水下无线电能传输系统数据采集与信息处理方法研究

赵 航，张 杰，许知博，贾 静，杨 磊，冯保祥

（1.国网咸阳供电公司，西安 712000；2.西安理工大学电气工程学院，西安 710054）

海洋覆盖了在地球70%以上的面积，蕴藏着丰富的海洋生物物种。目前对水下环境的勘探与监测常用的是自主水下航行器AUV（autonomous underwater vehicle），通过搭载多种传感器，实时监测环境数据。AUV 通常通过锂电池供电，但由于电池自身的容量有限，需要定时上浮至海面去母船更换电池或进行充电，操作复杂而且限制了AUV 的执行任务时间和自由度，因此海下移动设备便捷、可靠的能源补给成为海洋能源开发与利用的关键。采用传统方法用电缆进行海下湿插拔有缆充电，会造成漏电和磨损等问题，因此需要更先进的技术来克服能源供给困难。随着无线电能传输的快速发展，海下无线供电基站已经在很多领域广泛应用，将无线电能传输技术应用于水下[1-6]，可以有效解决水下机电设备的续航问题，提高海下移动设备电能补给的效率。

对于水下的无线电能传输系统，考虑到特殊的水下环境经常复杂多变，实际的海洋环境参数会对电能传输产生一定程度的影响。与空气介质相比，海水介质的电磁参数发生了改变，电磁波的传输特性也会随之变化。因此，与空气介质中相比，水下的无线电能传输机制产生了变化。而且海水介质还会受到海水温度、海水盐度、压力等一些环境因素的影响而发生扰动[7-9]，水下无线电能传输的介质具有不确定性，会对电能发送端和电能接收端的电磁场耦合产生影响，而电磁耦合机构是实现电能传输的关键元件，影响到水下无线电能传输的稳定性，导致海水中的无线电能传输系统的传输功率和传输效率发生改变。因此需要对海洋环境参数数据进行采集和处理，并分析其对水下无线电能传输系统电路参数和传输效率的影响。

在海水环境中，海水的高电导率会引起涡流损耗，因此会有较大的能量损失，降低了电能的传输效率。海洋环境参数（温度、压力等）将会对海下无线电能传输系统耦合机构的电感和铁氧体的磁导率产生影响。因此，需要实时采集海洋环境参数并进行数据处理以作为控制系统的参考数据，从而满足不同海洋环境中系统稳定运行的要求。

海下信息采集与处理是海下无线电能传输重要组成部分，水下常用的通信方式包括有缆通信、电磁波通信、可见光通信和水声通信等相对成熟的通信技术，学术界和工业界同时开展了基于无线磁感应通信的新型通信技术。

（1）水下有缆通信。水下有缆通信是目前进行水下通信最成熟的技术，主要应用在遥控水下机器人ROV（remote operated vehicle）及有缆（或微细光纤缆）潜航器的正常水下通信中。这种方式具有通信容量大、抗电磁干扰、保密性好等优点。实现基于物理电缆的水下通信功能需要对电缆、光缆提出较大的抗拉强度、弯曲盘放、抗腐蚀老化等要求。但是由于电缆/光缆长度的限制，无法进行更长距离的水下通信，潜航器水下行动严重受限，所有行动都需要母船进行配合[10]。

（2）电磁波通信。水下环境具有许多独特的特征，使得它与地面传统通信系统的无线电传播相比具有独特性、局限性，如：盐浓度、压力、温度、光量、风以及波浪等因素可能会导致无线电波在海水中衰减严重，且频率越高衰减越大，或者远距离通信的数据传输速率越低。目前，各国海军主要是使用甚低频VLF（very low frequency）和超低频SLF（super low frequency）进行水面与水下远程通信，超低频系统的地基天线长达几十千米，通信速率低于1 bps，仅能传输简单指令，无法满足水下高速传输信息的需求[11]。

（3）水下可见光通信。一般由波长在450～530 nm的蓝绿激光作为传输信息载体一直受到不同国家青睐。美军于20 世纪90 年代初期最先完成初级阶段的蓝绿激光通信的实验，实际实装装备未见报道。但水下光通信必须面对的是，在浅海近距离通信中，水中悬浮颗粒及浮游生物会对光产生明显的散射作用，还有包括水媒质、溶解物及悬浮物等对光信号的吸收以及来自水面外的强烈自然光以及水下生物的辐射光都对信号的发射接收形成干扰，对远距离的水下通信形成了天然的屏障[12]。

（4）水声通信。如前所述，电磁波通信、光通信以及量子通信都具有有限的水下通信范围。前者受到强衰减的严重影响，导致较小的传播距离，而后者则取决于水混浊度。声（水声）通信由于可以实现更远的通信距离，目前已成为水下通信的主导技术。声波在水下的信号衰减较小，传输距离远，可以从几百米延伸至几十千米。水声通信相比前面介绍的3 种通信在传播距离上有着明显的优势。水声通信系统面临的最大挑战就是对抗由于水声信道引起的频率选择性衰落以及多径传播引起的码间干扰。为了解决这两种关键问题，主要是通过选择合适的调制技术和信道纠错编码技术来实现数据的高速准确传输[13]。

（4）无线磁感应通信。无线磁感应通信技术作为近年来新兴的一项无线通信技术，在水下和地下挑战环境下具有很大的优势。无线磁感应通信技术依靠小尺寸耦合线圈感应出磁场分量进行通信，磁场信号比电磁波更能有效地穿透有损耗的水下介质，不存在天线尺寸过大的问题[14]。由于无线磁感应通信的信道状态主要取决于信号传输介质的磁导率大小，并且水下环境中的传输介质如水、水生植物等具有相同的磁导率，所以水下环境中传输介质的变化对无线磁感应通信的影响很小，因此水下无线磁感应通信具有稳定的信道状态。磁感应信号在传输介质中以光速传播，所以磁感应通信的传输时延可以忽略；且磁感应通信的线圈可以通过普通铜导线制作，结构简单，无需昂贵的制作成本，因此非常适用于水下大规模传感网。本文中采用基于磁感应通信方式的信息与信号处理方法。

1 磁耦合谐振式无线电能传输技术

1.1 MCR-WPT 系统

磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT（magnetic coupling resonance wireless power transfer）技术，与其他无线电能传输方式的不同点在于使用两个电感线圈之间产生的交变磁场来进行能量传递。电能发送端和接收端之间没有导线连接，利用线圈产生的交变磁场进行能量的无线传输，可以实现大功率和近距离的电能传输[15]。

在磁耦合谐振式无线电能传输过程中，电能发送端和接收端处于相同的频率中，并通过设计补偿网络结构使系统达到了谐振状态，使得发送线圈和接收线圈之间产生很强的磁场，所以传输到接收端的有功功率和效率很高，应用于水下可以实现高功率和高效率的无线电能传输，因此本文基于MCRWPT 系统进行电路参数和效率研究。水下环境的动态变化会影响到系统的传输功率和传输效率，因此对基于SS 补偿结构的系统传输效率关系进理论公式推导。如图1 所示为MCR-WPT 系统的等效电路。

图1 MCR-WPT 系统等效电路Fig.1 Equivalent circuit of MCR-WPT System

从图1 可以看出，发送端和接收端的阻抗分别为

式中：ZP和RP、LP分别为发送端的阻抗和电阻、电感；LP和RS、LS分别为接收端的阻抗和电阻、电感；ω 为谐振角频率；RL为负载。

无线电能的传输效率可表示为

式中：η 为传输效率；PO和PI分别为输出功率和输入功率。

从式（2）可以分析得到，传输效率主要与谐振角频率、负载以及互感大小有关。对于水下环境中的MCR-WPT 系统，发送线圈和接收线圈之间的海水介质会不断发生变化，会对线圈的耦合互感产生影响，因此本文通过研究海水的环境变化对线圈电感的影响规律，进而对水下无线电能传输效率进行分析。

1.2 水下MCR-WPT 系统

当发送线圈和接收线圈之间的传输介质为海水时，称为水下MCR-WPT 系统，其结构框图如图2所示。分析图2 可知，水下MCR-WPT 系统的结构组成与空气中MCR-WPT 系统的相同，电路工作原理也相同，不同的只是发送线圈和接收线圈之间的传输介质发生变化，但海水与空气的电磁特性不同[16]，会对水下的无线电能传输系统产生影响。不同传输介质的电磁参数如表1 所示。

表1 不同传输介质的电磁参数Tab.1 Electromagnetic parameters of different mediums

图2 水下MCR-WPT 系统结构框图Fig.2 Structure block diagram of underwater MCRWPT system

由表1 可知，不同的传输介质的相对磁导率、电导率以及相对介电常数都不相同，因此不同介质中的电磁传输特性也都不相同，会对无线电能传输系统的电路参数和传输性能产生影响。对于海水中的MCR-WPT 系统，发送端线圈和接收端线圈通过耦合关系进行磁场能量传输，而线圈之间的耦合程度会受到海水的环境因素影响，引起线圈的自感和互感发生变化，因此有必要对水下的环境信息实时采集，并对水下MCR-WPT 系统产生的影响进行研究。

2 水下数据采集与信息影响分析

2.1 水下数据采集

水下的数据采集方法有多种，通过定点放置测量设备，只能对指定区域进行数据采集，而且收集的数据实时性差，采集的信息不完整，不能达到对水下环境的实时监测作用[17]。

随着信息处理技术的发展，多种传感器已经应用于水下自主航行器中[18]。搭载多种传感器的水下自主航行器具有航行自由度高、监测范围广以及监测准确度高的特点，可以扩大监测的范围，实现对水下环境的全面掌控以及数据的快速传输。传感器可以感知外界环境信息，对环境信息进行测量并输出为数字量或模拟量。水下应用的传感器包括温度传感器和深度传感器等，通过搭载多种传感器可以实时采集多种海洋数据，可以有效解决水下数据获取难的问题[19]，提高了数据采集和数据处理效率，实时地监测水下环境参数，及时知悉水下环境的动态信息，有助于对水下态势的有效掌握和快速响应。

2.2 水下电气参数对无线电能传输的影响

对于水下的无线电能传输系统，海洋环境会受到多种因素包括日照、深度、洋流、风浪以及水生生物等的干扰影响，经常复杂多变[20]，海水环境中实时变化的温度、压力等环境参数会对海水的电磁参数产生影响，导致水下无线电能传输系统的电路参数和传输效率发生变化，因此实际的海洋环境会对水下的无线电能传输产生影响。

在水下无线电能传输系统中，发送线圈和接收线圈之间的海水介质会实时变化，海水温度会引起两个线圈耦合程度的变化，而耦合线圈作为电能传输的关键部分，必然会引起系统传输的效率变化。线圈的电感随温度的变化表示为[20]

式中：L 为在温度为T 时的线圈电感；L0为在参考温度T0=25 ℃时的线圈电感；α 为温度系数[21]。

本文实验使用铜线绕制的线圈，根据文献[22]可知，铜线的温度系数为4.1×10-3，由式（3）可以分析得到，铜材料为正温度系数，因此线圈的电感会随着海水温度的升高而增大，使得系统的电路参数改变，进而影响电能的传输效率。

在空气中一个标准大气压约等于760 mm 汞柱，计算可知标准大气压为1.01×105Pa，约为0.1 Mpa。而在海水环境中，随着深度的变化，产生的压强也会随之变化，压强公式可以表示为

式中：P 为距离水面深度h 时产生的压强；ρ 为液体的密度；g 为重力加速度。

由式（4）可知，液体产生的压强与深度成正比，深度值越大产生的压强就会越大。以纯净水为例，水深每增加10 m，压强就增加0.1 MPa，约等于1 个大气压，而均匀层情况下海水的密度为1.025 g/cm3，比纯净水的密度大，在深海中的将会产生很大的压强，因此处于海水环境中的无线电能传输系统会受到巨大的压强，很有必要分析海水压力对无线电能传输性能的影响。

不同于空气中的无线电能传输系统，海水中无线电能传输系统需要考虑到海水的压强对磁耦合机构的影响。耦合线圈中的磁芯一般由软磁材料构成，具有高饱和磁感应强度以及高磁导率，因此在设计线圈时加入铁氧体磁芯来增强电感量。在深海的高压环境中，铁氧体磁芯会受到压磁效应，磁导率会随压力变化，具体表达式[23]为

式中：μ（P）为在水压P 时的磁导率；μ（0）为初始的磁导率；σ 为初始应力。

由式（5）可以看出，海水压力与磁导率呈现出负的变化关系，随着压力的增大，铁氧体的磁导率会降低，导致耦合线圈的电感量会发生变化，具体变化情况[24]可以表示为

式中：ΔL 为线圈的电感变化量；L 为标准大气压下的电感。

由式（6）可知，海水压力与电感变化量呈现出负的变化关系，海水压力越大，电感量越低。海水压力通过影响耦合线圈的电感，也会对发送线圈和接收线圈之间的耦合互感产生影响，使得无线电能传输系统的电路参数变化，偏离了最佳的谐振点，进而会导致系统的传输性能降低。

3 仿真分析

3.1 水下数据采集模块

本文主要研究海水环境下的无线电能传输系统，并分析海水的动态环境信息对无线电能传输系统的影响，因此首先要对水下数据进行采集。使用Proteus 仿真软件进行电路仿真，模拟实际单片机的运行状态。通过绘制单片机和温度传感器以及串口通信的电路，将单片机与外围的器件协同仿真，使用KEIL C51 软件编写程序，然后烧录到仿真软件的单片机，进行联合仿真分析。数据采集模块具体如图3 所示。

图3 数据采集模块Fig.3 Data acquisition module

图3 中，仿真模型中采用AT89C51 单片机进行控制，使用DS18B20 温度传感器进行的温度采集，使用Virtual Terminal 虚拟终端实时显示温度采集值。在仿真中通过点击温度传感器的上下键来模拟温度的变化，单片机会读取到数字量的温度值，通过虚拟终端窗口每隔120 ms 就会显示接收到的温度数据，可以达到低延时的显示，实现对水下数据的实时采集。

3.2 水下无线电能传输系统

本文所研究的对象是磁耦合谐振式无线电能传输系统，使用Matlab 软件中的Simulink 仿真工具搭建如图4 所示的仿真模型进行分析。

图4 MCR-WPT 系统的仿真模型Fig.4 Simulation model of MCR-WPT system

发送线圈和接收线圈是磁耦合谐振式系统进行无线电能传输的核心部分，水下环境变化会引起线圈之间耦合程度的变化，通过建立温度与线圈电感的关系来模拟水下环境变化，进而分析对无线电能传输系统的效率影响。海水温度分别取15、20、25、30、35、40 ℃时，根据式（3）对线圈的电感进行理论计算，设置线圈的自感和互感来模拟水下温度的影响，运行仿真模型，通过Display 模块可以直接显示输入功率和输出功率，计算得出效率关系。在不同的温度环境下系统的传输效率随海水温度变化的曲线如图5 所示。

图5 传输效率随海水温度的变化Fig.5 Changes in transmission efficiency with seawater temperature

从图5 可以看出，在海水温度为25 ℃时，传输效率最高，随着海水温度的增大，无线电能传输系统的传输效率变化并不明显。考虑到系统的补偿电容是在室温25 ℃计算的，因此25 ℃是系统的最佳工作点，此时的传输效率最高。当海水温度变化时，会对线圈的电感产生影响，但电感的变化量并不明显，海水效率随着温度变化不明显。

海水压力分别取0.1、1、2、3、4、5 MPa 时，根据式（6）对线圈的电感进行理论计算，设置线圈的自感和互感来模拟水下温度的影响，运行仿真模型。不同压力时输入功率和输出功率记录数据如表2所示，绘制系统的传输效率随海水压力变化的曲线，如图6 所示。

表2 不同压力时输入功率和输出功率Tab.2 Input power and output power under different pressures

图6 传输效率随海水压力的变化Fig.6 Changes in transmission efficiency with seawater pressure

由图6 可以看出，随着海水压力的增大，无线电能传输系统的效率明显下降。考虑到是因为海水的压强变化对磁芯的影响较大，使得线圈电感随海水压力的增大而减少，进而使得传输效率下降。

4 实验分析

本文主要研究水下环境中的无线电能传输系统，并分析海水的动态变化对无线电能传输系统的影响，因此通过长方体水槽来模拟水下的环境，在实验中通过加入热水来模拟海水的温度变化，并通过温度传感器进行实时测量。实验中，首先要对水下的环境数据进行采集，使用温度传感器进行水下的温度采集，在水下通过单片机的数码管或者LCD液晶显示屏不易于读取数据，因此使用单片机的串口通信将采集到的温度数据发送到电脑，通过串口数据调试器的窗口可以实现水下温度的实时观测，搭建的数据采集模块平台如图7 所示。

图7 水下数据采集模块实验平台Fig.7 Experimental platform of underwater data acquisition module

在水下的环境中，为了确保实验能够安全进行，将单片机实验板放置在防水的塑料盒中，然后在盐水环境中进行水下数据的采集。实验中采用STC89C51 单片机实现水下数据的采集，使用DS18 B20 温度传感器进行水下的温度采集，并通过单片机的串口通信将数据传输到电脑，具体的实验数据如图8 所示。

图8 传感器温度数据Fig.8 Temperature data measured by sensor

在实验中通过加入热水改变温度后，温度传感器可以实时感知到温度的变化，并通过单片机的串口通信发送给电脑，电脑可以每隔120 ms 显示温度，实现低延时的数据采集。

本文搭建水下MCR-WPT 系统的实验平台，如图9 所示，使用直流电源输入直流电压，通过逆变器将直流输入电压转化为高频交流电压，并通过补偿电容实现谐振状态。将发送线圈和接收线圈放入水槽中模拟海水环境，通过整流滤波模块将交流电压转化为稳定的直流电压为负载供电，并使用示波器来观测波形。

图9 水下MCR-WPT 系统的实验平台Fig.9 Experimental platform of underwater MCR-WPT system

在图9 的实验平台中，设置系统电路参数，其中直流电源的输入电压为50 V，逆变器的工作频率为85 kHz，发送线圈和接收线圈在水下相距5 cm，负载阻值为15 Ω。在不同的温度环境下，通过直流电源的显示屏读取输入电压和输入电流，通过负载的显示屏读取输出功率，记录数据如表3 所示。

表3 不同温度时输入电压、电流和输出功率Tab.3 Input voltage and current and output power at different temperatures

通过计算得出在水下无线电能的传输效率，并与仿真模拟的温度变化对传输效率影响进行比较，具体数据如表4 所示。压强条件为标准一个大气压强下，水下无线电能传输效率随海水温度变化的曲线如图10 所示。

表4 不同温度时无线电能的传输效率Tab.4 Transmission efficiency of wireless power at different temperatures

图10 水下MCR-WPT 系统的传输效率随海水温度的变化曲线Fig.10 Curves of transmission efficiency of underwater MCR-WPT system with seawater temperature

由图10 可以看出，传输效率在温度25 ℃左右时最高，在其他温度时略低但变化不明显，考虑到系统的补偿电容是在室温25 ℃计算的，因此25 ℃是系统的最佳工作点。海水温度变化会对线圈的电感产生影响，使得谐振频率有些失谐，造成系统稍微偏离工作点，但变化程度不大，因此对传输效率的影响不是很明显。在水下实验时的传输效率比仿真时的低，是因为仿真分析是理想状态下，没有考虑线圈的内阻以及其他环境参数的影响。

5 结语

本文分析水下环境中的磁耦合谐振式无线电能传输系统，使用传感器对水下信息实时采集，通过分析线圈的电感值随着海水的温度变化规律，建立与无线电能传输系统的关系，通过Matlab 搭建MCR-WPT 系统进行仿真分析，得到水下MCRWPT 系统的传输效率随温度变化并不明显，随着海水压力的增大电能传输效率明显下降。本项目为水下基于磁耦合谐振式无线电能传输的环境参数影响的研究提供了一定程度的支撑。