鄭羽，方靜，高宇，李紅志，宋國民，尚應(yīng)生，王慧泉

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

深海走航投棄式剖面儀傳輸信道特點(diǎn)的分析

鄭羽1，方靜1，高宇1，李紅志2，宋國民1，尚應(yīng)生1，王慧泉1

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

走航投棄式剖面儀是海洋環(huán)境數(shù)據(jù)獲取的重要儀器，主要應(yīng)用于海洋環(huán)境觀測中海洋參數(shù)的大面積快速測量，但傳輸信道特點(diǎn)一直并不明確，對信道傳輸性能的提高缺乏一定的理論基礎(chǔ)。以XCTD信道為研究對象，優(yōu)化了信道的模型和傳遞方程，計算得到信道阻抗參數(shù)值；采用時頻法研究投棄式剖面儀信道基帶傳輸信號的時變性，分析不同頻率下的信號帶寬的變化特性，分析隨機(jī)噪聲對傳輸信號和誤碼率的影響規(guī)律，結(jié)果表明，深海走航投棄式剖面儀傳輸信道在不同深度和傳輸速率下具有的“時變/窄帶/低信噪比”規(guī)律特性，該信道特點(diǎn)與水聲信道具有更多的相似性，該結(jié)論為提高XCTD信道傳輸性能拓寬了研究思路，為深海投棄式觀測技術(shù)發(fā)展的信道傳輸技術(shù)共性問題提供了理論支持。

電導(dǎo)率、溫度、深度剖面儀；時變信道；窄帶；信噪比；傳輸性能

海洋是我國國民經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略空間和后備資源寶庫，對保障國家安全、緩解資源和環(huán)境的瓶頸制約、調(diào)節(jié)全球氣候起著至關(guān)重要的作用，而海洋環(huán)境要素觀測技術(shù)的進(jìn)步是人類認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋、保護(hù)海洋和保衛(wèi)海洋的前提、基礎(chǔ)和根本保障。統(tǒng)籌近海開發(fā)與深遠(yuǎn)?？臻g拓展成為我國“十二五”期間海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本思路之一（金永明，2012）。加強(qiáng)深遠(yuǎn)海水文數(shù)據(jù)獲取對我國未來能源經(jīng)濟(jì)建設(shè)和海上軍事強(qiáng)國戰(zhàn)略都將具有重要的意義。

在海洋戰(zhàn)略的牽引下，海洋監(jiān)測儀器向深遠(yuǎn)海發(fā)展提出了更高的要求，其中深海走航投棄式溫度剖面測量儀（Expendable Bathythermograph，XBT）、投棄式海流剖面測量儀（Expendable current profiler，XCP）、投棄式聲速剖面儀（Expendable Sound Velocimeter，XSV）、投棄式電導(dǎo)率、溫度、深度剖面儀（Expendable Conductivity Temperature Depth Profiling System，XCTD）等海洋投棄類儀器是海洋環(huán)境數(shù)據(jù)獲取的重要儀器（李永軍等，2011），主要應(yīng)用于海洋環(huán)境觀測中海洋參數(shù)的大面積快速測量。由于走航投棄式剖面儀在軍事領(lǐng)域中重要的地位，國際上對我國實行禁運(yùn)，因此發(fā)展我國自己的投棄式剖面儀技術(shù)，已經(jīng)成為我國海洋考察，特別是軍事應(yīng)用的迫切要求。走航投棄式剖面儀作為一次性使用測量設(shè)備，通常由發(fā)射裝置、水下探頭、傳輸信道和水上接收機(jī)4個部分組成（如圖1右邊所示），其中，傳輸信道是重要的組成部分（如圖1左邊所示）。由于在功率、重量、尺寸和造價等方面的限制，本文以我國自主設(shè)計的XCTD為例，其傳輸線選用直徑0.1 mm左右的單根雙股細(xì)金屬漆包線，雖然目前解決了傳輸線材料、工藝等帶來的深水測量技術(shù)難題，但復(fù)雜的海洋環(huán)境噪聲和XCTD特殊的工作方式大大降低了信號的傳輸性能（鄭羽 等，2013；鄭羽等，2014），該問題成為走航投棄式剖面儀發(fā)展遇到的瓶頸，極大地限制了我國向深遠(yuǎn)海進(jìn)軍的步伐。該問題的解決，對于走航投棄類儀器的通信技術(shù)難題具有重大的意義（Szuts et al，2012）。

圖1 深海走航XCTD傳輸信道的工作示意圖

在國外，隨著海洋投棄類儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，XCTD測量探頭投放時走航速度從低速3.5節(jié)提高到高速20節(jié)，探測深度從1 000 m提高到1 850 m（Keisuke et al，1998），2011年，Alexander等使用帶通傳輸系統(tǒng)對XCTD進(jìn)行1 600 m的測量時，會有20 m的測量誤差（Alexander et al，2000）。在國內(nèi)，針對數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)線材質(zhì)的特殊性和導(dǎo)線長度的時變性，研制了基于ASK調(diào)制的頻帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（陳雷等，2009）。針對XCTD剖面儀信道傳輸速率低、可靠性差的缺點(diǎn)，提出了基于曼徹斯特編碼的基帶數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（賈志成等，2010）。受傳輸信道的特性制約，無論采用基帶傳輸還是頻帶輸出，都無法有效解決超過1 000 m深度的更長距離和更高速率信號的高速可靠性傳輸。因此充分掌握XCTD信道的特點(diǎn)，對于提高海洋投棄類儀器信道傳輸性能具有重要的意義。

2 信道傳輸方程的計算

優(yōu)化的信道模型如圖2所示，共分為水下線軸、展開傳輸線和水上線軸3個部分。其中水下線軸電路部分含有信號源，水上線軸電路部分含負(fù)載，由于線軸由導(dǎo)線纏繞線圈構(gòu)成，因此可以采用經(jīng)典的線圈模型，由線圈纏繞電感L串聯(lián)導(dǎo)線電阻R，再并聯(lián)上線圈的雜散電容C組成。由于深海走航投棄式剖面儀傳輸信道采用單根雙股的漆包線作為信道，因此水下線軸與水上線軸都是由兩個相同的線圈模型構(gòu)成。

對于展開傳輸線部分，實際上由于該部分分布距離較長，在計算當(dāng)中應(yīng)當(dāng)將其作為分離式元件進(jìn)行積分處理，但如果將其直接作為分離式元件，在計算的過程中將使得傳輸函數(shù)變得異常復(fù)雜而不便于傳遞函數(shù)的計算與分析，因而采用等效的原理，在時域?qū)鬏斁€的展開部分的阻抗值進(jìn)行分離式參數(shù)計算，得到展開部分傳輸線的阻抗值，然后用元器件等效該部分在信道模型中的作用，通過分析，該部分的阻抗值可以等效為電阻并聯(lián)電容的模型，其中R3和R4分別為兩根導(dǎo)線展開部分的電阻值，由于兩根導(dǎo)線的各項參數(shù)完全一致，因而R3和R4相等，C3為兩根導(dǎo)線間的分布電容（包含海水耦合引入的電容值），其值隨傳輸線展開而增大。

圖2 信道傳遞函數(shù)計算模型

對信道模型利用網(wǎng)孔電流法進(jìn)行S域的計算。假定在水下線圈、展開傳輸線、水上線圈網(wǎng)孔中分別存在I1、I2、I3的網(wǎng)孔電流，則可得到計算方程如公式（1）所示。

分別為單股漆包線纏繞水上線圈和水下線圈產(chǎn)生的復(fù)阻抗，令：

則可計算信道模型的傳遞函數(shù)為：

由于深海走航投棄式剖面儀的信號波特率一般在幾KHz左右，屬于低頻信號，而信號在低頻傳輸時纏繞線圈的雜散電容（同層同股鄰近匝間電容、同層異股鄰近匝間電容、異層同股鄰近匝間電容）C1、C2量級很小可以被忽略具體數(shù)值如表一所示，則X1與X2可簡化為：

將其帶入傳遞函數(shù)中解得最終傳遞函數(shù)H（S）為：

表1 雜散電容理論計算值

本文根據(jù)信道的電路模型的主要阻抗參數(shù)，通過數(shù)值計算、COMSOL建模與仿真（鄭羽等，2013）、國家海洋技術(shù)中心的初期測試，計算得到了信道模型阻抗參數(shù)值，如圖3所示。根據(jù)該數(shù)值，代入傳輸方程中，采用時頻法分析XCTD信道的特性。

3 傳輸信道特點(diǎn)的分析

圖3 XCTD信道阻抗值與探測深度的對應(yīng)關(guān)系

信號在傳輸?shù)倪^程中，信道阻抗參數(shù)值實時發(fā)生變化，因此信號的頻譜結(jié)構(gòu)變化大，非平穩(wěn)性突出，包含了豐富的有關(guān)信道阻抗特性的信息。時頻法在各種信道的信號分析中得到了廣泛的應(yīng)用。通過時頻法對正交頻分復(fù)用系統(tǒng)信道進(jìn)行分析與估計（HlaingMinn et al，2006）；對10 kV壓電力線傳輸信號采用時頻法進(jìn)行了分析，提出了該信道為時不變信道的結(jié)論（Yang et al，2007）；采用時頻法研究單一腦電圖信道的特征（LuayFraiwanetal，2012）。

3.1時變性的分析

XCTD在工作的過程中信道的電路特性在實時改變，隨著放線過程的不斷進(jìn)行，與傳輸線相關(guān)的水上線軸與水下線軸部分的電感值、電阻值以及展開傳輸線部分的分布電容值、電阻值皆會隨著展開線長的變化而變化，引起傳輸線阻抗值的連續(xù)改變，各個元件參數(shù)是關(guān)于展開傳輸線長度的方程，且阻抗值會受到海洋環(huán)境的影響，整個信道較為復(fù)雜。本文選取放線長度分別為1 000 m、2 000 m、4 000 m的放線過程進(jìn)行傳輸信號幅值和相位的時變性分析，如圖4所示。

從圖4中可知，隨著傳輸線長度的變化，傳輸信道具有時變的特性，在整個放線過程中幅值變化都非常不穩(wěn)定，且諧振后振幅衰減較大，如果采用傳統(tǒng)的振幅調(diào)制方式（ASK），傳輸信號本身很容易被海洋環(huán)境中復(fù)雜噪聲信號淹沒，傳輸信號的可靠性大大降低，所以在一定的探測深度后，振幅調(diào)制方式（ASK）不適合作為傳輸信道信號的調(diào)制方式。如果采用相位調(diào)制方式（PSK），首要任務(wù)是要保證信道相位延時的穩(wěn)定性。然而1 000 m傳輸線相位變化過程復(fù)雜，2 000 m和4 000 m傳輸線相位變化過程相對簡單，而2000m相位由-155.69°變化到-87.5°相位變化率為43.8%，4 000 m相位由-177.13°變化到-87.80°相位變化率為50.4%，這都不能保證PSK信號解調(diào)的準(zhǔn)確性，所以無論1 000 m、2 000 m還是4 000 m的傳輸線長度的動態(tài)變化過程都極大的影響了整個信號傳輸系統(tǒng)的傳輸性能，而采用串聯(lián)電感方法可以提高相位的穩(wěn)定性，但信號幅值會進(jìn)一步降低，降低了信道的信噪比。目前XCTD信道傳輸?shù)臑閿?shù)字信號（方波信號），實際傳輸信號的形式是比較復(fù)雜的，若直接分析各種信號在該系統(tǒng)中的傳輸問題是比較困難的，而在線性系統(tǒng)中由于系統(tǒng)的線性特性，可以將一般的復(fù)雜信號分解成某些類似的基礎(chǔ)信號之和，本文主要通過單位階躍響應(yīng)以及正弦信號響應(yīng)進(jìn)行分析，在信號分析的基礎(chǔ)上再對復(fù)雜的方波信號進(jìn)行分析。

通過圖4可知3種線長在放線相同時幅值增益與相位延遲不同，通過表二可知放線一定時，展開線電阻值與展開線分布電容值相同，而3種線長的線圈纏繞電感值與線圈電阻值不同。由于參數(shù)的不一致即引起不同線長在放線過程中產(chǎn)生不一致的幅值增益與相位延遲。

（1）階躍信號的幅值響應(yīng)：XCTD剖面儀采用抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)字信號傳輸方式，在時域上，所有的方波信號都可以表示為不同幅度的階躍信號的線性疊加，而數(shù)字信號是由方波信號所組成，因而通過系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析具有一定的實際意義，而所有階躍信號又可以看成是單位階躍函數(shù)ε（t）或延時單位階躍函數(shù)ε（t-t0）與不同比例系數(shù)的乘積，根據(jù)線性電路的疊加性原理和比例性原理,電路的階躍響應(yīng),均可以轉(zhuǎn)換為求單位階躍響應(yīng)或延時單位階躍響應(yīng)問題，所以首先從系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)分析信道系統(tǒng)的信號傳輸特點(diǎn)。

圖4 固定1 kHz、5 kHz頻率下，選擇1 000 m、2 000 m、4 000 m 3種線長，討論放線過程對傳輸信號幅值與相位的動態(tài)影響關(guān)系圖

表2 線圈放線1 000 m時信道中具體參數(shù)值

此處水上、水下均為2 020 m的纏繞線軸進(jìn)行系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)的分析，從圖5可知，信道系統(tǒng)在初始放線過程中有一個急劇變化的過程，這個過程大概在初始放線前100 m時發(fā)生，因而除選取對放線長度為500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m時的狀態(tài)進(jìn)行分析外，還選取20 m、40 m、60 m、80 m、100 m作為測量分析點(diǎn)。

從圖中可以看到，在XCTD信道系統(tǒng)放線長度較短時，由于信道中的電容與電感效應(yīng)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)呈現(xiàn)類似于欠阻尼震蕩狀態(tài)，在放線100 m時響應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%的上升時間Tr約為673.9 μs，響應(yīng)曲線的最大值為1.195 V，穩(wěn)態(tài)值為1 V，最大超調(diào)量Mp為0.195 V，響應(yīng)曲線達(dá)到最大超調(diào)量時所需時間，即峰值時間Tmax約為1.549 ms，響應(yīng)曲線達(dá)到穩(wěn)態(tài)所用的調(diào)整時間約為5.517 ms，放線長度越短，系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的震蕩幅值越高，震蕩越大，而達(dá)到穩(wěn)態(tài)所用的調(diào)節(jié)時間越短。

而隨著放線過程的繼續(xù)，系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的震蕩幅值降低，而達(dá)到穩(wěn)態(tài)時所用的調(diào)節(jié)時間增大，而在達(dá)到放線約200 m左右時，整個系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)，再增加放線長度，將繼續(xù)增大系統(tǒng)的電容效應(yīng)，整個系統(tǒng)將由欠阻尼狀態(tài)變?yōu)檫^阻尼狀態(tài)，此時的信道電路系統(tǒng)主要表現(xiàn)出電容特性，系統(tǒng)的震蕩過程消失，響應(yīng)曲線變?yōu)橐粭l單調(diào)遞增趨于穩(wěn)態(tài)的曲線，而隨著放線深度的不同，該曲線趨于穩(wěn)定狀態(tài)所用時間也不同，傳輸線展開部分越長時，信道系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間就越長，因此說明傳輸距離越長，信道的電容效應(yīng)成為了主導(dǎo)。

圖5 信道系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線（a）100 m內(nèi)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)（b）0～2 000 m不同放線長度單位階躍響應(yīng)

（2）正弦信號的幅值響應(yīng)：選取2 020 m水上、水下線軸，針對2 000 m這一測量深度，對幅值為1 V，頻率為300 Hz、800 Hz、1 500 Hz、2 400 Hz的正弦信號進(jìn)行500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m不同放線深度時的輸出信號特點(diǎn)進(jìn)行分析，得到如圖6所示的結(jié)果。

圖6 信道系統(tǒng)不同頻率正旋信號響應(yīng)曲線 （a）300 Hz（b）800 Hz（c）1 500 Hz（d）2 400 Hz

從結(jié)果中可以看到，當(dāng)幅值為1 V，頻率為300 Hz的正弦信號經(jīng)過XCTD的金屬漆包線信道后，在經(jīng)過一段較短的調(diào)整時間后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，在不同放線長度情況下，信道系統(tǒng)對相同頻率與幅值的正弦信號具有不同程度的幅值增益和相位延時。在幅值增益上，隨著放線長度的增加，輸出信號的幅值逐漸減少，幅值增益比降低，輸出信號將隨著放線長度的增加而變得越來越微弱。而在相位延時方面，信號的相位延時并非一個穩(wěn)定的狀態(tài)，在不同的測量深度下，該信道系統(tǒng)對正弦信號的相位延時并不相同，而是隨著放線過程而相應(yīng)變化，在展開線長增加時，信號相位的延時隨之增大，會對PSK調(diào)制技術(shù)帶來一定的困難。

而在800 Hz、1 500 Hz、2 400 Hz頻率時，其不同放線長度的信號傳輸特性變化趨勢與300 Hz時基本保持一致，但是隨著頻率的增高，信號的幅值會受到嚴(yán)重的衰減，在高頻情況下信號幾乎無法識別，信噪比大大降低。

（3）方波信號的幅值響應(yīng)：為了能夠更為直觀的了解該信道系統(tǒng)對不同頻率的數(shù)字信號的傳輸特點(diǎn)，分別對頻率為300 Hz、800 Hz、1 500 Hz、2 400 Hz的方波信號針對放線長度為100 m、500 m，1 000 m，1 500 m，2 000 m時的信道進(jìn)行分析，得到如圖7所示的結(jié)果。

圖7 信道對不同頻率方波信號的響應(yīng) （a）300 Hz（b）800 Hz（c）1 500 Hz（d）2 400 Hz

從結(jié)果中可以看到，由于信道對高頻信號幅值的抑制作用，幅值為1 V的方波信號經(jīng)過信道后產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變現(xiàn)象，在頻率為300 Hz時僅能觀察到部分基帶信號經(jīng)過一定延時后到達(dá)輸出端，而方波中更高次的諧波信號幾乎都被信道的濾除掉，對最終的輸出信號造成的影響非常小，因而最終看到的輸出信號類似于正弦信號，并且此畸變現(xiàn)象隨著放線長度的增加而變得更為嚴(yán)重。在1 500 Hz與2 400 Hz時已看不到信號的特點(diǎn)，數(shù)字信號的嚴(yán)重失真大大降低了信號的傳輸速率，單純地提高單載波信號的傳輸速率會降低信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.2窄帶特性的分析

為了研究短周期海洋剖面的變化規(guī)律，對觀測要素采集的空間分辨率和時間分辨率要求很高，目前海洋投棄類儀器信號的傳輸速率一直是限制該類設(shè)備發(fā)展的主要原因之一，采用時頻法分析信號的幅頻響應(yīng)是反應(yīng)系統(tǒng)對于不同頻率的正弦信號幅值增益情況的響應(yīng)，對于分析系統(tǒng)在不同頻率下的信號特點(diǎn)具有重要的意義。針對2 000 m信道的放線過程，選取頻率范圍從0～2.5 kHz進(jìn)行放線長度為500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m時的狀態(tài)繪制系統(tǒng)的幅頻特性曲線，得到如圖8（上）所示的結(jié)果。在分別選取100 mv、10 mv、1 mv、0.1 mv作為閾值，計算幅值衰減到閾值以下時的截止頻率得到如圖8（下）所示的結(jié)果。

圖8 傳輸速率與傳輸信號的關(guān)系圖

通過幅頻特性曲線可以看到由于信道的時變特性，在不同放線深度下，系統(tǒng)的幅頻特性曲線具有一定的差別，信道總體呈現(xiàn)低通濾波器特性，且通頻帶比較窄；線軸放線過程隨著頻率的升高，信道的帶寬越窄，選取0.1 mv作為可識別幅值的情況下，信道的通頻帶為20 kHz左右，選取1 mv作為可識別幅值的情況下，信道的通頻帶不到10 kHz，而在選取100 mv時更是只有不到1 kHz，與水聲信道的帶寬具有相似性。在滿足一定信噪比條件下，提高信號的傳輸速率，信道容性感性負(fù)載作用效果加強(qiáng)，信道的帶寬大大降低，高頻信號的抑制作用非常嚴(yán)重。傳統(tǒng)單載波傳輸方式下提高信道的傳輸速率，信號的幅值將大大減小，在滿足一定信噪比條件下，有效帶寬也大大降低。

3.3低信噪比特性

XCTD電信號在海洋環(huán)境中傳輸，影響其傳輸可靠性的海洋環(huán)境噪聲復(fù)雜且難控制，主要包括天然電磁場和人為因素形成的電磁場產(chǎn)生的噪聲，其中，天然電磁場主要包含海洋大地電磁場（海水運(yùn)動切割地磁場產(chǎn)生），由于海水介質(zhì)具有高電導(dǎo)性，相當(dāng)于低通濾波器，該電磁噪聲更多的集中在低頻段內(nèi)（Chave et al，1984）。人為因素形成的電磁場主要包含船體內(nèi)部電力系統(tǒng)接地不良、船體運(yùn)動引起的海水?dāng)_動以及螺旋槳旋轉(zhuǎn)等產(chǎn)生的電磁場，該電磁噪聲頻率涵蓋范圍廣泛（主要集中在低頻段），傳播距離遠(yuǎn)（Hovem et al，2014），這些電磁干擾最終都會成為信號傳輸過程中的噪聲源。根據(jù)香農(nóng)定理指出，在被噪聲干擾的信道中，信息傳輸?shù)淖畲髠鬏斔俾蔆與信道自身的帶寬B以及信噪比S/N密切相關(guān)，其關(guān)系式如公式14所示。

由于信道本身對于信號的幅值抑制較為嚴(yán)重，隨著探測深度的增大輸出信號的能量S在不斷減小，海洋環(huán)境噪聲復(fù)雜，尤其在信號傳輸?shù)胶Ｑ蟊砻妫捎诖w工頻噪聲更大，傳輸信號的信噪比S/N則大大降低，降低了信號傳輸?shù)目煽啃浴ｋS機(jī)噪聲對單載波傳輸信號誤碼率的影響，如圖9（上）（傳輸速率600Hz），圖9（下）（傳輸速率1200Hz）中所示，隨著噪聲量級的增大，誤碼率呈上升趨勢，其數(shù)值不滿足信號可靠性傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖9 海洋噪聲與傳輸信號的關(guān)系

4 結(jié)論

根據(jù)本文對XCTD信號特點(diǎn)的分析可知，走航投棄式剖面儀信道具有“時變/窄帶/低信噪比”的特性：（1）時變性：隨著水下探頭的快速下降，傳輸線不斷展開，水上、水下線軸的繞線的不斷減小，引起信道各部分電抗特性的連續(xù)變化，因而整個信道在不同測量深度對信號的傳輸具有時變性。（2）窄帶性：信道系統(tǒng)自身呈現(xiàn)低通窄帶的濾波特性，且隨著測量深度的增大，信道的幅值增益將會變低，通頻帶會變的更窄，而通頻帶的范圍會向更低頻率范圍偏移，降低信道容量，使得高頻信號難以通過該信道；（3）低信噪比特性：電信號在海洋環(huán)境中傳輸，影響其傳輸可靠性的海洋環(huán)境噪聲復(fù)雜且難控制，且隨著探測深度和傳輸速率額增大，信號的幅值都會大幅度降低，因此信道的低信噪比特性會大大降低信號傳輸?shù)目煽啃裕╖heng et al，2015）。

綜上所述，走航投棄式剖面儀信道與水聲信道、深空信道和無線光傳輸信道相比，不具有多徑效應(yīng)和多普勒頻移（Paniel et al，2000），但具有時變，衰落，環(huán)境噪聲復(fù)雜等問題，其最大的特點(diǎn)是隨著探測深度和傳輸速率的增加信道帶寬會更窄，信噪比會更低，與水聲信道具有更多的相似性。研究結(jié)果對XCTD測量系統(tǒng)電路模型的建立，以及后期對信道進(jìn)行調(diào)制解調(diào)、編碼譯碼以提高測量數(shù)據(jù)的精度和信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義，同時對指導(dǎo)工程研制也具有重要指導(dǎo)意義。

Alexander S,Darren W,2000.XBT/XCTD Standard Test Procedures for-Reliability and Performance Tests of Expendable Probes at Sea.3rd SessionofJCOMM Ship-of-Opportunity Implementation Panel.

Chave A D,Filloux J H,1984.Electromagneticinduction fields inthe oceanoff California； oceanic and ionosphere sources.Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society,77:143-171.

Daniel B,Arthur B,2000.The State of the Art in Underwater Acoustic Telemetry.IEEE Journal of OceanicEngineering,25(1):4-27.

Hlaing M,Vujay K B,Khaled B,et al,2006.Acombined Timing and Frequency Synchronization and Channel Estimation for OFDM.IEEE Transactions on Communications,54(3):416-422.

HovemJM,KorakasA,2014.Modeling Low-Frequency Anthropogenic Noise in the Oceans:A Comparison of Propagation Models.Marine Technology Society Journal,48(2):72-80.

Keisuke M,Tomowo W,1998.PreliminaryResult of in-situ XCTD/CTD comparisontext.Journal ofOceanography,54:373-380.

Luay F,Khaldon L,Natheer K,2012.Automated sleep stage identification system based on time-frequency analysis of a single EEG channel and random forest classifier.Computer Methods and Programs in Biomedicine,8:10-19.

Szuts Z B,2012.Using motionally-induced electric signals to indirectly measure ocean velocity:Instrumentaland theoretical developments. Progress in Oceanography,96(1):108-127.

Yang X X,Zheng T,Zhang B H,2007.Investigation of Transmission Properties on 10-Kv Medium Voltage Power Lines.IEEE Transactions on Power Deliever,22(3):1446-1454.

ZhengY,Gao Y,Fang J,et al,2015.The research methods of a time-varying channel model of the XCTD profiler.Journal of Geophysics and Engineering,12849.

陳雷，賈志成，李永軍，等，2009.投棄式溫鹽深測量儀數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研制.海洋技術(shù)，28（3）：26-29.

賈志成，于曉山，尼建軍，等，2010.XCTD剖面儀數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計與實現(xiàn).海洋技術(shù)，29（2）：1-4.

金永明，2012.中國制定海洋發(fā)展戰(zhàn)略的幾點(diǎn)思考.國際觀察，20（4）：8-14.

李永軍，董濤，武寶華，2011.船用投棄式溫鹽深測量儀研究.中國科技成果，12（7）：14-15.

鄭羽，李紅志，梁捷，等，2013.水下XCTD剖面儀傳輸線間分布電容的建模與計算.海洋通報，32（3）；332-337.

鄭羽，趙宣，李靜，等，2013.拋棄式鹽溫深剖面儀信號傳輸動態(tài)分析.海洋技術(shù)，32（4）：11-14.

鄭羽，趙宣，李靜，等，2014.深海走航拋棄式測量儀器時變信道對傳輸性能影響的分析.物理學(xué)報，64（4）：1-7.

（本文編輯：李曉光）

Analysis of Transmission Characteristic of Deep-sea Abandoned Measuring Instrument Channel

ZHENG Yu1,FANG Jing1,GAO Yu1,LI Hong-zhi2,SONG Guo-ming1, SHANG Ying-sheng1,WANG hui-quan1
（1.Tianjin Polytechnic University school of Information and Electrical Engineering,Tianjin300387,China; 2.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

The expendable conductivity-temperature-depth(XCTD)profiler is an important instrument for acquiring data of marine environment,which mainly applied in measuring large area of ocean parameters rapidly in marine environment observation,but the transmission channel is always not clear,and there is lack of certain theoretical basis to improve the performance of the channel transmission.This paper takes XCTD as the research object,and optimizes the circuit model and transfer equation of the channel,and calculates the channel impedance parameters;this paper studies on the time-varying of channel baseband transmission signals of expendable profiler by time frequency method,and analyzes the variation characteristics of signal bandwidth in different frequency,and analyzes the influence of random noise on transmission signal and error rate.The results show the characteristics of"time-varying/narrowband/low signal-to-noise ratio"of the transmission channel of the expendable conductivity-temperature-depth (XCTD)profiler in different depth and transmission rate,and there is more similarity between characteristics of the channel and underwater acoustic channel.The conclusion expands the research ideas in improving the transmission performance of XCTD channel,and provides theoretical support for the common problems of channel transmission technology in the development of deep-sea expendable observation technology.

conductivity temperature depth profiling system;time-varying channel;narrowband;signal-to-noise ratio; transmission performance

X834

A

1001-6932（2016）06-0708-09

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.014

2015-08-19；

2015-10-17

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃（14JCYBJC16300）。

鄭羽，電子郵箱：zhengyu@tjpu.edu.cn。