CN110649963A - 一种水下供能通信网络及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下供能通信网络及其控制方法，属于海底供能通信技术领域。水下供能通信网络包括岸基站及布设在水下的观测节点，观测节点用于对布设在水下的科学仪器提供电能中继与通信中继；岸基站与观测节点之间及相邻两个观测节点之间通过光电复合缆进行供能与通信，光电复合缆由用于通信的通信光纤与用于供给电能的电线组成；观测节点与科学仪器之间通过光纤复合缆进行供能与通信，光纤复合缆包括用于供给电能的传能光纤与用于通信的通信光纤组成。基于电线进行主线路供电与基于传能光纤进行支路供电，能在确保正常工作时的供能通信的前提下，有效地提高海底观测网的稳定性，可广泛应用于海底观测网等水下供电通信领域。

Description

一种水下供能通信网络及其控制方法

技术领域

本发明涉及水下组网的供能通信技术领域，具体地说，涉及一 种水下供能通信网络及其控制方法。

背景技术

海底观测网作为一种为海底科学仪器提供能量以及通信通道的 水下网络，主要由岸基站、海缆、观测节点以及相关科学仪器组成。 海缆是由光纤和电线组成的光电复合缆，是电能以及信息的传输通 道；观测节点作为能量与信息的中继器，其用于将岸基站通过海缆 所传输过来的电能转化为海底科学仪器所需的能量形式，例如，将 恒流电转为恒压电，或将高压电转为低压电等，并将科学仪器的检 测仪器所产生检测电信号转为光信号，并通过海缆中的通信光纤传 回岸基站。

如图1所示，为现有一种海底观测网，包括岸基站01及布设在 海底的多个观测节点02与科学仪器05，在观测节点02与科学仪器 05之间采用海缆06构建供能通信线路，以为科学仪器05供给电能 及通信中继通道，在岸基站01与观测节点02及相邻两观测节点02 之间均采用海缆04构建供能通信线路，海缆04与海缆06均采用复 合线缆进行构建，该复合线缆由用于通信的通信光纤与用于供给电 能的电线组成。在其使用过程中，存在当科学仪器05发生故障而影 响观测节点02正常工作的问题；例如，布置在观测节点05与科学 仪器02之间的海缆在受到冲击及腐蚀等问题而出现漏水时，存在使 整个海缆发生短路的风险，甚至会破坏观测节点02在保证外部电路 出现故障时而整个观测网不受影响的保护功能，若观测节点02出现 故障，在对其进行维修的过程中，存在故障排查、观测节点打捞及 修复工作均非常困难的问题；此外，当两观测节点之间的海缆出现 故障时，将导致岸基站在无法接收到各观测节点02所传回的信号时， 通常难以确定是海缆出现故障了，还是观测节点出现故障了，或者 是科学仪器出现故障了，存在无法确定维修方案的问题，而且在海 缆出现短路故障时，按照现有技术中的电阻法难以精确地确定海缆 短路故障点的位置，目前检测手段的误差能达到十公里的量级，导 致维修过程中的搜寻工作量非常的巨大，不利于对海底线缆的及时 维修。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种结构改进的水下供能通信网络， 以提高海底观测网的稳定性；

本发明的另一目的是提供一种适于使用上述水下供能通信网络 使用的控制方法，以进行故障检测与识别。

为了实现上述主要目的，本发明提供的水下供能通信网络包括 岸基站及布设在水下的观测节点，观测节点用于对布设在水下的科 学仪器提供电能中继与通信中继；岸基站与观测节点之间及相邻两 个观测节点之间通过光电复合缆进行供能与通信，光电复合缆由用 于通信的通信光纤与用于供给电能的电线组成；观测节点与科学仪 器之间通过光纤复合缆进行供能与通信，光纤复合缆包括用于供给 电能的传能光纤与用于通信的通信光纤组成。

在岸基站与观测节点之间及两观测节点之间采用传统的光电复 合缆进行供电，以满足总电能的供给需求；同时利用光纤复合线缆 在观测节点与科学仪器之间供能与通信，在满足单个科学仪器的小 电能需求的前提下，利用供能光纤进行供给电能，从而在科学仪器 与观测节点之间构建出电隔离，即使因撞击或腐蚀也不会影响观测 节点的正常工作，也不会将科学仪器的故障传输至观测节点处，有 效地确保整体工作的稳定性。

具体的方案为观测节点内布设有用于将电线所供给的电能转换 成激光的激光器，用于对激光器进行散热的散热模块，用于驱动激 光器的激光驱动模块，及用于光电信号转换的光纤收发模块；在科 学仪器内布设有用于将传能光纤所传输的激光转换成电能的光伏电 源转换器，用于将光伏电源转换器输出的电能进行稳压处理的电源 管理模块，及用于光电信号转换的光纤收发模块。

更具体的方案为散热模块包括用于安装激光器的腔体；腔体置 于海水中，包括由导热金属材料制成且外壁面与海水接触的导热腔 壁，套装在激光器外的筒状导热垫片，通过弹性机构紧压于导热腔 壁的内侧面上的铝材散热板，及用于将导热垫片紧压于铝材散热板 上的固定压块；铝材散热板上设有与导热垫片相适配的安装槽。有 效地利用海水对激光器进行散热，确保使用安全。

另一个更具体的方案为激光驱动模块包括将恒压电源的输出转 换为恒流输出的恒流激光驱动器，用于控制激光器软起动的启动电 路，及用于控制驱动器输出电流大小的激光功率控制电路；激光驱 动模块的对外接口包括用于与电源连接的电源接口，及用于与激光 器连接的激光器接口。驱动模块输出稳定的可调节恒流电流，以对 激光器的功率进行控制。

另一个更具体的方案为电源管理模块包括BUCK拓扑电源管理芯 片。

再一个更具体的方案为光纤收发模包括用于将电信号转为光信 号的光纤发送模块，及用于将光信号转化为电信号的光纤接收模块； 光纤发送模块包括产生光信号的光纤发送器，及用于控制光信号功 率大小的限流电阻；光纤接收模块包括用于接收光信号的光纤接收 器，用于产生电信号的上拉电阻，用于稳定电源电压的电源滤波电 容，及用于消除噪声影响信号滤波电容。

优选的方案为在岸基站与每个观测节点之间均布设有一根故障 检测备用传能光纤及一根故障检测备用通信光纤；在每个观测节点 上均布设有光电转换模块及回路电阻测量模块，回路电阻测量模块 基于电阻法对其所处节点至海缆短路故障点处的海缆段与海水所组 成回路的回路电阻值进行检测；在岸基站上布设有故障检测备用激 光源，激光源通过故障检测备用传能光纤向光电转换模块输出激光； 光电转换模块用于将所接收到的激光转换成电能，并供给至回路电 阻测量模块，回路电阻测量模块通过故障检测备用通信光纤将检测 数据输出给岸基站。通过增设备用传能光纤与通信光纤，从而便于 故障的判断，尤其是海缆短路故障的问题。

更优选的方案为回路电阻测量模块包括电压检测模块与电流检 测模块，电压检测模块包括与回路并联的分压电路模块及用于对分 压电路模块的下游侧电阻的两端电压进行放大的第二放大器，电流 检测模块包括串联在回路中的检流电阻及用于对检流电阻两端的电 压进行放大的第一放大器。

为了实现上述另一目的，本发明提供了一种水下供能通信网络 的控制方法，该水下供能通信网络为上述优选方案所描述的水下供 能通信网络，该控制方法包括以下步骤：

在岸基站无法按预设时间点接收到对应观测节点所发送的验证 信息时，则启动故障检测备用激光源，并通过故障检测备用传能光 纤向对应光电转换模块输出激光，以向回路电阻测量模块供电，而 对当前观测节点与其相邻上一观测节点之间的海缆电阻进行检测；

若岸基站无法接收到检测数据，则至少认定故障检测模块无法 工作，判定故障为当前观测节点内部故障；

若岸基站接收到的数据表征有小于预设值的回路电阻值，则判 定为海缆出现短路故障，并对该短路故障点的位置进行确定。

基于能低功率电能传输的传能光纤与能传输高功率电能的复合 线缆分别构建供电线路，包括正常工作供能线路与故障检测供能线 路，及基于独立的通信光纤与复合线缆分别构建通信线路，包括正 常工作通信线路与故障检测通信线路，可在海缆出现短路故障时的 故障检测供能与通信保障。

具体的方案为对该短路故障点的位置进行确定的步骤包括：

第一检测步骤，基于光电转换模块所供给的电能，对位于当前 观测节点的相邻上游观测节点与故障点之间的海缆段与海水所构成 的第一回路进行供电；利用位于相邻上游观测节点处的回路电阻测 量模块，基于电阻法对第一回路的回路电阻值R₁进行检测；

第二检测步骤，基于光电转换模块所供给的电能，对位于当前 观测节点与故障点之间的海缆段与海水所构成的第二回路进行供电； 利用位于当前观测节点处的回路电阻测量模块，基于电阻法对第二 回路的回路电阻R₂进行检测；

计算步骤，基于通过通信光纤所传回的检测数据，利用公式L1 ＝0.5×((R₁-R₂)÷K+L)，获取故障点与相邻上游观测节点之间的距离； 其中，L为当前观测节点与相邻上游观测节点之间的海缆长度，K为 复合线缆长度的单位长度的电阻参数。

该检测方法能考虑故障点海水与电线的接触电阻对回路电阻的 影响，而更精确地测出海缆短路故障点的位置，并在海缆表层破坏 时仍能利用传能光纤对故障检测模块进行功能。

附图说明

图1为现有一种海底观测网网络拓扑结构示意图；

图2为本申请实施例中海底观测网网络拓扑结构示意图；

图3为本申请实施例中观测节点与科学仪器之间的供能与通信 单元及连接关系图；

图4为本申请实施例中激光驱动模块的电路图；

图5为本申请实施例中激光功率控制模块的电路图；

图6为本申请实施例中启动模块的电路图；

图7为本申请实施例中电源管理模块的电路图；

图8为本申请实施例中电源管理模块的电路图；

图9为本申请实施例中激光发送模块的电路图；

图10为本申请实施例中激光接收模块的电路图；

图11为本申请实施例中激光器及其散热模块的轴向视角的结构 示意图；

图12为本申请实施例中激光器及其散热模块的径向视角的结构 示意图；

图13为本发明实施例中故障检测电路的供能***的结构示意图；

图14为本发明实施例中出现短路故障的两个节点之间的等效电 路图；

图15为本发明实施例中海缆回路电阻值的测量电路图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

由本发明水下供能通信网络实施例所构建的海底观测网的总体 结构如图2所示，该海底观测网包括岸基站11及布设在水下的观测 节点12与科学仪器15。

观测节点12用于对布设在水下的科学仪器15提供电能中继与 通信中继，具体采用光纤复合线缆16构建供能通信线路，在本实施 例中，该光纤复合缆16包括用于供给电能的传能光纤与用于通信的 通信光纤组成。

岸基站11与观测节点12之间及相邻两个观测节点12之间通过 光电复合缆14进行供能与通信，在本实施例中，光电复合缆14由 用于通信的通信光纤与用于供给电能的电线组成。

如图3及图11所示，在观测节点12内布设有用于将电线所供 给的电能转换成激光的激光器41，用于对激光器4进行散热的散热 模块，用于驱动激光器4的激光驱动模块22，用于光电信号转换的 光纤收发模块24，变压模块21，及信号转换模块23；在科学仪器 15内布设有用于将传能光纤所传输的激光转换成电能的光伏电源转 换器(PPC)，用于将光伏电源转换器(PPC)所输出的电能进行稳 压处理的电源管理模块26，及用于光电信号转换的光纤收发模块25。 变压模块21用于将光电复合缆14中的电线所传输的高压电能转为 低压电能V_in，并输出给激光驱动模块22，信号转换模块23将以太 网信号转为串口信号RS232/485，并输出给光纤收发模块24。

其中，低压电源V_in作为激光驱动模块22的供电电源，激光驱 动模块22输出恒流电流，驱动高能半导体激光器(HPLD)，使其产 生激光。激光通过光纤复合线缆中的传能光纤进行传输，到达科学 仪器15。科学仪器15内的光伏电源转换器(PPC)将激光能转换为 电能，但是该输出电能正常情况下不呈现恒压特性，其电压随负载 大小的变化而变化，因此采用电源管理模块26对PPC所输出的电压 进行整定，最终得到恒压输出V_out，以供相关仪器使用。而光纤收发 模块25则负责将串口RS232/485等电信号，转为光信号，并在光纤 复合线缆16中的通信光纤中进行信号传输。观测节点12与科学仪 器15的连接完全依靠光纤，没有电连接，自动实现电隔离功能，可 靠性提高。

如图4所示为激光驱动模块22的电路图，其核心激光驱动器 31采用ATLS6A214D恒流驱动器，电源接口33接图3中的电压输出 V_in，激光器接口32接激光器的正负极。启动模块36的电路如图6 所示，由分压电阻R1、R2、指示灯LED2和延时电容C1组成，输出 电压V_in经过R1与R2分压后得到启动如图4所示引脚SBDN所需电 压，激光驱动器得以正常工作，LED2亮灯，表示激光器处于工作模 式，C1则用于在驱动器上电时，延缓SBDN引脚的电压上升速度，从而保证驱动器先上电，再进入工作模式，实现软启动的功能，使 启动时输出电流更平稳，起到保护激光器的作用。激光功率控制模 块的电路图如图5所示，包含两路分压电路，通过分压电阻R4、R5 或者R6、R7调节如图4所示激光驱动器的LISL或者LISH引脚的输 入电压，从而控制输出电流的大小。功率控制选择模块34用于选择 激光功率控制的有效分路，当P2跳线导通时，PCN引脚输入高电平， 此时LISH分路生效，当P2跳线断开时，PCN输入低电平，此时 LISL分路生效。

电源管理模块如图7及图8所示，采用两个电源管理芯片 LTC3388-3并联，以提高输入输出功率。LTC3388-3***电路包括驱 动电容C7、C10，输出电感L2、L3，输出滤波电容C9、C12，以及 电源滤波电容C8、C11。

光收发模块如图9及图10所示，包括如图9所示的发送模块和 如图10所示的接收模块。发送模块包括光纤发送器J1和限流电阻 R1。接收模块包括光纤接收器J2，上拉电阻R3，电源滤波电容C3 以及信号滤波电容C4。当发送端信号TX1为低电平时，J1两端出现 压差，内部的发光二极管被激发，此时发出光信号，通过光纤传输 到光接收模块J2。光接收模块收到光照射时，Data引脚被下拉到低 电平，此时接收模块的RX1接收信号即接收到低电平信号。当发送 端信号TX1为高电平时，J1两端没有压差，内部发光二激光关闭， 此时光纤中没有光信号，则J2的Data引脚在上拉电阻R3的作用下， 被上拉至高电平，则接收模块的RX1接收信号接收到高电平信号。 R3用于限制电流大小，防止J1烧坏，同时控制光功率。C3用于稳 定光纤接收器电源，C4用于滤除接收信号的噪声。

如图11及图12所示，散热模块包括用于安装激光器41的腔体； 腔体置于海水中，包括由导热金属材料制成且外壁面与海水接触的 导热腔壁42，套装在激光器41外的筒状导热垫片43，通过弹性机 构47紧压于导热腔壁42的内侧面上的铝材散热板44，及用于将导热垫片43紧压于铝材散热板44上的固定压块45；固定压块45通 过多个螺栓46固定在铝材散热板44上；铝材散热板44上设有与导 热垫片43相适配的安装槽440。

在本实施例中，为了提高本发明海底观测网故障判断及对整体 的工作进行控制，在如图2所示的海底观测网结构的基础之上进行 改进，如图13所示，利用传能光纤53与图中未示出的通信光纤沿 该海底观测网的线路布设独立工作的检测线路，具体为在在岸基站 与每个观测节点之间均布设一根传能光纤与一根通信光纤；其中， 节点包括图2中所示的多个观测节点12与岸基站。即在本实施例中， 如图2及图13所示，整个海底观测网上各节点的设备工作功能与平 时通信信息传输均由光电复合缆14所提供，即利用光电复合缆14为各个节点上的设备正常工作提供供能与通信，而检测线路由独立 于光纤复合线缆16的传能光纤53与通信光纤所构建，用于在故障 检测时的供能与通信，即光纤复合线缆14和传能光纤53与通信光 纤二者所构建的供能线路与通信线路相互独立。

沿光电复合缆14的延伸方向，当岸基站11及观测节点12中的 相邻两个节点之间的光电复合缆14发生保护层破损时，该两个节点 之间的等效电路如图14所示，其中，R_L1与R_L2对应地为前一节点与 后一节点到故障点101处的海缆电阻值，R_E为海缆故障点101处与海水间的电阻值。开关K₁与K₂用以表示是否进行激光供能，开关闭 合表示岸基对该节点传输激光能，闭合表示停止对该节点的激光供 能，并不是实际通断控制开关。其中，后一节点构成本实施例中的 当前观测节点，前一节点构成本实施例中的相邻上游观测节点。

当出现海缆故障点101时，通常由于海缆中的电线接触海水， 此时，会导致短路故障，当短路故障发生时，无法通过光电复合缆 14将电能传输至下一中继节点以及终端节点上，故障点之后的节点 接收不到电能，在断电情况下也无法通过光电复合缆14进行故障信号反馈，也无法进行其他信号的传输；此时，可基于如图13所示的 通过传能光纤53所构建出且相对独立的检测功能供电线路，及通过 增设的通信光纤所构建出且相对独立的检测功能通信线路，其中， 激光源54布置在岸基站上，在观测节点12中均布有光伏电池50、 电源管理模块51及回路电阻测量模块52；传能光纤53用于将激光 源54所供给的激光传输至各个节点处的光伏电池50处；其中，光 伏电池50用于将所接收到的激光转换成电压输出，电源管理模块 51用于将光伏电池50所输出的电压调节至目标工作电压并供给至 布置在其所在观测节点12内的回路电阻测量模块52，以对故障进 行检测。

如图15所示，布置在每个节点内的回路电阻测量模块52包括 电流检测模块620与电压检测模块621，电流检测模块620包括检 流电阻R_I与第一放大器，电压检测模块621包括由R_U1与R_U2组成的 分压电路与第二放大器；其中，检流电阻R_I串联在海缆线段与海水 所构成的回路中，以通过对其两端电压的检测而获取流经该回路的 电流值；分压电路由并联在该回路两端上，且由R_U1与R_U2组成，用 于对回路两端进行电压检测；通常要求R_I的值远小于该回路中线缆 段的电阻值，而R_U1和R_U2之和要远大于该海缆段的电阻值，以减少 他们对检测结果的影响。低功耗MCU用于采集经第二放大器放大后 的电压模拟信号及经第一放大器所放大之后的电流模拟信号，并将 电压和电流值通过增设在观测节点12与岸基站11之间的通信光纤 发送至岸基站11；在发送过程中，需使用光电转换模块62，将电信 号转化为光信号，再通过通信光纤传回岸基站11。R_B用于降低回路 电流而减少检测功耗，节点内部所有检测用模块的能量来均源于激 光供能模块。其中，激光源54构成本实施例中的故障检测备用激光 源，增设的传能光纤53与通信光纤分别构成本实施例中的故障检测 备用传能光纤与故障检测备用通信光纤。

在使用过程中，本海底观测网基于以下步骤进行控制，以对故 障进行判断及整体工作状态的控制：

步骤1，在使用过程中，科学仪器15定时发送上行数据给观测 节点12，当观测节点12接收不到数据时，说明光路或者科学仪器 腔出现故障，此时发送故障信号给岸基站，并关断激光器，停止供 能。处理上行数据时，首先判断数据头格式，如果数据头符合预定 协议，则丢弃数据头，并将传感器数据上传给岸基站11；如果数据 头格式错误，说明科学仪器端出现故障，此时发送故障信号给岸基 站11，并关断观测节点内的激光器，停止供能。

步骤2，在岸基站11无法按预设时间点接收到对应观测节点12 所发送的验证信息时，则启动故障检测备用激光源，并通过故障检 测备用传能光纤向对应光电转换模块输出激光，以向回路电阻测量 模块52供电，而对当前观测节点与其相邻上一观测节点之间的海缆 电阻进行检测。若岸基站11无法接收到检测数据，则至少认定故障 检测模块无法工作，判定故障为当前观测节点内部故障；若岸基站 11接收到的数据表征有小于预设值的回路电阻值，则判定为海缆出 现短路故障，并对该短路故障点的位置进行确定；若岸基站11接收 到的数据表征其为开路电阻值，则光电复合电缆正常工作。

在本实施例中，每个节点上的工作设备需按照预设节点通过复 合线缆向岸基站发送状态反馈信号，若岸基站无法在预设时间节点 接收到第一节点及位于其下游侧的节点通过复合线缆所传回的状态 反馈信号时，则假定该第一节点之前的线缆出现短路故障，该第一 节点构成本实施例中的当前观测节点。

在步骤2中，对该短路故障点的位置进行确定的步骤包括：

第一检测步骤S1，基于电阻法获取前一节点至故障点处的第 一线缆段与海水组成回路的回路电阻值。其中，前一节点构成本实 施例中的相邻上游观测节点。

如图14所示，当K₁闭合且K₂断开时，即在从前一节点处，对 从该节点处与故障点101之间的部分线缆段与海水构成的回路施加 电压，并使用电流检测模块620与电压检测模块621获取电压值U 与电流I，从而计算出回路阻值R₁，则R₁＝R_L1+R_E。

第二检测步骤S2，基于电阻法获取后一节点至故障点处的第二 线缆段与海水组成回路的回路电阻值。其中，后一节点构成本实施 例中的当前观测节点。

如图14所示，当K₁断开且K₂闭合时，即在从后一节点处，对 从该节点处与故障点101之间的部分线缆段与海水构成的回路施加 电压，并使用电流检测模块620与电压检测模块621获取电压值U 与电流I，从而计算出回路阻值R₂，R₂＝R_L2+R_E。

计算步骤S3，基于公式L1＝0.5×((R₁-R₂)÷K+L)，获取故障点 101与前一节点之间的距离。

根据上述检测结果及已知线缆的物理参数，获取以下方程组：

R_L1＝K×L1；

R_L2＝K×L2；

R₁＝R_L1+R_E；

R₂＝R_L2+R_E；

L＝L1+L2。

其中，L为故障点101所在两节点之间的线缆长度，即为本实 施例中的当前观测节点与相邻上游观测节点之间的海缆长度，均为 已知参数；L1为前一节点至故障点101的长度，L2为后一节点至故 障点101的长度。

基于前述数据，可获取以下计算公式：

L1＝0.5×((R₁-R₂)÷K+L)。

其中，K为线缆的单位长度的电阻参数，即K＝R/L。

基于该检测方法，利用本实验室利用实验室线缆模型搭建测试 平台，每个线缆模型代表20km长度的海缆，具体由电阻、电容与电 感构成，且每20km海缆的电阻值为20Ω。实验使用15个模型即 300km长的海缆模型进行故障点预测，分别采用现有电阻法及本申 请基于传能电缆的方法进行检测，二者的检测数据如下表1所示。

从中可以看出，传统电阻法所检测出的误差在27％至110％之间， 而本采用本申请方法所检测出的误差低于6％，远低于传统电阻法所 测量的数据。在实验测量过程中，即使在接地电阻为0的时候，使 用两种不同的方法测出的故障点仍不准确，这是由于模型本身具有 一定的误差；但是，如果接地电阻不为0，使用传统方法预测出的 结果会造成极大地误差，并且该误差值随之接地电阻地增大而增大， 甚至有可能是本身长度的2倍；而使用本发明提出地方法预测的结 果则非常接近实际故障点的位置，并且不随接地电阻大小而变化， 误差范围基本不超过6km。

表1传统电阻法与本申请方法检测结果列表

断点L1	80km
							RE	R1	R2	计算L1	误差	传统L1	误差
0	85	233	75.9	5.20％	85	6.30％
							50	136	280	78	2.60％	136.3	70.40％
100	188	333	77.5	3.10％	188	110％
							断点L1	160km
RE	R1	R2	计算L1	误差	传统L1	误差
							0	171	149	161.15	0.70％	170.8	6.30％
50	221.3	197.7	161.8	1.10％	221.3	38.30％
							100	270.6	248.1	161.25	0.80％	270.6	69.10％
断点L1	240km
							RE	R1	R2	计算L1	误差	传统L1	误差
0	255.4	64	245.7	2.40％	255.4	6.40％
							50	306.4	114.7	245.85	2.40％	306.4	27.70％
100	355.4	163.5	254.95	2.50％	355.4	48.00％

基于本定位方法对海缆短路的故障点进行检测，具有以下优点：

(1)在海缆电路出现故障时，使用激光供能的方式给节点传输 能量，用于故障检测，以能利用传能较小的传能光纤供给检测电能， 而能利用现有复合线缆供给各个节点的工作能量，再基于额外增设 的通信光纤进行故障检测信号的传回；

(2)在故障定位时，将故障点处海缆与海水间的电阻值考虑在 内，使结果更加准确。

Claims (10)

1.一种水下供能通信网络，包括岸基站及布设在水下的观测节点，所述观测节点用于对布设在水下的科学仪器提供电能中继与通信中继，其特征在于：

所述岸基站与所述观测节点之间及相邻两个所述观测节点之间通过光电复合缆进行供能与通信，所述光电复合缆由用于通信的通信光纤与用于供给电能的电线组成；

所述观测节点与所述科学仪器之间通过光纤复合缆进行供能与通信，所述光纤复合缆包括用于供给电能的传能光纤与用于通信的通信光纤组成。

2.根据权利要求1所述的水下供能通信网络，其特征在于：

所述观测节点内布设有用于将电线所供给的电能转换成激光的激光器，用于对激光器进行散热的散热模块，用于驱动激光器的激光驱动模块，及用于光电信号转换的光纤收发模块；

在所述科学仪器内布设有用于将所述传能光纤所传输的激光转换成电能的光伏电源转换器，用于将所述光伏电源转换器所输出的电能进行稳压处理的电源管理模块，及用于光电信号转换的光纤收发模块。

3.根据权利要求2所述的水下供能通信网络，其特征在于：

所述散热模块包括用于安装所述激光器的腔体；所述腔体置于海水中，包括由导热金属材料制成且外壁面与海水接触的导热腔壁，套装在所述激光器外的筒状导热垫片，通过弹性机构紧压于所述导热腔壁的内侧面上的铝材散热板，及用于将所述导热垫片紧压于所述铝材散热板上的固定压块；

所述铝材散热板上设有与所述导热垫片相适配的安装槽。

4.根据权利要求2所述的水下供能通信网络，其特征在于：

所述激光驱动模块包括将恒压电源的输出转换为恒流输出的恒流激光驱动器，用于控制所述激光器软起动的启动电路，及用于控制所述驱动器输出电流大小的激光功率控制电路；

所述激光驱动模块的对外接口包括用于与电源连接的电源接口，及用于与所述激光器连接的激光器接口。

5.根据权利要求2所述的水下供能通信网络，其特征在于：

所述电源管理模块包括BUCK拓扑电源管理芯片。

6.根据权利要求2所述的水下供能通信网络，其特征在于：

所述光纤收发模包括用于将电信号转为光信号的光纤发送模块，及用于将光信号转化为电信号的光纤接收模块；

所述光纤发送模块包括产生光信号的光纤发送器，及用于控制光信号功率大小的限流电阻；

所述光纤接收模块包括用于接收光信号的光纤接收器，用于产生电信号的上拉电阻，用于稳定电源电压的电源滤波电容，及用于消除噪声影响信号滤波电容。

7.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的水下供能通信网络，其特征在于：

在所述岸基站与每个所述观测节点之间均布设有一根故障检测备用传能光纤及一根故障检测备用通信光纤；

在每个所述观测节点上均布设有光电转换模块及回路电阻测量模块，所述回路电阻测量模块基于电阻法对其所处节点至海缆短路故障点处的海缆段与海水所组成回路的回路电阻值进行检测；在所述岸基站上布设有故障检测备用激光源，所述激光源通过所述故障检测备用传能光纤向所述光电转换模块输出激光；

所述光电转换模块用于将所接收到的激光转换成电能，并供给至所述回路电阻测量模块，所述回路电阻测量模块通过所述故障检测备用通信光纤将检测数据输出给所述岸基站。

8.根据权利要求7所述的水下供能通信网络，其特征在于：

所述回路电阻测量模块包括电压检测模块与电流检测模块，所述电压检测模块包括与回路并联的分压电路模块及用于对所述分压电路模块的下游侧电阻的两端电压进行放大的第二放大器，所述电流检测模块包括串联在回路中的检流电阻及用于对所述检流电阻两端的电压进行放大的第一放大器。

9.一种水下供能通信网络的控制方法，所述水下供能通信网络为权利要求7或8所述的水下供能通信网络，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

在所述岸基站无法按预设时间点接收到对应观测节点所发送的验证信息时，则启动所述故障检测备用激光源，并通过所述故障检测备用传能光纤向对应光电转换模块输出激光，以向所述回路电阻测量模块供电，而对当前观测节点与其相邻上一观测节点之间的海缆电阻进行检测；

若所述岸基站无法接收到检测数据，则至少认定故障检测模块无法工作，判定故障为所述当前观测节点内部故障；

若所述岸基站接收到的数据表征有小于预设值的回路电阻值，则判定为海缆出现短路故障，并对该短路故障点的位置进行确定。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述对该短路故障点的位置进行确定的步骤包括：

第一检测步骤，基于所述光电转换模块所供给的电能，对位于所述当前观测节点的相邻上游观测节点与故障点之间的海缆段与海水所构成的第一回路进行供电；利用位于所述相邻上游观测节点处的回路电阻测量模块，基于电阻法对所述第一回路的回路电阻值R₁进行检测；

第二检测步骤，基于光电转换模块所供给的电能，对位于所述当前观测节点与所述故障点之间的海缆段与海水所构成的第二回路进行供电；利用位于所述当前观测节点处的回路电阻测量模块，基于电阻法对所述第二回路的回路电阻R₂进行检测；

计算步骤，基于通过所述故障检测备用通信光纤所传回的检测数据，利用公式L1＝0.5×((R₁-R₂)÷K+L)，获取所述故障点与所述相邻上游观测节点之间的距离；其中，L为所述当前观测节点与所述相邻上游观测节点之间的海缆长度，K为所述光电复合缆的单位长度的电阻参数。

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