100米长距离综合线缆水下成像信号传输抗干扰技术与船载布放工艺研究

摘要

水下原位勘查系统采用100米长线缆连接水面手持终端与水下成像探头，长距离传输过程当中容易出现视频信号衰减、电磁干扰、图像卡顿、信号丢包等问题；同时湖上船只作业风浪摇摆，线缆拖拽磨损、弯折疲劳风险突出。本文针对水生植物、底栖生物双成像采集仪的100米综合线缆开展研究，分析长距离水下视频信号衰减机理，开展线缆屏蔽、信号传输方案优化；设计湖上船只定点下放、收放、防缠绕、防磨损的标准化布放工艺；开展20米水深湖上拖拽模拟试验，检验线缆在风浪工况下信号传输稳定性。研究成果可为长缆型船载水下成像监测设备野外可靠运行提供技术保障。

关键词：水下成像；100米水下线缆；视频信号传输；抗干扰；船载布放；线缆防护；野外水生态调查

1 长距离水下线缆信号传输问题现状

船载水下原位成像系统依靠100米综合线缆同时完成电力输送、高清视频图像信号回传。线缆在水下既需要承受水压、泥沙摩擦，船上作业过程中会反复收卷、拖拽、弯折。在实际野外使用过程中，长线缆容易出现两类典型故障：一类是信号传输故障，电磁干扰造成视频画面横纹、噪点、图像卡顿、信号丢包，严重时图像信号中断；第二类是机械损伤，风浪条件下船体摆动，线缆受到拉扯、磕碰，出现护套磨损、内部线芯断裂，造成设备失效。

很多水下设备故障不是来自探头本体，而是来源于线缆系统。线缆不仅是电气传输通道，同时是承受机械载荷的关键部件。目前针对ROV水下机器人脐带缆研究较多，但针对河湖野外水生态调查专用100m级综合线缆的抗干扰、船载布放工艺研究较少。本文针对本套双探头水下成像系统100米综合线缆，分析信号衰减干扰机理，优化屏蔽传输方案，建立船载标准化布放工艺，开展湖上模拟拖拽试验。

2 水下成像系统线缆组成、供电‑信号复合传输方案

100米水下综合线缆是集成化复合线缆，内部包含供电芯线、差分视频信号芯线、抗拉芳纶纤维增强层；外部为耐海水、耐磨损聚氨酯护套。线缆工作模式为：水面端供电单元输出电能，通过线缆供电芯线输送至水下探头；水下双探头采集得到高清视频图像，通过差分信号芯线回传到水面手持终端。线缆内部设置高强度芳纶纤维编织抗拉层，绝大部分拖拽拉力由抗拉纤维承担，避免供电、信号芯线承受拉力发生断裂。

复合线缆同时传输强电电力信号与弱电视频信号，电力回路电流变化会产生交变电磁场，对邻近视频信号线产生电磁耦合干扰，这是长线缆图像出现噪声的重要来源。

3 长距离视频信号衰减与电磁干扰机理分析

长距离线缆信号干扰分为线内耦合干扰、外部环境干扰两类。线内耦合干扰：线缆内部供电芯线通断、电流波动产生交变磁场，通过电磁耦合作用干扰相邻视频信号线，造成画面噪声。外部干扰：调查船上电机、导航设备、电台等电气设备产生电磁辐射，通过线缆外皮耦合进入信号回路。

信号衰减：视频信号在长线缆传输过程存在导体电阻损耗、介质损耗，信号幅值随传输距离增加下降，信号信噪比降低，容易被噪声淹没。当信噪比下降到阈值以下，就会出现图像卡顿、丢包。

船体风浪摇摆造成线缆反复弯折，会造成信号线芯局部损伤，接触电阻不稳定，进一步加剧信号异常现象。

4 线缆屏蔽优化、信号传输抗干扰方案设计

针对电磁干扰，采用多层屏蔽隔离方案：供电芯线分组独立铜箔屏蔽，视频差分信号线单独设置双层屏蔽层；电力线与信号线在线缆内部物理分区排布，拉开相互距离，降低线间耦合；屏蔽层采用单端接地方式，避免屏蔽层形成地环路引入额外噪声。视频信号采用差分传输模式，差分信号可以有效抑制共模电磁干扰，提升长距离传输抗噪声能力。

电气层面：在手持终端输入端增加信号滤波电路，滤除耦合进入信号回路的高频干扰噪声。线缆结构层面，增加芳纶抗拉层，将机械拉力与电气芯线解耦，减少拖拽弯折对信号线的机械损伤，从源头降低接触不良带来的信号异常。

5 湖上风浪条件下线缆布放、收放标准化工艺

野外船载作业，线缆布放、收放操作工艺直接关系线缆使用寿命和信号稳定性。制定标准化布放收放工艺：

1）下放前检查：作业前检查线缆外护套有无划伤破损，水密接头有无泥沙、水渍，接头拧紧到位；

2）船只稳船：到达监测点位之后船只抛锚，减少船体摇摆幅度，再开始下放探头；风浪过大船体剧烈摆动条件下，停止下放作业；

3）匀速下放：操作人员匀速释放线缆，禁止猛放猛拽，避免探头快速下坠撞击湖底；船舷边角线缆接触位置增加橡胶护垫，防止线缆被船舷棱角割磨；

4）作业过程：水下作业时，线缆保持适度松弛，不要绷紧；船体随风浪摆动，绷紧线缆会造成接头位置承受巨大拉力，容易损坏接头与线缆；

5）回收阶段：匀速回收线缆，探头快到达船舷位置放慢速度，避免探头撞击船板；线缆回收之后，整齐盘绕存放，避免硬弯折、死折；

6）作业结束：用清水冲洗线缆表面泥沙，检查护套磨损情况，晾干接头之后再收纳存放。

布放工艺重点是避免线缆硬摩擦、剧烈拉扯、死弯折，减少机械损伤，保障信号传输稳定。

6 湖上模拟拖拽、信号稳定性试验

开展湖上模拟拖拽试验，水深设置18m，完整接入100m优化后的综合线缆，水下探头放置水下，船只低速模拟风浪摇摆拖拽工况，持续拖拽试验2h，全程记录手持终端视频画面状态，观察是否出现图像噪点、卡顿、丢包、中断现象。试验同时对比未做屏蔽优化的普通线缆的信号表现。

试验结果：经过屏蔽优化的100m综合线缆，在模拟风浪拖拽全过程，视频图像连续稳定，没有出现明显噪点、卡顿、信号丢包；对比普通线缆，拖拽过程多次出现图像横纹噪声，短暂信号卡顿。证明屏蔽优化方案可以显著提升长距离线缆信号传输稳定性。经过2小时反复拖拽，优化线缆护套没有出现明显损伤，抗拉层有效承担拖拽拉力。

7 线缆野外运维、防护注意事项

野外运维要点：每次野外出工前后检查线缆护套磨损、接头状态；禁止线缆出现死折硬弯；船舷接触位置必须加装护垫，避免金属棱角割破护套；接头需要保持清洁干燥，泥沙及时冲洗；线缆收纳盘绕曲率半径不能小于线缆最小弯曲半径；避免阳光长期暴晒存放；如果护套出现破损，需要及时修复，防止水渗入内部造成故障。野外作业配备备用线缆，防止线缆损坏造成调查任务中断。

8 结论

本文针对100米水下综合线缆，分析长距离传输视频信号衰减与电磁干扰产生机理，采用线缆内部分区屏蔽、差分信号传输、单端接地、信号滤波等抗干扰优化方案；建立船载条件下线缆下放、作业、回收标准化布放工艺；湖上模拟拖拽试验证明优化之后线缆在风浪拖拽工况下信号传输稳定。研究得到的线缆抗干扰方案与船载布放工艺，可以为同类长缆水下成像野外监测设备提供技术参考。

参考文献

[1] 陈卫民,等.水下ROV脐带缆电磁干扰屏蔽技术研究[J].电线电缆,2021(02):23‑27.

[2] 王书斌.水下控制电力载波通信信道特性仿真研究[J].上海交通大学学报,2015,49(08):1189‑1194.