工作時間大大延長。
3 系統(tǒng)通訊信號發(fā)射與接收
雖然系統(tǒng)通訊信息的編碼方式不同，但通訊信號發(fā)射和接收電路是相似的。
3.1 主機信號的發(fā)射與接收
水下聲學定位系統(tǒng)進行水下聲通訊需要依賴換能器將電信號和聲信號進行轉換，發(fā)射/接收換能器總稱為換能器基陣，由發(fā)射換能器、接收水聽器、前置放大濾波器等組成。前置放大濾波器功能為放大、濾波、阻抗變換。
主機操作系統(tǒng)將要發(fā)射的組號生成后，由數(shù)模轉換電路（D/A）轉換為模擬信號，通過帶有增益控制的功率放大器放大，由換能器將放大后的電信號轉換為聲信號，發(fā)送出去；換能器接收到的聲信號，首先轉換為電信號，通過前置放大濾波器電路濾波、放大，再經(jīng)過模數(shù)轉換電路，將信號轉換為數(shù)字信號，進行后續(xù)處理。
3.2 應答器信號的發(fā)射與接收
應答器的接收和發(fā)射共用一個聲探頭換能器，接收到的信號經(jīng)過帶通濾波后，再經(jīng)過放大，經(jīng)過窄帶濾波，檢波放大，比較轉換后，信號送入單片機進行解碼處理，判決，若是與該應答器預置的組碼相同，則單片機對將要回應的信息編碼，該信息包含應答器的預置ID碼 ，回應信息編碼完成后，該信號經(jīng)過功放放大，由換能器聲探頭發(fā)出。
4 結束語
水下聲學定位系統(tǒng)在海洋石油勘探領域有很好的應用前景，水聲通訊技術作為其關鍵技術，影響到系統(tǒng)的施工效率、系統(tǒng)功耗、工作方式。了解和掌握其原理，對系統(tǒng)研發(fā)、改進，甚至使用都有重要的意義。
關鍵詞： 即現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）；無線通訊；超聲波；聲通訊
Key words: field-programmable gate array (FPGA)；wireless communication；ultrasonic wave；acoustic wireless communication
中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2012）24-0215-02
0 引言
隨著電子技術的飛速度發(fā)展，無線通訊正悄然的改變著這個社會，成為人們生活中不可或缺的一部分，傳統(tǒng)意義上的無線通訊大多建立在電磁通訊上，雖發(fā)展早技術相對成熟，但并不適合于所有領域，如海洋環(huán)境。由于水是電的良導體，這使得電磁波在水下衰減十分迅速，想進一步實現(xiàn)無線通訊非常困難。如今世界各國對海洋資源開發(fā)的日益重視，人們越發(fā)感覺到找尋一種新型的無線通訊方式并制定與之相應的通訊體制的重要性。與此同時因聲波在水下傳播方向性好，穿透力強，傳播距離遠等特性，使得水聲成為水下通訊的首選媒介，無線聲通訊的研究正在成為一個新的研究熱點。
現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為新一代的可編程邏輯器件以其成本低、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)勢，廣泛應用于通訊、工控、接口總線、航空及車載控制等的設計上，成為最具靈活性及廣泛性的開發(fā)設計平臺之一。FPGA可輕易地被修改與變更，且允許開發(fā)人員根據(jù)需求變化進行資源的重新配置，這允許我們對已經(jīng)成型的PCB在不改動硬件連接的情況下進行二次開發(fā)，這一優(yōu)點在無線通訊設計方面尤為明顯，突出表現(xiàn)在系統(tǒng)的升級更新，協(xié)議的調整，接口的擴展等方面。FPGA在為無線通訊系統(tǒng)提供豐富資源的同時，也使無線通訊系統(tǒng)煩瑣的開發(fā)過程變的簡單。
1 總體設計和系統(tǒng)架構
本系統(tǒng)分為超聲波收發(fā)部分，調制解調部分以及與外界MCU、PC進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢ART接口模塊、系統(tǒng)接口緩存FIFO四個部分組成。系統(tǒng)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)通過脈沖進行編碼調制，把數(shù)據(jù)加載到聲波上以超聲波的能量形式發(fā)送出去，由超聲波接收模塊接收，并進行信號的解調與校驗。系統(tǒng)中將要發(fā)送與新接收到的數(shù)據(jù)都暫存在FIFO中，并通過UART接口與外界進行數(shù)據(jù)的交互，如圖1所示。
2 設計原理
2.1 無線部分的設計
2.1.1 超聲波無線通訊協(xié)議選擇與數(shù)據(jù)幀結構 為了能夠正確地對超聲波進行編碼，首先必須對通訊協(xié)議進行選擇與設計。設計的關鍵在于幀的同步問題，本設計參考了串口通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)幀包含一個起始位，8個數(shù)據(jù)位，一個偶校驗位和1個停止位。未接收到信號時，定時器不計時，當電平由高變低即收到起始位0時，記時器開始計時，既以起始位作為幀同步的信號。通過比較計數(shù)器的計數(shù)來判斷每一位是0或者是1，接收完8位數(shù)據(jù)、校驗位及停止位后。定時器復位，準備接收下一個數(shù)據(jù)。本設計以200個40KHZ周期脈沖時間作為最小的電平轉換單元，即最小的電平持續(xù)時間為5ms，為保證采樣數(shù)據(jù)的可靠性，對每位的電平數(shù)據(jù)進行中心點附近的5次采樣。
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項目組長匯報了該項目實施進展情況、主要成果及經(jīng)費支出等內容，各課題匯報了課題研發(fā)進展及現(xiàn)階段主要成果。項目在混合原料預處理及厭氧聯(lián)合發(fā)酵、干濕耦合發(fā)酵、生物燃氣脫硫、脫碳提純生產(chǎn)車用燃氣、生物質高效熱解氣化等關鍵技術及裝備等方面取得重要突破，已完成北京德青源沼氣提純壓縮高值利用示范工程、廣西武鳴車用生物燃氣示范工程、分布式新農村生物質資源站示范工程等。
惠州仲愷高新區(qū)波士頓孵化器揭牌
日前，惠州仲愷高新區(qū)波士頓孵化器、聯(lián)絡處揭牌儀式在美國馬薩諸塞州舉行。這標志著惠州仲愷高新區(qū)孵化器建設走出國門，逐步構建異地孵化體系。今后，海外創(chuàng)業(yè)團隊只需在惠州仲愷高新區(qū)注冊，并成功通過入孵申請，其核心技術人員可以享受異地遠程孵化服務。
惠州仲愷高新區(qū)區(qū)委書記鐘一爾介紹，惠州仲愷高新區(qū)波士頓孵化器及聯(lián)絡處將致力于建立惠州仲愷高新區(qū)海外科技創(chuàng)新信息支撐平臺，支持企業(yè)與海外科研院所、創(chuàng)新機構及人員的對接交流，實現(xiàn)技術成果的升級、轉移和交易。同時為廣大海外創(chuàng)業(yè)人員及企業(yè)提供資本對接、市場推廣、政策優(yōu)惠申請等方面的服務。目前，已有美國哈佛大學醫(yī)學院、MIT等創(chuàng)業(yè)團隊以及從事生物新能源技術開發(fā)的5個團隊與惠州仲愷高新區(qū)簽署了入孵意向書。入孵企業(yè)注冊在惠州仲愷高新區(qū)，研發(fā)團隊在國外培育。
海外創(chuàng)業(yè)團隊成功通過孵化申請，就可以享受惠州仲愷高新區(qū)“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)創(chuàng)意特區(qū)”優(yōu)惠扶持政策體系。其中，惠州仲愷高新區(qū)為每個創(chuàng)業(yè)團隊配備一個專人進行服務，幫助解決成立項目或公司的事務辦理；提供先進的科研設施和平臺，解決海外學子創(chuàng)業(yè)的硬件要求；還可以得到前期風投、股權投資和股權交易等金融支持引導。LED、移動互聯(lián)網(wǎng)、平板顯示、新能源和現(xiàn)代服務業(yè)（以云計算為代表）等行業(yè)創(chuàng)業(yè)團隊還可以享受稅收和土地使用等優(yōu)惠。
“十二五”國家科技支撐計劃“村鎮(zhèn)飲用水安全保障重大科技工程”項目啟動實施
近日，科技部、水利部聯(lián)合啟動實施“十二五”國家科技支撐計劃“村鎮(zhèn)飲用水安全保障重大科技工程”項目，并陸續(xù)召開了各課題啟動會。
該項目深入貫徹落實國務院實施的《全國農村飲水安全工程“十二五”規(guī)劃》，以解決和滿足我國村鎮(zhèn)飲水安全工程建設與管理中的關鍵技術裝備需求為出發(fā)點，以大力保障和支撐全國農村飲水安全工程、全面提升農村供水科技水平和行業(yè)技術創(chuàng)新能力為目標，重點攻克村鎮(zhèn)飲用水源開發(fā)與污染防治、劣質水與污染水高效凈化、飲用水安全消毒與水質檢測、輸配水水質維護、安全供水管理與信息化、村鎮(zhèn)既有水廠改造、農村應急供水等重大關鍵技術，研發(fā)一批適合農村供水工程特點、實用經(jīng)濟、管理便捷的成套技術和設備，建立一大批適合不同地域和水質特征的農村安全供水示范工程，培育集技術研究、設備研制、產(chǎn)業(yè)化開發(fā)與試驗示范為一體的村鎮(zhèn)飲用水安全保障科技支撐體系和產(chǎn)業(yè)化隊伍。
973計劃啟動高性能聲功能材料研究項目
近日，973計劃“高性能聲功能材料研究及其在高端超聲換能器中的集成”項目啟動會在哈爾濱召開，科技部基礎研究司、973計劃咨詢組專家、項目組成員等30余人參加了會議。
在會上，項目首席科學家曹文武教授報告了項目研究方案及工作思路，各課題負責人匯報了工作計劃安排，與會專家進行了研討并提出了建議性意見。我國超聲設備產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大但整體技術水平較低，高端產(chǎn)品被發(fā)達國家壟斷，根本原因是超聲換能器這一核心部件與國外差距較大，成為制約我國超聲探測設備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頸瓶。該項目針對醫(yī)療診斷、工業(yè)無損檢測和水下通訊等國家重大需求，研究弛豫鐵電單晶巨壓電性的影響因素、大尺寸弛豫鐵電單晶制備的調控機制、超聲復合材料中的寬頻帶聲傳輸和吸收機理以及三類不同聲功能材料集成的結構協(xié)調增益，將為推動我國高端超聲探測系統(tǒng)的發(fā)展奠定科學基礎。
山東日照加速千億級臨港產(chǎn)業(yè)集群建設
日前獲悉，山東日照2013年將投資130億元，以確保百項重點工業(yè)項目完成。近年來，日照市著力推進產(chǎn)業(yè)結構轉型升級，強化“產(chǎn)業(yè)鏈延伸”和“價值鏈再造”，加快培育鋼鐵、石化、汽車及裝備制造、漿紙印刷包裝等千億級、五百億級臨港產(chǎn)業(yè)集群。
2012年，日照市金馬集團汽車轉向系統(tǒng)關鍵零部件等45個項目列入山東省1000個重點技術改造項目計劃，共落實國家、山東省扶持資金2928萬元，項目數(shù)和扶持資金額均為3年來最多；金禾生化檸檬酸生物轉化等 35個項目列入2012年山東省企業(yè)重點技術改造導向計劃。日照市重點規(guī)劃實施的100個工業(yè)項目開工率90%，累計完成投資122億元；重點規(guī)劃實施的65項戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)項目開工建設49項，完成投資73.6億元。山東金石瀝青高檔重交瀝青、凌云海糖業(yè)120萬噸食糖精煉、晨曦石油化工140萬噸重油制烯烴等項目已投產(chǎn)運行，現(xiàn)代威亞發(fā)動機及毛坯工廠擴容、海帝電器液晶平板電視、現(xiàn)代派沃泰自動變速箱等項目已投產(chǎn)達效。目前，日照市臨港工業(yè)主要產(chǎn)能已達到鋼1200萬噸、汽車75萬輛（含低速車）、發(fā)動機70萬臺、漿紙188萬噸、大豆油脂700萬噸、油品加工990萬噸，競爭力和支撐力與日俱增。
中關村“金種子工程”助力初創(chuàng)企業(yè)成長
日前，中關村“金種子工程”首期四人董事會在北京舉行。“四人董事會”是中關村金種子工程推出的創(chuàng)業(yè)輔導新模式，由“金種子工程”導師、金種子企業(yè)創(chuàng)始人和需要幫助的創(chuàng)業(yè)者組成臨時董事會，幫助陷入困境的企業(yè)解決發(fā)展中遇到的實際問題。
“中關村‘金種子工程’除了幫助金種子企業(yè)，有些服務也對非金種子企業(yè)開放。它是培養(yǎng)中關村初創(chuàng)企業(yè)的搖籃?！敝嘘P村創(chuàng)業(yè)服務處處長楊彥茹介紹，中關村“金種子工程”啟動一年來，已先后有100家企業(yè)入選中關村“金種子工程”，并享受到創(chuàng)業(yè)導師、投融資對接、創(chuàng)業(yè)互助等多項服務。在中關村“金種子工程”的支持下，一個個好的創(chuàng)意、一個個好的產(chǎn)品、一家家優(yōu)質企業(yè)正在中關村破繭而出。
蚌埠高新區(qū)發(fā)展產(chǎn)業(yè)集群實現(xiàn)爭先進位
近日從蚌埠高新區(qū)獲悉，2013年蚌埠高新區(qū)將按照“產(chǎn)城一體化”的發(fā)展思路，以提升綜合承載力為重點，以招商引資為抓手，以科技創(chuàng)新為引領，不斷擴大有效投入，全力推進“南向發(fā)展”，大力發(fā)展產(chǎn)業(yè)集群，實現(xiàn)其在國家高新區(qū)中爭先進位。
身為蚌埠市工業(yè)強市主戰(zhàn)場，蚌埠高新區(qū)緊緊圍繞打造“千億園區(qū)”這一目標，明晰了2013年經(jīng)濟社會發(fā)展的主要奮斗目標，即實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值增長13%、科技工貿總收入增長15%；實現(xiàn)規(guī)模以上工業(yè)增加值增長19%；完成固定資產(chǎn)投資87.5億元，增長25%；引進市外內資100億元，利用外資1.3億美元；實現(xiàn)財政總收入9.3億元，其中地方收入5.2億元，增長21%。
海爾首創(chuàng)“深腔變頻”新型平板式吸油煙機
在市民眼中，吸油煙機和燃氣灶是與高科技“絕緣”的產(chǎn)品。不過，在海爾實驗室，記者卻看到了將科技化、人性化、智能化融為一體的全新廚電產(chǎn)品?！吧钋蛔冾l”新型平板式油煙機首次在平板機上應用深腔設計，解決了傳統(tǒng)吸油煙機攏煙效果差、噪音大的問題。而具有“渦流增氧”功能的燃氣灶則實現(xiàn)了大火力和高效率的雙重突破，滿足了用戶大火、省氣的烹飪需求。
這款產(chǎn)品改變了傳統(tǒng)煙機的構造，應用了行業(yè)首創(chuàng)的新型攏煙技術和倒置油網(wǎng)，整體看起來整齊、漂亮，而且內錐形網(wǎng)所形成的深腔攏煙改變了平板機攏煙效果差、風量小的難題，使油煙吸得更干凈、油煙排得更快。此外，為了讓油煙機更加智能，該產(chǎn)品在行業(yè)率先應用了直流變頻技術，變頻風機配備了12個檔位，可以根據(jù)不同的煙量進行調節(jié)，同時，這種風機也具備更強的動力。這臺“深腔變頻”油煙機噪音非常低，實現(xiàn)了最低22分貝靜音、節(jié)能省電25%、電機運行溫升低至30K以下的效果。
京東方推出5.5英寸ADSDS FHD級手機屏
近日，京東方成功研發(fā)出全球首款5.5英寸ADSDS FHD級（全高清分辨率）LTPS-TFT手機顯示屏。該手機屏集全視角、窄邊框、高對比度于一體，憑借其1920×1080的全高清分辨率，403ppi的高像素密度，實現(xiàn)了堪比全高清電視屏的畫面效果。更值得一提的是，這款京東方自主研發(fā)的手機屏將于近期與國內知名手機品牌一起推向市場。
據(jù)了解，該顯示屏采用了京東方獨有的ADSDS寬視角技術，實現(xiàn)了近180°的全視角顯示，充分滿足用戶視頻電話或觀賞影片的需求。其403ppi的高像素密度，比當前流行的326ppi視網(wǎng)膜顯示高約24%，無論是靜態(tài)畫面顯示，還是動態(tài)影像效果都能精準、細膩地呈現(xiàn)。
京東方這款5.5英寸全高清顯示屏，屏幕更大、更輕薄、更環(huán)保：其窄邊框設計使得產(chǎn)品兩側邊框寬度較現(xiàn)行市面上的產(chǎn)品減少近一半，故在相同外形尺寸的顯示屏上得到了更大的可視面積；所采用的 LTPS-TFT技術在有效降低顯示屏功耗的同時擁有更出色的亮度。
據(jù)介紹，該款5.5英寸ADSDS LTPS-TFT全高清手機屏已在京東方成都4.5代線投入生產(chǎn)。
松下成功研發(fā)出全球最大的4K有機顯示器
