Udvikling og anvendelse af akustisk undervandstransducersensor

1 Det grundlæggende koncept og historien om undervands akustiske transducernetværk

 

De undervands akustiske transducernetværk  er et produkt af populariseringen af ​​global netværksteknologi. Nu hvor landet er forbundet via kablede optiske eller elektriske midler, og netværket er forbundet via trådløse netværk eller endda kommunikationssatellitter i luften, kan undervandsnetværket være det eneste tilbageværende jomfruelige land, der ikke er blevet fuldt opdyrket. Det er tænkeligt, at man en dag, når man tænder for computeren og opretter forbindelse til internettet, straks kan få realtidsdata om havstrømme i det dybe atlanterhav. Hvis et undervandskamera er installeret, kan du endda se de farverige fisk fra den store opstrøms på din skærm. . Dette er opgaven for det undervands akustiske transducernetværk: det akustiske undervandsnetværk bruges som middel til informationstransmission, undervandssensoren bruges som vinduet til informationsindsamling, og det undervands akustiske netværk er endelig inkorporeret i det konventionelle netværk på en eller anden måde for at integrere de undervandsdata, der sendes til observatøren. Da lydbølger er den eneste form for energi, der kan transmitteres over lange afstande i vandet, har radiobølger en meget kort udbredelsesafstand i vand, og lys er heller ikke velegnet til undervandsmiljøer på grund af høj dæmpning og spredning under vandet. . Den akustiske undervandstransducer er et trådløst netværk sammensat af akustiske undervandsbølger som informationsbærer. Det er analogt med et trådløst netværk i luften, bortset fra at informationsbæreren i luften er radiobølger, og informationsbæreren i vandet er lydbølger. Det akustiske undervandsnetværk skal løse to tekniske problemer, det ene er en undervands akustisk kommunikationstransducer, og det andet er netværk baseret på akustisk kommunikation. Den akustiske undervandskommunikation løser punkt-til-punkt-kommunikationen mellem to brugere (eller informationskilder), og netværket løser problemet med informationsinteraktion, når flere brugere (eller informationskilder) deler vandmediekanalen. Som en ny teknologi under udvikling, er årsagen til, at udviklingen af ​​akustisk undervandsnetværk halter langt bagefter det trådløse netværk i luften, stort set begrænset af udviklingen af ​​akustisk undervandskommunikationsteknologi. Den tidligste akustiske undervandskommunikation kan spores tilbage til amplitudemodulation (AM) og single-sideband (SSB) undervandstelefoner til analoge data i 1950'erne; der var nogle få analoge systemer før 1970'erne, på grund af amplitudemodulationen i det undervands akustiske efterklangsmiljø. Med udviklingen af ​​VLSI-teknologien blev undervands digital frequency shift keying (FSK) teknologien anvendt i begyndelsen af ​​1980'erne. Den er robust over for kanalens tids- og frekvensspredning. Den undersøiske akustiske sammenhængende kommunikation dukkede op i slutningen af ​​1980'erne. Sammenlignet med ikke-kohærent kommunikation kan den sammenhængende akustiske undervandskommunikationsteknologi forbedre båndbreddeeffektiviteten af ​​den begrænsede båndbredde undervands akustiske kanal. På grund af hårdheden og kompleksiteten af ​​den undervands akustiske kanal er den undervands akustiske sammenhængende kommunikation imidlertid ikke startet. Det blev accepteret, at produktet af afstand og hastighed af undervands akustisk kommunikation på det tidspunkt var omkring 0,5 km. I 1990'erne, på grund af udviklingen af ​​DSP-chipteknologi og digital kommunikationsteori, kan mange komplekse kanaludligningsteknologier realiseres, som drev udviklingen af ​​​​undervands akustisk sammenhængende kommunikationsteknologi og vendte sig til studiet af horisontal kanalkommunikation, fordi multipath-effekten af ​​kanalen er meget mere kompliceret end den for den vertikale kanal i dybhavet. I midten af ​​1990'erne nåede hastigheds- og afstandsproduktet af en undervands akustisk kommunikationstransducer i det lavvandede havmiljø 40 km× kbit, hvilket gjorde etableringen af ​​en akustisk undervandstransducer. En skelsættende nøglekomponent i undervandsnetværk er fremkomsten af ​​akustiske undervandsmodem. Det tidligste koncept for anvendelse af akustiske undervandstransducere var Autonomous Ocean Sampling Network (AOSN) i 1993. USA startede et årligt eksperiment i 1998 for at verificere konceptet med akustisk undervandstransducer. Siden midten af ​​1990'erne har akustisk undervandskommunikationsteknologi og undervandsnetværksteknologi udviklet sig støt på samme tid. På grund af vandmediets særlige karakter og kompleksitet (såsom høj tidsforsinkelse, stor dæmpning, flervejs- og frekvensskift) bruges det på land. Trådløs netværksteknologi kan ikke anvendes direkte på undervandsnetværk, og forskning i undervandskanaler, undervandskommunikation og undervandsnetværksprotokoller er i fremmarch. Samtidig har udviklingen af ​​jordbaserede trådløse sensornetværk baseret på kortdistance trådløs kommunikation også været meget hurtig fra 1990'erne til i dag. Det kan siges, at undervands akustisk sensornetværk er en udvidelse af begrebet jordbaseret sensornetværk til undervandsapplikationer. Det undervands akustiske sensornetværk er sammensat af flere sensorknuder. Noderne kan være faste, såsom forankrede bøjer eller nedsænkelige mål, eller mobile, såsom undervandsrobotter (UV eller AUV). På nuværende tidspunkt kan det undervands akustiske sensornetværk opnå forskellig information i henhold til de forskellige typer af undervandssensorer: det kan bruges til oceanografisk dataindsamling, havforureningsovervågning, kystnær udvikling, katastrofeforebyggelse, undervandsnavigation og positioneringsassistance, marine ressourcer Survey og videnskabelig forskning dataindsamling, distribueret taktisk overvågning, minesporing og målopdagelse under vand, og undervandsmålposition. Kort fortalt går det undervands akustiske sensornetværk til at indhente undervandsinformation gennem forskellige sensorknudepunkter i et bestemt undervandsområde, og gennemføre akustisk kommunikation og netværk med undervandsknudepunkter, og til sidst passere gennem specifikke knudepunkter og re-radio I en kablet og kablet form inkorporeres informationen, der opnås i dækningsområdet, i det konventionelle netværk på kysten og sendes til observatørens undervandsnetværk. Du kan se flere karakteristika ved det undervands akustiske sensornetværk: Den første er mobilitet. Fordi det er flytbart, skal det være et autonomt netværk, der kan selvorganisere sig og følge en bestemt netværksroutingmetode; den anden er trådløs undervandskommunikation, og akustisk undervandskommunikation, på grund af brugen af ​​akustisk undervandskommunikation, skal være tilpasset havmiljøets karakteristika og løse de tekniske udfordringer i det fysiske lag; for det tredje er det energibegrænset, fordi det er trådløst, så det er batteridrevet; for det fjerde har den data. Relæfunktionen kan overføre overvågningsdata til kysten. For at overføre dataene effektivt og pålideligt, skal en bestemt netværksprotokol følges. Netværkstopologien bestemmer routingmetoden, energitab, netværkskapacitet og netværkets pålidelighed, så netværkstopologien skal introduceres først.

2 Topologisk struktur af undervands akustisk sensornetværk

Ligesom den trådløse sensornetværksstruktur på land, kan den topologiske struktur af det undervands hydroakustiske sensornetværk opdeles i to kategorier: centraliseret netværk (centraliseret netværk) og distribueret peer-to-peer netværk (distribueret peer-to-peer netværk). I et centraliseret netværk realiseres kommunikationen mellem noder gennem en central node, og netværket er forbundet til backbone-netværket gennem denne centrale node. Den største ulempe ved denne konfiguration er, at der er et enkelt fejlpunkt, det vil sige, at fejlen i denne node vil føre til svigt af hele netværket. Og fordi rækkevidden af ​​et enkelt modem er begrænset, er dækningen af ​​det centraliserede netværk begrænset. Figur 1 er et skematisk diagram af topologien af ​​et centraliseret netværk. Peer-to-peer-netværk betyder, at der ikke er nogen central node til at 'administrere' dem, og hver node har en relativt lige autoritet. Ifølge de forskellige routingmetoder er der nogle forskelle i peer-to-peer-netværket. Et fuldt tilsluttet peer-to-peer-netværk giver direkte 'punkt-til-punkt'-forbindelser til to vilkårlige noder i netværket. Denne topologi reducerer behovet for routing. Men når noderne er spredt i et stort område, er der behov for kommunikation. Kraften er steget meget. Og der vil også være et 'nært og fjernt'-problem, det vil sige, at når en node A sender en datapakke til en fjernknude, vil den blokere for de tilstødende knudepunkter i knude A fra at modtage andre signaler.

 

Multi-hop peer-to-peer-netværket kommunikerer kun mellem tilstødende noder, og en meddelelse fuldendes af flere hop mellem noder fra kilden til destinationen. Multihop-systemet kan dække et større område, fordi rækkevidden af ​​netværket afhænger af antallet af noder og ikke længere er begrænset af rækkevidden af ​​et enkelt modem. Figur 2 er et skematisk diagram af multi-hop peer-to-peer netværkstopologien. Netværket er et netværk til trådløse mobilapplikationer, som hører til et multi-hop peer-to-peer netværk. Det behøver ikke at bygge infrastruktur på forhånd, også kendt som infrastrukturløst netværk (infrastrukturelt netværk). Dens karakteristika er: autonomt netværk, dynamisk topologi, båndbreddebegrænsning og variabel linkkapacitet, multi-hop kommunikation, distribueret kontrol, noder med begrænset energi og begrænset sikkerhed. Fordi den ikke er afhængig af infrastruktur, kan den implementeres hurtigt og dække et større område. Fordi infrastrukturen, der kan stole på i vandet, er begrænset, og den bevægelige AUV vil være en vigtig del af det undervands akustiske sensornetværk (AUV kan forbedre ydeevnen af ​​undervandssensornetværket), gør dets selvorganiseringsevne og dynamiske topologi, at AdHoc-netværket er meget velegnet til at blive brugt i undervands akustiske sensornetværk. Selvom AdHoc-netværket er velegnet til anvendelse af hydroakustiske netværk, har dets sikkerhedsspørgsmål altid været et forskningsemne. Faktisk undervands hydrofonsensornetværk bør være en hybrid af et centraliseret netværk og et peer-to-peer-netværk. I litteraturen [16] introduceres et todimensionelt og tredimensionelt hydroakustisk sensornetværk. Todimensionel refererer til dimensionen af ​​den opnåede information. I det todimensionelle undervands akustiske sensornetværk er sensorknuder og datatranspondere (Sink) placeret på havbunden, i et lille område med Sink som centrum, og dataene for hver sensor kan være i det horisontale link For at nå Sink på en direkte eller multi-hop måde (Multi-hop peer-to-peer netværk), og sensordataene kan kun nå den lodrette forbindelse på den lodrette overfladestation, hvis den er via den fremadrettede overfladestation. Fordi kun informationen om et bestemt område af havbunden kan opnås, kaldes det et todimensionelt sensornetværk. I det tredimensionelle undervands akustiske sensornetværk kan dybden af ​​det nedsænkelige mål styres, så multisensorknudepunkterne i et bestemt område er placeret på forskellige dybder, så havinformationen for et bestemt område og forskellige dybder kan opnås, så det kaldes et tredimensionelt undervands akustisk sensornetværk. I netværkstopologien er det også et multi-hop peer-to-peer netværk. AUV kan nå forskellige dybder i havet, kombineret med et fast bundsensornetværk, kan også danne et tredimensionelt undervands akustisk sensornetværk. Det er værd at påpege, at på grund af undervands akustiske sensornetværk er der altid et problem med at få adgang til andre konventionelle netværk på vandet. Der er en speciel node kaldet overfladestation, gateway eller masterknude til at fuldføre dette arbejde. Det skal ikke kun have et akustisk modem til kommunikation med undervandsnetværk, men også et radio- eller kabelmodem til kommunikation med satellit- eller landbaserede netværk. Overfladestationen kan bruge bøjen som transportør, eller overfladeskibet som transportør. Netværkstopologien bestemmer routingmetoden, energitab, netværkskapacitet og netværkets pålidelighed. Undersøgelser har vist, at et netværk, der er sammensat af flere sensorknuder fordelt med lige store intervaller langs en lige linje, forbruger mere strøm end et multi-hop peer-to-peer-netværk i henhold til routingmetoden for et fuldt tilsluttet peer-to-peer-netværk; og netværkskapaciteten påvirkes også af netværkstopologien.

 

3 Beslægtede koncepter for akustisk sensornetværk under vandet

Det undervands akustiske sensornetværk er faktisk et helt nyt felt, men konceptet, det følger, er det samme som det almindeligt anvendte netværksprotokolstak. Tabel 1 er de almindeligt anvendte netværkslagskoncepter. For nemheds skyld diskuterer denne artikel kun de tre grundlæggende lag: fysisk lag, datalinklag og netværkslag. Problemet, der skal løses af det fysiske lag, er, hvordan man bruger transmissionsmediet

 

 

Karakteristikaene (dvs. kanalkarakteristika) og de tilsvarende moduleringsmetoder muliggør effektiv datatransmission. Akustisk kommunikation baseret på vandmedium er et typisk fysisk lagproblem i netværksprotokollaget. I den transmitterende ende skal informationsbittene omdannes til signaler (akustiske signaler), der kan transmitteres af kanalen, og i den modtagende ende skal signalerne i mediet ændres tilbage til informationsbits. Dette er opgaven for det akustiske undervandsmodem, som hovedsageligt involverer tre aspekter: Mediekonvertering (såsom: elektroakustisk signalkonvertering), frekvensbåndsudnyttelseseffektivitet, kanaltilpasningsevne. Modulationsmetoderne, der almindeligvis anvendes i akustisk undervandskommunikation, er opdelt i to kategorier, den ene er ikke-kohærent modulation, såsom frekvensskiftnøgle (FSK), og den anden er kohærent modulationsmetode, såsom faseskiftnøgle (PSK) og kvadraturamplitudemodulation. (QAM). Ikke-kohærent modulering har god robusthed over for barske akustiske undervandsmiljøer, men hastigheden er lav; kohærent modulationsmetode har høj kodningseffektivitet og højfrekvensbåndudnyttelse, men transmissionsafstanden er begrænset. Nogle teknologier er både det fysiske lag.

 

Udbredelsesmediet i det undervands akustiske sensornetværk er vand, som er meget forskelligt fra mediumluften i det jordbaserede sensornetværk. Derfor kan den netværksprotokol, der kan bruges effektivt på land, ikke anvendes på det akustiske undervandsnetværk. Vi vil starte med vandets akustiske udbredelseskarakteristika og diskutere virkningerne af lyd. At lære kommunikationsfaktorerne og analysere de vanskeligheder, det forårsager for de forskellige lag af netværksprotokolstakken.

 

4.1 'Fysiske faktorer, der påvirker akustisk undervandskommunikation

4.1.1 'Lang udbredelsesforsinkelse og stor forsinkelsesvarians Udbredelseshastigheden af elektromagnetiske bølger i luften er 200.000 gange udbredelseshastigheden af lydbølger i vand. Den langsomme lydhastighed gør udbredelsesforsinkelsen meget stor, med en forsinkelse på omkring 0,67 s pr. stor Førstnævnte påvirker netværkets gennemstrømning, og sidstnævnte gør nogle tidsbaserede protokoller ubrugelige.

 

4.1.2 'Stort udbredelsestab (også kaldet stitab)

Ifølge Uricks udbredelsesmodel er udbredelsestab summen af ​​tab forårsaget af ekspansion og dæmpning. Dæmpningstab omfatter virkningerne af absorption, spredning og lydenergi, der siver ud af lydkanalen. Absorption er forårsaget af omdannelsen af ​​lydenergi til termisk energi, som øges med frekvens og afstand. Udvidelsestab refererer til udvidelsen af ​​akustisk energi forårsaget af bølgefrontudvidelse. Det omfatter hovedsageligt sfærisk ekspansion (omnidirektional ekspansion) af punktkilder i dybhavsmiljøer. Udbredelsestabet stiger med kvadratet af afstanden; og cylindrisk ekspansion i lavt vandmiljøer. Udvidelse på det vandrette plan stiger udbredelsestabet med afstanden. Da udbredelsestabet af akustiske signaler stiger med stigningen i frekvens og afstand, er det tilgængelige frekvensbånd for den akustiske undervandskanal meget begrænset, og udbredelsesafstanden er også begrænset. Derfor kan du i undervandskommunikationsnetværket, hvis du ønsker at udføre langdistancekommunikation, kun vælge en lav kodehastighed; hvis du vil vælge en høj kodehastighed, kan du kun udføre kortdistancekommunikation. Generelt set er den tilgængelige båndbredde i området 2-5 kHz for at få udbredelsesafstanden til at nå 10-100 km; mellemdistancetransmissionen er 1-10 km, og båndbredden er i størrelsesordenen 10kHz; hvis det anvendte frekvensbånd er større end 100kHz, skal udbredelsesafstanden være mindre end 100m.

 

4.1.3 'Svære flere ruter

Flervejsfænomenet er forårsaget af eksistensen af ​​mere end én udbredelsesvej mellem lydkilden og modtageren, og det forekommer ofte i lavvandet hav og langdistanceudbredelse. Kort sagt kan et signal fra en enkelt lydkilde modtage flere signaler, der ankommer på forskellige tidspunkter til den modtagende ende på grund af eksistensen af ​​flere stier. Multi-path vil forårsage udsving i signal amplitude og fase. På grund af den forskellige udbredelsestid af forskellige veje, vil det forårsage alvorlig signalforvrængning, vil føre til dekorrelation af modtagne signaler mellem forskellige modtagere, og multi-path vil også forårsage båndbreddeudvidelse. Disse vil alvorligt forringe kommunikationssignalet og forårsage inter-symbol interferens. Multipath er også relateret til positionen og afstanden mellem lydkilden og modtageren. Tager havbundsplanet som reference, er flervejspåvirkningen af ​​den lodrette kanal lille, og flervejspåvirkningen af ​​den vandrette kanal er stor.

 

Omgivelsesstøj er en samling af mange faktorer, som er relateret til tidevand, turbulens, havvind og bølger og tordenvejr. Skibsstøj er også en vigtig støjkilde. I modsætning til situationen, hvor støjen fra dybhavet er relativt sikker, vil miljøstøjen fra det lave hav, især kystvande, bugter og havne, ændre sig væsentligt med tid og sted. Støjen er hovedsageligt sammensat af skibs- og industristøj, eolisk støj og biologisk støj. Omgivelsesstøj vil reducere signal-til-støj-forholdet for signalet og påvirke ydeevnen af ​​akustisk undervandskommunikation. 4.1.5' Doppler-spredning Alvorlig Doppler-forskydning er forårsaget af den relative bevægelse af lydkilden og modtageren. Da lydhastigheden er 200.000 gange langsommere end hastigheden af elektromagnetiske bølger, kan en meget lille hastighed forårsage doppler-frekvensforskydning, og på grund af kanalen, er den undervands akustiske bærerfrekvens lægger op til den lavere faktor i vand end Doppler-frekvensen. Kommunikation i luften er meget større. Hvis Doppler kun producerer en simpel frekvenstransformation, er kompensationen af modtageren relativt let, når det akustiske signal rammer havoverfladen en eller flere gange, vil det være vanskeligt at kompensere for interferens, når det vil reducere interferens.