Razvoj i primjena senzora podvodnog akustičnog pretvornika

1 Osnovni koncept i povijest mreže podvodnih akustičnih pretvarača

 

The mreža podvodnih akustičnih pretvarača  proizvod je popularizacije globalne mrežne tehnologije. Sada kada je kopno povezano žičanim optičkim ili električnim sredstvima, a mreža je povezana putem bežičnih mreža ili čak komunikacijskih satelita u zraku, podvodna mreža može biti jedina preostala netaknuta zemlja koja nije u potpunosti kultivirana. Zamislivo je da jednog dana, kada uključite računalo i spojite se na Internet, možete odmah dobiti podatke o oceanskim strujama u dubokom Atlantskom oceanu u stvarnom vremenu. Ako je instalirana podvodna kamera, možete čak vidjeti šarene ribe velikog uzvodnog toka na svom ekranu. . Ovo je zadatak koji stoji pred mrežom podvodnih akustičnih pretvornika: podvodna akustična mreža koristi se kao sredstvo prijenosa informacija, podvodni senzor se koristi kao prozor za prikupljanje informacija, a podvodna akustična mreža je konačno uključena u konvencionalnu mrežu na neki način da integrira podvodne podatke koji se šalju promatraču. Budući da su zvučni valovi jedini oblik energije koji se može prenijeti na velike udaljenosti u vodi, radiovalovi imaju vrlo kratku udaljenost širenja u vodi, a svjetlost također nije prikladna za podvodna okruženja zbog velikog prigušenja i raspršenja pod vodom. . Podvodni akustični pretvarač je bežična mreža sastavljena od podvodnih akustičnih valova kao nositelja informacija. Analogno je bežičnoj mreži u zraku, samo što su nositelj informacija u zraku radiovalovi, a nositelj informacija u vodi zvučni valovi. Podvodna akustička mreža mora riješiti dva tehnička problema, jedan je podvodni akustički komunikacijski pretvarač, a drugi je umrežavanje temeljeno na akustičnoj komunikaciji. Podvodna akustična komunikacija rješava komunikaciju od točke do točke između dva korisnika (ili izvora informacija), a umrežavanje rješava problem interakcije informacija kada više korisnika (ili izvora informacija) dijeli kanal vodenog medija. Budući da je tehnologija u nastajanju u razvoju, razlog zašto razvoj podvodne akustične mreže daleko zaostaje za bežičnom mrežom u zraku uvelike je ograničen razvojem podvodne akustične komunikacijske tehnologije. Najranija podvodna akustična komunikacija može se pratiti do amplitudske modulacije (AM) i podvodnih telefona s jednim bočnim pojasom (SSB) za analogne podatke 1950-ih; bilo je nekoliko analognih sustava prije 1970-ih, zbog modulacije amplitude u podvodnom okruženju akustične reverberacije. S razvojem VLSI tehnologije, početkom 1980-ih primijenjena je tehnologija podvodnog digitalnog pomaka frekvencije (FSK). Otporan je na vremensko i frekvencijsko širenje kanala. Podvodna akustična koherentna komunikacija pojavila se kasnih 1980-ih. U usporedbi s nekoherentnom komunikacijom, tehnologija koherentne podvodne akustične komunikacije može poboljšati učinkovitost propusnosti podvodnog akustičnog kanala ograničene propusnosti. Međutim, zbog surovosti i složenosti podvodnog akustičkog kanala, podvodna akustička koherentna komunikacija nije započela. Prihvaćeno je da je umnožak udaljenosti i brzine podvodne akustične komunikacije u to vrijeme bio oko 0,5 km. U 1990-ima, zbog razvoja tehnologije DSP čipova i teorije digitalne komunikacije, mnoge složene tehnologije izjednačavanja kanala mogu se realizirati, što je potaknulo razvoj tehnologije podvodne akustične koherentne komunikacije i okrenulo se proučavanju horizontalne kanalne komunikacije, jer je višestazni učinak kanala mnogo kompliciraniji od onog vertikalnog kanala u dubokom moru. Sredinom 1990-ih, umnožak brzine i udaljenosti podvodnog akustičnog komunikacijskog pretvornika u plitkom morskom okruženju dosegao je 40 km × kbit, što je omogućilo uspostavu podvodnog akustičnog pretvornika. Značajna ključna komponenta podvodnih mreža je pojava podvodnih akustičnih modema. Najraniji koncept primjene podvodnog akustičnog pretvarača bio je Autonomous Ocean Sampling Network (AOSN) 1993. godine. Sjedinjene Države započele su godišnji eksperiment 1998. godine kako bi potvrdile koncept podvodnog akustičnog pretvarača. Od sredine 1990-ih, podvodna akustična komunikacijska tehnologija i podvodna mrežna tehnologija stalno se razvijaju u isto vrijeme. Međutim, zbog posebnosti i složenosti vodenog medija (kao što je veliko vremensko kašnjenje, veliko prigušenje, višestazni i frekvencijski pomak), koristi se na kopnu. Bežična mrežna tehnologija ne može se izravno primijeniti na podvodne mreže, a istraživanja podvodnih kanala, podvodnih komunikacija i podvodnih mrežnih protokola su u usponu. U isto vrijeme, od 1990-ih do danas, razvoj zemaljskih bežičnih senzorskih mreža temeljenih na bežičnoj komunikaciji kratkog dometa također je bio vrlo brz. Može se reći da je podvodna akustična senzorska mreža proširenje koncepta zemaljske senzorske mreže na podvodne primjene. Mreža podvodnih akustičnih senzora sastoji se od više senzorskih čvorova. Čvorovi mogu biti fiksni, kao što su usidrene plutače ili podvodne mete, ili mobilni, kao što su podvodni roboti (UV ili AUV). Trenutačno mreža podvodnih akustičnih senzora može dobiti različite informacije prema različitim vrstama podvodnih senzora: može se koristiti za prikupljanje oceanografskih podataka, praćenje onečišćenja mora, razvoj blizu obale, prevenciju katastrofa, podvodnu navigaciju i pomoć pri pozicioniranju, prikupljanje podataka o morskim resursima i znanstvenim istraživanjima, distribuirano taktičko praćenje, izviđanje mina i otkrivanje, praćenje i pozicioniranje podvodnih ciljeva. Ukratko, podvodna akustična senzorska mreža je za dobivanje podvodnih informacija kroz različite senzorske čvorove u određenom podvodnom području, te provodi akustičku komunikaciju i umrežavanje s podvodnim čvorovima, i konačno prolazi kroz određene čvorove i re-radio. U žičnom i žičnom obliku, informacije dobivene u području pokrivenosti ugrađuju se u konvencionalnu mrežu na obali i šalju u podvodnu podmrežu promatrača. Možete vidjeti nekoliko karakteristika mreže podvodnih akustičnih senzora: Prva je mobilnost. Budući da je pokretna, mora biti autonomna mreža koja se može samoorganizirati i slijediti određenu metodu mrežnog usmjeravanja; druga je podvodna bežična i podvodna akustična komunikacija, zbog upotrebe podvodne akustične komunikacije, mora biti prilagodljiva karakteristikama morskog okoliša i riješiti tehničke izazove fizičkog sloja; treće, energetski je ograničen, jer je bežični, pa se napaja baterijama; četvrto, ima podatke. Funkcija releja može prenijeti podatke praćenja na obalu. Kako bi se podaci prenosili učinkovito i pouzdano, mora se slijediti određeni mrežni protokol. Mrežna topologija određuje način usmjeravanja, gubitke energije, mrežni kapacitet i pouzdanost mreže, stoga je mrežnu topologiju potrebno prvo upoznati.

2. Topološka struktura mreže podvodnih akustičkih senzora

Poput strukture mreže bežičnih senzora na kopnu, topološka struktura mreže podvodnih hidroakustičkih senzora može se podijeliti u dvije kategorije: centralizirana mreža (centralizirana mreža) i distribuirana ravnopravna mreža (distribuirana ravnopravna mreža). U centraliziranoj mreži komunikacija između čvorova ostvaruje se preko središnjeg čvora, a mreža je preko tog središnjeg čvora povezana s mrežom okosnice. Glavni nedostatak ove konfiguracije je da postoji jedna točka kvara, odnosno kvar ovog čvora će dovesti do kvara cijele mreže. A budući da je domet jednog modema ograničen, pokrivenost centralizirane mreže je ograničena. Slika 1 je shematski dijagram topologije centralizirane mreže. Mreža ravnopravnih znači da ne postoji središnji čvor koji bi ih 'administrirao', a svaki čvor ima relativno jednake ovlasti. U skladu s različitim metodama usmjeravanja, postoje neke razlike u peer-to-peer mreži. Potpuno povezana peer-to-peer mreža pruža izravne 'point-to-point' veze s dva proizvoljna čvora u mreži. Ova topologija smanjuje potrebu za usmjeravanjem. Međutim, kada su čvorovi raštrkani na velikom području, postoji potreba za komunikacijom. Snaga se znatno povećala. Također će postojati 'blizu i daleko' problem, to jest, kada čvor A šalje paket podataka udaljenom čvoru, blokirat će susjedne čvorove čvora A da primaju druge signale.

 

Peer-to-peer mreža s više skokova komunicira samo između susjednih čvorova, a poruka se dovršava višestrukim skokovima između čvorova od izvora do odredišta. Multi-hop sustav može pokriti veće područje, jer domet mreže ovisi o broju čvorova, a više nije ograničen dometom jednog modema. Slika 2 je shematski dijagram topologije peer-to-peer mreže s više skokova. Mreža je mreža za bežične mobilne aplikacije, koja pripada peer-to-peer mreži s više skokova. Ne treba unaprijed graditi infrastrukturu, također poznatu kao mreža bez infrastrukture (infrastrukturna mreža). Njegove karakteristike su: autonomna mreža, dinamička topologija, ograničenje propusnosti i promjenjivi kapacitet veze, komunikacija s više skokova, distribuirana kontrola, čvorovi s ograničenom energijom i ograničena sigurnost. Budući da se ne oslanja na infrastrukturu, može se brzo rasporediti i pokriti veće područje. Budući da je infrastruktura na koju se može osloniti u vodi ograničena, a pokretni AUV bit će važan dio mreže podvodnih akustičnih senzora (AUV može poboljšati izvedbu mreže podvodnih senzora), njegova sposobnost samoorganizacije i dinamička topologija čine mrežu AdHoc vrlo prikladnom za korištenje u mrežama podvodnih akustičnih senzora. Iako je AdHoc mreža prikladna za primjenu hidroakustičke mreže, njezino sigurnosno pitanje uvijek je bilo tema istraživanja. Zapravo, podvodna hidrofonska senzorska mreža trebala bi biti hibrid centralizirane mreže i peer-to-peer mreže. U literaturi [16] se uvodi dvodimenzionalna i trodimenzionalna hidroakustička senzorska mreža. Dvodimenzionalno se odnosi na dimenziju dobivenih informacija. U dvodimenzionalnoj mreži podvodnih akustičnih senzora, senzorski čvorovi i podatkovni transponderi (Sink) postavljeni su na morsko dno, u malom području sa Sinkom kao središtem, a podaci svakog senzora mogu biti u vodoravnoj vezi Da bi došli do Sinka na izravan ili multi-hop način (Multi-hop peer-to-peer mreža), a podaci senzora mogu doći do površinske stanice samo ako su proslijeđeni vertikalnom vezom kroz Sink. Budući da se mogu dobiti informacije samo o određenom području morskog dna, naziva se dvodimenzionalna senzorska mreža. U trodimenzionalnoj mreži podvodnih akustičnih senzora može se kontrolirati dubina podvodne mete, tako da se višesenzorski čvorovi u određenom području nalaze na različitim dubinama, tako da se mogu dobiti informacije o oceanu određenog područja i različitih dubina, pa se naziva trodimenzionalna mreža podvodnih akustičnih senzora. U topologiji mreže, to je također peer-to-peer mreža s više skokova. AUV može dosegnuti različite dubine u oceanu, u kombinaciji s fiksnom mrežom senzora dna, također može formirati trodimenzionalnu podvodnu akustičnu mrežu senzora. Vrijedno je istaknuti da zbog podvodnih akustičnih senzorskih mreža uvijek postoji problem pristupa drugim konvencionalnim mrežama na vodi. Postoji poseban čvor koji se zove površinska stanica, pristupnik ili glavni čvor koji dovršava ovaj posao. Ne smije imati samo akustični modem za komunikaciju s podvodnim mrežama, već i radio ili kabelski modem za komunikaciju sa satelitskim ili obalnim mrežama. Površinska postaja može koristiti plutaču kao nosač, ili površinski brod kao nosač. Topologija mreže određuje način usmjeravanja, gubitak energije, mrežni kapacitet i pouzdanost mreže. Studije su pokazale da mreža sastavljena od višestrukih senzorskih čvorova raspoređenih u jednakim intervalima duž ravne linije troši više energije nego višestruka peer-to-peer mreža prema metodi usmjeravanja potpuno povezane peer-to-peer mreže; a na kapacitet mreže utječe i topologija mreže.

 

3 Povezani koncepti mrežnog sloja podvodnih akustičnih senzora

Mreža podvodnih akustičnih senzora doista je potpuno novo područje, ali koncept koji slijedi je isti kao onaj uobičajeno korištenog skupa mrežnih protokola. Tablica 1 prikazuje najčešće korištene koncepte mrežnog sloja. Radi jednostavnosti, ovaj članak govori samo o tri osnovna sloja: fizički sloj, sloj podatkovne veze i mrežni sloj. Problem koji treba riješiti fizički sloj je kako koristiti prijenosni medij

 

 

Karakteristike (tj. karakteristike kanala) i odgovarajuće metode modulacije omogućuju učinkovit prijenos podataka. Akustična komunikacija temeljena na vodenom mediju tipičan je problem fizičkog sloja u sloju mrežnog protokola. Na odašiljačkom kraju, informacijski bitovi moraju se pretvoriti u signale (akustični signali) koje kanal može odašiljati, a na prijemnom kraju, signali u mediju moraju se promijeniti natrag u informacijske bitove. Ovo je zadatak podvodnog akustičnog modema, koji uglavnom uključuje tri aspekta: pretvorbu medija (kao što je: pretvorba elektroakustičkog signala), učinkovitost iskorištenja frekvencijskog pojasa, prilagodljivost kanala. Metode modulacije koje se obično koriste u podvodnoj akustičnoj komunikaciji dijele se u dvije kategorije, jedna je nekoherentna modulacija, kao što je frekvencijski pomak (FSK), a druga je metoda koherentne modulacije, kao što je fazni pomak (PSK) i kvadraturna amplitudna modulacija. (QAM). Nekoherentna modulacija ima dobru otpornost na oštro podvodno akustično okruženje, ali je stopa niska; Metoda koherentne modulacije ima visoku učinkovitost kodiranja i visoko iskorištenje frekvencijskog pojasa, ali je udaljenost prijenosa ograničena. Neke tehnologije su i fizički sloj.

 

Medij za širenje mreže podvodnih akustičnih senzora je voda, koja se uvelike razlikuje od medija zraka zemaljske mreže senzora. Stoga se mrežni protokol koji se može učinkovito koristiti na kopnu ne može primijeniti na podvodnu akustičnu mrežu. Započet ćemo s karakteristikama akustičnog širenja vode i raspravljati o učincima zvuka. Učiti čimbenike komunikacije i analizirati poteškoće koje uzrokuje različitim slojevima skupa mrežnih protokola.

 

4.1 'Fizički čimbenici koji utječu podvodna akustična komunikacija

4.1.1 'Dugo kašnjenje širenja i velika varijanca kašnjenja Brzina širenja elektromagnetskih valova u zraku je 200 000 puta veća od brzine širenja zvučnih valova u vodi. Mala brzina zvuka čini kašnjenje širenja vrlo velikim, s kašnjenjem od oko 0,67 s po kilometru, a u isto vrijeme vremenski promjenjive karakteristike podvodnog akustičnog kanala čine kašnjenje varijanca vrlo velika utječe na propusnost mreže, a druga čini neke protokole temeljene na vremenu neoperativnima.

 

4.1.2 'Veliki gubitak propagacije (također se naziva gubitak putanje)

Prema Urickovom modelu propagacije, gubitak propagacije je zbroj gubitaka uzrokovanih ekspanzijom i atenuacijom. Gubitak prigušenja uključuje učinke apsorpcije, raspršenja i curenja zvučne energije iz zvučnog kanala. Apsorpcija je uzrokovana pretvorbom zvučne energije u toplinsku energiju, koja raste s frekvencijom i udaljenošću. Gubitak širenja odnosi se na širenje akustične energije uzrokovano širenjem valne fronte. Uglavnom uključuje sferno širenje (višesmjerno širenje) točkastih izvora u dubokom morskom okruženju. Gubitak širenja raste s kvadratom udaljenosti; i cilindrično širenje u plitkoj vodi. Proširujući se na vodoravnoj ravnini, gubitak širenja raste s udaljenošću. Budući da se gubici širenja akustičnih signala povećavaju s povećanjem frekvencije i udaljenosti, raspoloživi frekvencijski pojas podvodnog akustičnog kanala vrlo je ograničen, a ograničena je i udaljenost širenja. Stoga, u podvodnoj komunikacijskoj mreži, ako želite obavljati komunikaciju na velike udaljenosti, možete odabrati samo nisku kodnu brzinu; ako želite odabrati visoku brzinu kodiranja, možete komunicirati samo na kratke udaljenosti. Općenito govoreći, kako bi udaljenost širenja dosegla 10-100 km, raspoloživa širina pojasa je u rasponu od 2-5 kHz; prijenos na srednje udaljenosti je 1-10 km, a propusnost je reda veličine 10 kHz; ako je korišteni frekvencijski pojas veći od 100 kHz, udaljenost širenja mora biti manja od 100 m.

 

4.1.3 'Ozbiljne više ruta

Fenomen višestaznosti uzrokovan je postojanjem više od jednog puta širenja između izvora zvuka i prijamnika, a često se javlja u plitkim morima i širenju na velike udaljenosti. Jednostavno rečeno, signal iz jednog izvora zvuka može primiti više signala koji stižu u različito vrijeme na prijemnom kraju zbog postojanja višestrukih puteva. Višestruki put će uzrokovati fluktuacije u amplitudi i fazi signala. Zbog različitog vremena propagacije različitih staza, to će uzrokovati ozbiljno izobličenje signala, dovest će do dekorelacije primljenih signala između različitih prijamnika, a višestruka staza će također uzrokovati širenje pojasne širine. To će ozbiljno degradirati komunikacijski signal i uzrokovati interferenciju simbola. Multipath je također povezan s položajem i udaljenošću između izvora zvuka i prijemnika. Uzimajući ravninu morskog dna kao referencu, višestruki utjecaj okomitog kanala je malen, a višestruki utjecaj horizontalnog kanala velik.

 

Buka u okolišu skup je mnogih čimbenika koji su povezani s plimom i osekom, turbulencijama, morskim vjetrovima i valovima te olujama. Buka brodova također je važan izvor buke. Za razliku od situacije u kojoj je buka dubokog mora relativno izvjesna, buka okoliša plitkog mora, posebno obalnih voda, zaljeva i luka, značajno će se mijenjati s vremenom i mjestom. Buka se uglavnom sastoji od brodske i industrijske buke, eolske buke i biološke buke. Buka iz okoliša smanjit će omjer signala i šuma signala i utjecati na performanse podvodne akustične komunikacije. 4.1.5' Dopplerova disperzija Ozbiljan Dopplerov pomak uzrokovan je relativnim kretanjem izvora zvuka i prijamnika. Budući da je brzina zvuka 200 000 puta sporija od brzine elektromagnetskih valova, vrlo mala brzina može uzrokovati dopplerov pomak frekvencije, a zbog kanala je niža podvodna akustična noseća frekvencija. Ova dva čimbenika zbrajaju utjecaj Dopplera u vodi od bežične komunikacije u zraku. Veći. Ako Doppler proizvodi samo jednostavnu transformaciju frekvencije, kompenzacija prijemnika je relativno laka, kada zvučni signal udari u površinu mora jednom ili više puta, doći će do različitih Dopplerovih pomaka između svake staze, što će se teško kompenzirati. Kod velike brzine prijenosa podataka, to će generirati interferenciju između simbola i smanjiti učinkovitost frekvencijskog pojasa.