基于光缆的水下视频和数据传输系统研制

摘要

随着人类社会不断的发展，陆地上可用资源变得越来越少，人们不得不把海洋作为新的研究对象。占地球表面积70%以上的海洋中，蕴藏着大量的生物资源和矿产资源，特别是在深海和远洋海域尚有诸多宝贵资源沉睡在人类的视野之外。如何快速合理地勘探和开发这些资源成为人类必须解决的重大课题。
　　与陆地资源的勘探和开发不同，在深海资源的勘探和开发过程中，人们无法直接看到整个过程的实时状况，必须要借助深海摄像系统来对水下环境进行实时视频监控，以便正确、快速地完成水下作业。针对深海摄像系统，本文设计并实现了一套基于光缆的水下视频和数据传输系统，它由光纤通信系统、水下嵌入式采集控制系统和甲板监控界面等三部分组成。光纤通信系统分为水下和甲板光纤通信模块两个部分，它提供两路视频图像的实时监控，并为水下嵌入式采集控制系统和甲板监控界面提供透明数据通道。水下嵌入式采集控制系统根据下行的水下设备控制命令打开或关闭水下摄像机、照明灯和高度计等水下设备，还要定时采集系统电压和拖体姿态等状态信息，并将它们打包发送给甲板监控界面。甲板监控界面实现了两路视频图像和监控数据的实时显示，水下设备控制命令的发送，视频的存储和回放等功能。
　　本文主要的工作分成4个部分：系统方案设计、系统硬件设计、系统软件设计和整机系统调试。
　　根据深海摄像系统的需求，本文首先为水下视频和数据传输系统制定了系统方案；然后详细介绍了系统硬件的设计原理与实现，光纤通信系统硬件设计包括视频处理电路、并串转换电路、光电转换电路和PECL与LVDS电平转换电路等，水下嵌入式采集控制系统硬件设计包括水下系统供电电路、继电器驱动电路和倾角测量电路等；接着对系统软件设计进行了介绍，光纤通信系统软件设计包括视频和数据帧的复分接设计、8B/10B编解码设计、曼彻斯特编解码设计等，水下嵌入式采集控制系统软件设计包括通信协议的制定和模拟信号采集与处理等；甲板监控界面主要包括视频和监控参数的显示，以及下行设备控制命令的发送；最后介绍了系统的调试过程。
　　本文为深海摄像系统研制了一套基于光缆的水下视频和数据传输系统，该系统在“海洋六号”科考船上已完成30多个站位作业，工作中运行稳定，研制工作取得圆满成功。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题的研究背景和意义

1.3 国内外深海摄像系统研究现状和发展趋势

1.4 本课题的研究内容和主要工作

1.5 本章小结

第2章 系统相关原理概述

2.1 光纤通信基本理论

2.1.1 光纤通信系统的基本组成

2.1.2 光纤通信的特点

2.2 视频信号基本理论

2.2.1 视频图像传输

2.2.2 彩色全电视信号的组成

2.2.3 视频信号的数字化原理

2.3 信道复用技术概述

2.3.1 时分多路复用(TDM)原理

2.3.2 波分复用(WDM)原理

2.4 数字复接原理概述

2.4.1 数字复接基本概念

2.4.2 数字复接方式

2.5 本章小节

第3章 系统总体结构设计

3.1 系统组成及工作原理介绍

3.2 系统设计要求

3.3 系统方案设计

3.3.1 光纤通信系统方案设计

3.3.2 水下嵌入式采集控制系统方案设计

3.3.3 甲板监控界面方案设计

3.4 本章小结

第4章 系统硬件设计

4.1 系统硬件结构

4.2 光纤通信系统硬件设计

4.2.1 水下光纤通信模块视频处理电路设计

4.2.2 甲板光纤通信模块视频处理电路设计

4.2.3 并串和串并转换电路设计

4.2.4 并光电转换电路设计

4.2.5 PECL与LNDS电平转换电路设计

4.2.6 串口电路设计

4.2.7 CPLD接口电路设计

4.3 水下嵌入式采集控制系统硬件设计

4.3.1 供电电路设计

4.3.2 继电器驱动电路设计

4.3.3 UART电路设计

4.3.4 倾角测量电路设计

4.4 本章小结

第5章 系统软件设计

5.1 集成开发环境简介

5.1.1 光纤通信系统集成开发环境简介

5.1.2 水下嵌入式采集控制系统开发环境简介

5.1.3 甲板监控平台监控界面开发环境简介

5.2 光纤通信系统软件设计

5.2.1 时钟分频设计

5.2.2 视频图像和数据帧的复分接

5.2.38B/10B编解码设计

5.2.4 曼彻斯特编解码设计

5.2.5 双纤冗余备份设计

5.3 水下嵌入式采集控制系统程序设计

5.3.1 系统初始化

5.3.2 通信协议设计

5.3.3 模拟信号采集与处理

5.4 甲板监控界面程序设计

5.4.1 甲板监控界面布局设计

5.4.2 甲板监控界面程序设计

5.5 本章小结

第6章 系统调试

6.1 实验室调试

6.1.1 模块功能调试

6.1.2 整体调试

6.2 近海海试

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致 谢

参 考 文 献

附 录：