环境监察论文：通信在环境监察中的实用性

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作者：胡展铭姜文博江伟伟陈元陈伟斌单位：国家海洋环境监测中心

技术特点

本系统水下无线通信采用的是水声通信技术，相比较水下电磁波和水下光通信技术，声波在水中衰减最小，因此声波是目前水中信息传输的主要载体，并且水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式［7］。本系统综合应用浮标和海床基，相比较浮标、海床基、船舶和潜标单站监测方式，是一种无线观测链的监测方式。这种方式可提高监测数据质量、扩展监测范围和监测信息，并可在监控终端准实时获取远程、长期水下监测数据，也符合海洋环境监测具有覆盖面广、站位分散、数据间断和频繁少量的特点。

技术原理

第二代GSM技术利用SMS(短消息)进行数据传输和双向控制，系统通过发送和接收短消息进行数据传输，依靠2个或以上的GSM通信模块实现，开发相对简单，传输成本相对较高;第二代GPRS技术引入智能天线、双频段等技术，有快速登陆、永远在线、高速传输和按流量计费而节约成本的优势;第三代技术是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术，速率一般在几百kb/s以上，主要优点是能极大地增加系统容量和提高数据传输速率，并且利用不同网络间的无缝漫游技术可将无线通信系统和Internet连接起来;第四代TD-LTE-Advanced技术可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力，比通常意义上的3G快50倍，下载速度最高可达100Mb/s、上传速度最高可达20Mb/s，可极大的满足海洋监测数据的传输要求。目前第二代和第三代技术已趋于成熟，基站已基本形成对我国近海的全覆盖，相应的通信技术已在港口航道、海水浴场、水产养殖、能源开发等海洋领域广泛应用;第四代技术已形成，但国际标准仍未统一，尚不具备推广应用条件。水声通信技术水声通信是通过声波在海水里传播实现。工作原理是首先将文字、语音、图像等信息转化成电信号，发射换能器又将电信号转化为声信号，声信号通过海水介质以应答或自动方式传递到接收换能器，这时声信号又转化为电信号，解码器将数字信息破译后，经电接收机转为文字、语音、图像等信息。水介质与空气介质的特性不同，水声信道与空气中的无线电信道具有许多明显的差异。水下声信道是时间散布快速衰落信道，具有多普勒不稳定性［9］。水声通信的衰耗因素较多，特别是在海水中传播，声传播损失不仅与频率有关，而且还受海水的盐度、温度、密度、深度以及传播距离等因素的影响，造成中远程水声信道带宽极其有限。水中的声速计算公式可见下式:c=1449．2+4．6T－0．055T2+(1．34－0．010T)(S－35)+0．016D(1)其中:T是海水温度，S是盐度，D是深度。海水中不均匀分布的声速剖面造成声线的弯曲，而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。在实现高速通信时，有限的信道带宽和信号的多途传输会引起严重的码间干扰，造成接收数据的严重误码［10］。同一声源发出的声波，在不同的海区或不同的季节，传播情况可能都不同。从信道中的各种限制因素到时变、空变性，水声信道都远比无线电信道复杂。

基于通信技术的监测系统应用

系统水下通信采用美国Linquest公司的UWM2000声学调制解调器(全方向模式、波束宽度210°，在比较复杂的环境条件下允许有相对的运动);水上移动通信采用GSM通信模块。系统可对剖面流速、流向、温度等环境参数和仪器姿态进行数据实时传输，通信技术可在赤潮、溢油、危险化学品泄露等海洋突发污染事件应急监测中应用，管理者可根据实时监测数据现场指挥和快速决策;也可在海水浴场、海水养殖区、海洋保护区等功能区监测和入海污染物质输运监测中应用，获取定点、实时和连续的监测资料。本系统若结合地理信息系统和物联网技术，将改变现有的海洋环境监测状况。通过无线通信方式形成一个基于物联网的海洋环境监测系统，可采集和处理网络覆盖区域中监测信息，以实现智能化识别、定位、跟踪、监测和管理［11］。

结语

由于海洋环境监测的特点和发展趋势，适合以水声通信和移动通信作为数据传输载体，因此结合海床基和浮标，基于水声和移动通信技术构建的监测系统，应用于海洋环境监测领域是完全可行的。该系统可实现对海洋环境的智能监测，并将监测终端数据异地可视化，达到动态监测海洋环境的功能，通过改变监测终端传感器的类型可实现功能更全面的监测，该系统可提高监测效率、运行成本较低，具有一定的推广价值。随着通信、地理信息系统和物联网技术的发展，未来的海洋环境监测无线通信网既可以实时获取大范围的海洋信息，也可以快速、便捷地传递、控制和管理各种信息。因此，通信技术必将在海洋环境监测中发挥越来越重要的作用。