水下無線電能傳輸系統數據采集與信息處理方法研究

趙 航，張 杰，許知博，賈 靜，楊 磊，馮保祥

（1.國網咸陽供電公司，西安 712000；2.西安理工大學電氣工程學院，西安 710054）

海洋覆蓋了在地球70%以上的面積，蘊藏著豐富的海洋生物物種。目前對水下環境的勘探與監測常用的是自主水下航行器AUV（autonomous underwater vehicle），通過搭載多種傳感器，實時監測環境數據。AUV 通常通過鋰電池供電，但由于電池自身的容量有限，需要定時上浮至海面去母船更換電池或進行充電，操作復雜而且限制了AUV 的執行任務時間和自由度，因此海下移動設備便捷、可靠的能源補給成為海洋能源開發與利用的關鍵。采用傳統方法用電纜進行海下濕插拔有纜充電，會造成漏電和磨損等問題，因此需要更先進的技術來克服能源供給困難。隨著無線電能傳輸的快速發展，海下無線供電基站已經在很多領域廣泛應用，將無線電能傳輸技術應用于水下[1-6]，可以有效解決水下機電設備的續航問題，提高海下移動設備電能補給的效率。

對于水下的無線電能傳輸系統，考慮到特殊的水下環境經常復雜多變，實際的海洋環境參數會對電能傳輸產生一定程度的影響。與空氣介質相比，海水介質的電磁參數發生了改變，電磁波的傳輸特性也會隨之變化。因此，與空氣介質中相比，水下的無線電能傳輸機制產生了變化。而且海水介質還會受到海水溫度、海水鹽度、壓力等一些環境因素的影響而發生擾動[7-9]，水下無線電能傳輸的介質具有不確定性，會對電能發送端和電能接收端的電磁場耦合產生影響，而電磁耦合機構是實現電能傳輸的關鍵元件，影響到水下無線電能傳輸的穩定性，導致海水中的無線電能傳輸系統的傳輸功率和傳輸效率發生改變。因此需要對海洋環境參數數據進行采集和處理，并分析其對水下無線電能傳輸系統電路參數和傳輸效率的影響。

在海水環境中，海水的高電導率會引起渦流損耗，因此會有較大的能量損失，降低了電能的傳輸效率。海洋環境參數（溫度、壓力等）將會對海下無線電能傳輸系統耦合機構的電感和鐵氧體的磁導率產生影響。因此，需要實時采集海洋環境參數并進行數據處理以作為控制系統的參考數據，從而滿足不同海洋環境中系統穩定運行的要求。

海下信息采集與處理是海下無線電能傳輸重要組成部分，水下常用的通信方式包括有纜通信、電磁波通信、可見光通信和水聲通信等相對成熟的通信技術，學術界和工業界同時開展了基于無線磁感應通信的新型通信技術。

（1）水下有纜通信。水下有纜通信是目前進行水下通信最成熟的技術，主要應用在遙控水下機器人ROV（remote operated vehicle）及有纜（或微細光纖纜）潛航器的正常水下通信中。這種方式具有通信容量大、抗電磁干擾、保密性好等優點。實現基于物理電纜的水下通信功能需要對電纜、光纜提出較大的抗拉強度、彎曲盤放、抗腐蝕老化等要求。但是由于電纜/光纜長度的限制，無法進行更長距離的水下通信，潛航器水下行動嚴重受限，所有行動都需要母船進行配合[10]。

（2）電磁波通信。水下環境具有許多獨特的特征，使得它與地面傳統通信系統的無線電傳播相比具有獨特性、局限性，如：鹽濃度、壓力、溫度、光量、風以及波浪等因素可能會導致無線電波在海水中衰減嚴重，且頻率越高衰減越大，或者遠距離通信的數據傳輸速率越低。目前，各國海軍主要是使用甚低頻VLF（very low frequency）和超低頻SLF（super low frequency）進行水面與水下遠程通信，超低頻系統的地基天線長達幾十千米，通信速率低于1 bps，僅能傳輸簡單指令，無法滿足水下高速傳輸信息的需求[11]。

（3）水下可見光通信。一般由波長在450～530 nm的藍綠激光作為傳輸信息載體一直受到不同國家青睞。美軍于20 世紀90 年代初期最先完成初級階段的藍綠激光通信的實驗，實際實裝裝備未見報道。但水下光通信必須面對的是，在淺海近距離通信中，水中懸浮顆粒及浮游生物會對光產生明顯的散射作用，還有包括水媒質、溶解物及懸浮物等對光信號的吸收以及來自水面外的強烈自然光以及水下生物的輻射光都對信號的發射接收形成干擾，對遠距離的水下通信形成了天然的屏障[12]。

（4）水聲通信。如前所述，電磁波通信、光通信以及量子通信都具有有限的水下通信范圍。前者受到強衰減的嚴重影響，導致較小的傳播距離，而后者則取決于水混濁度。聲（水聲）通信由于可以實現更遠的通信距離，目前已成為水下通信的主導技術。聲波在水下的信號衰減較小，傳輸距離遠，可以從幾百米延伸至幾十千米。水聲通信相比前面介紹的3 種通信在傳播距離上有著明顯的優勢。水聲通信系統面臨的最大挑戰就是對抗由于水聲信道引起的頻率選擇性衰落以及多徑傳播引起的碼間干擾。為了解決這兩種關鍵問題，主要是通過選擇合適的調制技術和信道糾錯編碼技術來實現數據的高速準確傳輸[13]。

（4）無線磁感應通信。無線磁感應通信技術作為近年來新興的一項無線通信技術，在水下和地下挑戰環境下具有很大的優勢。無線磁感應通信技術依靠小尺寸耦合線圈感應出磁場分量進行通信，磁場信號比電磁波更能有效地穿透有損耗的水下介質，不存在天線尺寸過大的問題[14]。由于無線磁感應通信的信道狀態主要取決于信號傳輸介質的磁導率大小，并且水下環境中的傳輸介質如水、水生植物等具有相同的磁導率，所以水下環境中傳輸介質的變化對無線磁感應通信的影響很小，因此水下無線磁感應通信具有穩定的信道狀態。磁感應信號在傳輸介質中以光速傳播，所以磁感應通信的傳輸時延可以忽略；且磁感應通信的線圈可以通過普通銅導線制作，結構簡單，無需昂貴的制作成本，因此非常適用于水下大規模傳感網。本文中采用基于磁感應通信方式的信息與信號處理方法。

1 磁耦合諧振式無線電能傳輸技術

1.1 MCR-WPT 系統

磁耦合諧振式無線電能傳輸MCR-WPT（magnetic coupling resonance wireless power transfer）技術，與其他無線電能傳輸方式的不同點在于使用兩個電感線圈之間產生的交變磁場來進行能量傳遞。電能發送端和接收端之間沒有導線連接，利用線圈產生的交變磁場進行能量的無線傳輸，可以實現大功率和近距離的電能傳輸[15]。

在磁耦合諧振式無線電能傳輸過程中，電能發送端和接收端處于相同的頻率中，并通過設計補償網絡結構使系統達到了諧振狀態，使得發送線圈和接收線圈之間產生很強的磁場，所以傳輸到接收端的有功功率和效率很高，應用于水下可以實現高功率和高效率的無線電能傳輸，因此本文基于MCRWPT 系統進行電路參數和效率研究。水下環境的動態變化會影響到系統的傳輸功率和傳輸效率，因此對基于SS 補償結構的系統傳輸效率關系進理論公式推導。如圖1 所示為MCR-WPT 系統的等效電路。

圖1 MCR-WPT 系統等效電路Fig.1 Equivalent circuit of MCR-WPT System

從圖1 可以看出，發送端和接收端的阻抗分別為

式中：ZP和RP、LP分別為發送端的阻抗和電阻、電感；LP和RS、LS分別為接收端的阻抗和電阻、電感；ω 為諧振角頻率；RL為負載。

無線電能的傳輸效率可表示為

式中：η 為傳輸效率；PO和PI分別為輸出功率和輸入功率。

從式（2）可以分析得到，傳輸效率主要與諧振角頻率、負載以及互感大小有關。對于水下環境中的MCR-WPT 系統，發送線圈和接收線圈之間的海水介質會不斷發生變化，會對線圈的耦合互感產生影響，因此本文通過研究海水的環境變化對線圈電感的影響規律，進而對水下無線電能傳輸效率進行分析。

1.2 水下MCR-WPT 系統

當發送線圈和接收線圈之間的傳輸介質為海水時，稱為水下MCR-WPT 系統，其結構框圖如圖2所示。分析圖2 可知，水下MCR-WPT 系統的結構組成與空氣中MCR-WPT 系統的相同，電路工作原理也相同，不同的只是發送線圈和接收線圈之間的傳輸介質發生變化，但海水與空氣的電磁特性不同[16]，會對水下的無線電能傳輸系統產生影響。不同傳輸介質的電磁參數如表1 所示。

表1 不同傳輸介質的電磁參數Tab.1 Electromagnetic parameters of different mediums

圖2 水下MCR-WPT 系統結構框圖Fig.2 Structure block diagram of underwater MCRWPT system

由表1 可知，不同的傳輸介質的相對磁導率、電導率以及相對介電常數都不相同，因此不同介質中的電磁傳輸特性也都不相同，會對無線電能傳輸系統的電路參數和傳輸性能產生影響。對于海水中的MCR-WPT 系統，發送端線圈和接收端線圈通過耦合關系進行磁場能量傳輸，而線圈之間的耦合程度會受到海水的環境因素影響，引起線圈的自感和互感發生變化，因此有必要對水下的環境信息實時采集，并對水下MCR-WPT 系統產生的影響進行研究。

2 水下數據采集與信息影響分析

2.1 水下數據采集

水下的數據采集方法有多種，通過定點放置測量設備，只能對指定區域進行數據采集，而且收集的數據實時性差，采集的信息不完整，不能達到對水下環境的實時監測作用[17]。

隨著信息處理技術的發展，多種傳感器已經應用于水下自主航行器中[18]。搭載多種傳感器的水下自主航行器具有航行自由度高、監測范圍廣以及監測準確度高的特點，可以擴大監測的范圍，實現對水下環境的全面掌控以及數據的快速傳輸。傳感器可以感知外界環境信息，對環境信息進行測量并輸出為數字量或模擬量。水下應用的傳感器包括溫度傳感器和深度傳感器等，通過搭載多種傳感器可以實時采集多種海洋數據，可以有效解決水下數據獲取難的問題[19]，提高了數據采集和數據處理效率，實時地監測水下環境參數，及時知悉水下環境的動態信息，有助于對水下態勢的有效掌握和快速響應。

2.2 水下電氣參數對無線電能傳輸的影響

對于水下的無線電能傳輸系統，海洋環境會受到多種因素包括日照、深度、洋流、風浪以及水生生物等的干擾影響，經常復雜多變[20]，海水環境中實時變化的溫度、壓力等環境參數會對海水的電磁參數產生影響，導致水下無線電能傳輸系統的電路參數和傳輸效率發生變化，因此實際的海洋環境會對水下的無線電能傳輸產生影響。

在水下無線電能傳輸系統中，發送線圈和接收線圈之間的海水介質會實時變化，海水溫度會引起兩個線圈耦合程度的變化，而耦合線圈作為電能傳輸的關鍵部分，必然會引起系統傳輸的效率變化。線圈的電感隨溫度的變化表示為[20]

式中：L 為在溫度為T 時的線圈電感；L0為在參考溫度T0=25 ℃時的線圈電感；α 為溫度系數[21]。

本文實驗使用銅線繞制的線圈，根據文獻[22]可知，銅線的溫度系數為4.1×10-3，由式（3）可以分析得到，銅材料為正溫度系數，因此線圈的電感會隨著海水溫度的升高而增大，使得系統的電路參數改變，進而影響電能的傳輸效率。

在空氣中一個標準大氣壓約等于760 mm 汞柱，計算可知標準大氣壓為1.01×105Pa，約為0.1 Mpa。而在海水環境中，隨著深度的變化，產生的壓強也會隨之變化，壓強公式可以表示為

式中：P 為距離水面深度h 時產生的壓強；ρ 為液體的密度；g 為重力加速度。

由式（4）可知，液體產生的壓強與深度成正比，深度值越大產生的壓強就會越大。以純凈水為例，水深每增加10 m，壓強就增加0.1 MPa，約等于1 個大氣壓，而均勻層情況下海水的密度為1.025 g/cm3，比純凈水的密度大，在深海中的將會產生很大的壓強，因此處于海水環境中的無線電能傳輸系統會受到巨大的壓強，很有必要分析海水壓力對無線電能傳輸性能的影響。

不同于空氣中的無線電能傳輸系統，海水中無線電能傳輸系統需要考慮到海水的壓強對磁耦合機構的影響。耦合線圈中的磁芯一般由軟磁材料構成，具有高飽和磁感應強度以及高磁導率，因此在設計線圈時加入鐵氧體磁芯來增強電感量。在深海的高壓環境中，鐵氧體磁芯會受到壓磁效應，磁導率會隨壓力變化，具體表達式[23]為

式中：μ（P）為在水壓P 時的磁導率；μ（0）為初始的磁導率；σ 為初始應力。

由式（5）可以看出，海水壓力與磁導率呈現出負的變化關系，隨著壓力的增大，鐵氧體的磁導率會降低，導致耦合線圈的電感量會發生變化，具體變化情況[24]可以表示為

式中：ΔL 為線圈的電感變化量；L 為標準大氣壓下的電感。

由式（6）可知，海水壓力與電感變化量呈現出負的變化關系，海水壓力越大，電感量越低。海水壓力通過影響耦合線圈的電感，也會對發送線圈和接收線圈之間的耦合互感產生影響，使得無線電能傳輸系統的電路參數變化，偏離了最佳的諧振點，進而會導致系統的傳輸性能降低。

3 仿真分析

3.1 水下數據采集模塊

本文主要研究海水環境下的無線電能傳輸系統，并分析海水的動態環境信息對無線電能傳輸系統的影響，因此首先要對水下數據進行采集。使用Proteus 仿真軟件進行電路仿真，模擬實際單片機的運行狀態。通過繪制單片機和溫度傳感器以及串口通信的電路，將單片機與外圍的器件協同仿真，使用KEIL C51 軟件編寫程序，然后燒錄到仿真軟件的單片機，進行聯合仿真分析。數據采集模塊具體如圖3 所示。

圖3 數據采集模塊Fig.3 Data acquisition module

圖3 中，仿真模型中采用AT89C51 單片機進行控制，使用DS18B20 溫度傳感器進行的溫度采集，使用Virtual Terminal 虛擬終端實時顯示溫度采集值。在仿真中通過點擊溫度傳感器的上下鍵來模擬溫度的變化，單片機會讀取到數字量的溫度值，通過虛擬終端窗口每隔120 ms 就會顯示接收到的溫度數據，可以達到低延時的顯示，實現對水下數據的實時采集。

3.2 水下無線電能傳輸系統

本文所研究的對象是磁耦合諧振式無線電能傳輸系統，使用Matlab 軟件中的Simulink 仿真工具搭建如圖4 所示的仿真模型進行分析。

圖4 MCR-WPT 系統的仿真模型Fig.4 Simulation model of MCR-WPT system

發送線圈和接收線圈是磁耦合諧振式系統進行無線電能傳輸的核心部分，水下環境變化會引起線圈之間耦合程度的變化，通過建立溫度與線圈電感的關系來模擬水下環境變化，進而分析對無線電能傳輸系統的效率影響。海水溫度分別取15、20、25、30、35、40 ℃時，根據式（3）對線圈的電感進行理論計算，設置線圈的自感和互感來模擬水下溫度的影響，運行仿真模型，通過Display 模塊可以直接顯示輸入功率和輸出功率，計算得出效率關系。在不同的溫度環境下系統的傳輸效率隨海水溫度變化的曲線如圖5 所示。

圖5 傳輸效率隨海水溫度的變化Fig.5 Changes in transmission efficiency with seawater temperature

從圖5 可以看出，在海水溫度為25 ℃時，傳輸效率最高，隨著海水溫度的增大，無線電能傳輸系統的傳輸效率變化并不明顯?？紤]到系統的補償電容是在室溫25 ℃計算的，因此25 ℃是系統的最佳工作點，此時的傳輸效率最高。當海水溫度變化時，會對線圈的電感產生影響，但電感的變化量并不明顯，海水效率隨著溫度變化不明顯。

海水壓力分別取0.1、1、2、3、4、5 MPa 時，根據式（6）對線圈的電感進行理論計算，設置線圈的自感和互感來模擬水下溫度的影響，運行仿真模型。不同壓力時輸入功率和輸出功率記錄數據如表2所示，繪制系統的傳輸效率隨海水壓力變化的曲線，如圖6 所示。

表2 不同壓力時輸入功率和輸出功率Tab.2 Input power and output power under different pressures

圖6 傳輸效率隨海水壓力的變化Fig.6 Changes in transmission efficiency with seawater pressure

由圖6 可以看出，隨著海水壓力的增大，無線電能傳輸系統的效率明顯下降?？紤]到是因為海水的壓強變化對磁芯的影響較大，使得線圈電感隨海水壓力的增大而減少，進而使得傳輸效率下降。

4 實驗分析

本文主要研究水下環境中的無線電能傳輸系統，并分析海水的動態變化對無線電能傳輸系統的影響，因此通過長方體水槽來模擬水下的環境，在實驗中通過加入熱水來模擬海水的溫度變化，并通過溫度傳感器進行實時測量。實驗中，首先要對水下的環境數據進行采集，使用溫度傳感器進行水下的溫度采集，在水下通過單片機的數碼管或者LCD液晶顯示屏不易于讀取數據，因此使用單片機的串口通信將采集到的溫度數據發送到電腦，通過串口數據調試器的窗口可以實現水下溫度的實時觀測，搭建的數據采集模塊平臺如圖7 所示。

圖7 水下數據采集模塊實驗平臺Fig.7 Experimental platform of underwater data acquisition module

在水下的環境中，為了確保實驗能夠安全進行，將單片機實驗板放置在防水的塑料盒中，然后在鹽水環境中進行水下數據的采集。實驗中采用STC89C51 單片機實現水下數據的采集，使用DS18 B20 溫度傳感器進行水下的溫度采集，并通過單片機的串口通信將數據傳輸到電腦，具體的實驗數據如圖8 所示。

圖8 傳感器溫度數據Fig.8 Temperature data measured by sensor

在實驗中通過加入熱水改變溫度后，溫度傳感器可以實時感知到溫度的變化，并通過單片機的串口通信發送給電腦，電腦可以每隔120 ms 顯示溫度，實現低延時的數據采集。

本文搭建水下MCR-WPT 系統的實驗平臺，如圖9 所示，使用直流電源輸入直流電壓，通過逆變器將直流輸入電壓轉化為高頻交流電壓，并通過補償電容實現諧振狀態。將發送線圈和接收線圈放入水槽中模擬海水環境，通過整流濾波模塊將交流電壓轉化為穩定的直流電壓為負載供電，并使用示波器來觀測波形。

圖9 水下MCR-WPT 系統的實驗平臺Fig.9 Experimental platform of underwater MCR-WPT system

在圖9 的實驗平臺中，設置系統電路參數，其中直流電源的輸入電壓為50 V，逆變器的工作頻率為85 kHz，發送線圈和接收線圈在水下相距5 cm，負載阻值為15 Ω。在不同的溫度環境下，通過直流電源的顯示屏讀取輸入電壓和輸入電流，通過負載的顯示屏讀取輸出功率，記錄數據如表3 所示。

表3 不同溫度時輸入電壓、電流和輸出功率Tab.3 Input voltage and current and output power at different temperatures

通過計算得出在水下無線電能的傳輸效率，并與仿真模擬的溫度變化對傳輸效率影響進行比較，具體數據如表4 所示。壓強條件為標準一個大氣壓強下，水下無線電能傳輸效率隨海水溫度變化的曲線如圖10 所示。

表4 不同溫度時無線電能的傳輸效率Tab.4 Transmission efficiency of wireless power at different temperatures

圖10 水下MCR-WPT 系統的傳輸效率隨海水溫度的變化曲線Fig.10 Curves of transmission efficiency of underwater MCR-WPT system with seawater temperature

由圖10 可以看出，傳輸效率在溫度25 ℃左右時最高，在其他溫度時略低但變化不明顯，考慮到系統的補償電容是在室溫25 ℃計算的，因此25 ℃是系統的最佳工作點。海水溫度變化會對線圈的電感產生影響，使得諧振頻率有些失諧，造成系統稍微偏離工作點，但變化程度不大，因此對傳輸效率的影響不是很明顯。在水下實驗時的傳輸效率比仿真時的低，是因為仿真分析是理想狀態下，沒有考慮線圈的內阻以及其他環境參數的影響。

5 結語

本文分析水下環境中的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統，使用傳感器對水下信息實時采集，通過分析線圈的電感值隨著海水的溫度變化規律，建立與無線電能傳輸系統的關系，通過Matlab 搭建MCR-WPT 系統進行仿真分析，得到水下MCRWPT 系統的傳輸效率隨溫度變化并不明顯，隨著海水壓力的增大電能傳輸效率明顯下降。本項目為水下基于磁耦合諧振式無線電能傳輸的環境參數影響的研究提供了一定程度的支撐。