Vývoj a aplikace podvodního akustického snímače

1 Základní koncepce a historie podvodní sítě akustických měničů

 

The podvodní síť akustických měničů  je produktem popularizace globální síťové technologie. Nyní, když je země propojena kabelovými optickými nebo elektrickými prostředky a síť je propojena prostřednictvím bezdrátových sítí nebo dokonce komunikačních satelitů ve vzduchu, může být podvodní síť jedinou zbývající panenskou zemí, která nebyla plně obdělána. Lze si představit, že jednoho dne, když zapnete počítač a připojíte se k internetu, můžete okamžitě získat data o oceánských proudech v hlubinách Atlantského oceánu v reálném čase. Pokud je nainstalována podvodní kamera, můžete na obrazovce dokonce vidět barevné ryby velkého proti proudu. . Toto je úkol, kterému čelí podvodní síť akustických měničů: podvodní akustická síť se používá jako prostředek přenosu informací, podvodní senzor se používá jako okno pro získávání informací a podvodní akustická síť je nakonec nějakým způsobem začleněna do konvenční sítě, aby se integrovala podvodní data zasílaná pozorovateli. Vzhledem k tomu, že zvukové vlny jsou jedinou formou energie, která se může ve vodě přenášet na velké vzdálenosti, rádiové vlny se ve vodě šíří velmi krátkou vzdálenost a světlo také není vhodné pro podvodní prostředí kvůli vysokému útlumu a rozptylu pod vodou. . Podvodní akustický měnič je bezdrátová síť složená z podvodních akustických vln jako nosiče informace. Je to analogie bezdrátové sítě ve vzduchu, kromě toho, že nosičem informací ve vzduchu jsou rádiové vlny a nosičem informací ve vodě jsou zvukové vlny. Podvodní akustická síť musí vyřešit dva technické problémy, jedním je podvodní akustický komunikační převodník a druhým síťování založené na akustické komunikaci. Podvodní akustická komunikace řeší point-to-point komunikaci mezi dvěma uživateli (nebo informačními zdroji) a networking řeší problém informační interakce, když více uživatelů (nebo informačních zdrojů) sdílí vodní kanál. Vzhledem k tomu, že se jedná o nově vyvíjenou technologii, důvod, proč vývoj podvodní akustické sítě výrazně zaostává za bezdrátovou sítí ve vzduchu, je do značné míry omezen vývojem podvodní akustické komunikační technologie. Nejčasnější podvodní akustickou komunikaci lze vysledovat zpět k amplitudové modulaci (AM) a podvodním telefonům s jedním postranním pásmem (SSB) pro analogová data v 50. letech 20. století; před sedmdesátými léty existovalo několik analogových systémů kvůli amplitudové modulaci v prostředí podvodního akustického dozvuku. S rozvojem technologie VLSI byla na počátku 80. let 20. století použita technologie podvodního digitálního frekvenčního posunu klíčování (FSK). Je odolný vůči časovému a frekvenčnímu šíření kanálu. Podvodní akustická koherentní komunikace se objevila na konci 80. let. Ve srovnání s nekoherentní komunikací může koherentní podvodní akustická komunikační technologie zlepšit účinnost šířky pásma podvodního akustického kanálu s omezenou šířkou pásma. Kvůli tvrdosti a složitosti podvodního akustického kanálu však podvodní akustická koherentní komunikace nezačala. Bylo přijato, že součin vzdálenosti a rychlosti podvodní akustické komunikace v té době byl asi 0,5 km. V 90. letech 20. století lze díky vývoji technologie čipů DSP a teorii digitální komunikace realizovat mnoho komplexních technologií vyrovnávání kanálů, které vedly k vývoji podvodní akustické koherentní komunikační technologie a obrátily se ke studiu horizontální kanálové komunikace, protože vícecestný efekt kanálu je mnohem komplikovanější než účinek vertikálního kanálu v hlubokém moři. V polovině 90. let dosáhl součin rychlosti a vzdálenosti podvodního akustického komunikačního převodníku v prostředí mělkého moře 40 km× kbit, což vedlo k založení podvodního akustického převodníku. Významnou klíčovou součástí podvodních sítí je vznik podvodních akustických modemů. Prvním konceptem aplikace podvodního akustického měniče byla Autonomní oceánská vzorkovací síť (AOSN) v roce 1993. Spojené státy zahájily v roce 1998 každoroční experiment ověřující koncept podvodního akustického měniče. Od poloviny 90. let se neustále rozvíjí podvodní akustická komunikační technologie a podvodní síťová technologie. Vzhledem ke specifičnosti a složitosti vodního média (jako je velké časové zpoždění, velký útlum, vícecestný a frekvenční posun) se však používá na souši. Bezdrátovou síťovou technologii nelze přímo aplikovat na podvodní sítě a výzkum podvodních kanálů, podvodní komunikace a podvodních síťových protokolů je na vzestupu. Od 90. let 20. století do současnosti byl zároveň velmi rychlý také rozvoj pozemních bezdrátových senzorových sítí založených na bezdrátové komunikaci krátkého dosahu. Dá se říci, že podvodní akustická senzorová síť je rozšířením konceptu pozemní senzorové sítě na podvodní aplikace. Podvodní akustická senzorová síť se skládá z více senzorových uzlů. Uzly mohou být pevné, jako jsou ukotvené bóje nebo ponorné cíle, nebo mobilní, jako jsou podvodní roboti (UV nebo AUV). V současné době může podvodní akustická senzorová síť získávat různé informace podle různých typů podvodních senzorů: lze ji použít pro získávání oceánografických dat, monitorování znečištění moře, vývoj v blízkosti pobřeží, prevenci katastrof, podvodní navigaci a pomoc při určování polohy, průzkum mořských zdrojů a získávání dat z vědeckého výzkumu, distribuované taktické monitorování, průzkum min a detekci, sledování a určování polohy podvodních cílů. Stručně řečeno, podvodní akustická senzorová síť má získávat podvodní informace prostřednictvím různých senzorových uzlů v určité podvodní oblasti a provádět akustickou komunikaci a síťování s podvodními uzly a nakonec procházet konkrétními uzly a předávat rádiové vysílání V drátové a kabelové formě jsou informace získané v oblasti pokrytí začleněny do konvenční sítě na pobřeží a odeslány do podmořské podsítě pozorovatele. Můžete vidět několik charakteristik sítě podvodních akustických senzorů: První je mobilita. Protože je pohyblivá, musí to být autonomní síť, která se může samoorganizovat a sledovat určitou metodu směrování sítě; druhý je podvodní bezdrátová a podvodní akustická komunikace, kvůli použití podvodní akustické komunikace se musí přizpůsobit charakteristikám mořského prostředí a řešit technické problémy fyzické vrstvy; za třetí, je energeticky omezený, protože je bezdrátový, takže je napájen z baterie; za čtvrté, má data Funkce relé může přenášet monitorovací data na břeh. Pro efektivní a spolehlivý přenos dat je nutné dodržovat určitý síťový protokol. Topologie sítě určuje způsob směrování, energetické ztráty, kapacitu sítě a spolehlivost sítě, proto je třeba nejprve zavést topologii sítě.

2 Topologická struktura podvodní sítě akustických senzorů

Stejně jako struktura bezdrátové senzorové sítě na zemi lze topologickou strukturu podvodní hydroakustické senzorové sítě rozdělit do dvou kategorií: centralizovaná síť (centralizovaná síť) a distribuovaná síť peer-to-peer (distribuovaná síť peer-to-peer). V centralizované síti je komunikace mezi uzly realizována prostřednictvím centrálního uzlu a prostřednictvím tohoto centrálního uzlu je síť připojena k páteřní síti. Hlavní nevýhodou této konfigurace je, že existuje jediný bod selhání, to znamená, že selhání tohoto uzlu povede k selhání celé sítě. A protože je omezený dosah jediného modemu, je omezené i pokrytí centralizované sítě. Obrázek 1 je schematický diagram topologie centralizované sítě. Síť peer-to-peer znamená, že neexistuje žádný centrální uzel, který by je 'spravoval', a každý uzel má relativně stejnou autoritu. Podle různých metod směrování existují určité rozdíly v síti peer-to-peer. Plně propojená síť typu peer-to-peer poskytuje přímé připojení 'point-to-point' ke dvěma libovolným uzlům v síti. Tato topologie snižuje potřebu směrování. Když jsou však uzly rozptýleny na velké ploše, je potřeba komunikace. Síla výrazně vzrostla. A také bude problém 'blízko a daleko', to znamená, že když uzel A posílá datový paket do vzdáleného uzlu, zablokuje sousední uzly uzlu A v přijímání dalších signálů.

 

Multi-hop peer-to-peer síť komunikuje pouze mezi sousedními uzly a zpráva je dokončena více skoky mezi uzly ze zdroje do cíle. Multi-hop systém může pokrýt větší oblast, protože dosah sítě závisí na počtu uzlů a již není omezen dosahem jediného modemu. Obrázek 2 je schematický diagram multi-hop peer-to-peer síťové topologie. Síť je síť pro bezdrátové mobilní aplikace, která patří do multi-hop peer-to-peer sítě. Nemusí předem budovat infrastrukturu, známou také jako bezinfrastrukturní síť (infrastrukturální síť). Jeho vlastnosti jsou: autonomní síť, dynamická topologie, omezení šířky pásma a variabilní kapacita linky, multi-hop komunikace, distribuované řízení, uzly s omezenou energií a omezená bezpečnost. Protože se nespoléhá na infrastrukturu, lze jej rychle nasadit a pokrýt větší území. Protože infrastruktura, na kterou se lze ve vodě spolehnout, je omezená a pohyblivý AUV bude důležitou součástí sítě podvodních akustických senzorů (AUV může zvýšit výkon sítě podvodních senzorů), její schopnost samoorganizace a dynamická topologie činí síť AdHoc velmi vhodnou pro použití v sítích podvodních akustických senzorů. Přestože je síť AdHoc vhodná pro aplikaci hydroakustické sítě, její bezpečnost byla vždy předmětem výzkumu. Ve skutečnosti, podvodní hydrofonní senzorová síť by měla být hybridem centralizované sítě a sítě peer-to-peer. V literatuře [16] je představena dvourozměrná a trojrozměrná síť hydroakustických senzorů. Dvourozměrný označuje rozměr získaných informací. V dvourozměrné podvodní akustické senzorové síti jsou senzorové uzly a datové transpondéry (Sink) umístěny na mořském dně, v malé oblasti s Sink jako středem, a data každého senzoru mohou být v horizontálním spojení Pro dosažení Sink přímým nebo víceskokovým způsobem (Multi-hop peer-to-peer síť) a data senzoru mohou dosáhnout pouze přes povrchovou stanici Sink, pokud je to vertikální spojení. Protože lze získat pouze informace o určité oblasti mořského dna, nazývá se to dvourozměrná senzorová síť. V trojrozměrné podvodní akustické senzorové síti lze řídit hloubku ponorného cíle, takže multisenzorové uzly v určité oblasti jsou umístěny v různých hloubkách, takže lze získat informace o oceánu o určité oblasti a různých hloubkách, proto se tomu říká trojrozměrná podvodní akustická senzorová síť. V topologii sítě se také jedná o multi-hop peer-to-peer síť. AUV může dosáhnout různých hloubek v oceánu, v kombinaci s pevnou sítí senzorů na dně může také tvořit trojrozměrnou síť podvodních akustických senzorů. Stojí za zmínku, že kvůli podvodním sítím akustických senzorů je vždy problém s přístupem k jiným konvenčním sítím na vodě. Pro dokončení této práce existuje speciální uzel zvaný povrchová stanice, brána nebo hlavní uzel. Musí mít nejen akustický modem pro komunikaci s podvodními sítěmi, ale také rádiový nebo kabelový modem pro komunikaci se satelitními nebo pobřežními sítěmi. Povrchová stanice může použít bóji jako nosič nebo povrchovou loď jako nosič. Topologie sítě určuje způsob směrování, energetické ztráty, kapacitu sítě a spolehlivost sítě. Studie ukázaly, že síť složená z více senzorových uzlů rozmístěných ve stejných intervalech podél přímky spotřebovává více energie než multi-hop peer-to-peer síť podle metody směrování plně připojené peer-to-peer sítě; a kapacita sítě je také ovlivněna topologií sítě.

 

3 Související koncepty síťové vrstvy podvodních akustických senzorů

Síť podvodních akustických senzorů je skutečně zcela novým oborem, ale koncept, který sleduje, je stejný jako u běžně používaného zásobníku síťových protokolů. Tabulka 1 uvádí běžně používané koncepty síťové vrstvy. Tento článek pro zjednodušení pojednává pouze o základních třech vrstvách: fyzické vrstvě, datové vrstvě a síťové vrstvě. Problém, který musí vyřešit fyzická vrstva, je způsob použití přenosového média

 

 

Charakteristiky (tj. charakteristiky kanálu) a odpovídající způsoby modulace umožňují efektivní přenos dat. Akustická komunikace založená na vodním médiu je typickým problémem fyzické vrstvy ve vrstvě síťového protokolu. Na vysílacím konci musí být informační bity převedeny na signály (akustické signály), které mohou být přenášeny kanálem, a na přijímacím konci musí být signály v médiu změněny zpět na informační bity. To je úkolem podvodního akustického modemu, který zahrnuje především tři aspekty: Konverzi médií (jako je: převod elektroakustického signálu), účinnost využití frekvenčního pásma, přizpůsobivost kanálu. Modulační metody běžně používané v podvodní akustické komunikaci jsou rozděleny do dvou kategorií, jednou je nekoherentní modulace, jako je klíčování s frekvenčním posunem (FSK), a druhá je metoda koherentní modulace, jako je klíčování s fázovým posunem (PSK) a kvadraturní amplitudová modulace. (QAM). Nekoherentní modulace má dobrou odolnost vůči drsnému podvodnímu akustickému prostředí, ale rychlost je nízká; metoda koherentní modulace má vysokou účinnost kódování a využití vysokofrekvenčního pásma, ale přenosová vzdálenost je omezená. Některé technologie jsou zároveň fyzickou vrstvou.

 

Šířícím médiem podvodní sítě akustických senzorů je voda, která se velmi liší od média vzduchu sítě pozemních senzorů. Proto síťový protokol, který lze efektivně použít na souši, nelze aplikovat na podvodní akustickou síť. Začneme charakteristikami šíření zvuku vodou a probereme účinky zvuku. Naučíme se faktory komunikace a analyzujeme obtíže, které to způsobuje různým vrstvám zásobníku síťových protokolů.

 

4.1 'Fyzikální faktory ovlivňující podvodní akustická komunikace

4.1.1 'Dlouhé zpoždění šíření a velká odchylka zpoždění Rychlost šíření elektromagnetických vln ve vzduchu je 200 000krát větší než rychlost šíření zvukových vln ve vodě. Díky nízké rychlosti zvuku je zpoždění šíření velmi velké, se zpožděním asi 0,67 s na kilometr, a zároveň velmi ovlivňuje časově proměnná charakteristika zpoždění pod vodou. sítě a ten způsobí nefunkčnost některých protokolů založených na čase.

 

4.1.2 'Velká ztráta při šíření (také nazývaná ztráta cesty)

Podle Urickova modelu šíření je ztráta šířením součet ztrát způsobených expanzí a útlumem. Ztráta útlumu zahrnuje účinky absorpce, rozptylu a zvukové energie unikající ze zvukového kanálu. Absorpce je způsobena přeměnou zvukové energie na tepelnou energii, která roste s frekvencí a vzdáleností. Ztráta expanze se týká expanze akustické energie způsobené expanzí čela vlny. Zahrnuje především sférickou expanzi (všesměrovou expanzi) bodových zdrojů v hlubokomořském prostředí. Ztráta šíření se zvyšuje s druhou mocninou vzdálenosti; a válcová expanze v prostředí s mělkou vodou. Při expanzi v horizontální rovině se ztráta šířením zvyšuje se vzdáleností. Protože ztráta šíření akustických signálů se zvyšuje s rostoucí frekvencí a vzdáleností, dostupné frekvenční pásmo podvodního akustického kanálu je velmi omezené a vzdálenost šíření je také omezená. Proto v podvodní komunikační síti, pokud chcete provádět dálkovou komunikaci, můžete zvolit pouze nízkou kódovou rychlost; pokud chcete zvolit vysokou kódovou rychlost, můžete provádět pouze komunikaci na krátkou vzdálenost. Obecně řečeno, aby vzdálenost šíření dosáhla 10-100 km, dostupná šířka pásma je v rozsahu 2-5 kHz; přenos na střední vzdálenost je 1-10 km a šířka pásma je řádově 10 kHz; pokud je použité frekvenční pásmo větší než 100 kHz, musí být vzdálenost šíření menší než 100 m.

 

4.1.3 'Závažné vícenásobné trasy

Vícecestný jev je způsoben existencí více než jedné cesty šíření mezi zdrojem zvuku a přijímačem a často se vyskytuje v mělkých mořích a při šíření na velké vzdálenosti. Jednoduše řečeno, signál z jednoho zdroje zvuku může přijímat více signálů přicházejících v různých časech na přijímací konec kvůli existenci více cest. Vícecestný způsob způsobí kolísání amplitudy a fáze signálu. Vzhledem k různé době šíření různých cest způsobí vážné zkreslení signálu, povede k dekorelaci přijímaných signálů mezi různými přijímači a vícecestné také způsobí rozšíření šířky pásma. Ty vážně zhorší komunikační signál a způsobí rušení mezi symboly. Multipath souvisí také s polohou a vzdáleností mezi zdrojem zvuku a přijímačem. Vezmeme-li jako referenční rovinu mořského dna, vliv více cest vertikálního kanálu je malý a vliv více cest horizontálního kanálu je velký.

 

Environmentální hluk je souborem mnoha faktorů, které souvisejí s přílivem a odlivem, turbulencí, mořskými větry a vlnami a bouřkami. Lodní hluk je také důležitým zdrojem hluku. Na rozdíl od situace, kdy je hluk hlubokého moře relativně jistý, hluk prostředí mělkého moře, zejména pobřežních vod, zálivů a přístavů, se bude výrazně měnit s časem a místem. Hluk se skládá hlavně z lodního a průmyslového hluku, eolického hluku a biologického hluku. Hluk okolního prostředí sníží poměr signálu k šumu a ovlivní výkon podvodní akustické komunikace. 4,1,5' Dopplerova disperze Závažný Dopplerův posun je způsoben relativním pohybem zdroje zvuku a přijímače. Vzhledem k tomu, že rychlost zvuku je 200 000krát nižší než rychlost elektromagnetických vln, velmi malá rychlost může způsobit posun dopplerovské frekvence a kvůli kanálu je podvodní akustická nosná frekvence nižší. Pokud je Dopplerův součet ve vodě mnohem větší, vliv Dopplerovy komunikace je mnohem větší než vliv bezdrátové komunikace. vytváří pouze jednoduchou frekvenční transformaci, kompenzace přijímače je relativně snadná, ale vzhledem k existenci více cest, když akustický signál jednou nebo vícekrát dopadne na hladinu moře, dojde mezi každou cestou k různým Dopplerovým posunům, což je obtížné kompenzovat při vysokorychlostní datové komunikaci, bude to generovat mezisymbolové rušení a snížit účinnost frekvenčního pásma.