非接触式水下通信装置
阅读：582发布：2020-11-25
专利汇可以提供非接触式水下通信装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及非 接触 式 水 下通信装置。本发明提供用于非接触式水下数据传输和接收的通信装置以及其他装置。在一个 实施例 中，本发明提供传送装置，其包括：(a)防水 外壳 ；(b)设置在该外壳的外部的发射元件，所述发射元件包括至少两个天线，其中该发射元件配置成使 电场 信号 传播通过水；和(c)设置在该外壳内的通信部分，所述通信部分耦合于所述发射元件，所述通信部分包括至少一个传送器，其中该通信部分配置成传送作为由所述发射元件传播的电场信号的数字调制的数据。还提供类似构成的接收装置、收发装置、包含这样的装置的系统和使用这样的装置和系统的方法。，下面是非接触式水下通信装置专利的具体信息内容。
1.一种通信装置，其包括：
(a)防水外壳；
(b)设置在所述外壳的外部的发射元件，所述发射元件包括至少两个天线，其中所述发射元件配置成使电场信号传播通过水；和
(c)设置在所述外壳内的通信部分，所述通信部分耦合于所述发射元件，所述通信部分包括至少一个传送器，其中所述通信部分配置成传送作为由所述发射元件传播的电场信号的数字调制的数据。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述发射元件包括导电材料、半导电材料或其组合。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述通信部分配置成通过直接序列扩频(DSSS)数字调制、正交频分调制(OFDM)数字调制、跳频扩频(FHSS)数字调制、正交相移键控(QPSK)数字调制、正交幅度(QAM)数字调制、二进制相移键控(BPSK)数字调制或其组合来数字调制数字数据。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述通信部分包括波形发生器中的一个或多个、数模转换器、滤波器和功率驱动器。
5.一种通信装置，其包括：
(a)防水外壳；
(b)设置在所述外壳的外部的接收元件，所述接收元件包括至少两个天线，其中所述接收元件配置成检测传播通过水的电场信号；和
(c)设置在所述外壳内的通信部分，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个接收器，其中所述通信部分配置成接收并且解调由所述接收元件感测的电场信号承载的数字调制的数据。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述接收元件包括导电材料、半导电材料或其组合。
7.如权利要求5所述的装置，其中所述通信部分配置成解调通过直接序列扩频(DSSS)数字调制、正交频分调制(OFDM)数字调制、跳频扩频(FHSS)数字调制、正交相移键控(QPSK)数字调制、正交幅度(QAM)数字调制、二进制相移键控(BPSK)数字调制或其组合调制的数字数据。
8.如权利要求5所述的装置，其中所述通信部分包括数据解调和存储单元、波形接口板、以及低噪声放大器、滤波器和模数转换器中的一个或多个。
9.一种通信装置，其包括：
(a)防水外壳；
(b)设置在所述外壳的外部的发射元件，所述发射元件包括至少两个天线，其中所述发射元件配置成使电场信号传播通过水并且检测传播通过水的电场信号；和(c)设置在所述外壳内的通信部分，所述通信部分耦合于所述发射元件，所述通信部分包括至少一个传送器和至少一个接收器，其中所述通信部分配置成传送作为由所述发射元件传播的电场信号的数字调制的数据并且接收和解调由所述发射元件感测的电场信号承载的数字调制的数据。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述发射元件包括一对铜天线。
非接触式水下通信装置
技术领域
[0001] 本发明大体上涉及水下通信的领域。特别地，本发明涉及水下通信装置。本发明还涉及用于水下通信的方法。
背景技术
[0002] 存在对于能够从位于深水或其他水面下位置(subsurface location)(其中物理数据传输电缆的使用是不切实际的)中的数据采集装备检索数据的可靠的水面下通信装置的不断增长的需求。已知的海底通信装置包括远程操作车辆(ROV)、自主式水下车辆(AUV)和载人潜水器。当前存在对监测例如温度、流分布(current profile)和地震活动等水面下海况的兴趣。还需要海底通信装置来监测水下设备，其包括海底立管和水下管道系统。海下通信的健全方法已经成为很多种人类海底活动的必不可少的组成部分，并且期望进一步改进。
[0003] 常用的水下无线通信系统包括声通信系统、光通信系统和采用低频电磁射频信号传输和接收的系统。这些系统中的每个具有优势和局限性。声系统是通用的并且被广泛使用。例如，在10-27千赫兹的范围中操作的声调制解调器可以用于海底数据传输。然而，在浅水中，声技术的使用可以受到例如由于波浪作用或船发动机引起的噪声等背景噪声干扰。声能在水中传播的低速(大约1500米每秒)限制了使用声海底通信系统的数据传输速率。已知由声海底通信系统产生的声信号遭受来自水面和海床的反射，引起信号的多路径传播。因此，相关的信号可在大致上不同的时间到达接收器并且引起复杂的数据流。
[0005] 由于水的部分导电性质，电磁信号在水中快速衰减。海水比淡水导电性更高并且因此产生比淡水更大的电磁信号衰减。尽管电磁辐射可传播通过海水，相对高的传导率的海水趋于使传播通过海水的电磁波的电场分量衰减。水具有的导磁率接近自由空间的导磁率，使得纯磁场相对不受水影响。然而，因为包含在电磁辐射中的能量持续在磁场和电场分量之间循环，由于导电损耗，通过水传递的由电磁辐射构成的信号趋于衰减，其是该信号通过水进行的距离的函数。
[0006] 从而，尽管迄今在水下通信领域中取得令人印象深刻的技术成就，但需要进一步的改进，尤其是在高数据传输速率的非接触式水下通信领域中。本公开提供水下通信中的许多长期存在的问题的解决方案。
发明内容
[0007] 在一个实施例中，本发明提供通信装置，其包括：(a)防水外壳；(b)设置在该外壳外部的发射元件(radiative element)，所述发射元件包括至少两个天线，其中该发射元件配置成使电场信号传播通过水；和(c)设置在该外壳内的通信部分，所述通信部分耦合于所述发射元件，所述通信部分包括至少一个传送器，其中该通信部分配置成传送作为由该发射元件传播的电场信号的数字调制的数据。
[0008] 在另一个实施例中，本发明提供通信装置，其包括：(a)防水外壳；(b)设置在该外壳外部的接收元件，所述接收元件包括至少两个天线，其中该接收元件配置成检测传播通过水的电场信号；和(c)设置在该外壳内的通信部分，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个接收器，其中该通信部分配置成接收并且解调由该接收元件感测的电场信号承载的数字调制的数据。
[0009] 在再另一个实施例中，本发明提供通信装置，其包括：(a)防水外壳；(b)设置在该外壳外部的发射元件，所述发射元件包括至少两个天线，其中该发射元件配置成使电场信号传播通过水并且检测传播通过水的电场信号；和(c)设置在该外壳内的通信部分，所述通信部分耦合于所述发射元件，所述通信部分包括至少一个传送器和至少一个接收器，其中该通信部分配置成传送作为由该发射元件传播的电场信号的数字调制的数据并且接收和解调由该发射元件感测的电场信号承载的数字调制的数据。
[0010] 在再另一个实施例中，本发明提供水下通信的方法，其包括：(i)将第一通信装置和第二通信装置带入信号接触距离内；(ii)使来自该第一通信装置的电场信号传播通过该第一通信装置与该第二通信装置之间的水域；和(iii)通过该第二通信装置接收所述电场信号；其中该第一通信装置包括：防水外壳；设置在该外壳外部的发射元件，所述发射元件包括至少两个天线，其中该发射元件配置成使电场信号传播通过水；和设置在该外壳内的通信部分，所述通信部分耦合于所述发射元件，所述通信部分包括至少一个传送器，其中该通信部分配置成传送作为由该发射元件传播的电场信号的数字调制的数据；并且其中该第二通信装置包括：防水外壳；设置在该外壳外部的接收元件，所述接收元件包括至少两个天线，其中该接收元件配置成检测通过水的电场信号；设置在该外壳内的通信部分，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个接收器，其中该通信部分配置成接收并且解调由该接收元件感测的电场信号承载的数字调制的数据。附图说明
[0011] 当下列详细说明参照附图(其中类似的符号在整个附图中表示类似的部件)阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中：
[0012] 图1图示根据本发明的一个或多个实施例的通信装置；
[0013] 图2图示根据本发明的一个或多个实施例的通信装置；
[0014] 图3图示根据本发明的一个或多个实施例的通信装置；
[0016] 图5图示根据本发明的一个或多个实施例说明电场信号的成功的传输和接收的幅度vs频率谱线。
具体实施方式
[0017] 本发明采用电场信号提供对数据高速传输和接收有用的装置。由本发明提供的这些装置尤其非常适合在传送装置和接收装置之间的直接物理接触不实际的情况下在水下环境中使用。在一个实施例中，本发明提供通信装置，其是传送装置。在备选实施例中，本发明提供通信装置，其是接收装置。在再另一个实施例中，本发明提供通信装置，其可以起到传送装置和接收装置两者的作用。能够起到传送装置和接收装置两者的作用的通信装置在本文中有时可称为收发装置。
[0018] 如指出的，在一个实施例中，本发明提供通信装置，其是包括防水外壳和设置在该外壳外部的发射元件的传送装置。该发射元件包括至少两个天线，其每个的一部分设置在该防水外壳内，并且其每个的一部分设置在该防水外壳外部。该发射元件配置成使电场信号传播通过水并且耦合于设置在该防水外壳内的通信部分。该通信部分包括至少一个传送器，但也可包括例如电源(例如电池)等其他部件。该通信部分配置成传送作为由该发射元件传播的电场信号的数字调制的数据。
[0019] 在通信装置可以起到传送装置作用的实施例中，通信部分配置成数据的数字调制。很多种的数字调制技术是已知的并且可根据本发明的一个或多个方面使用。适合的调制技术包括直接序列扩频(DSSS)数字调制、正交频分调制(OFDM)数字调制、跳频扩频(FHSS)数字调制、正交相移键控(QPSK)数字调制、正交幅度(QAM)数字调制、二进制相移键控(BPSK)数字调制及其组合，例如DSSS和OFDM数字调制技术的组合。数据的数字调制可以使用波形发生器实施，例如使用本领域内技术人员已知的许多商业上可得到的波形发生器中的任何波形发生器。
[0020] 配置成充当传送装置的通信装置的通信部分的其他部件可包括数模转换器(DAC)、滤波器、功率驱动器、关联的连接器和电源。在一个实施例中，由本发明提供的通信装置包括耦合在一起的电源电池、波形发生器、高速数模转换器、平滑滤波器和功率驱动器，使得该波形发生器的数字输出被提供成为该数模转换器的输入，该数模转换器的输出由连接于功率驱动器的该平滑滤波器处理。该功率驱动器耦合于发射元件，其配置成使电场信号传播通过水。在一个实施例中，配置成充当传送装置的该通信部分包括信号处理元件、滤波器元件、转换器和功率驱动器。
[0021] 在各种实施例中，电场信号是由功率驱动器和发射元件的天线建立的可变电场并且可包含数字调制的数据。在一个实施例中，电场信号特征在于在从大约1千赫兹至大约100兆赫兹的范围中的频率和在从大约每米1微伏至大约每米100伏的范围中的强度。在备选实施例中，电场信号具有在从大约1.1千赫兹至大约10兆赫兹的范围中的频率。在再另一个实施例中，电场信号具有在从大约1.5千赫兹至大约5兆赫兹的范围中的频率。
[0022] 如指出的，在一个实施例中，电场具有在从大约每米1微伏至大约每米100伏的范围中的强度。与在该强度范围中工作关联的优势是它要求相对低的传送器功率但在短的信号接触距离上还是有效的(术语信号接触距离在下文中被定义)。在各种实施例中，本领域内技术人员将意识到，随着信号接触距离增加，可要求更高的功率(更多的场强)。在一个实施例中，电场信号具有从大约每米10纳伏至大约每米10伏的强度。
[0023] 因为由通信部分产生和由发射元件传播的电场信号在它生成时纯粹是电的，它在例如盐水等导电介质中快速衰减。如此，在本发明的各种实施例中，数据从传送装置到接收装置的非接触式传输在相对近的范围实施，典型地在从几毫米至几米的范围中。在各种实施例中，数据从传送装置到接收装置的非接触式传输在信号接触距离实施。如本文中使用的术语“信号接触距离”代表承载数据的电场信号可从传送装置传送并且由接收装置接收同时保持有用水平的信噪比的距离。在一个实施例中，该信号接触距离小于100米。在另一个实施例中，该信号接触距离小于10米。在备选实施例中，该信号接触距离小于1米。在再另一个实施例中，该信号接触距离小于0.5米。
[0024] 在本发明的传送装置和本发明的接收装置之间相对邻近的操作期间的要求由相对高的数据传输速率补偿，当与常规的水下通信技术相比，可实现该相对高的数据传输速率。在一个实施例中，本发明提供水下通信的方法，其中本发明的传送装置和本发明的接收装置之间的数据传输速率是至少每秒100千比特。在备选实施例中，数据传输速率是在从大约每秒10千比特(kbps)至大约每秒100兆比特(Mbps)的范围中。
[0025] 如指出的，电场信号是可变电场并且可包含例如电场频率、电场相位和电场幅度等电场的各个成分中的数据。本领域内技术人员将意识到在本发明的通信装置和方法(其依靠电场信号)与常规的非接触式水下通信方案(其采用例如无线电波等电磁能)之间划分有重要区别。
[0026] 如指出的，在一个实施例中，本发明提供通信装置，其是包括防水外壳和设置在该外壳外部的接收元件的接收装置。该接收元件包括至少两个天线，其每个的一部分设置在该防水外壳内，并且其每个的一部分设置在该防水外壳外部。该接收元件配置成检测通过水的电场信号并且耦合于设置在该防水外壳内的通信部分。该通信部分包括至少一个接收器，但也可包括例如电源(例如电池)或数据存储模块等其他部件。在一个实施例中，该通信部分配置成接收并且解调由该接收元件感测的电场信号承载的数字调制的数据。
[0027] 在各种实施例中，接收装置的通信部分包括耦合于接收元件的放大器，接收元件的天线配置成感测传播通过水的电场信号。通信部分可配置使得该放大器的输出被引导到滤波器，该滤波器的输出被引导到模数转换器，该模数转换器的输出被引导到波形接口板，该波形接口板的输出被引导到数据解调和数据存储单元。从而，在一个实施例中，本发明提供通信装置，其是包括通信部分的接收装置，该通信部分包括放大器、滤波器、模数转换器、波形接口板和关联的连接器。如将由本领域内技术人员意识到的，这样的通信部分部件是众所周知的商业制品。在一个实施例中，由本发明提供的接收装置的通信部分具有从大约每米10纳伏至大约每米10伏的动态范围。
[0028] 如指出的，在一个实施例中，通信装置是收发装置，其具有包括耦合于发射元件的传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。从而，在一个实施例中，本发明提供通信装置，其包括：防水外壳；包括至少两个天线的发射元件，其中该发射元件配置成使电场信号传播通过水；设置在该外壳内的第一通信部分，所述通信部分耦合于所述发射元件，所述通信部分包括至少一个传送器，其中所述通信部分配置成传送作为由该发射元件传播的电场信号的数字调制的数据；设置在该外壳外部的接收元件，所述接收元件包括至少两个天线，其中该接收元件配置成检测传播通过水的电场信号；和设置在该外壳内的第二通信部分，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个接收器，其中该通信部分配置成接收并且解调由该接收元件感测的电场信号承载的数字调制的数据。在一个实施例中，该收发装置包括单套天线，其起到发射元件和接收元件两者的作用。(参见例如，本文中的图3)。在一个实施例中，该第一和第二通信部分在起到收发器作用的单个通信部分内组合。在这样的实施例中，该通信部分配置成数字调制数字数据并且解调数字调制的数据。
[0029] 如指出的，由本发明提供的通信装置的发射元件和接收元件配置成在发射元件的情况下使电场信号传播通过水，或在接收元件的情况下检测传播通过水的电场信号。该电场信号可被认为是从传送装置的发射元件传播通过这两个装置之间的介入水域到接收装置的接收元件。在各种实施例中，该水(电场信号传播通过该水)具有在从大约每米3西门子至大约每米7西门子的范围中的平均导电率。
[0030] 发射元件和接收元件都包括至少两个天线，其包括导电材料或半导电材料。在一个实施例中，本发明提供通信装置，其包括发射元件，其包括至少两个天线(其包括铜金属)。在这样的情况下，该发射元件被认为是包括导电材料(或简单地“传导材料”)，即铜。在一个实施例中，本发明提供通信装置，其包括接收元件，其包括至少两个天线(其包括铜金属)。在这样的情况下，该接收元件被认为是包括导电材料(或简单地“传导材料”)，即铜。
[0031] 如提出的，在各种实施例中，由本发明提供的通信装置可包括天线，其包括导电材料、半导电材料或其组合。在一个实施例中，天线包括从由铜、银、金、铝和青铜构成的组选择的导电材料。在一个实施例中，本发明提供通信装置，其包括青铜天线。在备选实施例中，本发明提供通信装置，其包括铜天线。
[0032] 参照图1，图图示根据本发明的实施例的通信装置100和该通信装置100的分解图，该通信装置100配置成为传送器(其配置成传送作为由发射元件传播的电场信号的数字调制的数据)。该装置100包括防水外壳105和发射元件110。在示出的该实施例中，该发射元件110包括两个天线115和120，其每个的一部分(117和122)设置在该防水外壳的外部。设置在外壳105的外部的天线的部分(117和122)设计成与水直接和/或间接接触。每个天线115和120延伸进入该外壳的内部并且耦合于通信部分125，其配置作为传送器130。传送器130包括波形发生器135，其起到数字调制要传送的数据的作用。如指出的，很多种的数字调制技术对于本领域内技术人员是已知的。波形发生器135经由连接器137耦合于数模转换器140，其进而连接于滤波器145和功率驱动器150(配置成使电场信号传播通过水)。各种连接器137对于本领域内技术人员是已知的，例如SMA和BNC连接器。可从板上电池(在图中未示出)或例如脐带电缆等另一个电力源(在图中未示出)向通信装置供应电力。
[0033] 参照图2，图图示根据本发明的实施例的通信装置200和该通信装置200的分解图。通信装置200是接收装置，其配置成检测和存储已经被传送作为传播通过水的电场信号的数字调制的数据。该装置200包括防水外壳105和接收元件112。在图2中示出的实施例中，该接收元件112包括两个天线115和120，其每个的一部分(117和122)设置在该防水外壳的外部。设置在外壳105的外部的天线的部分(117和122)设计成与水直接和/或间接接触。每个天线115和120延伸进入该外壳的内部并且耦合于通信部分125，其配置作为接收器155。接收器155包括经由连接器137耦合于滤波器165的放大器160、模数转换器170、波形接口板175和数据解调器和存储单元180。可从板上电池(在图中未示出)或例如脐带电缆等另一个电力源(在图中未示出)向通信装置200供应电力。在一个实施例中，该通信装置200配置成起到能够以40兆赫兹采样数据的波形采样器的作用。
[0034] 参照图3，图图示根据本发明的实施例的通信装置300和通信装置300的分解图。通信装置300配置作为收发装置，其配置成传送作为通过水的电场信号的数字调制的数据并且检测传播通过水的电场信号。通信装置300包括防水外壳105和一对天线115和120，其起到发射元件110和接收元件112两者的作用。通信装置300包括是传送器130的第一通信部分125，和是接收器155的第二通信部分125。传送器130大致上与在图1中示出的相同。接收器155大致上与在图2中示出的相同。在图示的实施例中，通信装置300(在本文中有时也称为收发装置)包括开关模块190，其配置成交替连接通信部分125/130和
125/155与发射/接收元件110/112。本领域内技术人员将意识到这样的开关模块是可容易得到的商业制品。
125/155与发射/接收元件110/112。本领域内技术人员将意识到这样的开关模块是可容易得到的商业制品。
[0035] 关于在图1-3中示出的实施例和由本发明提供的其他实施例中的每个，包括发射元件和/或接收元件的天线可配置使得设置在防水外壳的外部的天线的部分的长度可根据需要变化。在一个实施例中，伸出到防水外壳的外部的天线的长度可调节以基于水(例如海水)的导电率使天线阻抗与传送器阻抗匹配。设置在防水外壳的外部的发射元件或接收元件的天线的部分可配置使得第一天线部分平行于第二天线部分，使得第一天线部分向背离第二天线部分的方向发散，或使得第一天线部分朝第二天线部分会聚。这样的部分可具有相等的长度或这样的部分可具有不相等的长度。在某些实施例中，天线的偏置(平行、发散、会聚)可在操作期间变化以便优化信号传输和接收。
[0036] 外壳可由任何适合的材料(或材料的组合)形成，该材料是不透水的和非导电的，例如玻璃。在各种实施例中，用于形成外壳的材料是耐腐蚀的。在一个实施例中，外壳由例如商业上可得到的聚碳酸酯等透明聚合材料构成。在备选实施例中，外壳由例如各种级别的商业上可得到的聚氯乙烯(PVC)等不透明聚合材料构成。在一个实施例中，外壳由商业上可得到的PVC管道构成。
[0037] 在另一个实施例中，本发明提供通信系统，其包括：本发明的至少两个通信装置；第一(传送)装置，其包括发射元件，该发射元件包括配置成使电场传播通过水的至少两个天线；和第二(接收)装置，其包括接收元件，该接收元件包括配置成检测传播通过水的电场信号的至少两个天线。
[0038] 在一个实施例中，本发明提供通信系统，其包括一个或多个收发装置，其包括：(a)防水外壳；(b)设置在该外壳的外部的发射元件，所述发射元件包括至少两个天线，其中该发射元件配置成使电场信号传播通过水并且检测传播通过水的电场信号；和(c)设置在该外壳内的通信部分，所述通信部分耦合于所述发射元件，所述通信部分包括至少一个传送器和至少一个接收器，其中该通信部分配置成传送作为由该发射元件传播的电场信号的数字调制的数据并且接收和解调由该发射元件感测的电场信号承载的数字调制的数据。
[0039] 在一个实施例中，至少两个装置设置成离彼此小于大约100米的距离。在备选实施例中，至少两个装置设置成离彼此小于大约10米的距离。在再另一个实施例中，至少两个装置设置成离彼此小于大约1米的距离。在再另一个实施例中，至少两个装置间隔距离在从大约0.01米至大约1米的范围中。
[0040] 在一个实施例中，由本发明提供的通信系统可被采用以用于远程操作车辆(ROV)和水下资产之间的近距离通信。水下资产和ROV之间典型的数据交换将在小于100米的距离实施。在一个实施例中，由本发明提供的通信系统可被采用以用于非常近的距离、非常高速的数据传输，例如实时采集并且横跨短的信号接触距离(例如几毫米)传送的数据的传输。
[0041] 在再另一个实施例中，提供水下通信的方法。该方法包括将第一通信装置和第二通信装置带入信号接触距离内并且使来自该第一通信装置的电场信号传播通过该第一通信装置与该第二通信装置之间的水域。该第二通信装置接收电场信号。该第一通信装置包括防水外壳和设置在该外壳的外部的发射元件。该发射元件包括配置成使电场信号传播通过水的至少两个天线和设置在该外壳内的通信部分。该第一通信装置的通信部分耦合于该发射元件(该天线)。该第一通信装置的通信部分包括至少一个传送器，其配置成传送作为由该发射元件传播的电场信号的数字调制的数据。该第二通信装置包括防水外壳和设置在该外壳的外部的接收元件。该第二通信装置的该接收元件包括配置成检测传播通过水的电场信号的至少两个天线。该第二通信装置包括设置在该外壳内的通信部分。该通信部分耦合于该接收元件(该天线)。该第二通信装置的通信部分包括至少一个接收器并且配置成接收并且解调由该发射元件感测的电场信号承载的数字调制的数据。
[0042] 在一个实施例中，本发明可用于监测海底立管中的法兰接头的完整性。从而，传感器设置在海底立管上的相邻法兰接头之间的间隙附近，并且监测立管段与段之间的间隙是否有相对于参考规范的任何变化。来自传感器的数据提供给由本发明提供的第一通信装置。该第一通信装置传送作为电场信号的数字调制的数据到本发明的第二通信装置(经由这两个装置之间的介入水域)。在一个实施例中，该第一通信装置数字调制该传感器数据。在备选实施例中，该传感器本身数字调制该传感器数据。在再另一个实施例中，该传感器集成进入该第一通信装置。在一个实施例中，该第一通信装置附连至该海底立管的一定位置处，使得该装置配置成感测设置在该立管上的相邻法兰之间的间隙内的传感器之间的信号。该第一通信装置检测传感器信号、数字调制传感器信号和传送作为电场信号的数字调制的信号到由本发明提供的第二通信装置。在一个实施例中，该第一通信装置硬连线到传感器中的至少一个。在备选实施例中，传感器信号从传感器中的至少一个到该第一通信装置的通信是无线的。
[0043] 在再另一个实施例中，本发明可用于监测海下管道。从而，靠近海下管道的本发明的第一通信装置配置成感测该管道的一个或多个特性，例如内部温度、外部温度、内部压强和流体通过该管道的流速。该第一通信装置感测与这样的特性中的一个或多个相关的信号并且将该信号转换成数字调制的数据，其作为电场信号被传播进入周围的海水。本发明的第二通信装置(例如ROV)被带入该第一通信装置的适合的信号接触距离内。该第二通信检测、解调并且存储由该第一通信装置传送的电场信号。
[0044] 尽管本文已经提供具体示例，其包括在采油中使用的海底管道和海下立管的水面下监测，本发明可用于监测许多海下资产，其包括海底电缆和海底地震监测器。
[0045] 试验部分
[0046] 试验1
[0047] 实施初步调查以努力将电场信号在水中的衰减模型化为信号频率和传送装置与对应的接收装置之间的距离的函数。图4呈现对于模型系统的计算的电场衰减，模型系统包括浸在水中的电场信号传送装置和电场信号接收装置，并且基于麦克斯韦电流波动方程。Y轴410代表响应于变化的电场信号频率(X轴412)的计算的电场衰减的大小。改变通信装置之间的距离以获得示出的频率响应曲线系列：曲线414(0.25米)、曲线416(0.5米)、曲线418(1米)、曲线420(2米)和曲线422(4米)。计算的数据指示电场信号强度中的相对陡峭的损失(滚降)随着信号频率增加而发生(信号接触距离大于大约0.5米)。在图4中示出的结果的实际影响是由本发明提供的传送装置和接收装置之间的信号接触距离需要是相对小的以保持以实际传送器功率水平的通过水的高速数据传输。
[0048] 接着在可控盐水测试罐(其充满具有大约每米4.8西门子的平均导电率的海水)中实施一套测试。电池供电的传送装置包括通信部分，其包括耦合于高速数模转换器的波形发生器(FPGA&Flash)SZ130-UOO-K，该数模转换器耦合于6极BW(带宽)平滑滤波器和1A功率驱动器(LT1210)。该功率驱动器耦合于一对铜天线。该通信部分封闭在由PVC管(各端封闭)组成的防水外壳中。该防水外壳被配置使得铜天线的一部分延伸超过该PVC管的相同端的外表面若干英寸。
[0049] 传送装置放置在盐水测试罐中使得该装置漂浮在水面上，其中天线向下延伸进入水中。设置在防水外壳的外部的天线的部分与海水直接接触。
[0050] 接收装置放置在木筏上，其漂浮在测试罐的水面上的离传送装置可控距离。接收装置的接收元件包括一对联接到接收器的铝天线，该接收器被包含在防水外壳(其由PVC管和适当的管终端密封部件建造)内。该接收器包括增益可选放大器和抗混叠滤波器、模数转换器(ADC14L040)和波形接口板(WaveVison)。板上接收器经由光纤电缆链接到“岸上”计算机主机，其配置成解调并且存储从传送装置传送到接收装置的数据。
[0051] 在第一测试中，传送装置被程序化以产生测试信号，其包括具有相等幅度的8个导频音，该8个导频音在从大约100千赫兹至大约5兆赫兹的频率范围中，且具有大约1伏的峰间输出。该测试信号由传送装置传送通过传送装置天线和接收装置天线之间的介入的海域。该测试信号由接收装置检测并且存储在计算机主机中。
[0052] 图5代表由接收装置收集的幅度vs频率谱线，其中传送装置和接收装置间隔两英尺九英寸的距离。该谱线标绘了信号幅度(Y轴510)与频率(X轴512)的关系。在这些情况下，两英尺九英寸的间隔代表可行的信号接触距离，因为全部8个音调可清楚地从噪声中辨别。从而，音调514(100千赫兹)、516(302千赫兹)、518(705千赫兹)、520(1.41兆赫兹)、522(2.32兆赫兹)、524(3.12兆赫兹)、526(4.03兆赫兹)和528(5.04兆赫兹)横跨整个测试的频率范围都能够清楚地辨别。
[0053] 接着，传送装置和接收装置之间的距离增加到十六英尺九英寸并且采用相同的测试信号，其包括具有相等幅度的8个导频音，其处于从大约100千赫兹至大约5兆赫兹的频率范围中且具有大约1伏的峰间输出。以信噪比vs频率的谱线(未示出)来显示并且分析由接收装置收集的数据。在十六英尺九英寸的距离，仅100千赫兹处的音调能够清楚地从噪声中区分。
[0054] 接着，传送装置和接收装置之间的距离在大约二十一英寸和大约两百英寸之间变化。采用相同的测试信号，其包括处于从大约100千赫兹至大约5兆赫兹的频率范围中的具有相等幅度的8个导频音，其具有大约1伏的峰间输出。在低于大约五英尺的距离，8个导频音中的每个能够从噪声中区分。然而，在更大的距离，信号至少部分地被本底噪声混淆。
[0055] 试验2
[0056] 如在试验1中的配置的本发明的传送装置整体淹没在试验1使用的测试罐中的水面以下大约17英寸至水面以下大约183英寸范围的深度，同时保持离水面处的接收装置差不多恒定的横向距离。接收装置的接收元件包括两个青铜电极，其向下延伸到测试罐的水面以下。
[0057] 传送装置被程序化以传送试验1中使用的8个非数据承载导频音，并且另外还有2个数据承载信号。数据承载信号由两个导频音的直接序列扩频(DSSS)数字调制形成(信号#1：50KHz I-Q调制的504KHz导频音，和信号#2：100KHz I-Q调制的1.91MHz导频音)，并且与在试验1中采用的8个非数据承载导频音一起从传送装置传送到接收装置。获得的结果示出：在大约15英寸的信号接触距离，对于第一数据承载导频音(#1)实现大约每秒100千比特(kbps)的数据传输速率，其符号错误率(SER)为0，以及对应地，对于第二数据承载导频音(#2)实现大约200kbps的数据传输速率，其SER为0。在更长的信号接触距离(28英寸)，也实现这些高的数据传输速率和低的SER。在再更长的信号接触距离，遭遇更高的SER水平。两个数据承载信号的数据采集在下文的表1中。在下文的表1中示出的每个信号接触距离，8个非数据承载导频音也能够清楚地辨别。
[0058] 表1
[0059]
[0060] 信号#1＝50KHz调制的504KHz导频音；信号#2＝100KHz调制的1.91MHz导频音；*SER＝符号错误率； +指示强相关。
[0061] 试验3
[0062] 如在试验1中的配置的本发明的传送装置淹没在试验1使用的测试罐中的大约1米的深度。如在试验2中配置的本发明的接收装置同样淹没在测试罐中的大约1米的深度。该传送装置被程序化以传送在试验1和2中使用的8个非数据承载导频音。该传送装置和该接收装置之间的信号接触距离从大约16英寸变化至大约74英寸(16”、26”、50”和74”)，在这些距离，8个导频音中的每个能清楚地从噪声中辨别。在更大的距离，(102”、122”和146”)导频音仍能辨别但信号强度不稳定。相信在这些更大的信号接触距离，信号强度可能已经受到发射元件和接收元件因为靠近测试罐底部而受影响。值得注意的是，这样的影响可以通过缩短信号接触距离而克服。
[0064] 部件列表
[0065] 100 配置成为传送装置的通信装置 105 防水外壳
[0066] 110 发射元件 112 接收元件
[0067] 115 天线 125 通信部分
[0068] 117 设置在外壳的外部的天线的部分
[0069] 120 天线
[0070] 122 设置在外壳的外部的天线的部分
[0071] 130 配置成为传送器的通信部分
[0072] 135 波形发生器 137 连接器
[0073] 140 数模转换器 145 滤波器
[0074] 150 功率驱动器 155 接收器
[0075] 160 放大器 165 滤波器
[0076] 170 模数转换器 175 波形接口板
[0077] 180 数据解调器和存储单元 190 开关模块
[0078] 200 配置成为接收装置的通信装置
[0079] 300 配置成为收发装置的通信装置
[0080] 410 x轴
[0081] 412 y轴
[0082] 414 在0.25米信号接触距离的频率响应曲线
[0083] 416 在0.5米信号接触距离的频率响应曲线
[0084] 418 在1米信号接触距离的频率响应曲线
[0085] 420 在2米信号接触距离的频率响应曲线
[0086] 422 在4米信号接触距离的频率响应曲线
[0087] 510 x轴
[0088] 512 y轴
[0089] 514 100千赫兹处的导频音
[0090] 516 302千赫兹处的导频音
[0091] 518 705千赫兹处的导频音
[0092] 520 1.41兆赫兹处的导频音
[0093] 522 2.32兆赫兹处的导频音
[0094] 524 3.12兆赫兹处的导频音
[0095] 526 4.03兆赫兹处的导频音
[0096] 528 5.04兆赫兹处的导频音
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