[发明专利]水下XCTD剖面仪传输线间分布电容的建模计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及投弃式深海参数测量仪器水下走航式投弃式温、盐、深测量仪（XCTD）中有线传输信道，特别是一种投弃式温、盐、深（XCTD）剖面仪传输线间分布电容计算的建模方法。 

背景技术

投弃式电导率、温度、深度剖面仪（Expendable Conductivity Temperature Depth Profiling System, 简称XCTD）也称投弃式温、盐、深测量仪，是国外近年研制并得到快速发展的一种先进快速、低成本海水电导率、温度剖面测量设备，它能够在快速下降过程中实时测量海水的温度和电导率，并通过下降的时间和下降速率来计算相应的深度，最大测量深度可达2000m左右。但XCTD的特点为投弃使用，为了节约成本，其数据传输线采用性价比更高的单根双股漆包线，传输线分别以螺旋式缠绕在水上和水下线轴。XCTD投弃时，水下传感器实时采集数据，并通过漆包线实时传输。由于缠绕状态下的漆包线在仪器下放过程中不断展开，线上分布参数会产生相应的变化，这样就不能保证一个稳定的数据传输信道，其信道阻抗参数随着缠绕漆包线的展开是在实时改变的。了解信道阻抗参数变化特点，对信道的阻抗参数建模和信号传输特性的分析具有重要的意义。 

根据所做过的一些研究表明，XCTD(抛弃式盐、温、深)剖面仪下沉到一定深度后信号传输严重失真，传输电缆动态展开后的线间电容对信号的完整性传输的破坏性越来越大，但是几千米完全展开海水电缆电容的实时测量难度大，因此本文应用COMSOL Multiphysics来计算水下电缆的电容值，对分析我国863计划自主研发的XCTD剖面仪深水信道信号传输完整性具有重要的参考价值。 

发明内容

本发明的目的是解决XCTD信号传输中信道阻抗的动态变化对信号传输质量的影响问题，提出一种动态分布电容的计算方法，即水下XCTD剖面仪传输线间分布电容的建模方法。 

本发明方法根据具体应用环境建立了XCTD电缆电容计算模型，从理论上建立了平行电缆电容计算和偏心电缆电容计算的数学公式，并且采用Comsol Multiphysics进行线间电容仿真计算。 

本发明的技术方案： 

本发明基于水下XCTD剖面仪线间电容计算，发明了一种应用ProE软件三维建模与COMSOL Multiphysics软件分析的结合计算电路参数的方法，可表述为，按照传输线的具体缠绕的物理结构，利用ProE软件对其进行三维建模，之后将建立的模型导入Comsol Multiphysics中，采用AC/DC模块计算该模型的电容值等电抗参数，从而得两金属导线之间的分布电容值以及每一根金属导线与海水之间的电容值。最后将所得的这两个电容值和理论计算值进行比较，来验证仿真结果的正确性。

本发明提供的水下XCTD剖面仪传输线间分布电容的建模方法，具体步骤是： 

第1步、构造电缆传输线的物理结构模型

利用ProE三维建模软件，根据缠绕线轴的物理结构建立物理计算模型，如图1所示的物理模型结构图，该结构图包括：中部表示两根平行金属导线的两个圆形区域即第一区域和第二区域，两个圆形区域之外表示绝缘外皮层的第三区域，以及第三区域之外表示电缆工作环境空间的第四区域；

第2步、建立平行电缆分布电容的计算模型

将建立的物理计算模型导入在Comsol Multiphysics之后，在模型创建器中选择材料选项，为物理模型结构图中的各个区域，设定电导率和物理参数。并选择计算模型库里选择AC/DC模块内相应计算模型，利用Comsol Multiphysics中的模型创建器在图形创造界面创造根据电缆的工作环境要求，设置电缆中通入电缆金属导线的电流幅值和类型，以及参考地等电路参数和环境参数。之后，进行网格划分，将整个模型剖分成很多小区域进行计算，这里可以使用Comsol Multiphysics的自动网格划分功能，也可按照计算精度自行划分。

第3步、得到电极电容的场域与计算结果 

软件仿真计算，得到相应的2D、3D的电势分布图。得到相应的电容分布和电容值。加以验证，从而得两金属导线之间的分布电容值以及每一根金属导线与海水之间的电容值。

本发明的优点和有益效果：