環境監察論文：通信在環境監察中的實用性

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作者：胡展銘姜文博江偉偉陳元陳偉斌單位：國家海洋環境監測中心

技術特點

本系統水下無線通信采用的是水聲通信技術，相比較水下電磁波和水下光通信技術，聲波在水中衰減最小，因此聲波是目前水中信息傳輸的主要載體，并且水聲通信是當前唯一可在水下進行遠程信息傳輸的通信形式［7］。本系統綜合應用浮標和海床基，相比較浮標、海床基、船舶和潛標單站監測方式，是一種無線觀測鏈的監測方式。這種方式可提高監測數據質量、擴展監測范圍和監測信息，并可在監控終端準實時獲取遠程、長期水下監測數據，也符合海洋環境監測具有覆蓋面廣、站位分散、數據間斷和頻繁少量的特點。

技術原理

第二代GSM技術利用SMS(短消息)進行數據傳輸和雙向控制，系統通過發送和接收短消息進行數據傳輸，依靠2個或以上的GSM通信模塊實現，開發相對簡單，傳輸成本相對較高;第二代GPRS技術引入智能天線、雙頻段等技術，有快速登陸、永遠在線、高速傳輸和按流量計費而節約成本的優勢;第三代技術是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術，速率一般在幾百kb/s以上，主要優點是能極大地增加系統容量和提高數據傳輸速率，并且利用不同網絡間的無縫漫游技術可將無線通信系統和Internet連接起來;第四代TD-LTE-Advanced技術可以在不同的固定、無線平臺和跨越不同的頻帶的網絡中提供無線服務，具有非對稱的超過2Mb/s的數據傳輸能力，比通常意義上的3G快50倍，下載速度最高可達100Mb/s、上傳速度最高可達20Mb/s，可極大的滿足海洋監測數據的傳輸要求。目前第二代和第三代技術已趨于成熟，基站已基本形成對我國近海的全覆蓋，相應的通信技術已在港口航道、海水浴場、水產養殖、能源開發等海洋領域廣泛應用;第四代技術已形成，但國際標準仍未統一，尚不具備推廣應用條件。水聲通信技術水聲通信是通過聲波在海水里傳播實現。工作原理是首先將文字、語音、圖像等信息轉化成電信號，發射換能器又將電信號轉化為聲信號，聲信號通過海水介質以應答或自動方式傳遞到接收換能器，這時聲信號又轉化為電信號，解碼器將數字信息破譯后，經電接收機轉為文字、語音、圖像等信息。水介質與空氣介質的特性不同，水聲信道與空氣中的無線電信道具有許多明顯的差異。水下聲信道是時間散布快速衰落信道，具有多普勒不穩定性［9］。水聲通信的衰耗因素較多，特別是在海水中傳播，聲傳播損失不僅與頻率有關，而且還受海水的鹽度、溫度、密度、深度以及傳播距離等因素的影響，造成中遠程水聲信道帶寬極其有限。水中的聲速計算公式可見下式:c=1449．2+4．6T－0．055T2+(1．34－0．010T)(S－35)+0．016D(1)其中:T是海水溫度，S是鹽度，D是深度。海水中不均勻分布的聲速剖面造成聲線的彎曲，而聲波的界面反射和隨機散射又引起聲波接收信號的多途效應。在實現高速通信時，有限的信道帶寬和信號的多途傳輸會引起嚴重的碼間干擾，造成接收數據的嚴重誤碼［10］。同一聲源發出的聲波，在不同的海區或不同的季節，傳播情況可能都不同。從信道中的各種限制因素到時變、空變性，水聲信道都遠比無線電信道復雜。

基于通信技術的監測系統應用

系統水下通信采用美國Linquest公司的UWM2000聲學調制解調器(全方向模式、波束寬度210°，在比較復雜的環境條件下允許有相對的運動);水上移動通信采用GSM通信模塊。系統可對剖面流速、流向、溫度等環境參數和儀器姿態進行數據實時傳輸，通信技術可在赤潮、溢油、危險化學品泄露等海洋突發污染事件應急監測中應用，管理者可根據實時監測數據現場指揮和快速決策;也可在海水浴場、海水養殖區、海洋保護區等功能區監測和入海污染物質輸運監測中應用，獲取定點、實時和連續的監測資料。本系統若結合地理信息系統和物聯網技術，將改變現有的海洋環境監測狀況。通過無線通信方式形成一個基于物聯網的海洋環境監測系統，可采集和處理網絡覆蓋區域中監測信息，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監測和管理［11］。

結語

由于海洋環境監測的特點和發展趨勢，適合以水聲通信和移動通信作為數據傳輸載體，因此結合海床基和浮標，基于水聲和移動通信技術構建的監測系統，應用于海洋環境監測領域是完全可行的。該系統可實現對海洋環境的智能監測，并將監測終端數據異地可視化，達到動態監測海洋環境的功能，通過改變監測終端傳感器的類型可實現功能更全面的監測，該系統可提高監測效率、運行成本較低，具有一定的推廣價值。隨著通信、地理信息系統和物聯網技術的發展，未來的海洋環境監測無線通信網既可以實時獲取大范圍的海洋信息，也可以快速、便捷地傳遞、控制和管理各種信息。因此，通信技術必將在海洋環境監測中發揮越來越重要的作用。