Ontwikkeling en toepassing van onderwater akoestiese transducer sensor

1 Die basiese konsep en geskiedenis van onderwater akoestiese transducer netwerk

 

Die onderwater akoestiese transducer  netwerk is die produk van die popularisering van globale netwerk tegnologie. Noudat die land deur middel van bedrade optiese of elektriese middele verbind is, en die netwerk deur draadlose netwerke of selfs kommunikasiesatelliete in die lug verbind is, is die onderwaternetwerk dalk die enigste oorblywende maagdelike land wat nie ten volle bewerk is nie. Dit is denkbaar dat jy eendag, wanneer jy die rekenaar aanskakel en aan die internet koppel, onmiddellik intydse data van seestrome in die diep Atlantiese oseaan kan bekom. As 'n onderwaterkamera geïnstalleer is, kan jy selfs die kleurvolle visse van die groot stroomop op jou skerm sien. . Dit is die taak wat die onderwater akoestiese transducer netwerk in die gesig staar: die onderwater akoestiese netwerk word gebruik as die middel van inligtingoordrag, die onderwater sensor word gebruik as die venster vir inligtingverkryging, en die onderwater akoestiese netwerk word uiteindelik op een of ander manier by die konvensionele netwerk geïnkorporeer om die onderwater data wat na die waarnemer gestuur word, te integreer. Aangesien klankgolwe die enigste vorm van energie is wat oor lang afstande in die water oorgedra kan word, het radiogolwe 'n baie kort voortplantingsafstand in water, en lig is ook nie geskik vir onderwateromgewings nie as gevolg van hoë verswakking en verstrooiing onder water. . Die onderwater akoestiese transducer is 'n draadlose netwerk wat saamgestel is uit onderwater akoestiese golwe as die inligtingsdraer. Dit is analoog aan 'n draadlose netwerk in die lug, behalwe dat die inligtingsdraer in die lug radiogolwe is, en die inligtingsdraer in die water klankgolwe is. Die onderwater akoestiese netwerk moet twee tegniese probleme oplos, een is onderwater akoestiese kommunikasie transducer, en die ander is netwerk gebaseer op akoestiese kommunikasie. Die akoestiese onderwaterkommunikasie los die punt-tot-punt kommunikasie tussen twee gebruikers (of inligtingsbronne) op, en die netwerk los die probleem van inligtingsinteraksie op wanneer veelvuldige gebruikers (of inligtingsbronne) die watermediumkanaal deel. As 'n opkomende tegnologie onder ontwikkeling, word die rede waarom die ontwikkeling van onderwater akoestiese netwerk ver agter die draadlose netwerk in die lug bly grootliks beperk deur die ontwikkeling van onderwater akoestiese kommunikasietegnologie. Die vroegste akoestiese onderwaterkommunikasie kan teruggevoer word na amplitudemodulasie (AM) en enkelsyband (SSB) onderwatertelefone vir analoogdata in die 1950's; daar was 'n paar analoog stelsels voor die 1970's, as gevolg van die amplitude modulasie in die onderwater akoestiese nagalm omgewing. Met die ontwikkeling van VLSI-tegnologie is die onderwater digitale frekwensieverskuiwingsleutel (FSK) tegnologie in die vroeë 1980's toegepas. Dit is robuust vir die tyd- en frekwensieverspreiding van die kanaal. Die onderwater akoestiese samehangende kommunikasie het in die laat 1980's verskyn. In vergelyking met nie-koherente kommunikasie, kan die koherente onderwater akoestiese kommunikasie tegnologie die bandwydte doeltreffendheid van die beperkte bandwydte onderwater akoestiese kanaal verbeter. As gevolg van die hardheid en kompleksiteit van die onderwater akoestiese kanaal, het die onderwater akoestiese koherente kommunikasie egter nie begin nie. Dit is aanvaar dat die produk van afstand en spoed van onderwater akoestiese kommunikasie op daardie stadium ongeveer 0,5 km was. In die 1990's, as gevolg van die ontwikkeling van DSP-skyfietegnologie en digitale kommunikasieteorie, kan baie komplekse kanaalgelykmakingstegnologieë verwesenlik word, wat die ontwikkeling van onderwater akoestiese koherente kommunikasietegnologie aangedryf het, en na die studie van horisontale kanaalkommunikasie gewend het, omdat meerpad-effek van die kanaal baie meer ingewikkeld is as dié van die vertikale kanaal in die diepsee. In die middel van die 1990's het die spoed- en afstandproduk van onderwater akoestiese kommunikasie-omskakelaar in die vlak see-omgewing 40 km× kbit bereik, wat die vestiging van onderwater akoestiese transducer gemaak het. ’n Landmerk-sleutelkomponent van onderwaternetwerke is die opkoms van akoestiese onderwatermodems. Die vroegste konsep van onderwater akoestiese transducer toepassing was die Autonomous Ocean Sampling Network (AOSN) in 1993. Die Verenigde State het 'n jaarlikse eksperiment in 1998 begin om die konsep van onderwater akoestiese transducer te verifieer. Sedert die middel-1990's het akoestiese kommunikasietegnologie onder water en onderwaternetwerktegnologie terselfdertyd geleidelik ontwikkel. As gevolg van die besonderheid en kompleksiteit van die watermedium (soos hoë tydsvertraging, groot verswakking, meerpad- en frekwensieverskuiwing), word dit egter op land gebruik. Draadlose netwerktegnologie kan nie direk op onderwaternetwerke toegepas word nie, en navorsing oor onderwaterkanale, onderwaterkommunikasie en onderwaternetwerkprotokolle is aan die toeneem. Terselfdertyd, vanaf die 1990's tot die hede, was die ontwikkeling van aardse draadlose sensornetwerke gebaseer op draadlose kortafstandkommunikasie ook baie vinnig. Daar kan gesê word dat onderwater akoestiese sensornetwerk 'n uitbreiding is van die konsep van terrestriële sensornetwerk na onderwatertoepassings. Die onderwater akoestiese sensor netwerk bestaan ​​uit veelvuldige sensor nodusse. Die nodusse kan vasgemaak word, soos geankerde boeie of dompelteikens, of mobiel, soos onderwaterrobotte (UV of AUV). Op die oomblik kan die onderwater akoestiese sensornetwerk verskillende inligting bekom volgens die verskillende tipes onderwatersensors: dit kan gebruik word vir oseanografiese data-verkryging, monitering van mariene besoedeling, ontwikkeling naby die kus, rampvoorkoming, onderwaternavigasie en posisioneringbystand, mariene hulpbronne Opname en wetenskaplike navorsing data-verkryging, verspreide taktiese monitering, mynspooropsporing en teikenposisie, en onderwater-teikenposisie. Kortliks, die onderwater akoestiese sensor netwerk is om onderwater inligting te verkry deur verskeie sensor nodusse in 'n sekere onderwater area, en voer akoestiese kommunikasie en netwerke met onderwater nodes, en uiteindelik gaan deur spesifieke nodusse en her-radio In 'n bedrade en bedrade vorm word die inligting wat verkry word in die dekking area geïnkorporeer in die konvensionele netwerk op die kus en gestuur na die subnet se onderwater waarnemers. Jy kan verskeie kenmerke van die onderwater akoestiese sensornetwerk sien: Die eerste is mobiliteit. Omdat dit beweegbaar is, moet dit 'n outonome netwerk wees wat self kan organiseer en 'n sekere netwerkroeteringmetode kan volg; die tweede is onderwater draadloos en onderwater akoestiese kommunikasie, as gevolg van die gebruik van onderwater akoestiese kommunikasie, moet aanpasbaar wees by die eienskappe van die mariene omgewing en die tegniese uitdagings van die fisiese laag op te los; derde, dit is energie beperk, want dit is draadloos, so dit is battery-aangedrewe; vierde, dit het data Die aflosfunksie kan die moniteringsdata na die kus oordra. Om die data effektief en betroubaar oor te dra, moet 'n sekere netwerkprotokol gevolg word. Die netwerktopologie bepaal die roeteringsmetode, energieverlies, netwerkkapasiteit en betroubaarheid van die netwerk, dus moet die netwerktopologie eers bekendgestel word.

2 Topologiese struktuur van onderwater akoestiese sensornetwerk

Soos die draadlose sensornetwerkstruktuur op land, kan die topologiese struktuur van die onderwater hidro-akoestiese sensornetwerk in twee kategorieë verdeel word: gesentraliseerde netwerk (gesentraliseerde netwerk), en verspreide eweknie-netwerk (verspreide eweknie-netwerk). In 'n gesentraliseerde netwerk word die kommunikasie tussen nodusse deur middel van 'n sentrale nodus gerealiseer, en die netwerk word deur hierdie sentrale nodus aan die ruggraatnetwerk gekoppel. Die grootste nadeel van hierdie konfigurasie is dat daar 'n enkele punt van mislukking is, dit wil sê die mislukking van hierdie nodus sal lei tot die mislukking van die hele netwerk. En omdat die omvang van 'n enkele modem beperk is, is die dekking van die gesentraliseerde netwerk beperk. Figuur 1 is 'n skematiese diagram van die topologie van 'n gesentraliseerde netwerk. Eweknie-netwerk beteken dat daar geen sentrale nodus is om hulle te 'administreer' nie, en elke nodus het 'n relatief gelyke gesag. Volgens die verskillende roetemetodes is daar 'n paar verskille in die eweknie-netwerk. 'n Ten volle gekoppelde eweknie-netwerk verskaf direkte 'punt-tot-punt'-verbindings aan twee arbitrêre nodusse in die netwerk. Hierdie topologie verminder die behoefte aan roetering. Wanneer die nodusse egter in 'n groot gebied versprei is, is daar 'n behoefte aan kommunikasie. Die krag het baie toegeneem. En daar sal ook 'n 'naby en ver' probleem wees, dit wil sê, wanneer 'n nodus A 'n datapakkie na 'n afgeleë nodus stuur, sal dit die naburige nodusse van nodus A blokkeer om ander seine te ontvang.

 

Die multi-hop peer-to-peer netwerk kommunikeer slegs tussen aangrensende nodusse, en 'n boodskap word voltooi deur veelvuldige hops tussen nodusse vanaf die bron na die bestemming. Die multi-hop-stelsel kan 'n groter area dek, want die omvang van die netwerk hang af van die aantal nodusse, en word nie meer beperk deur die reeks van 'n enkele modem nie. Figuur 2 is 'n skematiese diagram van die multi-hop eweknie-netwerktopologie. Die netwerk is 'n netwerk vir draadlose mobiele toepassings, wat aan 'n multi-hop eweknie-netwerk behoort. Dit hoef nie vooraf infrastruktuur te bou nie, ook bekend as infrastruktuurlose netwerk (infrastruktuurnetwerk). Sy kenmerke is: outonome netwerk, dinamiese topologie, bandwydtebeperking en veranderlike skakelkapasiteit, multi-hop kommunikasie, verspreide beheer, nodusse met beperkte energie en beperkte sekuriteit. Omdat dit nie op infrastruktuur staatmaak nie, kan dit vinnig ontplooi word en 'n groter gebied dek. Omdat die infrastruktuur waarop in die water staatgemaak kan word beperk is, en die beweegbare AUV 'n belangrike deel van die onderwater akoestiese sensornetwerk sal wees (AUV kan die werkverrigting van die onderwatersensornetwerk verbeter), maak sy selforganiseringsvermoë en dinamiese topologie Die AdHoc-netwerk baie geskik om in onderwater akoestiese sensornetwerke gebruik te word. Alhoewel die AdHoc-netwerk geskik is vir die toepassing van hidro-akoestiese netwerk, was die veiligheidskwessie nog altyd 'n navorsingsonderwerp. Trouens, die onderwater hidrofoon sensor netwerk moet 'n baster wees van 'n gesentraliseerde netwerk en 'n eweknie-netwerk. In literatuur [16] word 'n tweedimensionele en driedimensionele hidro-akoestiese sensornetwerk bekendgestel. Tweedimensioneel verwys na die dimensie van inligting wat verkry word. In die tweedimensionele onderwater akoestiese sensornetwerk word sensornodusse en datatransponders (Sink) op die seebodem geplaas, in 'n klein area met Sink as die middel, en die data van elke sensor kan in die horisontale skakel wees Om die Sink op 'n direkte of multi-hop manier te bereik (Multi-hop eweknie-tot-ewe netwerk), en die sensordata kan slegs deur die vertikale skakel op die oppervlakstasie bereik as dit deur die Sink is. Omdat slegs die inligting van 'n sekere area van die seebodem verkry kan word, word dit 'n tweedimensionele sensornetwerk genoem. In die driedimensionele onderwater akoestiese sensornetwerk kan die diepte van die dompelbare teiken beheer word, sodat die multi-sensor nodusse in 'n sekere gebied op verskillende dieptes geleë is, sodat die seeinligting van 'n sekere gebied en verskillende dieptes verkry kan word, dus word dit 'n driedimensionele onderwater akoestiese sensornetwerk genoem. In die netwerktopologie is dit ook 'n multi-hop eweknie-netwerk. AUV kan verskillende dieptes in die see bereik, gekombineer met 'n vaste bodem sensor netwerk, kan ook 'n drie-dimensionele onderwater akoestiese sensor netwerk vorm. Dit is die moeite werd om daarop te wys dat as gevolg van akoestiese sensornetwerke onder water, daar altyd 'n probleem is om toegang tot ander konvensionele netwerke op die water te verkry. Daar is 'n spesiale nodus genaamd oppervlakstasie, poort of hoofnodus om hierdie werk te voltooi. Dit moet nie net 'n akoestiese modem vir kommunikasie met onderwaternetwerke hê nie, maar ook 'n radio- of kabelmodem vir kommunikasie met satelliet- of walnetwerke. Die oppervlakstasie kan die boei as die draer gebruik, of die oppervlakskip as die draer. Die netwerktopologie bepaal die roeteringsmetode, energieverlies, netwerkkapasiteit en betroubaarheid van die netwerk. Studies het getoon dat 'n netwerk wat saamgestel is uit veelvuldige sensornodusse wat met gelyke intervalle langs 'n reguitlyn versprei is, meer krag verbruik as 'n multi-hop eweknie-netwerk volgens die roeteringmetode van 'n volledig gekoppelde eweknie-netwerk; en die netwerkkapasiteit word ook deur die netwerktopologie beïnvloed.

 

3 Verwante konsepte van onderwater akoestiese sensor netwerk laag

Die akoestiese sensornetwerk onder water is inderdaad 'n splinternuwe veld, maar die konsep wat dit volg, is dieselfde as dié van die algemeen gebruikte netwerkprotokolstapel. Tabel 1 is die algemeen gebruikte netwerklaagkonsepte. Ter wille van eenvoud bespreek hierdie artikel slegs die basiese drie lae: fisiese laag, dataskakellaag en netwerklaag. Die probleem wat deur die fisiese laag opgelos moet word, is hoe om die transmissiemedium te gebruik

 

 

Die kenmerke (dws kanaalkenmerke) en die ooreenstemmende modulasiemetodes maak effektiewe data-oordrag moontlik. Akoestiese kommunikasie gebaseer op watermedium is 'n tipiese fisiese laagprobleem in die netwerkprotokollaag. Aan die uitsaaikant moet die inligtingsbissies omskep word in seine (akoestiese seine) wat deur die kanaal oorgedra kan word, en aan die ontvangkant moet die seine in die medium terug na inligtingbisse verander word. Dit is die taak van die akoestiese onderwatermodem, wat hoofsaaklik drie aspekte behels: Mediaomskakeling (soos: elektro-akoestiese seinomskakeling), frekwensiebandbenuttingsdoeltreffendheid, kanaalaanpasbaarheid. Die modulasiemetodes wat algemeen in akoestiese onderwaterkommunikasie gebruik word, word in twee kategorieë verdeel, een is nie-koherente modulasie, soos frekwensieskuifsleuteling (FSK), en die ander is koherente modulasiemetode, soos faseverskuiwingsleuteling (PSK) en kwadratuuramplitudemodulasie. (QAM). Nie-koherente modulasie het goeie robuustheid teen harde onderwater akoestiese omgewing, maar die tempo is laag; koherente modulasiemetode het hoë koderingsdoeltreffendheid en hoëfrekwensiebandbenutting, maar die transmissieafstand is beperk. Sommige tegnologieë is beide die fisiese laag.

 

Die voortplantingsmedium van die onderwater akoestiese sensornetwerk is water, wat baie verskil van die medium lug van die aardse sensornetwerk. Daarom kan die netwerkprotokol wat effektief op land gebruik kan word nie op die onderwater akoestiese netwerk toegepas word nie. Ons sal begin met die akoestiese voortplantingskenmerke van water en die effekte van klank bespreek. Leer die kommunikasiefaktore en ontleed die probleme wat dit veroorsaak vir die verskillende lae van die netwerkprotokolstapel.

 

4.1 'Fisiese faktore wat akoestiese onderwater kommunikasie

4.1.1 'Lang voortplantingsvertraging en groot vertragingsafwyking Die voortplantingsspoed van elektromagnetiese golwe in die lug is 200 000 keer die voortplantingsspoed van klankgolwe in water. Die stadige klankspoed maak die voortplantingsvertraging baie groot, met 'n vertraging van ongeveer 0,67 s per kilometer, en terselfdertyd die tydsverskil van die onderwater-variasie van die vertraging groot Eersgenoemde beïnvloed die deurset van die netwerk, en laasgenoemde maak sommige tydgebaseerde protokolle onbruikbaar.

 

4.1.2 'Groot voortplantingsverlies (ook genoem padverlies)

Volgens Urick se voortplantingsmodel is voortplantingsverlies die som van verliese wat veroorsaak word deur uitbreiding en verswakking. Dempingsverlies sluit in die effekte van absorpsie, verstrooiing en klankenergie wat uit die klankkanaal lek. Absorpsie word veroorsaak deur die omskakeling van klankenergie in termiese energie, wat toeneem met frekwensie en afstand. Uitbreidingsverlies verwys na die uitbreiding van akoestiese energie wat veroorsaak word deur golffrontuitbreiding. Dit sluit hoofsaaklik sferiese uitsetting (alrigtinguitsetting) van puntbronne in diepsee-omgewings in. Die voortplantingsverlies neem toe met die kwadraat van die afstand; en silindriese uitbreiding in vlak water omgewings. Uitbreiding op die horisontale vlak neem die voortplantingsverlies toe met afstand. Aangesien die voortplantingsverlies van akoestiese seine toeneem met die toename van frekwensie en afstand, is die beskikbare frekwensieband van die onderwater akoestiese kanaal baie beperk, en die voortplantingsafstand is ook beperk. Daarom, in die onderwaterkommunikasienetwerk, as u langafstandkommunikasie wil uitvoer, kan u slegs 'n lae kodekoers kies; as u 'n hoë kodekoers wil kies, kan u slegs kortafstandkommunikasie uitvoer. Oor die algemeen, om die voortplantingsafstand 10-100km te laat bereik, is die beskikbare bandwydte in die reeks van 2-5kHz; die medium-afstand transmissie is 1-10km, en die bandwydte is in die orde van 10kHz; as die gebruikte frekwensieband groter as 100kHz is, moet die voortplantingsafstand minder as 100m wees.

 

4.1.3 'Ernstige veelvuldige roetes

Die meerpad-verskynsel word veroorsaak deur die bestaan ​​van meer as een voortplantingspad tussen die klankbron en die ontvanger, en dit kom dikwels in vlak see en langafstand-voortplanting voor. Eenvoudig gestel, 'n sein van 'n enkele klankbron kan veelvuldige seine ontvang wat op verskillende tye by die ontvangkant aankom as gevolg van die bestaan ​​van veelvuldige paaie. Multi-pad sal fluktuasies in sein amplitude en fase veroorsaak. As gevolg van die verskillende voortplantingstyd van verskillende paaie, sal dit ernstige seinvervorming veroorsaak, sal dit lei tot die dekorrelasie van ontvangde seine tussen verskillende ontvangers, en multi-pad sal ook bandwydteverbreding veroorsaak. Dit sal die kommunikasiesein ernstig afbreek en inter-simbool-interferensie veroorsaak. Multipath hou ook verband met die posisie en afstand tussen die klankbron en die ontvanger. As die seebodemvlak as verwysing geneem word, is die multi-pad invloed van die vertikale kanaal klein, en die multi-pad invloed van die horisontale kanaal is groot.

 

Omgewingsgeraas is 'n versameling van baie faktore wat verband hou met getye, onstuimigheid, seewinde en -golwe, en donderstorms. Skeepsgeraas is ook 'n belangrike geraasbron. Anders as die situasie waar die geraas van die diepsee relatief seker is, sal die omgewingsgeraas van die vlak see, veral die kuswaters, baaie en hawens, aansienlik verander met tyd en plek. Die geraas bestaan ​​hoofsaaklik uit skeeps- en industriële geraas, eoliese geraas en biologiese geraas. Omgewingsgeraas sal die sein-tot-geraas-verhouding van die sein verminder en die werkverrigting van akoestiese onderwaterkommunikasie beïnvloed. 4.1.5' Dopplerverspreiding Erge Doppler-verskuiwing word veroorsaak deur die relatiewe beweging van die klankbron en ontvanger. Aangesien die spoed van klank 200 000 keer stadiger is as die spoed van elektromagnetiese golwe, kan 'n baie klein spoed dopplerfrekwensieverskuiwing veroorsaak, en as gevolg van die kanaal, is die onderwater akoestiese draerfrekwensie se invloed van die Doppler twee laer by die water optel by hierdie faktor. kommunikasie in die lug is baie groter. As Doppler slegs 'n eenvoudige frekwensietransformasie produseer, is die kompensasie van die ontvanger egter relatief maklik, as die akoestiese sein die seeoppervlak een of meer keer tref, sal verskillende Doppler-verskuiwings tussen elke pad plaasvind, wat moeilik is om te kompenseer wanneer dit die interferensie-effektiwiteit sal verminder.