ПОДВОДНАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ
UNDERWATER COMMUNICATION SYSTEM

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в целом к системам связи, а более конкретно к системам и способам, предназначенным для осуществления связи с устройствами позиционирования и датчиками, подключенными к подводным кабелям с гидрофонами.
Современные кабели с гидрофонами, например сейсморазведочные кабели, буксируемые за гидрографическими суднами, оборудованы устройствами позиционирования и датчиками, такими как регулятор горизонтального уровня или регулятор направления кабеля, акустические приемопередатчики и курсовые датчики. Эти устройства могут быть внешними и внутренними по отношению к сейсморазведочному кабелю. По длине каждого сейсморазведочного кабеля проложена линия, представляющая собой неэкранированную витую пару. Катушки связи, расположенные на расстоянии друг от друга по всей длине витой пары, поддерживают индуктивное соединение для передачи команд, сигналов управления и данных между линией связи и упомянутыми устройствами. Контроллер на борту гидрографического судна, буксирующего сейсморазведочные кабели, передает сообщения устройствам и принимает данные из этих устройств по витой паре. В традиционных системах передача данных по витой паре осуществляется со скоростью 2400 бод (с 1 битом на символ) в полудуплексном режиме с частотной манипуляцией (FSK, frequency-shift-keying) на средней частоте 26 кГц.
По мере увеличения длины сейсморазведочных кабелей, на которых размещается все большее количество обслуживающих устройств, система связи, работающая на скорости 2400 бод, становится сдерживающим фактором для последующего расширения. Во-первых, уровень сигналов падает в процессе передачи по сейсморазведочному кабелю, что соответственно ограничивает полезную длину такого кабеля. Для решения этой проблемы устанавливают промежуточные усилители, которые усиливают сигналы по мере их прохождения по сейсморазведочному кабелю. Однако даже при наличии промежуточных усилителей увеличивающееся количество устройств означает увеличение времени для осуществления связи, и на скорости 2400 бод полоса пропускания ограничена.
Таким образом, существует необходимость в системе связи, с помощью которой можно эксплуатировать сейсморазведочные кабели большей длины и с большим количеством устройств, установленных на существующих линях связи, реализованных в виде неэкранированных витых пар.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Указанные выше и иные требования удовлетворяются с помощью системы связи, в которой реализуются признаки настоящего изобретения, предназначенного для осуществления связи с устройствами, подключенными к подводному кабелю. Система связи функционирует посредством линии связи в виде витой пары, проходящей вдоль подводного кабеля, такого как сейсморазведочный кабель с гидрофонами. Блоки промежуточных усилителей распределены по длине кабеля на расстоянии друг от друга. Блоки промежуточных усилителей, подключенные к линии связи, разбивают эту линию на сегменты, расположенные между последовательными блоками промежуточных усилителей. Катушки связи подключаются к сегментам линии связи для обеспечения индуктивной связи с устройствами, соединенными с кабелем. Высокоскоростной канал передачи данных проходит через блоки промежуточных усилителей и функционирует по всей длине линии связи на первой скорости передачи данных в первом временном окне или в первом канале. Каждый низкоскоростной канал передачи данных функционирует на второй скорости передачи данных, которая меньше первой скорости передачи данных, в одном из сегментов, расположенных между блоками промежуточных усилителей, в течение второго временного окна, отличного от первого временного окна, или в другом, втором канале, предназначенном для передачи данных устройствам и приема данных от устройств.
Другой аспект настоящего изобретения относится к способу связи по линии связи в виде витой пары сейсморазведочного кабеля с устройствами, индуктивно соединенными с этой линией связи с помощью катушек, расположенных на расстоянии друг от друга по всей длине сейсморазведочного кабеля. Способ включает: (а) разделение линии связи на сегменты путем последовательного включения блоков промежуточных усилителей между следующими друг за другом сегментами; (b) передачу данных по высокоскоростному каналу передачи данных по всем сегментам на первой скорости передачи для связи с каждым из блоков промежуточных усилителей; (с) передачу данных по низкоскоростному каналу передачи данных на второй, меньшей скорости передачи в каждом сегменте между одним из блоков промежуточных усилителей, подключенных к сегменту, и устройствами, связанными с катушками связи этого сегмента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Признаки и аспекты настоящего изобретения, а также его преимущества станут понятными после ознакомления с последующим описанием, прилагаемой формулой изобретения и сопровождающими чертежами, на которых:
на фиг.1 представлено наглядное изображение гидрографического судна, буксирующего сейсморазведочный кабель, к которому подсоединены внешние устройства, осуществляющие связь посредством системы связи, реализующей признаки настоящего изобретения;
на фиг.2 показана блок-схема физического уровня двухуровневой системы связи, используемой в сейсморазведочном кабеле, показанном на фиг.1;
на фиг.3 показана блок-схема логического уровня двухуровневой системы связи, показанной на фиг.2;
на фиг.4 показана блок-схема промежуточного усилителя/контроллера, используемого в системе связи, показанной на фиг.2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг.1 показано гидрографическое судно 10, буксирующее сейсморазведочный кабель 12, по длине которого размещены гидрофоны. Внешние устройства, такие как гидроакустические приемопередатчики 14, выравнивающие регуляторы 16 кабеля и курсовые датчики 18, подсоединены к периферии подводного сейсморазведочного кабеля в определенных местоположениях по длине этого кабеля. Кроме того, к кабелю могут быть подсоединены другие внешние устройства, такие как измерители скорости и управляющие кабелем регуляторы. Помимо этого в пределах сейсморазведочного кабеля могут быть расположены внутренние устройства. В процессе типового трехмерного обзора судно может буксировать множество сейсморазведочных кабелей, длиной до 12 км. Все устройства, внешние и внутренние, управляются с борта судна контроллером 20, связь с которым осуществляется по неэкранированной витой паре, проложенной для связи по длине сейсморазведочного кабеля (Данные гидрофонов передаются на контроллер, расположенный на борте судна, по выделенному каналу связи, не показанному на чертеже).
На фиг.2 показана схема физического уровня системы связи с устройствами. По витой паре линии 22 связи поддерживается взаимодействие с контроллером, находящимся на борту судна, через блок линейного интерфейса (не показанный на чертеже), соединенный с головной частью линии связи на борте судна. Линия связи, реализованная в виде витой пары, разделена на сегменты 24 посредством блоков 26 промежуточных усилителей, установленных на расстоянии друг от друга по длине линии связи. Расстояние между последовательно расположенными блоками промежуточных усилителей не превышает 4 км. Блоки промежуточных усилителей включают повторители, которые ретранслируют и усиливают энергию входного (к судну) и выходного (от судна) потоков данных для обеспечения соответствующих уровней мощности и качества сигналов вплоть до концевой части сейсморазведочного кабеля.
Катушки 28 связи подключены к витой паре параллельно в определенных местоположениях каждого из сегментов 24. Катушки связи индуктивно передают сигналы между линией связи и внешними устройствами 14, 16, которые подключены к периферии 30 сейсморазведочного кабеля вблизи соответствующей катушки. Кроме того, внутренние устройства 32, находящиеся в пределах сейсморазведочного кабеля, могут быть также соединены с катушкой 28.
Как показано на фиг.3, с помощью логического уровня обеспечивается двухуровневая система связи на основе одной линии 22 связи с витой парой, изображенной на фиг.2. Система связи предпочтительно содержит высокоскоростной симметричный полудуплексный канал передачи данных с двухуровневой архитектурой, основанной на использовании промежуточных усилителей и включающей в свой состав один высокоскоростной магистральный канал 34 передачи данных, расположенный на первом уровне, и множество образующих второй уровень низкоскоростных каналов 36 передачи данных на небольшие расстояния, по одному на каждый сегмент 24 линии связи. Поскольку данные высокоскоростного и низкоскоростного каналов передаются по одной витой паре, для устранения конфликтов при передаче сообщений используется схема множественного доступа с временным разделением (TDMA, time division multiple access), согласно которой данные двух каналов передаются в различных временных окнах. В альтернативном варианте высокоскоростная и низкоскоростная передача данных по витой паре выполняется по двум отдельным каналам с использованием множественного доступа с разделением по частоте (FDMA, frequency division multiple access). Например, высокоскоростной канал передачи данных может функционировать в первом высокочастотном диапазоне со средней частотой, составляющей примерно 104 кГц (4-я гармоника средней частоты низкочастотного канала), а каждый низкоскоростной канал передачи данных может работать во втором низкочастотном диапазоне со средней частотой, составляющей примерно 26 кГц. Схема FDMA позволяет одновременно использовать оба канала передачи данных. TDMA и FDMA являются двумя примерами способов связи, которые могут использоваться для обеспечения работы обоих каналов передачи данных по одной линии связи. В высокоскоростной магистрали предпочтительно используется 8-уровневая гауссовская манипуляция 38 FSK с промежуточными усилителями. Высокоскоростной канал передачи данных работает на скорости 60 кбит/с (20 кбод при 3 битах на символ) со средней частотой в диапазоне примерно 100 кГц. На этой высокой частоте линия связи выглядит как линия передачи, и катушки, обеспечивающие связь и настроенные на 26 кГц, являются "прозрачными". Низкоскоростные каналы передачи данных логически ответвляются от каждого блока 26 промежуточных усилителей для связи с внешними и внутренними устройствами с использованием модуляции 40 FSK на скорости 2400 бод со средней частотой в диапазоне примерно 26 кГц, то есть со стандартными параметрами системы связи для существующих внешних устройств. Следовательно, эти существующие внешние устройства могут без модификации использоваться с данной двухуровневой системой связи. Каждый низкоскоростной канал охватывает блок промежуточных усилителей и сегмент 24 линии связи, соединенный с этим блоком промежуточных усилителей со стороны концевой части.
На фиг.4 показана блок-схема блока промежуточных усилителей. Каждый сегмент 24 линии связи подключается к блоку 26 промежуточных усилителей и через трансформатор 42 соединяется с приемником 44 и генератором 46 сигналов. Поскольку входные и выходные приемники и генераторы сигналов идентичны, ниже подробно рассматриваются только выходные цепи.
Выходные сигналы по линии связи подаются на приемник 44 через трансформатор 42. Сигналы со вторичной обмотки трансформатора через входной импеданс 48 и ограничитель 50, который служит для защиты от перенапряжения, подаются на малошумящий предусилитель 52. Низкочастотный сглаживающий фильтр 54 убирает высокочастотный шум с целью устранения наложения спектров в оцифрованном сигнале 55, сгенерированном 16-разрядным аналого-цифровым преобразователем (ADC, analog-to-digital converter) 56. Преобразователь ADC, перед которым включен следящий запоминающий дискретизатор 58, работает на частоте дискретизации, составляющей примерно 400 тысяч выборок/с. Затем оцифрованный входной сигнал обрабатывается цифровым сигнальным процессором (DSP, digital-signal-processor) 60.
Процессор DSP передает цифровые сигналы на вход генератора 46 выходных сигналов. Цифровые сигналы преобразуются в аналоговые сигналы 16-разрядным цифро-аналоговым преобразователем (DAC, digital-to-analog converter) 62, который работает на частоте, составляющей примерно 400 кГц, Восстанавливающий фильтр 64 интерполирует по времени преобразованный сигнал, и компаратор 66 нулевого уровня формирует аналоговый сигнал без дискретизации по времени. Сигнал усиливается усилителем 68 мощности, выполненным по схеме Н-моста, выходной сигнал которого подается на трансформатор 42. Приемник передает выходной сигнал на сегмент 24 линии связи через трансформатор 42. Поскольку система связи работает в полудуплексном режиме, выход усилителя мощности заземлен и обмотка формирования сигналов трансформатора нагружена на сопротивление 70 во временных окнах приема данных.
Процессор DSP 60 выполняет функции высокоскоростного и низкоскоростного модема. Высокоскоростной модем реализован как часть функции ретрансляции сигналов блока промежуточных усилителей. Процессор DSP демодулирует входящие сообщения, модулированные по схеме 8-уровневой гауссовской FSK (входные и выходные), оцифрованные в соответствующем приемнике, и преобразует их в битовый поток. Процессор DSP формирует из выходных сообщений кадр в виде последовательности байтов, буферизирует их и передает в контроллер 72 по линиям 74 управления, которые могут включать в свой состав шину данных, линии адреса и линии управления. Потоки входных сообщений просто ретранслируются. Для сообщений, создаваемых в блоке промежуточных усилителей, DSP добавляет фиксированное количество байтов преамбулы к байтам демодулированного сообщения перед модуляцией FSK исходящего сообщения. Преамбула используется следующим блоком промежуточных усилителей в цепочке промежуточных усилителей для восстановления тактового сигнала и синхронизации процесса демодуляции. При формировании выходных сообщений контроллер судна по той же причине также добавляет байты преамбулы. Функция восстановления синхронизации, реализованная в блоке промежуточных усилителей, извлекает тактовый сигнал из потока входящих сообщений. Для минимизации задержки при прохождении сигнала через каждый промежуточный усилитель высокоскоростные промежуточные усилители работают на символьном уровне. Структуры высокоуровневых сообщений, такие как байты и кадры, игнорируются функцией высокоскоростного промежуточного усилителя.
Каждая низкоскоростная линия 36 передачи данных связана с одним из блоков 26 промежуточных усилителей. Контроллер 72 устройств, который может представлять собой микроконтроллер, в каждом блоке промежуточных усилителей управляет связанной с блоком низкоскоростной линией передачи данных в сегменте 24 линии связи, подключенном со стороны концевой части к этому блоку промежуточных усилителей. Контроллер устройств передает команды и отклики между высокоскоростным и низкоскоростным каналами передачи данных. Низкоскоростной полудуплексный канал передачи данных работает в асинхронном режиме на скорости 2400 бод. Процессор DSP 60 функционирует как модем для модуляции FSK исходящих (выходных) команд, передаваемых из контроллера устройств во внешние устройства, индуктивно связанные с сегментом линии связи, и для демодуляции входящих (входных) откликов.
Каждый контроллер устройств выполнен так, что контроллер судна может адресовать данные конкретному контроллеру устройств, и содержит запоминающий элемент 76, в котором хранится список (таблица опроса) устройств, подключенных к связанному с ними сегменту линии связи. В стандартном цикле сканирования устройств с использованием TDMA контроллер судна передает в широковещательном режиме команду акустической синхронизации (Acoustic Sync) по высокоскоростному каналу передачи данных во все промежуточные усилители во время первого временного окна, в котором активен высокоскоростной канал. Затем во втором временном окне, в котором активен низкоскоростной канал передачи данных, контроллер каждого из блоков промежуточных усилителей передает локальную команду акустической синхронизации по своему низкоскоростному каналу передачи данных по истечении заранее заданного времени задержки, которое обратно пропорционально известному расстоянию от блока промежуточных усилителей до головной части сейсморазведочного кабеля. Эта процедура выполняется для обеспечения одновременной передачи всех команд акустической синхронизации во всех сегментах. Далее каждый блок промежуточных усилителей индивидуально опрашивает каждое неакустическое устройство, например регуляторы кабеля и курсовые датчики, указанные в соответствующей таблице опроса, путем передачи сообщений опроса по своему сегменту линии связи и ожидания своевременного приема отклика от устройств. Контроллер устройств управляет состояниями приема и передачи модема DSP, а также состояниями высокоскоростного и низкоскоростного каналов в соответствии с командой акустической синхронизации или согласно установкам контроллера судна. После опроса неакустических устройств и приема от них откликов контроллер устройств индивидуально опрашивает различные акустические устройства и принимает от них отклики. Контроллер устройств буферизирует все отклики для передачи посредством DSP контроллеру судна, который опрашивает каждый блок промежуточных усилителей с целью получения данных в откликах устройств, контролируемых этими контроллерами устройств, по высокоскоростному каналу передачи данных. Контроллер судна управляет рабочим циклом линии. Каждый промежуточный усилитель, не передающий данные, находится в режиме 'прослушивания' и контролирует входящие данные, поступающие по сегментам связи со стороны судна и со стороны концевой части.
Таким образом, с помощью настоящего изобретения реализуется двухуровневая система связи, которая работает по высокоскоростному и множеству низкоскоростных каналов передачи данных на основе линии с витой парой и стандартных сейсморазведочных кабелей, благодаря чему обеспечивается надежная связь с множеством устройств на протяженных сейсморазведочных кабелях.