專利名稱：非接觸式水下通信裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及水下通信的領(lǐng)域。特別地，本發(fā)明涉及水下通信裝置。本發(fā)明還涉及用于水下通信的方法。
背景技術(shù)：
存在對(duì)于能夠從位于深水或其他水面下位置(subsurface location)(其中物理數(shù)據(jù)傳輸電纜的使用是不切實(shí)際的)中的數(shù)據(jù)采集裝備檢索數(shù)據(jù)的可靠的水面下通信裝置的不斷增長(zhǎng)的需求。已知的海底通信裝置包括遠(yuǎn)程操作車(chē)輛(ROV)、自主式水下車(chē)輛 (AUV)和載人潛水器。當(dāng)前存在對(duì)監(jiān)測(cè)例如溫度、流分布(current profile)和地震活動(dòng)等水面下海況的興趣。還需要海底通信裝置來(lái)監(jiān)測(cè)水下設(shè)備，其包括海底立管和水下管道系統(tǒng)。海下通信的健全方法已經(jīng)成為很多種人類海底活動(dòng)的必不可少的組成部分，并且期望進(jìn)一步改進(jìn)。常用的水下無(wú)線通信系統(tǒng)包括聲通信系統(tǒng)、光通信系統(tǒng)和采用低頻電磁射頻信號(hào)傳輸和接收的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中的每個(gè)具有優(yōu)勢(shì)和局限性。聲系統(tǒng)是通用的并且被廣泛使用。例如，在10-27千赫茲的范圍中操作的聲調(diào)制解調(diào)器可以用于海底數(shù)據(jù)傳輸。然而， 在淺水中，聲技術(shù)的使用可以受到例如由于波浪作用或船發(fā)動(dòng)機(jī)引起的噪聲等背景噪聲干擾。聲能在水中傳播的低速(大約1500米每秒)限制了使用聲海底通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。已知由聲海底通信系統(tǒng)產(chǎn)生的聲信號(hào)遭受來(lái)自水面和海床的反射，引起信號(hào)的多路徑傳播。因此，相關(guān)的信號(hào)可在大致上不同的時(shí)間到達(dá)接收器并且引起復(fù)雜的數(shù)據(jù)流。光系統(tǒng)可以提供比聲系統(tǒng)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率；然而，光系統(tǒng)易受到由于從海水中存在的微粒光散射引起的信號(hào)損失。另外，周?chē)墓饪筛蓴_信號(hào)接收。光系統(tǒng)典型地局限于大約幾米距離的數(shù)據(jù)傳輸。由于水的部分導(dǎo)電性質(zhì)，電磁信號(hào)在水中快速衰減。海水比淡水導(dǎo)電性更高并且因此產(chǎn)生比淡水更大的電磁信號(hào)衰減。盡管電磁輻射可傳播通過(guò)海水，相對(duì)高的傳導(dǎo)率的海水趨于使傳播通過(guò)海水的電磁波的電場(chǎng)分量衰減。水具有的導(dǎo)磁率接近自由空間的導(dǎo)磁率，使得純磁場(chǎng)相對(duì)不受水影響。然而，因?yàn)榘陔姶泡椛渲械哪芰砍掷m(xù)在磁場(chǎng)和電場(chǎng)分量之間循環(huán)，由于導(dǎo)電損耗，通過(guò)水傳遞的由電磁輻射構(gòu)成的信號(hào)趨于衰減，其是該信號(hào)通過(guò)水進(jìn)行的距離的函數(shù)。從而，盡管迄今在水下通信領(lǐng)域中取得令人印象深刻的技術(shù)成就，但需要進(jìn)一步的改進(jìn)，尤其是在高數(shù)據(jù)傳輸速率的非接觸式水下通信領(lǐng)域中。本公開(kāi)提供水下通信中的許多長(zhǎng)期存在的問(wèn)題的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其包括(a)防水外殼；(b)設(shè)置在該外殼外部的發(fā)射元件(radiative element)，所述發(fā)射元件包括至少兩個(gè)天線，其中該發(fā)射元件配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水；和(c)設(shè)置在該外殼內(nèi)的通信部分，所述通信部分耦合于所述發(fā)射元件，所述通信部分包括至少一個(gè)傳送器，其中該通信部分配置成傳送作為由該發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其包括(a)防水外殼；(b)設(shè)置在該外殼外部的接收元件，所述接收元件包括至少兩個(gè)天線，其中該接收元件配置成檢測(cè)傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)；和(c)設(shè)置在該外殼內(nèi)的通信部分，所述通信部分耦合于所述接收元件， 所述通信部分包括至少一個(gè)接收器，其中該通信部分配置成接收并且解調(diào)由該接收元件感測(cè)的電場(chǎng)信號(hào)承載的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。在再另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其包括(a)防水外殼；(b)設(shè)置在該外殼外部的發(fā)射元件，所述發(fā)射元件包括至少兩個(gè)天線，其中該發(fā)射元件配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水并且檢測(cè)傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)；和(c)設(shè)置在該外殼內(nèi)的通信部分，所述通信部分耦合于所述發(fā)射元件，所述通信部分包括至少一個(gè)傳送器和至少一個(gè)接收器，其中該通信部分配置成傳送作為由該發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)并且接收和解調(diào)由該發(fā)射元件感測(cè)的電場(chǎng)信號(hào)承載的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。在再另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供水下通信的方法，其包括(i)將第一通信裝置和第二通信裝置帶入信號(hào)接觸距離內(nèi)；(ii)使來(lái)自該第一通信裝置的電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)該第一通信裝置與該第二通信裝置之間的水域；和(iii)通過(guò)該第二通信裝置接收所述電場(chǎng)信號(hào)；其中該第一通信裝置包括防水外殼；設(shè)置在該外殼外部的發(fā)射元件，所述發(fā)射元件包括至少兩個(gè)天線，其中該發(fā)射元件配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水；和設(shè)置在該外殼內(nèi)的通信部分，所述通信部分耦合于所述發(fā)射元件，所述通信部分包括至少一個(gè)傳送器，其中該通信部分配置成傳送作為由該發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)；并且其中該第二通信裝置包括防水外殼；設(shè)置在該外殼外部的接收元件，所述接收元件包括至少兩個(gè)天線，其中該接收元件配置成檢測(cè)通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)；設(shè)置在該外殼內(nèi)的通信部分，所述通信部分耦合于所述接收元件，所述通信部分包括至少一個(gè)接收器，其中該通信部分配置成接收并且解調(diào)由該接收元件感測(cè)的電場(chǎng)信號(hào)承載的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。


當(dāng)下列詳細(xì)說(shuō)明參照附圖(其中類似的符號(hào)在整個(gè)附圖中表示類似的部件)閱讀時(shí)，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)勢(shì)將變得更好理解，其中圖1圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的通信裝置；圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的通信裝置；圖3圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的通信裝置；圖4圖示根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例基于麥克斯韋電流波動(dòng)方程的預(yù)測(cè)的電場(chǎng)；以及圖5圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例說(shuō)明電場(chǎng)信號(hào)的成功的傳輸和接收的幅度VS頻率譜線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用電場(chǎng)信號(hào)提供對(duì)數(shù)據(jù)高速傳輸和接收有用的裝置。由本發(fā)明提供的這些裝置尤其非常適合在傳送裝置和接收裝置之間的直接物理接觸不實(shí)際的情況下在水下環(huán)境中使用。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其是傳送裝置。在備選實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其是接收裝置。在再另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其可以起到傳送裝置和接收裝置兩者的作用。能夠起到傳送裝置和接收裝置兩者的作用的通信裝置在本文中有時(shí)可稱為收發(fā)裝置。如指出的，在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其是包括防水外殼和設(shè)置在該外殼外部的發(fā)射元件的傳送裝置。該發(fā)射元件包括至少兩個(gè)天線，其每個(gè)的一部分設(shè)置在該防水外殼內(nèi)，并且其每個(gè)的一部分設(shè)置在該防水外殼外部。該發(fā)射元件配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水并且耦合于設(shè)置在該防水外殼內(nèi)的通信部分。該通信部分包括至少一個(gè)傳送器，但也可包括例如電源(例如電池)等其他部件。該通信部分配置成傳送作為由該發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。在通信裝置可以起到傳送裝置作用的實(shí)施例中，通信部分配置成數(shù)據(jù)的數(shù)字調(diào)制。很多種的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是已知的并且可根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面使用。適合的調(diào)制技術(shù)包括直接序列擴(kuò)頻(DSSQ數(shù)字調(diào)制、正交頻分調(diào)制(OFDM)數(shù)字調(diào)制、跳頻擴(kuò)頻 (FHSS)數(shù)字調(diào)制、正交相移鍵控(QPSK)數(shù)字調(diào)制、正交幅度(QAM)數(shù)字調(diào)制、二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)數(shù)字調(diào)制及其組合，例如DSSS和OFDM數(shù)字調(diào)制技術(shù)的組合。數(shù)據(jù)的數(shù)字調(diào)制可以使用波形發(fā)生器實(shí)施，例如使用本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員已知的許多商業(yè)上可得到的波形發(fā)生器中的任何波形發(fā)生器。配置成充當(dāng)傳送裝置的通信裝置的通信部分的其他部件可包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、濾波器、功率驅(qū)動(dòng)器、關(guān)聯(lián)的連接器和電源。在一個(gè)實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的通信裝置包括耦合在一起的電源電池、波形發(fā)生器、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器、平滑濾波器和功率驅(qū)動(dòng)器，使得該波形發(fā)生器的數(shù)字輸出被提供成為該數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出由連接于功率驅(qū)動(dòng)器的該平滑濾波器處理。該功率驅(qū)動(dòng)器耦合于發(fā)射元件，其配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水。在一個(gè)實(shí)施例中，配置成充當(dāng)傳送裝置的該通信部分包括信號(hào)處理元件、濾波器元件、轉(zhuǎn)換器和功率驅(qū)動(dòng)器。在各種實(shí)施例中，電場(chǎng)信號(hào)是由功率驅(qū)動(dòng)器和發(fā)射元件的天線建立的可變電場(chǎng)并且可包含數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，電場(chǎng)信號(hào)特征在于在從大約1千赫茲至大約 100兆赫茲的范圍中的頻率和在從大約每米1微伏至大約每米100伏的范圍中的強(qiáng)度。在備選實(shí)施例中，電場(chǎng)信號(hào)具有在從大約1.1千赫茲至大約10兆赫茲的范圍中的頻率。在再另一個(gè)實(shí)施例中，電場(chǎng)信號(hào)具有在從大約1. 5千赫茲至大約5兆赫茲的范圍中的頻率。如指出的，在一個(gè)實(shí)施例中，電場(chǎng)具有在從大約每米1微伏至大約每米100伏的范圍中的強(qiáng)度。與在該強(qiáng)度范圍中工作關(guān)聯(lián)的優(yōu)勢(shì)是它要求相對(duì)低的傳送器功率但在短的信號(hào)接觸距離上還是有效的(術(shù)語(yǔ)信號(hào)接觸距離在下文中被定義)。在各種實(shí)施例中，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將意識(shí)到，隨著信號(hào)接觸距離增加，可要求更高的功率(更多的場(chǎng)強(qiáng))。在一個(gè)實(shí)施例中，電場(chǎng)信號(hào)具有從大約每米10納伏至大約每米10伏的強(qiáng)度。因?yàn)橛赏ㄐ挪糠之a(chǎn)生和由發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)在它生成時(shí)純粹是電的，它在例如鹽水等導(dǎo)電介質(zhì)中快速衰減。如此，在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，數(shù)據(jù)從傳送裝置到接收裝置的非接觸式傳輸在相對(duì)近的范圍實(shí)施，典型地在從幾毫米至幾米的范圍中。在各種實(shí)施例中，數(shù)據(jù)從傳送裝置到接收裝置的非接觸式傳輸在信號(hào)接觸距離實(shí)施。如本文中使用的術(shù)語(yǔ)“信號(hào)接觸距離”代表承載數(shù)據(jù)的電場(chǎng)信號(hào)可從傳送裝置傳送并且由接收裝置接收同時(shí)保持有用水平的信噪比的距離。在一個(gè)實(shí)施例中，該信號(hào)接觸距離小于100米。在另一個(gè)實(shí)施例中，該信號(hào)接觸距離小于10米。在備選實(shí)施例中，該信號(hào)接觸距離小于1米。在再另一個(gè)實(shí)施例中，該信號(hào)接觸距離小于0. 5米。在本發(fā)明的傳送裝置和本發(fā)明的接收裝置之間相對(duì)鄰近的操作期間的要求由相對(duì)高的數(shù)據(jù)傳輸速率補(bǔ)償，當(dāng)與常規(guī)的水下通信技術(shù)相比，可實(shí)現(xiàn)該相對(duì)高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供水下通信的方法，其中本發(fā)明的傳送裝置和本發(fā)明的接收裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸速率是至少每秒100千比特。在備選實(shí)施例中，數(shù)據(jù)傳輸速率是在從大約每秒10千比特(kbps)至大約每秒100兆比特(Mbps)的范圍中。如指出的，電場(chǎng)信號(hào)是可變電場(chǎng)并且可包含例如電場(chǎng)頻率、電場(chǎng)相位和電場(chǎng)幅度等電場(chǎng)的各個(gè)成分中的數(shù)據(jù)。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將意識(shí)到在本發(fā)明的通信裝置和方法(其依靠電場(chǎng)信號(hào))與常規(guī)的非接觸式水下通信方案(其采用例如無(wú)線電波等電磁能)之間劃分有重要區(qū)別。如指出的，在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其是包括防水外殼和設(shè)置在該外殼外部的接收元件的接收裝置。該接收元件包括至少兩個(gè)天線，其每個(gè)的一部分設(shè)置在該防水外殼內(nèi)，并且其每個(gè)的一部分設(shè)置在該防水外殼外部。該接收元件配置成檢測(cè)通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)并且耦合于設(shè)置在該防水外殼內(nèi)的通信部分。該通信部分包括至少一個(gè)接收器，但也可包括例如電源(例如電池)或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等其他部件。在一個(gè)實(shí)施例中，該通信部分配置成接收并且解調(diào)由該接收元件感測(cè)的電場(chǎng)信號(hào)承載的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。在各種實(shí)施例中，接收裝置的通信部分包括耦合于接收元件的放大器，接收元件的天線配置成感測(cè)傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)。通信部分可配置使得該放大器的輸出被引導(dǎo)到濾波器，該濾波器的輸出被引導(dǎo)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出被引導(dǎo)到波形接口板， 該波形接口板的輸出被引導(dǎo)到數(shù)據(jù)解調(diào)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。從而，在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其是包括通信部分的接收裝置，該通信部分包括放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 波形接口板和關(guān)聯(lián)的連接器。如將由本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員意識(shí)到的，這樣的通信部分部件是眾所周知的商業(yè)制品。在一個(gè)實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的接收裝置的通信部分具有從大約每米10納伏至大約每米10伏的動(dòng)態(tài)范圍。如指出的，在一個(gè)實(shí)施例中，通信裝置是收發(fā)裝置，其具有包括耦合于發(fā)射元件的傳送器的第一通信部分和包括耦合于接收元件的接收器的第二通信部分。從而，在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其包括防水外殼；包括至少兩個(gè)天線的發(fā)射元件，其中該發(fā)射元件配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水；設(shè)置在該外殼內(nèi)的第一通信部分，所述通信部分耦合于所述發(fā)射元件，所述通信部分包括至少一個(gè)傳送器，其中所述通信部分配置成傳送作為由該發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)；設(shè)置在該外殼外部的接收元件，所述接收元件包括至少兩個(gè)天線，其中該接收元件配置成檢測(cè)傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)；和設(shè)置在該外殼內(nèi)的第二通信部分，所述通信部分耦合于所述接收元件，所述通信部分包括至少一個(gè)接收器，其中該通信部分配置成接收并且解調(diào)由該接收元件感測(cè)的電場(chǎng)信號(hào)承載的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，該收發(fā)裝置包括單套天線，其起到發(fā)射元件和接收元件兩者的作用。(參見(jiàn)例如，本文中的圖3)。在一個(gè)實(shí)施例中，該第一和第二通信部分在起到收發(fā)器作用的單個(gè)通信部分內(nèi)組合。在這樣的實(shí)施例中，該通信部分配置成數(shù)字調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并且解調(diào)數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。
如指出的，由本發(fā)明提供的通信裝置的發(fā)射元件和接收元件配置成在發(fā)射元件的情況下使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水，或在接收元件的情況下檢測(cè)傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)。該電場(chǎng)信號(hào)可被認(rèn)為是從傳送裝置的發(fā)射元件傳播通過(guò)這兩個(gè)裝置之間的介入水域到接收裝置的接收元件。在各種實(shí)施例中，該水(電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)該水)具有在從大約每米3西門(mén)子至大約每米7西門(mén)子的范圍中的平均導(dǎo)電率。發(fā)射元件和接收元件都包括至少兩個(gè)天線，其包括導(dǎo)電材料或半導(dǎo)電材料。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其包括發(fā)射元件，其包括至少兩個(gè)天線(其包括銅金屬)。在這樣的情況下，該發(fā)射元件被認(rèn)為是包括導(dǎo)電材料(或簡(jiǎn)單地“傳導(dǎo)材料”)，即銅。 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其包括接收元件，其包括至少兩個(gè)天線(其包括銅金屬)。在這樣的情況下，該接收元件被認(rèn)為是包括導(dǎo)電材料(或簡(jiǎn)單地“傳導(dǎo)材料”)，即銅。如提出的，在各種實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的通信裝置可包括天線，其包括導(dǎo)電材料、半導(dǎo)電材料或其組合。在一個(gè)實(shí)施例中，天線包括從由銅、銀、金、鋁和青銅構(gòu)成的組選擇的導(dǎo)電材料。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信裝置，其包括青銅天線。在備選實(shí)施例中， 本發(fā)明提供通信裝置，其包括銅天線。參照?qǐng)D1，示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的通信裝置100和該通信裝置100的分解圖，該通信裝置100配置成為傳送器(其配置成傳送作為由發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù))。該裝置100包括防水外殼105和發(fā)射元件110。在示出的該實(shí)施例中，該發(fā)射元件Iio包括兩個(gè)天線115和120，其每個(gè)的一部分(117和12 設(shè)置在該防水外殼的外部。設(shè)置在外殼105的外部的天線的部分(117和12 設(shè)計(jì)成與水直接和/或間接接觸。每個(gè)天線115和120延伸進(jìn)入該外殼的內(nèi)部并且耦合于通信部分125，其配置作為傳送器130。傳送器130包括波形發(fā)生器135，其起到數(shù)字調(diào)制要傳送的數(shù)據(jù)的作用。如指出的，很多種的數(shù)字調(diào)制技術(shù)對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員是已知的。波形發(fā)生器135經(jīng)由連接器 137耦合于數(shù)模轉(zhuǎn)換器140，其進(jìn)而連接于濾波器145和功率驅(qū)動(dòng)器150(配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水)。各種連接器137對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員是已知的，例如SMA和BNC連接器?？蓮陌迳想姵?在圖中未示出)或例如臍帶電纜等另一個(gè)電力源(在圖中未示出)向通信裝置供應(yīng)電力。參照?qǐng)D2，示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的通信裝置200和該通信裝置200的分解圖。通信裝置200是接收裝置，其配置成檢測(cè)和存儲(chǔ)已經(jīng)被傳送作為傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。該裝置200包括防水外殼105和接收元件112。在圖2中示出的實(shí)施例中，該接收元件112包括兩個(gè)天線115和120，其每個(gè)的一部分(117和12 設(shè)置在該防水外殼的外部。設(shè)置在外殼105的外部的天線的部分(117和12 設(shè)計(jì)成與水直接和/ 或間接接觸。每個(gè)天線115和120延伸進(jìn)入該外殼的內(nèi)部并且耦合于通信部分125，其配置作為接收器155。接收器155包括經(jīng)由連接器137耦合于濾波器165的放大器160、模數(shù)轉(zhuǎn)換器170、波形接口板175和數(shù)據(jù)解調(diào)器和存儲(chǔ)單元180?？蓮陌迳想姵?在圖中未示出) 或例如臍帶電纜等另一個(gè)電力源(在圖中未示出)向通信裝置200供應(yīng)電力。在一個(gè)實(shí)施例中，該通信裝置200配置成起到能夠以40兆赫茲采樣數(shù)據(jù)的波形采樣器的作用。參照?qǐng)D3，示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的通信裝置300和通信裝置300的分解圖。 通信裝置300配置作為收發(fā)裝置，其配置成傳送作為通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)并且檢測(cè)傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)。通信裝置300包括防水外殼105和一對(duì)天線115和120， 其起到發(fā)射元件110和接收元件112兩者的作用。通信裝置300包括是傳送器130的第一通信部分125，和是接收器155的第二通信部分125。傳送器130大致上與在圖1中示出的相同。接收器155大致上與在圖2中示出的相同。在圖示的實(shí)施例中，通信裝置300(在本文中有時(shí)也稱為收發(fā)裝置)包括開(kāi)關(guān)模塊190，其配置成交替連接通信部分125/130和 125/155與發(fā)射/接收元件110/112。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將意識(shí)到這樣的開(kāi)關(guān)模塊是可容易得到的商業(yè)制品。關(guān)于在圖1-3中示出的實(shí)施例和由本發(fā)明提供的其他實(shí)施例中的每個(gè)，包括發(fā)射元件和/或接收元件的天線可配置使得設(shè)置在防水外殼的外部的天線的部分的長(zhǎng)度可根據(jù)需要變化。在一個(gè)實(shí)施例中，伸出到防水外殼的外部的天線的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)以基于水(例如海水)的導(dǎo)電率使天線阻抗與傳送器阻抗匹配。設(shè)置在防水外殼的外部的發(fā)射元件或接收元件的天線的部分可配置使得第一天線部分平行于第二天線部分，使得第一天線部分向背離第二天線部分的方向發(fā)散，或使得第一天線部分朝第二天線部分會(huì)聚。這樣的部分可具有相等的長(zhǎng)度或這樣的部分可具有不相等的長(zhǎng)度。在某些實(shí)施例中，天線的偏置(平行、 發(fā)散、會(huì)聚)可在操作期間變化以便優(yōu)化信號(hào)傳輸和接收。外殼可由任何適合的材料(或材料的組合)形成，該材料是不透水的和非導(dǎo)電的， 例如玻璃。在各種實(shí)施例中，用于形成外殼的材料是耐腐蝕的。在一個(gè)實(shí)施例中，外殼由例如商業(yè)上可得到的聚碳酸酯等透明聚合材料構(gòu)成。在備選實(shí)施例中，外殼由例如各種級(jí)別的商業(yè)上可得到的聚氯乙烯(PVC)等不透明聚合材料構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中，外殼由商業(yè)上可得到的PVC管道構(gòu)成。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信系統(tǒng)，其包括本發(fā)明的至少兩個(gè)通信裝置； 第一(傳送)裝置，其包括發(fā)射元件，該發(fā)射元件包括配置成使電場(chǎng)傳播通過(guò)水的至少兩個(gè)天線；和第二(接收)裝置，其包括接收元件，該接收元件包括配置成檢測(cè)傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)的至少兩個(gè)天線。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供通信系統(tǒng)，其包括一個(gè)或多個(gè)收發(fā)裝置，其包括(a) 防水外殼；(b)設(shè)置在該外殼的外部的發(fā)射元件，所述發(fā)射元件包括至少兩個(gè)天線，其中該發(fā)射元件配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水并且檢測(cè)傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)；和(c)設(shè)置在該外殼內(nèi)的通信部分，所述通信部分耦合于所述發(fā)射元件，所述通信部分包括至少一個(gè)傳送器和至少一個(gè)接收器，其中該通信部分配置成傳送作為由該發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)并且接收和解調(diào)由該發(fā)射元件感測(cè)的電場(chǎng)信號(hào)承載的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，至少兩個(gè)裝置設(shè)置成離彼此小于大約100米的距離。在備選實(shí)施例中，至少兩個(gè)裝置設(shè)置成離彼此小于大約10米的距離。在再另一個(gè)實(shí)施例中，至少兩個(gè)裝置設(shè)置成離彼此小于大約1米的距離。在再另一個(gè)實(shí)施例中，至少兩個(gè)裝置間隔距離在從大約0. 01米至大約1米的范圍中。在一個(gè)實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的通信系統(tǒng)可被采用以用于遠(yuǎn)程操作車(chē)輛(ROV) 和水下資產(chǎn)之間的近距離通信。水下資產(chǎn)和ROV之間典型的數(shù)據(jù)交換將在小于100米的距離實(shí)施。在一個(gè)實(shí)施例中，由本發(fā)明提供的通信系統(tǒng)可被采用以用于非常近的距離、非常高速的數(shù)據(jù)傳輸，例如實(shí)時(shí)采集并且橫跨短的信號(hào)接觸距離(例如幾毫米)傳送的數(shù)據(jù)的傳輸。
在再另一個(gè)實(shí)施例中，提供水下通信的方法。該方法包括將第一通信裝置和第二通信裝置帶入信號(hào)接觸距離內(nèi)并且使來(lái)自該第一通信裝置的電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)該第一通信裝置與該第二通信裝置之間的水域。該第二通信裝置接收電場(chǎng)信號(hào)。該第一通信裝置包括防水外殼和設(shè)置在該外殼的外部的發(fā)射元件。該發(fā)射元件包括配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水的至少兩個(gè)天線和設(shè)置在該外殼內(nèi)的通信部分。該第一通信裝置的通信部分耦合于該發(fā)射元件(該天線)。該第一通信裝置的通信部分包括至少一個(gè)傳送器，其配置成傳送作為由該發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。該第二通信裝置包括防水外殼和設(shè)置在該外殼的外部的接收元件。該第二通信裝置的該接收元件包括配置成檢測(cè)傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)的至少兩個(gè)天線。該第二通信裝置包括設(shè)置在該外殼內(nèi)的通信部分。該通信部分耦合于該接收元件(該天線)。該第二通信裝置的通信部分包括至少一個(gè)接收器并且配置成接收并且解調(diào)由該發(fā)射元件感測(cè)的電場(chǎng)信號(hào)承載的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明可用于監(jiān)測(cè)海底立管中的法蘭接頭的完整性。從而，傳感器設(shè)置在海底立管上的相鄰法蘭接頭之間的間隙附近，并且監(jiān)測(cè)立管段與段之間的間隙是否有相對(duì)于參考規(guī)范的任何變化。來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)提供給由本發(fā)明提供的第一通信裝置。該第一通信裝置傳送作為電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)到本發(fā)明的第二通信裝置(經(jīng)由這兩個(gè)裝置之間的介入水域)。在一個(gè)實(shí)施例中，該第一通信裝置數(shù)字調(diào)制該傳感器數(shù)據(jù)。 在備選實(shí)施例中，該傳感器本身數(shù)字調(diào)制該傳感器數(shù)據(jù)。在再另一個(gè)實(shí)施例中，該傳感器集成進(jìn)入該第一通信裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，該第一通信裝置附連至該海底立管的一定位置處，使得該裝置配置成感測(cè)設(shè)置在該立管上的相鄰法蘭之間的間隙內(nèi)的傳感器之間的信號(hào)。該第一通信裝置檢測(cè)傳感器信號(hào)、數(shù)字調(diào)制傳感器信號(hào)和傳送作為電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的信號(hào)到由本發(fā)明提供的第二通信裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，該第一通信裝置硬連線到傳感器中的至少一個(gè)。在備選實(shí)施例中，傳感器信號(hào)從傳感器中的至少一個(gè)到該第一通信裝置的通信是無(wú)線的。在再另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明可用于監(jiān)測(cè)海下管道。從而，靠近海下管道的本發(fā)明的第一通信裝置配置成感測(cè)該管道的一個(gè)或多個(gè)特性，例如內(nèi)部溫度、外部溫度、內(nèi)部壓強(qiáng)和流體通過(guò)該管道的流速。該第一通信裝置感測(cè)與這樣的特性中的一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的信號(hào)并且將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)，其作為電場(chǎng)信號(hào)被傳播進(jìn)入周?chē)暮Ｋ１景l(fā)明的第二通信裝置(例如R0V)被帶入該第一通信裝置的適合的信號(hào)接觸距離內(nèi)。該第二通信檢測(cè)、解調(diào)并且存儲(chǔ)由該第一通信裝置傳送的電場(chǎng)信號(hào)。盡管本文已經(jīng)提供具體示例，其包括在采油中使用的海底管道和海下立管的水面下監(jiān)測(cè)，本發(fā)明可用于監(jiān)測(cè)許多海下資產(chǎn)，其包括海底電纜和海底地震監(jiān)測(cè)器。試驗(yàn)部分試驗(yàn)1實(shí)施初步調(diào)查以努力將電場(chǎng)信號(hào)在水中的衰減模型化為信號(hào)頻率和傳送裝置與對(duì)應(yīng)的接收裝置之間的距離的函數(shù)。圖4呈現(xiàn)對(duì)于模型系統(tǒng)的計(jì)算的電場(chǎng)衰減，模型系統(tǒng)包括浸在水中的電場(chǎng)信號(hào)傳送裝置和電場(chǎng)信號(hào)接收裝置，并且基于麥克斯韋電流波動(dòng)方程。Y軸410代表響應(yīng)于變化的電場(chǎng)信號(hào)頻率(X軸412)的計(jì)算的電場(chǎng)衰減的大小。改變通信裝置之間的距離以獲得示出的頻率響應(yīng)曲線系列曲線414(0. 25米)、曲線416(0. 5 米)、曲線418 (1米)、曲線420 O米)和曲線422 G米)。計(jì)算的數(shù)據(jù)指示電場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度中的相對(duì)陡峭的損失(滾降)隨著信號(hào)頻率增加而發(fā)生(信號(hào)接觸距離大于大約0. 5米)。 在圖4中示出的結(jié)果的實(shí)際影響是由本發(fā)明提供的傳送裝置和接收裝置之間的信號(hào)接觸距離需要是相對(duì)小的以保持以實(shí)際傳送器功率水平的通過(guò)水的高速數(shù)據(jù)傳輸。接著在可控鹽水測(cè)試罐(其充滿具有大約每米4. 8西門(mén)子的平均導(dǎo)電率的海水) 中實(shí)施一套測(cè)試。電池供電的傳送裝置包括通信部分，其包括耦合于高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器的波形發(fā)生器(FPGA&Flash) SZ130-U00-K,該數(shù)模轉(zhuǎn)換器耦合于6極BW(帶寬)平滑濾波器和 IA功率驅(qū)動(dòng)器(LT1210)。該功率驅(qū)動(dòng)器耦合于一對(duì)銅天線。該通信部分封閉在由PVC管 (各端封閉)組成的防水外殼中。該防水外殼被配置使得銅天線的一部分延伸超過(guò)該P(yáng)VC 管的相同端的外表面若干英寸。傳送裝置放置在鹽水測(cè)試罐中使得該裝置漂浮在水面上，其中天線向下延伸進(jìn)入水中。設(shè)置在防水外殼的外部的天線的部分與海水直接接觸。接收裝置放置在木筏上，其漂浮在測(cè)試罐的水面上的離傳送裝置可控距離。接收裝置的接收元件包括一對(duì)聯(lián)接到接收器的鋁天線，該接收器被包含在防水外殼(其由PVC 管和適當(dāng)?shù)墓芙K端密封部件建造)內(nèi)。該接收器包括增益可選放大器和抗混疊濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC14L040)和波形接口板(WaveVison)。板上接收器經(jīng)由光纖電纜鏈接到“岸上”計(jì)算機(jī)主機(jī)，其配置成解調(diào)并且存儲(chǔ)從傳送裝置傳送到接收裝置的數(shù)據(jù)。在第一測(cè)試中，傳送裝置被程序化以產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)，其包括具有相等幅度的8個(gè)導(dǎo)頻音，該8個(gè)導(dǎo)頻音在從大約100千赫茲至大約5兆赫茲的頻率范圍中，且具有大約1伏的峰間輸出。該測(cè)試信號(hào)由傳送裝置傳送通過(guò)傳送裝置天線和接收裝置天線之間的介入的海域。該測(cè)試信號(hào)由接收裝置檢測(cè)并且存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)主機(jī)中。圖5代表由接收裝置收集的幅度vs頻率譜線，其中傳送裝置和接收裝置間隔兩英尺九英寸的距離。該譜線標(biāo)繪了信號(hào)幅度(Y軸510)與頻率(X軸512)的關(guān)系。在這些情況下，兩英尺九英寸的間隔代表可行的信號(hào)接觸距離，因?yàn)槿?個(gè)音調(diào)可清楚地從噪聲中辨別。從而，音調(diào)514 (100千赫茲)、516 (302千赫茲)、518 (705千赫茲)、520 (1. 41兆赫茲)、522 (2. 32兆赫茲)>524 (3. 12兆赫茲)>526 (4. 03兆赫茲)和528 (5. 04兆赫茲)橫跨整個(gè)測(cè)試的頻率范圍都能夠清楚地辨別。接著，傳送裝置和接收裝置之間的距離增加到十六英尺九英寸并且采用相同的測(cè)試信號(hào)，其包括具有相等幅度的8個(gè)導(dǎo)頻音，其處于從大約100千赫茲至大約5兆赫茲的頻率范圍中且具有大約1伏的峰間輸出。以信噪比vs頻率的譜線(未示出)來(lái)顯示并且分析由接收裝置收集的數(shù)據(jù)。在十六英尺九英寸的距離，僅100千赫茲處的音調(diào)能夠清楚地從噪聲中區(qū)分。接著，傳送裝置和接收裝置之間的距離在大約二十一英寸和大約兩百英寸之間變化。采用相同的測(cè)試信號(hào)，其包括處于從大約100千赫茲至大約5兆赫茲的頻率范圍中的具有相等幅度的8個(gè)導(dǎo)頻音，其具有大約1伏的峰間輸出。在低于大約五英尺的距離，8個(gè)導(dǎo)頻音中的每個(gè)能夠從噪聲中區(qū)分。然而，在更大的距離，信號(hào)至少部分地被本底噪聲混淆。試驗(yàn)2如在試驗(yàn)1中的配置的本發(fā)明的傳送裝置整體淹沒(méi)在試驗(yàn)1使用的測(cè)試罐中的水面以下大約17英寸至水面以下大約183英寸范圍的深度，同時(shí)保持離水面處的接收裝置差不多恒定的橫向距離。接收裝置的接收元件包括兩個(gè)青銅電極，其向下延伸到測(cè)試罐的水面以下。傳送裝置被程序化以傳送試驗(yàn)1中使用的8個(gè)非數(shù)據(jù)承載導(dǎo)頻音，并且另外還有2 個(gè)數(shù)據(jù)承載信號(hào)。數(shù)據(jù)承載信號(hào)由兩個(gè)導(dǎo)頻音的直接序列擴(kuò)頻(DSSQ數(shù)字調(diào)制形成(信號(hào) #1 :50KHz I-Q調(diào)制的504KHz導(dǎo)頻音，和信號(hào)#2 IOOKHz I-Q調(diào)制的1. 9IMHz導(dǎo)頻音)，并且與在試驗(yàn)1中采用的8個(gè)非數(shù)據(jù)承載導(dǎo)頻音一起從傳送裝置傳送到接收裝置。獲得的結(jié)果示出在大約15英寸的信號(hào)接觸距離，對(duì)于第一數(shù)據(jù)承載導(dǎo)頻音(#1)實(shí)現(xiàn)大約每秒100 千比特GAps)的數(shù)據(jù)傳輸速率，其符號(hào)錯(cuò)誤率(SER)為0，以及對(duì)應(yīng)地，對(duì)于第二數(shù)據(jù)承載導(dǎo)頻音(#2)實(shí)現(xiàn)大約2001ApS的數(shù)據(jù)傳輸速率，其SER為0。在更長(zhǎng)的信號(hào)接觸距離08 英寸)，也實(shí)現(xiàn)這些高的數(shù)據(jù)傳輸速率和低的SER。在再更長(zhǎng)的信號(hào)接觸距離，遭遇更高的 SER水平。兩個(gè)數(shù)據(jù)承載信號(hào)的數(shù)據(jù)采集在下文的表1中。在下文的表1中示出的每個(gè)信號(hào)接觸距離，8個(gè)非數(shù)據(jù)承載導(dǎo)頻音也能夠清楚地辨別。表 權(quán)利要求
1.一種通信裝置，其包括(a)防水外殼；(b)設(shè)置在所述外殼的外部的發(fā)射元件，所述發(fā)射元件包括至少兩個(gè)天線，其中所述發(fā)射元件配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水；和(c)設(shè)置在所述外殼內(nèi)的通信部分，所述通信部分耦合于所述發(fā)射元件，所述通信部分包括至少一個(gè)傳送器，其中所述通信部分配置成傳送作為由所述發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述發(fā)射元件包括導(dǎo)電材料、半導(dǎo)電材料或其組合。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述通信部分配置成通過(guò)直接序列擴(kuò)頻(DSSS)數(shù)字調(diào)制、正交頻分調(diào)制(OFDM)數(shù)字調(diào)制、跳頻擴(kuò)頻0 )數(shù)字調(diào)制、正交相移鍵控(QPSK) 數(shù)字調(diào)制、正交幅度(QAM)數(shù)字調(diào)制、二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)數(shù)字調(diào)制或其組合來(lái)數(shù)字調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述通信部分包括波形發(fā)生器中的一個(gè)或多個(gè)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、濾波器和功率驅(qū)動(dòng)器。
5.一種通信裝置，其包括(a)防水外殼；(b)設(shè)置在所述外殼的外部的接收元件，所述接收元件包括至少兩個(gè)天線，其中所述接收元件配置成檢測(cè)傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)；和(c)設(shè)置在所述外殼內(nèi)的通信部分，所述通信部分耦合于所述接收元件，所述通信部分包括至少一個(gè)接收器，其中所述通信部分配置成接收并且解調(diào)由所述接收元件感測(cè)的電場(chǎng)信號(hào)承載的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述接收元件包括導(dǎo)電材料、半導(dǎo)電材料或其組合。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述通信部分配置成解調(diào)通過(guò)直接序列擴(kuò)頻(DSSS) 數(shù)字調(diào)制、正交頻分調(diào)制(OFDM)數(shù)字調(diào)制、跳頻擴(kuò)頻(rass)數(shù)字調(diào)制、正交相移鍵控 (QPSK)數(shù)字調(diào)制、正交幅度(QAM)數(shù)字調(diào)制、二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)數(shù)字調(diào)制或其組合調(diào)制的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述通信部分包括數(shù)據(jù)解調(diào)和存儲(chǔ)單元、波形接口板、以及低噪聲放大器、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)或多個(gè)。
9.一種通信裝置，其包括(a)防水外殼；(b)設(shè)置在所述外殼的外部的發(fā)射元件，所述發(fā)射元件包括至少兩個(gè)天線，其中所述發(fā)射元件配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水并且檢測(cè)傳播通過(guò)水的電場(chǎng)信號(hào)；和(c)設(shè)置在所述外殼內(nèi)的通信部分，所述通信部分耦合于所述發(fā)射元件，所述通信部分包括至少一個(gè)傳送器和至少一個(gè)接收器，其中所述通信部分配置成傳送作為由所述發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)并且接收和解調(diào)由所述發(fā)射元件感測(cè)的電場(chǎng)信號(hào)承載的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述發(fā)射元件包括一對(duì)銅天線。
全文摘要
本發(fā)明涉及非接觸式水下通信裝置。本發(fā)明提供用于非接觸式水下數(shù)據(jù)傳輸和接收的通信裝置以及其他裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供傳送裝置，其包括(a)防水外殼；(b)設(shè)置在該外殼的外部的發(fā)射元件，所述發(fā)射元件包括至少兩個(gè)天線，其中該發(fā)射元件配置成使電場(chǎng)信號(hào)傳播通過(guò)水；和(c)設(shè)置在該外殼內(nèi)的通信部分，所述通信部分耦合于所述發(fā)射元件，所述通信部分包括至少一個(gè)傳送器，其中該通信部分配置成傳送作為由所述發(fā)射元件傳播的電場(chǎng)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)。還提供類似構(gòu)成的接收裝置、收發(fā)裝置、包含這樣的裝置的系統(tǒng)和使用這樣的裝置和系統(tǒng)的方法。
文檔編號(hào)H04B13/02GK102457296SQ201110346209
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者A·拉迪, D·W·塞克斯頓, J·T·加里蒂 申請(qǐng)人:通用電氣公司