摘要

水下原位勘查系統(tǒng)采用100米長(zhǎng)線纜連接水面手持終端與水下成像探頭，長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程當(dāng)中容易出現(xiàn)視頻信號(hào)衰減、電磁干擾、圖像卡頓、信號(hào)丟包等問(wèn)題；同時(shí)湖上船只作業(yè)風(fēng)浪搖擺，線纜拖拽磨損、彎折疲勞風(fēng)險(xiǎn)突出。本文針對(duì)水生植物、底棲生物雙成像采集儀的100米綜合線纜開展研究，分析長(zhǎng)距離水下視頻信號(hào)衰減機(jī)理，開展線纜屏蔽、信號(hào)傳輸方案優(yōu)化；設(shè)計(jì)湖上船只定點(diǎn)下放、收放、防纏繞、防磨損的標(biāo)準(zhǔn)化布放工藝；開展20米水深湖上拖拽模擬試驗(yàn)，檢驗(yàn)線纜在風(fēng)浪工況下信號(hào)傳輸穩(wěn)定性。研究成果可為長(zhǎng)纜型船載水下成像監(jiān)測(cè)設(shè)備野外可靠運(yùn)行提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：水下成像；100米水下線纜；視頻信號(hào)傳輸；抗干擾；船載布放；線纜防護(hù)；野外水生態(tài)調(diào)查

1 長(zhǎng)距離水下線纜信號(hào)傳輸問(wèn)題現(xiàn)狀

船載水下原位成像系統(tǒng)依靠100米綜合線纜同時(shí)完成電力輸送、高清視頻圖像信號(hào)回傳。線纜在水下既需要承受水壓、泥沙摩擦，船上作業(yè)過(guò)程中會(huì)反復(fù)收卷、拖拽、彎折。在實(shí)際野外使用過(guò)程中，長(zhǎng)線纜容易出現(xiàn)兩類典型故障：一類是信號(hào)傳輸故障，電磁干擾造成視頻畫面橫紋、噪點(diǎn)、圖像卡頓、信號(hào)丟包，嚴(yán)重時(shí)圖像信號(hào)中斷；第二類是機(jī)械損傷，風(fēng)浪條件下船體擺動(dòng)，線纜受到拉扯、磕碰，出現(xiàn)護(hù)套磨損、內(nèi)部線芯斷裂，造成設(shè)備失效。

很多水下設(shè)備故障不是來(lái)自探頭本體，而是來(lái)源于線纜系統(tǒng)。線纜不僅是電氣傳輸通道，同時(shí)是承受機(jī)械載荷的關(guān)鍵部件。目前針對(duì)ROV水下機(jī)器人臍帶纜研究較多，但針對(duì)河湖野外水生態(tài)調(diào)查專用100m級(jí)綜合線纜的抗干擾、船載布放工藝研究較少。本文針對(duì)本套雙探頭水下成像系統(tǒng)100米綜合線纜，分析信號(hào)衰減干擾機(jī)理，優(yōu)化屏蔽傳輸方案，建立船載標(biāo)準(zhǔn)化布放工藝，開展湖上模擬拖拽試驗(yàn)。

2 水下成像系統(tǒng)線纜組成、供電?信號(hào)復(fù)合傳輸方案

100米水下綜合線纜是集成化復(fù)合線纜，內(nèi)部包含供電芯線、差分視頻信號(hào)芯線、抗拉芳綸纖維增強(qiáng)層；外部為耐海水、耐磨損聚氨酯護(hù)套。線纜工作模式為：水面端供電單元輸出電能，通過(guò)線纜供電芯線輸送至水下探頭；水下雙探頭采集得到高清視頻圖像，通過(guò)差分信號(hào)芯線回傳到水面手持終端。線纜內(nèi)部設(shè)置高強(qiáng)度芳綸纖維編織抗拉層，絕大部分拖拽拉力由抗拉纖維承擔(dān)，避免供電、信號(hào)芯線承受拉力發(fā)生斷裂。

復(fù)合線纜同時(shí)傳輸強(qiáng)電電力信號(hào)與弱電視頻信號(hào)，電力回路電流變化會(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，對(duì)鄰近視頻信號(hào)線產(chǎn)生電磁耦合干擾，這是長(zhǎng)線纜圖像出現(xiàn)噪聲的重要來(lái)源。

3 長(zhǎng)距離視頻信號(hào)衰減與電磁干擾機(jī)理分析

長(zhǎng)距離線纜信號(hào)干擾分為線內(nèi)耦合干擾、外部環(huán)境干擾兩類。線內(nèi)耦合干擾：線纜內(nèi)部供電芯線通斷、電流波動(dòng)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，通過(guò)電磁耦合作用干擾相鄰視頻信號(hào)線，造成畫面噪聲。外部干擾：調(diào)查船上電機(jī)、導(dǎo)航設(shè)備、電臺(tái)等電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射，通過(guò)線纜外皮耦合進(jìn)入信號(hào)回路。

信號(hào)衰減：視頻信號(hào)在長(zhǎng)線纜傳輸過(guò)程存在導(dǎo)體電阻損耗、介質(zhì)損耗，信號(hào)幅值隨傳輸距離增加下降，信號(hào)信噪比降低，容易被噪聲淹沒(méi)。當(dāng)信噪比下降到閾值以下，就會(huì)出現(xiàn)圖像卡頓、丟包。

船體風(fēng)浪搖擺造成線纜反復(fù)彎折，會(huì)造成信號(hào)線芯局部損傷，接觸電阻不穩(wěn)定，進(jìn)一步加劇信號(hào)異常現(xiàn)象。

4 線纜屏蔽優(yōu)化、信號(hào)傳輸抗干擾方案設(shè)計(jì)

針對(duì)電磁干擾，采用多層屏蔽隔離方案：供電芯線分組獨(dú)立銅箔屏蔽，視頻差分信號(hào)線單獨(dú)設(shè)置雙層屏蔽層；電力線與信號(hào)線在線纜內(nèi)部物理分區(qū)排布，拉開相互距離，降低線間耦合；屏蔽層采用單端接地方式，避免屏蔽層形成地環(huán)路引入額外噪聲。視頻信號(hào)采用差分傳輸模式，差分信號(hào)可以有效抑制共模電磁干擾，提升長(zhǎng)距離傳輸抗噪聲能力。

電氣層面：在手持終端輸入端增加信號(hào)濾波電路，濾除耦合進(jìn)入信號(hào)回路的高頻干擾噪聲。線纜結(jié)構(gòu)層面，增加芳綸抗拉層，將機(jī)械拉力與電氣芯線解耦，減少拖拽彎折對(duì)信號(hào)線的機(jī)械損傷，從源頭降低接觸不良帶來(lái)的信號(hào)異常。

5 湖上風(fēng)浪條件下線纜布放、收放標(biāo)準(zhǔn)化工藝

野外船載作業(yè)，線纜布放、收放操作工藝直接關(guān)系線纜使用壽命和信號(hào)穩(wěn)定性。制定標(biāo)準(zhǔn)化布放收放工藝：

1）下放前檢查：作業(yè)前檢查線纜外護(hù)套有無(wú)劃傷破損，水密接頭有無(wú)泥沙、水漬，接頭擰緊到位；

2）船只穩(wěn)船：到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位之后船只拋錨，減少船體搖擺幅度，再開始下放探頭；風(fēng)浪過(guò)大船體劇烈擺動(dòng)條件下，停止下放作業(yè)；

3）勻速下放：操作人員勻速釋放線纜，禁止猛放猛拽，避免探頭快速下墜撞擊湖底；船舷邊角線纜接觸位置增加橡膠護(hù)墊，防止線纜被船舷棱角割磨；

4）作業(yè)過(guò)程：水下作業(yè)時(shí)，線纜保持適度松弛，不要繃緊；船體隨風(fēng)浪擺動(dòng)，繃緊線纜會(huì)造成接頭位置承受巨大拉力，容易損壞接頭與線纜；

5）回收階段：勻速回收線纜，探頭快到達(dá)船舷位置放慢速度，避免探頭撞擊船板；線纜回收之后，整齊盤繞存放，避免硬彎折、死折；

6）作業(yè)結(jié)束：用清水沖洗線纜表面泥沙，檢查護(hù)套磨損情況，晾干接頭之后再收納存放。

布放工藝重點(diǎn)是避免線纜硬摩擦、劇烈拉扯、死彎折，減少機(jī)械損傷，保障信號(hào)傳輸穩(wěn)定。

6 湖上模擬拖拽、信號(hào)穩(wěn)定性試驗(yàn)

開展湖上模擬拖拽試驗(yàn)，水深設(shè)置18m，完整接入100m優(yōu)化后的綜合線纜，水下探頭放置水下，船只低速模擬風(fēng)浪搖擺拖拽工況，持續(xù)拖拽試驗(yàn)2h，全程記錄手持終端視頻畫面狀態(tài)，觀察是否出現(xiàn)圖像噪點(diǎn)、卡頓、丟包、中斷現(xiàn)象。試驗(yàn)同時(shí)對(duì)比未做屏蔽優(yōu)化的普通線纜的信號(hào)表現(xiàn)。

試驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)過(guò)屏蔽優(yōu)化的100m綜合線纜，在模擬風(fēng)浪拖拽全過(guò)程，視頻圖像連續(xù)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯噪點(diǎn)、卡頓、信號(hào)丟包；對(duì)比普通線纜，拖拽過(guò)程多次出現(xiàn)圖像橫紋噪聲，短暫信號(hào)卡頓。證明屏蔽優(yōu)化方案可以顯著提升長(zhǎng)距離線纜信號(hào)傳輸穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)2小時(shí)反復(fù)拖拽，優(yōu)化線纜護(hù)套沒(méi)有出現(xiàn)明顯損傷，抗拉層有效承擔(dān)拖拽拉力。

7 線纜野外運(yùn)維、防護(hù)注意事項(xiàng)

野外運(yùn)維要點(diǎn)：每次野外出工前后檢查線纜護(hù)套磨損、接頭狀態(tài)；禁止線纜出現(xiàn)死折硬彎；船舷接觸位置必須加裝護(hù)墊，避免金屬棱角割破護(hù)套；接頭需要保持清潔干燥，泥沙及時(shí)沖洗；線纜收納盤繞曲率半徑不能小于線纜最小彎曲半徑；避免陽(yáng)光長(zhǎng)期暴曬存放；如果護(hù)套出現(xiàn)破損，需要及時(shí)修復(fù)，防止水滲入內(nèi)部造成故障。野外作業(yè)配備備用線纜，防止線纜損壞造成調(diào)查任務(wù)中斷。

8 結(jié)論

本文針對(duì)100米水下綜合線纜，分析長(zhǎng)距離傳輸視頻信號(hào)衰減與電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理，采用線纜內(nèi)部分區(qū)屏蔽、差分信號(hào)傳輸、單端接地、信號(hào)濾波等抗干擾優(yōu)化方案；建立船載條件下線纜下放、作業(yè)、回收標(biāo)準(zhǔn)化布放工藝；湖上模擬拖拽試驗(yàn)證明優(yōu)化之后線纜在風(fēng)浪拖拽工況下信號(hào)傳輸穩(wěn)定。研究得到的線纜抗干擾方案與船載布放工藝，可以為同類長(zhǎng)纜水下成像野外監(jiān)測(cè)設(shè)備提供技術(shù)參考。

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