0 引言
面对陆地矿产资源日益匮乏的情况，人们逐渐将目光转向广阔的海洋。占据地球2/3表面积的海洋蕴含丰富的矿产资源，因此对于海洋矿产资源的勘探与开采成为解决当前资源匮乏问题的有效途径之一[1]。在进行海洋资源开采的同时，需要对周围环境进行监测，实时有效地获取周围环境信息。作为水下安全监测的支撑技术，水下无线通信技术日益成为学者们的研究热点。传统的水下无线通信技术主要有水下电磁波通信、水声通信和水下可见光通信。高频电磁波在水下传播时存在严重衰减，因此在水下环境中只能采用极低频或甚低频频段的电磁波，导致水下电磁波通信系统需要大尺寸天线，无法满足水下安全监测的应用需求[2]。水声通信采用声波作为信号载体，声波在水下的传播速度约为1 500 m/s，因此水声通信的传输时延较大，无法实现信息实时传输;水声通信会受到水底水面反射的影响，造成严重的多径效应，影响通信性能[3];水下环境复杂，周围环境噪声严重，直接降低水声信号的接收信噪比。水下可见光通信通常采用波长450～550 nm的蓝绿光束，但是在水质浑浊的情况下，水中粒子会对光波造成散射及折射现象，并且水下生物、潜航器等会在光波传输路径上造成视距遮挡现象，发生通信链路中断情况[4]。
无线磁感应通信作为近年来新兴的无线通信技术，在水下和地下等挑战环境下具有很好的应用前景[5-8]。无线磁感应通信通过耦合线圈感应出磁场分量作为载体传输信息，且磁场信号比电磁波信号具有更好的水下介质穿透能力。由于影响无线磁感应通信信道状态的主要因素是传输介质的磁导率，而在水下环境中介质的磁导率基本一致，所以无线磁感应通信在水下环境中具有稳定的信道状态[9]。
文献[10]建立了水下无线磁感应通信模型，分析了无线磁感应通信在水下环境中的传输特性，并与水声通信、水下电磁波通信进行对比分析，结果验证了无线磁感应通信在水下环境中的可行性。文献[11]提出了一种由无线磁感应通信收发端与磁感应中继线圈组成的三维水下通信网络，研究了其拓扑结构，并从数值上分析了三维水下通信网络的信噪比、误码率、带宽等性能。文献[12]针对水下潜航器因位置变化而导致水下无线磁感应通信性能下降的问题，提出了一种三向天线通信模型，研究了其路径损耗、系统容量等。文献[13]分析了水下安全监测网络中单向天线与全向天线无线磁感应通信模型在天线位置与角度变化情况下的路径损耗。
本文采用无线磁感应通信技术作为水下环境安全监测的信息传输技术。首先分析了水下无线磁感应通信的传输原理，然后给出了水下无线磁感应通信平台设计方案，并利用该平台，在模拟水下环境中分别对单向天线与全向天线无线磁感应通信进行测试，研究了天线位置与角度变化对通信性能的影响。
1 水下无线磁感应通信原理
水下无线磁感应通信模型如图1所示。采用环形线圈作为收发天线，发射、接收线圈半径分别为at,ar，收发线圈之间的距离为r，收发端通过线圈产生的磁场进行信息传输。当发射线圈上加载交变电流I1时，线圈周围产生变化的磁场，而此时处于磁场中的接收线圈上会产生相应的感应电流I2，接收端信号经过相应的解调方法解调出发射端信息。
图1 水下无线磁感应通信模型
Fig.1 Underwater wireless magnetic induction communication model
水下无线磁感应通信模型的二端口等效电路如图2所示。端口1电流为I1,电压为V1；端口2电流为I2，电压为V2；发射线圈等效阻抗为ZTX，负载阻抗为ZL。二端口网络的Z参数[10]为
(1)
式中：RTX,RRX分别为发射、接收线圈导体电阻；ω为加载在发射线圈上电流的角频率；LTX,LRX分别为发射、接收线圈的自感；M为收发线圈之间的互感。
图2 水下无线磁感应通信模型等效电路
Fig.2 Equivalent circuit of underwater wireless magnetic induction communication model
可用式(2)的Z参数矩阵描述图2的二端口网络：
(2)
由此可得接收线圈中感应电流：
(3)
当收发线圈处于如图3所示位置时，收发线圈之间的互感为
θ2cosθ1sinθ1cos (φ2-φ1)+
cosθ2(2cos2θ1-sin2θ1)]
(4)
式中：μ为水下介质的磁导率，μ=μrμ0，μr为水下介质的相对磁导率，μr=1,μ0为真空磁导率,μ0=4π×10-7H/m;Nt,Nr分别为发射、接收线圈匝数。
图3 收发线圈位置
Fig.3 Position of transmitting and receiving coils
2 水下无线磁感应通信平台设计
水下无线磁感应通信平台主要由信源、信道和信宿3个部分组成，如图4所示。在信源部分，微处理器将外部传感器采集的信息进行数据编码，通过FSK调制方式将微处理器编码后的基带信号进行调制。已调信号通过功率放大器后加载到发射线圈，通过磁场形式将信息发送出去。在信宿部分，接收线圈感应出相应的电信号，通过接收滤波滤除干扰信号后进行放大，然后经过FSK解调方式恢复出原始基带信号，完成通信过程。
图4 水下无线磁感应通信平台组成
Fig.4 Composition of underwater wireless magnetic induction communication platform
2.1 调制发送电路
选用AD9854作为调制芯片。AD9854是一款高度集成的数字合成器，采用先进的DDS(Direct Digital Synthesizer,直接数字式频率合成器)技术，通过修改其内部寄存器控制频率、幅度、相位等，可以很容易、精确地实现各种调制算法。
基于AD9854的调制发送电路如图5所示。通过STM32F107单片机对AD9854进行初始化操作并控制其相关寄存器，控制AD9854产生所需信号。STM32F107的PC6引脚与AD9854的FSK引脚连接，基带信号通过STM32F107的PC6引脚输入AD9854，作为控制信号控制AD9854输出频率。
图5 调制发送电路
Fig.5 Modulation transmission circuit
AD9854输出频率为
(5)
式中：WFT为频率控制字；CSYS为系统时钟信号；N为AD9854频率寄存器位数。
AD9854输出的调制信号较弱，无法驱动发射线圈，因此采用OPA548运算放大器对调制信号进行放大。
2.2 调制软件
基于AD9854的调制软件流程如图6所示。首先STM32F107通过外部引脚控制方式对AD9854进行初始化操作，定义各端口作用：STM32F107的PB0—PB7端口定义为8位可编程数据接口，PB8—PB13端口定义为可编程寄存器的6位地址输入接口，PC6端口定义为基带信号输入端口。然后选择FSK工作模式，写入频率控制字WFT1和WFT2。最后判断PC6端口是否有基带信号输出，若没有则结束程序，若有信号输出，当输出为低电平时，调制发送电路输出频率为f1的信号，当输出为高电平时，调制发送电路输出频率为f2的信号。
图6 调制软件流程
Fig.6 Process of modulation software
2.3 接收解调电路
接收解调电路包括接收放大电路和FSK解调电路，如图7所示。接收放大电路为由低噪声三极管组成的两级放大电路，通过选取合适的电阻可设置放大倍数。FSK解调电路采用CD4046锁相环芯片作为解调器件，使用CD4046中的相位比较器、压控振荡器与外接滤波器构成基本锁相环路，对FSK信号进行频率锁定。滤波器滤除信号中的高频分量，得到发射端原始基带信号。
图7 接收解调电路
Fig.7 Receiving demodulation circuit
2.4 收发天线
选用由漆包线绕制的环形导体线圈作为水下无线磁感应通信平台的收发天线。收发天线位置、角度变化对采用单向天线的磁感应通信性能影响较大，而全向天线能有效缓解收发天线位置、角度变化对通信造成的影响[13]。因此，分别制作了单向天线和全向天线。全向天线直径为15 cm，单向天线直径为15，20 cm，线圈匝数均为5。收发天线如图8 所示。
图8 收发天线
Fig.8 Transmitting and receiving antennas
3 通信试验
根据上述方案搭建水下无线磁感应通信平台，如图9所示，在模拟水下环境中对其进行测试。首先测试单向天线处于共轴平行状态下的通信性能，结果见表1。可看出水下无线磁感应通信平台能在水下环境中实现无线信息传输，且当线圈匝数相同时，线圈半径越大，通信距离越远。
然后测试接收天线位置变化对通信性能的影响。设置收发端之间的距离为50 cm，接收端以发射端为圆心做圆周运动，当旋转0，45，90°时，对采用单向天线和全向天线的水下无线磁感应通信平台进行测试，结果见表2。
图9 水下无线磁感应通信平台
Fig.9 Underwater wireless magnetic induction communication platform
表1 单向天线磁感应通信测试结果
Table 1 Test results of magnetic induction communication of unidirectional antenna
表2 接收天线处于不同位置时测试结果
Table 2 Test results when receiving antenna is in different positions
最后测试接收天线角度变化对通信性能的影响。收发天线开始处于共轴平行状态，保持发射端位置不变，收发端距离为50 cm，在接收天线处于不同角度下，分别对采用单向天线和全向天线的水下无线磁感应通信平台进行测试，结果见表3。
表3 接收天线处于不同角度时测试结果
Table 3 Test results of receiving antenna at different angles
从表2、表3可看出，对于采用单向天线的水下无线磁感应通信平台，接收天线位置和角度变化会造成通信链路中断，而采用全向天线的平台在接收天线位置和角度变化过程中仍能保持正常通信。
4 结论
(1) 由于水下传输介质具有几乎一致的磁导率，所以无线磁感应通信在水下环境中具有稳定的信道状态。
(2) 制作的水下无线磁感应通信平台能够实现在水下环境中的无线信息传输。
(3) 试验过程中，在接收天线位置、角度变化情况下,采用单向天线的水下无线磁感应通信平台会出现通信中断现象，而采用全向天线的平台则能保持正常通信，有效提高了通信可靠性。
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