Распрацоўка і прымяненне датчыка падводнага акустычнага пераўтваральніка

1 Асноўная канцэпцыя і гісторыя сеткі падводных акустычных пераўтваральнікаў

 

The сетка падводных акустычных пераўтваральнікаў  з'яўляецца прадуктам папулярызацыі глабальных сеткавых тэхналогій. Цяпер, калі зямля злучана з дапамогай правадных аптычных або электрычных сродкаў, а сетка злучана праз бесправадныя сеткі або нават праз спадарожнікі сувязі ў паветры, падводная сетка можа быць адзінай пакінутай цалінай, якая не была цалкам апрацавана. Цалкам магчыма, што аднойчы, калі вы ўключыце кампутар і падключыцеся да Інтэрнэту, вы зможаце неадкладна атрымаць дадзеныя аб марскіх плынях у глыбокім Атлантычным акіяне ў рэжыме рэальнага часу. Калі ўсталяваная падводная камера, вы нават можаце ўбачыць на экране рознакаляровых рыб вялікага верхняга цячэння. . Гэта задача, якая стаіць перад сеткай падводных акустычных пераўтваральнікаў: падводная акустычная сетка выкарыстоўваецца ў якасці сродку перадачы інфармацыі, падводны датчык выкарыстоўваецца ў якасці акна для атрымання інфармацыі, а падводная акустычная сетка, нарэшце, уключана ў звычайную сетку, каб інтэграваць падводныя даныя, якія адпраўляюцца назіральніку. Паколькі гукавыя хвалі з'яўляюцца адзінай формай энергіі, якая можа перадавацца на вялікія адлегласці ў вадзе, радыёхвалі маюць вельмі кароткую адлегласць распаўсюджвання ў вадзе, а святло таксама не падыходзіць для падводнага асяроддзя з-за моцнага згасання і рассейвання пад вадой. . Падводны акустычны пераўтваральнік - гэта бесправадная сетка, якая складаецца з падводных акустычных хваль у якасці носьбіта інфармацыі. Гэта аналаг бесправадной сеткі ў паветры, за выключэннем таго, што носьбітам інфармацыі ў паветры з'яўляюцца радыёхвалі, а ў вадзе - гукавыя хвалі. Падводная акустычная сетка павінна вырашаць дзве тэхнічныя праблемы: адна - пераўтваральнік падводнай акустычнай сувязі, а другая - сетка, заснаваная на акустычнай сувязі. Падводная акустычная сувязь вырашае сувязь 'кропка-кропка' паміж двума карыстальнікамі (або крыніцамі інфармацыі), а сетка вырашае праблему інфармацыйнага ўзаемадзеяння, калі некалькі карыстальнікаў (або крыніц інфармацыі) сумесна выкарыстоўваюць канал воднай асяроддзя. Як новая тэхналогія, якая знаходзіцца ў стадыі распрацоўкі, прычына таго, што развіццё падводнай акустычнай сеткі значна адстае ад бесправадной сеткі ў паветры, у асноўным абмежавана развіццём тэхналогіі падводнай акустычнай сувязі. Самая ранняя падводная акустычная сувязь можа быць прасочана да падводных тэлефонаў з амплітуднай мадуляцыяй (AM) і аднапалоснай (SSB) для аналагавых дадзеных у 1950-х гадах; да 1970-х гадоў існавала некалькі аналагавых сістэм з-за амплітуднай мадуляцыі ў падводным акустычным асяроддзі рэверберацыі. З развіццём тэхналогіі VLSI у пачатку 1980-х гадоў была прыменена тэхналогія падводнай лічбавай частотнай маніпуляцыі (FSK). Ён устойлівы да часовага і частотнага разносу канала. Падводная акустычная кагерэнтная сувязь з'явілася ў канцы 1980-х гадоў. У параўнанні з некагерэнтнай сувяззю тэхналогія кагерэнтнай падводнай акустычнай сувязі можа палепшыць эфектыўнасць прапускной здольнасці падводнага акустычнага канала з абмежаванай прапускной здольнасцю. Аднак з-за жорсткасці і складанасці падводнага акустычнага канала падводная акустычная кагерэнтная сувязь не пачалася. Было прызнана, што здабытак адлегласці і хуткасці падводнай акустычнай сувязі ў той час складала каля 0,5 км. У 1990-х гадах дзякуючы развіццю тэхналогіі чыпаў DSP і тэорыі лічбавай сувязі можна было рэалізаваць шмат складаных тэхналогій выраўноўвання каналаў, што прывяло да развіцця тэхналогіі падводнай акустычнай кагерэнтнай сувязі і звярнулася да вывучэння сувязі па гарызантальным канале, таму што эфект шматшляхоўнасці канала значна больш складаны, чым эфект вертыкальнага канала ў глыбокім моры. У сярэдзіне 1990-х гадоў прадукт хуткасці і адлегласці падводнага акустычнага пераўтваральніка сувязі ў плыткім марскім асяроддзі дасягнуў 40 км × кбіт, што зрабіла стварэнне падводнага акустычнага пераўтваральніка. Знакавым ключавым кампанентам падводных сетак з'яўляецца з'яўленне падводных акустычных мадэмаў. Самай ранняй канцэпцыяй прымянення падводнага акустычнага пераўтваральніка была Аўтаномная сетка адбору пробаў у акіяне (AOSN) у 1993 г. У 1998 г. у ЗША пачаўся штогадовы эксперымент па праверцы канцэпцыі падводнага акустычнага пераўтваральніка. З сярэдзіны 1990-х гадоў тэхналогіі падводнай акустычнай сувязі і падводныя сеткавыя тэхналогіі няўхільна развіваюцца адначасова. Аднак з-за асаблівасцей і складанасці воднага асяроддзя (напрыклад, вялікая часовая затрымка, вялікае згасанне, шматшляхоўнасць і зрух частоты) ён выкарыстоўваецца на сушы. Тэхналогія бесправадной сеткі не можа быць непасрэдна прыменена да падводных сетак, і даследаванні падводных каналаў, падводнай сувязі і пратаколаў падводнай сеткі знаходзяцца на ўздыме. У той жа час, з 1990-х гадоў і па цяперашні час, развіццё наземных бесправадных сэнсарных сетак, заснаваных на бесправадной сувязі малога радыусу дзеяння, таксама было вельмі хуткім. Можна сказаць, што падводная акустычная сэнсарная сетка з'яўляецца пашырэннем канцэпцыі наземнай сэнсарнай сеткі для падводных прыкладанняў. Сетка падводных акустычных датчыкаў складаецца з некалькіх вузлоў датчыкаў. Вузлы могуць быць стацыянарнымі, напрыклад, замацаванымі на якары буямі або падводнымі мішэнямі, або мабільнымі, напрыклад, падводнымі робатамі (UV або AUV). У цяперашні час сетка падводных акустычных датчыкаў можа атрымліваць розную інфармацыю ў адпаведнасці з рознымі тыпамі падводных датчыкаў: яе можна выкарыстоўваць для збору акіянаграфічных даных, маніторынгу забруджвання мора, прыбярэжнай асваення, прадухілення стыхійных бедстваў, падводнай навігацыі і дапамогі ў пазіцыянаванні, агляду марскіх рэсурсаў і збору дадзеных навуковых даследаванняў, размеркаванага тактычнага маніторынгу, разведкі мін і выяўлення, суправаджэння і пазіцыянавання падводных мэтаў. Карацей кажучы, сетка падводных акустычных датчыкаў заключаецца ў атрыманні падводнай інфармацыі праз розныя вузлы датчыкаў у пэўнай падводнай зоне, а таксама для правядзення акустычнай сувязі і сеткі з падводнымі вузламі, і, нарэшце, перадачы праз пэўныя вузлы і рэ-радыё. У правадным і правадным выглядзе інфармацыя, атрыманая ў зоне ахопу, уключаецца ў звычайную сетку на беразе і адпраўляецца ў падводную падсетку назіральніка. Вы можаце ўбачыць некалькі характарыстык сеткі падводных акустычных датчыкаў: Першая - гэта мабільнасць. Паколькі яна рухомая, яна павінна быць аўтаномнай сеткай, якая можа самаарганізоўвацца і прытрымлівацца пэўнага метаду сеткавай маршрутызацыі; другая - падводная бесправадная і падводная акустычная сувязь, дзякуючы выкарыстанню падводнай акустычнай сувязі, яна павінна адаптавацца да характарыстык марскога асяроддзя і вырашаць тэхнічныя задачы фізічнага ўзроўню; па-трэцяе, ён энергаабмежаваны, таму што ён бесправадны, таму працуе ад батарэі; па-чацвёртае, ён мае дадзеныя Функцыя рэле можа перадаваць дадзеныя маніторынгу на бераг. Для эфектыўнай і надзейнай перадачы дадзеных неабходна выконваць пэўны сеткавы пратакол. Тапалогія сеткі вызначае метад маршрутызацыі, страты энергіі, ёмістасць сеткі і надзейнасць сеткі, таму тапалогія сеткі павінна быць прадстаўлена першай.

2 Тапалагічная структура сеткі падводных акустычных датчыкаў

Як і структуру сеткі бесправадных датчыкаў на сушы, тапалагічную структуру сеткі падводных гідраакустычных датчыкаў можна падзяліць на дзве катэгорыі: цэнтралізаваная сетка (цэнтралізаваная сетка) і размеркаваная аднарангавая сетка (размеркаваная аднарангавая сетка). У цэнтралізаванай сетцы сувязь паміж вузламі ажыццяўляецца праз цэнтральны вузел, і сетка злучана з магістральнай сеткай праз гэты цэнтральны вузел. Асноўным недахопам гэтай канфігурацыі з'яўляецца тое, што існуе адзіная кропка адмовы, гэта значыць адмова гэтага вузла прывядзе да адмовы ўсёй сеткі. І паколькі радыус дзеяння аднаго мадэма абмежаваны, ахоп цэнтралізаванай сеткі абмежаваны. На малюнку 1 прадстаўлена прынцыповая схема тапалогіі цэнтралізаванай сеткі. Аднарангавая сетка азначае, што няма цэнтральнага вузла, які б іх 'адміністраваў', і кожны вузел мае адносна роўныя паўнамоцтвы. У залежнасці ад розных метадаў маршрутызацыі аднарангавая сетка мае некаторыя адрозненні. Поўнасцю звязаная аднарангавая сетка забяспечвае прамыя злучэнні 'кропка-кропка' з двума адвольнымі вузламі ў сетцы. Гэтая тапалогія зніжае патрэбу ў маршрутызацыі. Аднак, калі вузлы раскіданыя на вялікай тэрыторыі, узнікае неабходнасць у зносінах. Магутнасць значна ўзрасла. І будзе таксама праблема «блізкага і далёкага», гэта значыць, калі вузел A адпраўляе пакет даных на аддалены вузел, ён будзе блакаваць суседнія вузлы вузла A ад атрымання іншых сігналаў.

 

Аднарангавая сетка з многімі пераходамі ўзаемадзейнічае толькі паміж сумежнымі вузламі, і паведамленне завяршаецца некалькімі пераходамі паміж вузламі ад крыніцы да пункта прызначэння. Сістэма з некалькімі пераходамі можа ахопліваць большую тэрыторыю, таму што радыус дзеяння сеткі залежыць ад колькасці вузлоў і больш не абмяжоўваецца дыяпазонам аднаго мадэма. Малюнак 2 - гэта схематычная схема тапалогіі аднарангавай сеткі з некалькімі пераходамі. Сетка ўяўляе сабой сетку для бесправадных мабільных прыкладанняў, якая належыць да аднарангавай сеткі з некалькімі пераходамі. Не трэба будаваць інфраструктуру загадзя, таксама вядомую як сетка без інфраструктуры (інфраструктурная сетка). Яе характарыстыкі: аўтаномная сетка, дынамічная тапалогія, абмежаванне прапускной здольнасці і зменная ёмістасць канала, сувязь з некалькімі пераходамі, размеркаванае кіраванне, вузлы з абмежаванай энергіяй і абмежаваная бяспека. Паколькі ён не залежыць ад інфраструктуры, яго можна хутка разгарнуць і ахапіць большую тэрыторыю. Паколькі інфраструктура, на якую можна разлічваць у вадзе, абмежаваная, а рухомы АНПА будзе важнай часткай сеткі падводных акустычных датчыкаў (АНПА можа павысіць прадукцыйнасць сеткі падводных датчыкаў), яго здольнасць да самаарганізацыі і дынамічная тапалогія робяць сетку AdHoc вельмі прыдатнай для выкарыстання ў сетках падводных акустычных датчыкаў. Хаця сетка AdHoc падыходзіць для прымянення гідраакустычнай сеткі, праблема яе бяспекі заўсёды была тэмай даследаванняў. Фактычна, Сетка датчыкаў падводнага гідрафона павінна быць гібрыдам цэнтралізаванай сеткі і аднарангавай сеткі. У літаратуры [16] прадстаўлены двухмерныя і трохмерныя гідраакустычныя датчыкі. Двухмернасць адносіцца да вымярэння атрыманай інфармацыі. У двухмернай сетцы падводных акустычных датчыкаў вузлы датчыкаў і транспондеры даных (Ракавіны) размяшчаюцца на марскім дне, у невялікай вобласці з Ракавінай у цэнтры, і даныя кожнага датчыка могуць знаходзіцца ў гарызантальнай лініі сувязі. Каб дасягнуць Ракавіны прамым або шматразовым спосабам (шматразовая аднарангавая сетка), і даныя датчыка могуць дасягнуць надводнай станцыі, толькі калі яны перадаюцца па вертыкальнай сувязі праз Ракавіну. Паколькі можна атрымаць інфармацыю толькі аб пэўнай вобласці марскога дна, яе называюць двухмернай сэнсарнай сеткай. У сетцы трохмерных падводных акустычных датчыкаў можна кантраляваць глыбіню падводнай мэты, так што вузлы некалькіх датчыкаў у пэўнай вобласці знаходзяцца на розных глыбінях, таму можна атрымаць інфармацыю аб акіяне пэўнай вобласці і розных глыбінь, таму яе называюць трохмернай сеткай падводных акустычных датчыкаў. У тапалогіі сеткі гэта таксама аднарангавая сетка з некалькімі пераходамі. AUV можа дасягаць розных глыбінь у акіяне ў спалучэнні з фіксаванай сеткай датчыкаў дна, таксама можа ўтвараць трохмерную сетку падводных акустычных датчыкаў. Варта адзначыць, што з-за падводных акустычных сэнсарных сетак заўсёды існуе праблема доступу да іншых звычайных сетак на вадзе. Для выканання гэтай працы існуе спецыяльны вузел, які называецца наземная станцыя, шлюз або галоўны вузел. Ён павінен мець не толькі акустычны мадэм для сувязі з падводнымі сеткамі, але таксама радыё- або кабельны мадэм для сувязі са спадарожнікавымі або берагавымі сеткамі. Надводная станцыя можа выкарыстоўваць буй у якасці носьбіта, або надводны карабель у якасці носьбіта. Тапалогія сеткі вызначае метад маршрутызацыі, страты энергіі, ёмістасць сеткі і надзейнасць сеткі. Даследаванні паказалі, што сетка, якая складаецца з некалькіх вузлоў датчыкаў, размеркаваных праз роўныя інтэрвалы ўздоўж прамой лініі, спажывае больш энергіі, чым аднарангавая сетка з некалькімі пераходамі ў адпаведнасці з метадам маршрутызацыі цалкам злучанай аднарангавай сеткі; і ёмістасць сеткі таксама залежыць ад тапалогіі сеткі.

 

3 Звязаныя канцэпцыі сеткавага ўзроўню падводных акустычных датчыкаў

Сетка падводных акустычных датчыкаў сапраўды з'яўляецца зусім новай сферай, але канцэпцыя, якой яна прытрымліваецца, такая ж, як і ў звычайна выкарыстоўванага стэка сеткавых пратаколаў. Табліца 1 - гэта часта выкарыстоўваюцца канцэпцыі сеткавага ўзроўню. Дзеля прастаты ў гэтым артыкуле разглядаюцца толькі тры асноўныя ўзроўні: фізічны ўзровень, канальны ўзровень і сеткавы ўзровень. Праблема, якую павінен вырашыць фізічны ўзровень, заключаецца ў тым, як выкарыстоўваць асяроддзе перадачы

 

 

Характарыстыкі (напрыклад, характарыстыкі канала) і адпаведныя метады мадуляцыі дазваляюць эфектыўна перадаваць даныя. Акустычная сувязь на аснове воднай асяроддзя з'яўляецца тыповай праблемай фізічнага ўзроўню на ўзроўні сеткавага пратаколу. На перадаючым канцы інфармацыйныя біты павінны быць ператвораны ў сігналы (акустычныя сігналы), якія могуць быць перададзены каналам, а на прыёмным канцы сігналы ў асяроддзі павінны быць зменены назад на інфармацыйныя біты. Гэта задача падводнага акустычнага мадэма, якая ў асноўным уключае тры аспекты: пераўтварэнне носьбіта (напрыклад: пераўтварэнне электраакустычнага сігналу), эфектыўнасць выкарыстання паласы частот, адаптыўнасць канала. Метады мадуляцыі, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў падводнай акустычнай сувязі, дзеляцца на дзве катэгорыі: адна - гэта некагерэнтная мадуляцыя, такая як частотная маніпуляцыя (FSK), а другая - метад кагерэнтнай мадуляцыі, напрыклад, фазавая маніпуляцыя (PSK) і квадратурная амплітудная мадуляцыя. (QAM). Некагерэнтная мадуляцыя мае добрую ўстойлівасць да жорсткага падводнага акустычнага асяроддзя, але хуткасць нізкая; метад кагерэнтнай мадуляцыі мае высокую эфектыўнасць кадавання і выкарыстанне высокай паласы частот, але адлегласць перадачы абмежавана. Некаторыя тэхналогіі з'яўляюцца і фізічным узроўнем.

 

Асяроддзем распаўсюджвання падводнай акустычнай сэнсарнай сеткі з'яўляецца вада, якая моцна адрозніваецца ад паветранай асяроддзя наземнай сэнсарнай сеткі. Такім чынам, сеткавы пратакол, які можна эфектыўна выкарыстоўваць на сушы, не можа быць ужыты да падводнай акустычнай сеткі. Мы пачнем з характарыстык распаўсюджвання гуку ў вадзе і абмяркуем уплыў гуку. Вывучым фактары сувязі і прааналізуем цяжкасці, якія гэта выклікае на розных узроўнях стэка сеткавых пратаколаў.

 

4.1 «Фізічныя фактары, якія ўплываюць падводная акустычная сувязь

4.1.1 'Вялікая затрымка распаўсюджвання і вялікая дысперсія затрымкі. Хуткасць распаўсюджвання электрамагнітных хваль у паветры ў 200 000 разоў перавышае хуткасць распаўсюджвання гукавых хваль у вадзе. Нізкая хуткасць гуку робіць затрымку распаўсюджвання вельмі вялікай, з затрымкай каля 0,67 с на кіламетр, і ў той жа час зменлівыя ў часе характарыстыкі падводнага акустычнага канала робяць затрымку Першае ўплывае на прапускную здольнасць сеткі, а другое робіць некаторыя пратаколы, заснаваныя на часе, непрацаздольнымі.

 

4.1.2 'Вялікія страты пры распаўсюджванні (таксама званыя стратамі на шляху)

Згодна з мадэллю распаўсюджвання Урыка, страты пры распаўсюджванні - гэта сума страт, выкліканых пашырэннем і згасаннем. Страта згасання ўключае эфекты паглынання, рассейвання і ўцечкі гукавой энергіі з гукавога канала. Паглынанне выклікана пераўтварэннем гукавой энергіі ў цеплавую, якая павялічваецца з павелічэннем частаты і адлегласці. Страты пры пашырэнні адносяцца да пашырэння акустычнай энергіі, выкліканага пашырэннем хвалевага фронту. Гэта ў асноўным уключае сферычнае пашырэнне (разнакіраванае пашырэнне) кропкавых крыніц у глыбакаводных асяроддзях. Страты пры распаўсюджванні растуць з квадратам адлегласці; і цыліндрычнае пашырэнне ў плыткаводдзе. Пашыраючыся ў гарызантальнай плоскасці, страты пры распаўсюджванні павялічваюцца з адлегласцю. Паколькі страты пры распаўсюджванні акустычных сігналаў павялічваюцца з павелічэннем частаты і адлегласці, даступная паласа частот падводнага акустычнага канала вельмі абмежаваная, і адлегласць распаўсюджвання таксама абмежаваная. Такім чынам, у сетцы падводнай сувязі, калі вы хочаце ажыццяўляць міжгароднюю сувязь, вы можаце выбраць толькі нізкую хуткасць кода; калі вы хочаце выбраць высокую кодавую хуткасць, вы можаце ажыццяўляць толькі сувязь на кароткіх адлегласцях. Наогул кажучы, каб адлегласць распаўсюджвання дасягала 10-100 км, даступная паласа прапускання знаходзіцца ў дыяпазоне 2-5 кГц; перадача на сярэднія адлегласці 1-10 км, а прапускная здольнасць парадку 10 кГц; калі выкарыстоўваная паласа частот перавышае 100 кГц, адлегласць распаўсюджвання павінна быць меншай за 100 м.

 

4.1.3 'Сур'ёзныя некалькі маршрутаў

З'ява шматшляхоўнасці выклікана існаваннем больш чым аднаго шляху распаўсюджвання паміж крыніцай гуку і прымачом, і гэта часта адбываецца ў неглыбокіх морах і распаўсюджванні на вялікія адлегласці. Прасцей кажучы, сігнал ад адной крыніцы гуку можа прымаць некалькі сігналаў, якія паступаюць у розны час на прыёмным канцы з-за існавання некалькіх шляхоў. Шматпраходнасць будзе выклікаць ваганні амплітуды і фазы сігналу. З-за рознага часу распаўсюджвання розных шляхоў гэта прывядзе да сур'ёзных скажэнняў сігналу, прывядзе да дэкарэляцыі атрыманых сігналаў паміж рознымі прыёмнікамі, а шматшляхоўнасць таксама прывядзе да пашырэння паласы прапускання. Гэта сур'ёзна пагоршыць сігнал сувязі і выклікаць інтэрферэнцыю паміж сімваламі. Шматшляхоўнасць таксама звязана з становішчам і адлегласцю паміж крыніцай гуку і прымачом. Узяўшы за эталон плоскасць марскога дна, уплыў шматшляхоўнасці вертыкальнага канала невялікі, а ўплыў гарызантальнага канала - вялікі.

 

Шум навакольнага асяроддзя - гэта сукупнасць шматлікіх фактараў, якія звязаны з прылівамі, турбулентнасцю, марскім ветрам і хвалямі, а таксама навальніцамі. Шум карабля таксама з'яўляецца важнай крыніцай шуму. У адрозненне ад сітуацыі, калі шум глыбокага мора адносна пэўны, шум навакольнага асяроддзя мелкаводдзя, асабліва прыбярэжных вод, заліваў і партоў, будзе істотна змяняцца з часам і месцам. Шум у асноўным складаецца з суднавага і прамысловага шуму, эолавага шуму і біялагічнага шуму. Шум навакольнага асяроддзя паменшыць суадносіны сігнал/шум сігналу і паўплывае на прадукцыйнасць падводнай акустычнай сувязі. 4.1.5' Доплераўскі зрух Сур'ёзны доплераўскі зрух выкліканы адносным рухам крыніцы гуку і прымача. Паколькі хуткасць гуку ў 200 000 разоў меншая за хуткасць электрамагнітных хваль, вельмі малая хуткасць можа выклікаць доплераўскі зрух частоты, і з-за канала апорная частата падводнага гуку ніжэй. Гэтыя два фактары ў суме робяць уплыў Доплера ў вадзе, чым бесправадная сувязь у паветры. Калі допплер стварае толькі простае пераўтварэнне частоты, кампенсацыя прымача адбываецца адносна лёгка, калі акустычны сігнал трапляе на паверхню мора адзін або некалькі разоў, паміж кожным шляхам будзе адбывацца розны доплераўскі зрух, які цяжка кампенсаваць.