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中图分类号：TP563 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0258-01
引言
在浅海石油勘探施工中，水下检波器由于受到洋流、人工布设等因素影响，会偏离施工设计位置，利用水下声学定位系统可确定检波器在水下实际位置，作为施工和资料处理的依据，目前水下声学定位系统已经成为海上施工的标配设备。水声通讯技术是水下声学定位系统的一项关键技术，根据水声通讯技术的不同，水下声学定位系统可划分为两代。地球物理公司胜利分公司曾经研发和产业化第一代水下声学定位系统，并大面积应用，取得了很好的应用效果，目前正在研发第二代水下声学定位系统。下面介绍水声通讯技术在声学定位系统中的实现方式，作为系统研发的参考。
1 系统主机与应答器通讯工作方式
水下声学定位系统的通讯是指位于水面的系统主机与水下的应答器之间的通讯，通讯信息采用声波作为载体。由于在浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，只有声波在水中的衰减最小，在低频条件下，衰减只有2-3dB/km，因此水下通信一般都使用声波来进行通信。采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远距离无线通信的唯一手段。
系统主机与应答器的通讯采用一问一答的方式，不同的是主机发出的询问信号是群发，针对的是一个组内的所有应答器，而不是某一个应答器。实际上，主机发出的询问信号就是一组应答器的组号，一般又称为Group号。接收到主机询问的应答器，首先要判明是否是自己的Group号，如果是就发出回应信号，否则继续保持休眠状态。回应信号与组内其他应答器是有区别的，代表了每个应答器的ID，在布设之前用编码器按照需要写入应答器CPU的RAM存储器。
两代水下声学定位系统通讯工作方式是相同的，但在系统容量以及施工方式、效率等方面有了很大差异。第一代水下声学定位系统的代表产品美国I/O公司的Digipoint系统容量只能包含8组512个应答器。系统主机工作时，采用8组应答器组号循环发送的方式，施工效率较低；第二代水下声学定位系统的代表产品英国Sonardyne公司的TZ/OBC，系统容量为401组，应答器个数为3609个。系统主机工作时，因为应答器布放位置已知，主机只发送特定的应答器组号，因此施工效率也大大提高。造成两代水下声学定位系统差异的原因在于通讯信息编码方式不同，这也是划分为两代系统的依据。
2 系统通讯信息编码
声波在水下传播，要受到声信道的严重影响。首先，水声信道对水声通信的主要影响是传播损失和多径传播，表现为信号的衰落和码间串扰，浅海海域浮游生物多、泥沙含量高，对声波的吸收衰减更为严重，使通信质量大大下降，误码率增加；其次，浅海海域环境噪声十分严重，包括涨落潮的海底摩擦、浅海船只噪音，对系统的抗干扰能力要求更高。这些都是水下通讯中信号设计与处理时所要考虑的。
声信号频带的选择是首先要解决的问题。虽然低频声信号衰减小，但传播速度慢，影响施工效率和定位精度，而基带频率越高，测距精度越高，但信号衰减快，测程短。权衡考虑，水下声学定位系统声信号选用了30-50kHz的频带，这一频率范围的海洋噪声比较少， 抗干扰能力比较强，而且测距精度比较高。
使用特定频率的音频脉冲，作为一个码元，按照一定编码调制方式，即可表示各种信息。水下声通讯信息的编码调制目前主要有两种方式，分别是多频移键控（MFSK）和跳频时延（FH-TDFSK）方式。
2.1 MFSK编码调制方式
美国I/O公司的Digipoint系统采用此种编码调制方式。MFSK系统使用不同的音频脉冲来表示数字信息，也有一定的优势。首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性；其次，它能够对在时域和频域上的信道畸变进行各种补偿。由于MFSK编码调制方式，需要多种频率的码元进行组合，应答器组数越多，这种组合越复杂，尤其是应答器在表示自身的ID时，需要发射更多的码元，造成应答器功耗过高，成为系统的致命缺陷。
2.2 跳频时延（FH-TD-FSK）编码调制方式
跳频时延（FH-TDFSK）编码原理是将一个数据帧周期T分成N个时间段，每个时间段又分成M个时间片，每个时间片再分成P个时隙，每个时隙对应一个CW窄脉冲（即单频矩形脉冲）的脉宽，再根据一定的带宽要求将可用的水声信道频带分割成Q个相邻的信道（频隙），分别为：f1、f1、……、fq，将其分成N个组，每组有P个频点，即Q=N*P。这样每个频点的CW脉冲都对应M进制数的一位，每一个CW脉冲在M个时间片内的某个对应时隙出现，即表示了M进制中的某个值。因此，Q个频点即可构成Q位M进制的数据帧，再加上一个帧同步CW脉冲，即实现了跳频时延编码。
英国Sonardyne公司的TZ/OBC系统采用了此种编码调制方式。这种利用不同频率的音频脉冲出现在特定时间点的编码方式，减轻了应答器的功耗负担，使得应答器水下工作时间大大延长。
3 系统通讯信号发射与接收
虽然系统通讯信息的编码方式不同，但通讯信号发射和接收电路是相似的。
3.1 主机信号的发射与接收
水下声学定位系统进行水下声通讯需要依赖换能器将电信号和声信号进行转换，发射/接收换能器总称为换能器基阵，由发射换能器、接收水听器、前置放大滤波器等组成。前置放大滤波器功能为放大、滤波、阻抗变换。
主机操作系统将要发射的组号生成后，由数模转换电路（D/A）转换为模拟信号，通过带有增益控制的功率放大器放大，由换能器将放大后的电信号转换为声信号，发送出去；换能器接收到的声信号，首先转换为电信号，通过前置放大滤波器电路滤波、放大，再经过模数转换电路，将信号转换为数字信号，进行后续处理。
3.2 应答器信号的发射与接收
应答器的接收和发射共用一个声探头换能器，接收到的信号经过带通滤波后，再经过放大，经过窄带滤波，检波放大，比较转换后，信号送入单片机进行解码处理，判决，若是与该应答器预置的组码相同，则单片机对将要回应的信息编码，该信息包含应答器的预置ID码 ，回应信息编码完成后，该信号经过功放放大，由换能器声探头发出。
4 结束语
水下声学定位系统在海洋石油勘探领域有很好的应用前景，水声通讯技术作为其关键技术，影响到系统的施工效率、系统功耗、工作方式。了解和掌握其原理，对系统研发、改进，甚至使用都有重要的意义。
关键词： 即现场可编程门阵列（FPGA）；无线通讯；超声波；声通讯
Key words: field-programmable gate array (FPGA)；wireless communication；ultrasonic wave；acoustic wireless communication
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）24-0215-02
0 引言
随着电子技术的飞速度发展，无线通讯正悄然的改变着这个社会，成为人们生活中不可或缺的一部分，传统意义上的无线通讯大多建立在电磁通讯上，虽发展早技术相对成熟，但并不适合于所有领域，如海洋环境。由于水是电的良导体，这使得电磁波在水下衰减十分迅速，想进一步实现无线通讯非常困难。如今世界各国对海洋资源开发的日益重视，人们越发感觉到找寻一种新型的无线通讯方式并制定与之相应的通讯体制的重要性。与此同时因声波在水下传播方向性好，穿透力强，传播距离远等特性，使得水声成为水下通讯的首选媒介，无线声通讯的研究正在成为一个新的研究热点。
现场可编程门阵列（FPGA）作为新一代的可编程逻辑器件以其成本低、可靠性高、开发周期短等优势，广泛应用于通讯、工控、接口总线、航空及车载控制等的设计上，成为最具灵活性及广泛性的开发设计平台之一。FPGA可轻易地被修改与变更，且允许开发人员根据需求变化进行资源的重新配置，这允许我们对已经成型的PCB在不改动硬件连接的情况下进行二次开发，这一优点在无线通讯设计方面尤为明显，突出表现在系统的升级更新，协议的调整，接口的扩展等方面。FPGA在为无线通讯系统提供丰富资源的同时，也使无线通讯系统烦琐的开发过程变的简单。
1 总体设计和系统架构
本系统分为超声波收发部分，调制解调部分以及与外界MCU、PC进行数据传输的UART接口模块、系统接口缓存FIFO四个部分组成。系统将待发送的数据通过脉冲进行编码调制，把数据加载到声波上以超声波的能量形式发送出去，由超声波接收模块接收，并进行信号的解调与校验。系统中将要发送与新接收到的数据都暂存在FIFO中，并通过UART接口与外界进行数据的交互，如图1所示。
2 设计原理
2.1 无线部分的设计
2.1.1 超声波无线通讯协议选择与数据帧结构 为了能够正确地对超声波进行编码，首先必须对通讯协议进行选择与设计。设计的关键在于帧的同步问题，本设计参考了串口通讯协议，数据帧包含一个起始位，8个数据位，一个偶校验位和1个停止位。未接收到信号时，定时器不计时，当电平由高变低即收到起始位0时，记时器开始计时，既以起始位作为帧同步的信号。通过比较计数器的计数来判断每一位是0或者是1，接收完8位数据、校验位及停止位后。定时器复位，准备接收下一个数据。本设计以200个40KHZ周期脉冲时间作为最小的电平转换单元，即最小的电平持续时间为5ms，为保证采样数据的可靠性，对每位的电平数据进行中心点附近的5次采样。
红外技术及应用
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项目组长汇报了该项目实施进展情况、主要成果及经费支出等内容，各课题汇报了课题研发进展及现阶段主要成果。项目在混合原料预处理及厌氧联合发酵、干湿耦合发酵、生物燃气脱硫、脱碳提纯生产车用燃气、生物质高效热解气化等关键技术及装备等方面取得重要突破，已完成北京德青源沼气提纯压缩高值利用示范工程、广西武鸣车用生物燃气示范工程、分布式新农村生物质资源站示范工程等。
惠州仲恺高新区波士顿孵化器揭牌
日前，惠州仲恺高新区波士顿孵化器、联络处揭牌仪式在美国马萨诸塞州举行。这标志着惠州仲恺高新区孵化器建设走出国门，逐步构建异地孵化体系。今后，海外创业团队只需在惠州仲恺高新区注册，并成功通过入孵申请，其核心技术人员可以享受异地远程孵化服务。
惠州仲恺高新区区委书记钟一尔介绍，惠州仲恺高新区波士顿孵化器及联络处将致力于建立惠州仲恺高新区海外科技创新信息支撑平台，支持企业与海外科研院所、创新机构及人员的对接交流，实现技术成果的升级、转移和交易。同时为广大海外创业人员及企业提供资本对接、市场推广、政策优惠申请等方面的服务。目前，已有美国哈佛大学医学院、MIT等创业团队以及从事生物新能源技术开发的5个团队与惠州仲恺高新区签署了入孵意向书。入孵企业注册在惠州仲恺高新区，研发团队在国外培育。
海外创业团队成功通过孵化申请，就可以享受惠州仲恺高新区“创新创业创意特区”优惠扶持政策体系。其中，惠州仲恺高新区为每个创业团队配备一个专人进行服务，帮助解决成立项目或公司的事务办理；提供先进的科研设施和平台，解决海外学子创业的硬件要求；还可以得到前期风投、股权投资和股权交易等金融支持引导。LED、移动互联网、平板显示、新能源和现代服务业（以云计算为代表）等行业创业团队还可以享受税收和土地使用等优惠。
“十二五”国家科技支撑计划“村镇饮用水安全保障重大科技工程”项目启动实施
近日，科技部、水利部联合启动实施“十二五”国家科技支撑计划“村镇饮用水安全保障重大科技工程”项目，并陆续召开了各课题启动会。
该项目深入贯彻落实国务院实施的《全国农村饮水安全工程“十二五”规划》，以解决和满足我国村镇饮水安全工程建设与管理中的关键技术装备需求为出发点，以大力保障和支撑全国农村饮水安全工程、全面提升农村供水科技水平和行业技术创新能力为目标，重点攻克村镇饮用水源开发与污染防治、劣质水与污染水高效净化、饮用水安全消毒与水质检测、输配水水质维护、安全供水管理与信息化、村镇既有水厂改造、农村应急供水等重大关键技术，研发一批适合农村供水工程特点、实用经济、管理便捷的成套技术和设备，建立一大批适合不同地域和水质特征的农村安全供水示范工程，培育集技术研究、设备研制、产业化开发与试验示范为一体的村镇饮用水安全保障科技支撑体系和产业化队伍。
973计划启动高性能声功能材料研究项目
近日，973计划“高性能声功能材料研究及其在高端超声换能器中的集成”项目启动会在哈尔滨召开，科技部基础研究司、973计划咨询组专家、项目组成员等30余人参加了会议。
在会上，项目首席科学家曹文武教授报告了项目研究方案及工作思路，各课题负责人汇报了工作计划安排，与会专家进行了研讨并提出了建议性意见。我国超声设备产业规模庞大但整体技术水平较低，高端产品被发达国家垄断，根本原因是超声换能器这一核心部件与国外差距较大，成为制约我国超声探测设备产业发展的颈瓶。该项目针对医疗诊断、工业无损检测和水下通讯等国家重大需求，研究弛豫铁电单晶巨压电性的影响因素、大尺寸弛豫铁电单晶制备的调控机制、超声复合材料中的宽频带声传输和吸收机理以及三类不同声功能材料集成的结构协调增益，将为推动我国高端超声探测系统的发展奠定科学基础。
山东日照加速千亿级临港产业集群建设
日前获悉，山东日照2013年将投资130亿元，以确保百项重点工业项目完成。近年来，日照市着力推进产业结构转型升级，强化“产业链延伸”和“价值链再造”，加快培育钢铁、石化、汽车及装备制造、浆纸印刷包装等千亿级、五百亿级临港产业集群。
2012年，日照市金马集团汽车转向系统关键零部件等45个项目列入山东省1000个重点技术改造项目计划，共落实国家、山东省扶持资金2928万元，项目数和扶持资金额均为3年来最多；金禾生化柠檬酸生物转化等 35个项目列入2012年山东省企业重点技术改造导向计划。日照市重点规划实施的100个工业项目开工率90%，累计完成投资122亿元；重点规划实施的65项战略性新兴产业项目开工建设49项，完成投资73.6亿元。山东金石沥青高档重交沥青、凌云海糖业120万吨食糖精炼、晨曦石油化工140万吨重油制烯烃等项目已投产运行，现代威亚发动机及毛坯工厂扩容、海帝电器液晶平板电视、现代派沃泰自动变速箱等项目已投产达效。目前，日照市临港工业主要产能已达到钢1200万吨、汽车75万辆（含低速车）、发动机70万台、浆纸188万吨、大豆油脂700万吨、油品加工990万吨，竞争力和支撑力与日俱增。
中关村“金种子工程”助力初创企业成长
日前，中关村“金种子工程”首期四人董事会在北京举行。“四人董事会”是中关村金种子工程推出的创业辅导新模式，由“金种子工程”导师、金种子企业创始人和需要帮助的创业者组成临时董事会，帮助陷入困境的企业解决发展中遇到的实际问题。
“中关村‘金种子工程’除了帮助金种子企业，有些服务也对非金种子企业开放。它是培养中关村初创企业的摇篮。”中关村创业服务处处长杨彦茹介绍，中关村“金种子工程”启动一年来，已先后有100家企业入选中关村“金种子工程”，并享受到创业导师、投融资对接、创业互助等多项服务。在中关村“金种子工程”的支持下，一个个好的创意、一个个好的产品、一家家优质企业正在中关村破茧而出。
蚌埠高新区发展产业集群实现争先进位
近日从蚌埠高新区获悉，2013年蚌埠高新区将按照“产城一体化”的发展思路，以提升综合承载力为重点，以招商引资为抓手，以科技创新为引领，不断扩大有效投入，全力推进“南向发展”，大力发展产业集群，实现其在国家高新区中争先进位。
身为蚌埠市工业强市主战场，蚌埠高新区紧紧围绕打造“千亿园区”这一目标，明晰了2013年经济社会发展的主要奋斗目标，即实现地区生产总值增长13%、科技工贸总收入增长15%；实现规模以上工业增加值增长19%；完成固定资产投资87.5亿元，增长25%；引进市外内资100亿元，利用外资1.3亿美元；实现财政总收入9.3亿元，其中地方收入5.2亿元，增长21%。
海尔首创“深腔变频”新型平板式吸油烟机
在市民眼中，吸油烟机和燃气灶是与高科技“绝缘”的产品。不过，在海尔实验室，记者却看到了将科技化、人性化、智能化融为一体的全新厨电产品。“深腔变频”新型平板式油烟机首次在平板机上应用深腔设计，解决了传统吸油烟机拢烟效果差、噪音大的问题。而具有“涡流增氧”功能的燃气灶则实现了大火力和高效率的双重突破，满足了用户大火、省气的烹饪需求。
这款产品改变了传统烟机的构造，应用了行业首创的新型拢烟技术和倒置油网，整体看起来整齐、漂亮，而且内锥形网所形成的深腔拢烟改变了平板机拢烟效果差、风量小的难题，使油烟吸得更干净、油烟排得更快。此外，为了让油烟机更加智能，该产品在行业率先应用了直流变频技术，变频风机配备了12个档位，可以根据不同的烟量进行调节，同时，这种风机也具备更强的动力。这台“深腔变频”油烟机噪音非常低，实现了最低22分贝静音、节能省电25%、电机运行温升低至30K以下的效果。
京东方推出5.5英寸ADSDS FHD级手机屏
近日，京东方成功研发出全球首款5.5英寸ADSDS FHD级（全高清分辨率）LTPS-TFT手机显示屏。该手机屏集全视角、窄边框、高对比度于一体，凭借其1920×1080的全高清分辨率，403ppi的高像素密度，实现了堪比全高清电视屏的画面效果。更值得一提的是，这款京东方自主研发的手机屏将于近期与国内知名手机品牌一起推向市场。
据了解，该显示屏采用了京东方独有的ADSDS宽视角技术，实现了近180°的全视角显示，充分满足用户视频电话或观赏影片的需求。其403ppi的高像素密度，比当前流行的326ppi视网膜显示高约24%，无论是静态画面显示，还是动态影像效果都能精准、细腻地呈现。
京东方这款5.5英寸全高清显示屏，屏幕更大、更轻薄、更环保：其窄边框设计使得产品两侧边框宽度较现行市面上的产品减少近一半，故在相同外形尺寸的显示屏上得到了更大的可视面积；所采用的 LTPS-TFT技术在有效降低显示屏功耗的同时拥有更出色的亮度。
据介绍，该款5.5英寸ADSDS LTPS-TFT全高清手机屏已在京东方成都4.5代线投入生产。
松下成功研发出全球最大的4K有机显示器
