Sviluppo e applicazione del sensore del trasduttore acustico subacqueo

1 Il concetto di base e la storia della rete di trasduttori acustici subacquei

 

IL La rete di trasduttori acustici subacquei  è il prodotto della divulgazione della tecnologia di rete globale. Ora che la terra è connessa tramite mezzi ottici o elettrici, e la rete è connessa tramite reti wireless o addirittura satelliti di comunicazione nell’aria, la rete sottomarina potrebbe essere l’unica terra vergine rimasta che non è stata completamente coltivata. È concepibile che un giorno, quando accenderai il computer e ti connetterai a Internet, potrai immediatamente ottenere dati in tempo reale sulle correnti oceaniche nelle profondità dell'Oceano Atlantico. Se è installata una telecamera subacquea potrete vedere sullo schermo anche i pesci colorati del grande controcorrente. . Questo è il compito che deve affrontare la rete di trasduttori acustici subacquei: la rete acustica subacquea viene utilizzata come mezzo di trasmissione delle informazioni, il sensore subacqueo viene utilizzato come finestra per l'acquisizione delle informazioni e la rete acustica subacquea viene infine incorporata nella rete convenzionale in qualche modo per integrare i dati subacquei inviati all'osservatore. Poiché le onde sonore sono l'unica forma di energia che può essere trasmessa su lunghe distanze nell'acqua, le onde radio hanno una distanza di propagazione molto breve nell'acqua e anche la luce non è adatta agli ambienti sottomarini a causa dell'elevata attenuazione e diffusione sott'acqua. . Il trasduttore acustico subacqueo è una rete wireless composta da onde acustiche subacquee come vettore di informazioni. È analogo a una rete wireless nell'aria, tranne per il fatto che il vettore di informazioni nell'aria sono le onde radio e il vettore di informazioni nell'acqua sono le onde sonore. La rete acustica subacquea deve risolvere due problemi tecnici, uno è il trasduttore di comunicazione acustica subacquea e l'altro è la rete basata sulla comunicazione acustica. La comunicazione acustica subacquea risolve la comunicazione punto a punto tra due utenti (o fonti di informazione) e la rete risolve il problema dell'interazione delle informazioni quando più utenti (o fonti di informazione) condividono il canale del mezzo acquatico. Essendo una tecnologia emergente in fase di sviluppo, il motivo per cui lo sviluppo della rete acustica subacquea è molto indietro rispetto alla rete wireless nell'aria è in gran parte limitato dallo sviluppo della tecnologia di comunicazione acustica subacquea. La prima comunicazione acustica subacquea può essere fatta risalire ai telefoni subacquei a modulazione di ampiezza (AM) e a banda laterale singola (SSB) per dati analogici negli anni '50; esistevano alcuni sistemi analogici prima degli anni '70, a causa della modulazione di ampiezza nell'ambiente di riverbero acustico subacqueo. Con lo sviluppo della tecnologia VLSI, all'inizio degli anni '80 è stata applicata la tecnologia FSK (Digital Frequency Shift Keying) subacquea. È robusto rispetto alla diffusione temporale e di frequenza del canale. La comunicazione acustica subacquea coerente è apparsa alla fine degli anni '80. Rispetto alla comunicazione non coerente, la tecnologia di comunicazione acustica subacquea coerente può migliorare l'efficienza della larghezza di banda del canale acustico subacqueo a larghezza di banda limitata. Tuttavia, a causa della durezza e della complessità del canale acustico subacqueo, la comunicazione acustica subacquea coerente non è iniziata. Si è ritenuto che il prodotto della distanza e della velocità della comunicazione acustica subacquea in quel momento fosse di circa 0,5 km. Negli anni '90, grazie allo sviluppo della tecnologia dei chip DSP e della teoria della comunicazione digitale, è stato possibile realizzare molte tecnologie complesse di equalizzazione dei canali, che hanno guidato lo sviluppo della tecnologia di comunicazione coerente acustica subacquea e si sono rivolti allo studio della comunicazione del canale orizzontale, poiché l'effetto multipercorso del canale è molto più complicato di quello del canale verticale nelle profondità marine. A metà degli anni '90, il prodotto di velocità e distanza del trasduttore di comunicazione acustica subacquea nell'ambiente marino poco profondo ha raggiunto 40 km× kbit, il che ha reso possibile la creazione di trasduttori acustici subacquei. Una componente chiave fondamentale delle reti sottomarine è l'emergere di modem acustici subacquei. Il primo concetto di applicazione di trasduttori acustici subacquei è stato l'Autonomous Ocean Sampling Network (AOSN) nel 1993. Gli Stati Uniti hanno avviato un esperimento annuale nel 1998 per verificare il concetto di trasduttore acustico subacqueo. Dalla metà degli anni '90, la tecnologia della comunicazione acustica subacquea e la tecnologia delle reti sottomarine si sono sviluppate costantemente contemporaneamente. Tuttavia, a causa della particolarità e della complessità del mezzo acquatico (come elevato ritardo temporale, grande attenuazione, percorso multiplo e spostamento di frequenza), viene utilizzato sulla terra. La tecnologia delle reti wireless non può essere applicata direttamente alle reti sottomarine e la ricerca sui canali sottomarini, sulle comunicazioni sottomarine e sui protocolli delle reti sottomarine è in ascesa. Allo stesso tempo, dagli anni ’90 ad oggi, anche lo sviluppo delle reti di sensori wireless terrestri basate sulla comunicazione wireless a corto raggio è stato molto rapido. Si può dire che la rete di sensori acustici sottomarini è un'estensione del concetto di rete di sensori terrestri alle applicazioni subacquee. La rete di sensori acustici subacquei è composta da più nodi di sensori. I nodi possono essere fissi, come boe ancorate o bersagli sommergibili, oppure mobili, come robot subacquei (UV o AUV). Attualmente, la rete di sensori acustici subacquei può ottenere diverse informazioni a seconda dei diversi tipi di sensori subacquei: può essere utilizzata per l'acquisizione di dati oceanografici, il monitoraggio dell'inquinamento marino, lo sviluppo vicino alla costa, la prevenzione dei disastri, la navigazione subacquea e l'assistenza al posizionamento, il rilevamento delle risorse marine e l'acquisizione di dati di ricerca scientifica, il monitoraggio tattico distribuito, la ricognizione delle mine e il rilevamento, il tracciamento e il posizionamento di bersagli sottomarini. In breve, la rete di sensori acustici subacquei deve ottenere informazioni subacquee attraverso vari nodi di sensori in una determinata area sottomarina, condurre comunicazioni acustiche e reti con nodi sottomarini e infine passare attraverso nodi specifici e ri-radio. In forma cablata e cablata, le informazioni ottenute nell'area di copertura vengono incorporate nella rete convenzionale sulla riva e inviate alla sottorete subacquea dell'osservatore. Puoi vedere diverse caratteristiche della rete di sensori acustici subacquei: La prima è la mobilità. Poiché è mobile, deve essere una rete autonoma in grado di auto-organizzarsi e seguire un determinato metodo di instradamento della rete; il secondo è la comunicazione acustica subacquea senza fili e subacquea, dovuta all'uso della comunicazione acustica subacquea, deve essere adattativa alle caratteristiche dell'ambiente marino e risolvere le sfide tecniche dello strato fisico; terzo, ha un consumo energetico limitato, poiché è wireless e quindi alimentato a batteria; quarto, ha dati. La funzione relè può trasmettere i dati di monitoraggio alla riva. Per trasmettere i dati in modo efficace e affidabile è necessario seguire un determinato protocollo di rete. La topologia di rete determina il metodo di instradamento, la perdita di energia, la capacità di rete e l'affidabilità della rete, quindi la topologia di rete deve essere introdotta per prima.

2 Struttura topologica della rete di sensori acustici subacquei

Come la struttura della rete di sensori wireless sulla terra, la struttura topologica della rete di sensori idroacustici sottomarini può essere divisa in due categorie: rete centralizzata (rete centralizzata) e rete peer-to-peer distribuita (rete peer-to-peer distribuita). In una rete centralizzata, la comunicazione tra i nodi viene realizzata attraverso un nodo centrale e la rete è collegata alla rete dorsale attraverso questo nodo centrale. Lo svantaggio principale di questa configurazione è che esiste un singolo punto di guasto, ovvero il guasto di questo nodo porterà al guasto dell'intera rete. E poiché la portata di un singolo modem è limitata, anche la copertura della rete centralizzata è limitata. La Figura 1 è un diagramma schematico della topologia di una rete centralizzata. Rete peer-to-peer significa che non esiste un nodo centrale che li 'amministri' e ogni nodo ha un'autorità relativamente uguale. A seconda dei diversi metodi di routing, ci sono alcune differenze nella rete peer-to-peer. Una rete peer-to-peer completamente connessa fornisce connessioni dirette 'punto-punto' a due nodi arbitrari nella rete. Questa topologia riduce la necessità di routing. Tuttavia, quando i nodi sono sparsi in una vasta area, è necessaria la comunicazione. La potenza è notevolmente aumentata. E ci sarà anche un problema 'vicino e lontano', cioè quando un nodo A invia un pacchetto di dati a un nodo remoto, bloccherà i nodi vicini del nodo A dal ricevere altri segnali.

 

La rete peer-to-peer multi-hop comunica solo tra nodi adiacenti e un messaggio viene completato da più hop tra i nodi dall'origine alla destinazione. Il sistema multi-hop può coprire un'area più ampia, perché la portata della rete dipende dal numero di nodi e non è più limitata dalla portata di un singolo modem. La Figura 2 è un diagramma schematico della topologia di rete peer-to-peer multi-hop. La rete è una rete per applicazioni mobili wireless, che appartiene ad una rete peer-to-peer multi-hop. Non ha bisogno di costruire preventivamente un'infrastruttura, detta anche rete senza infrastrutture (rete infrastrutturale). Le sue caratteristiche sono: rete autonoma, topologia dinamica, limitazione della larghezza di banda e capacità di collegamento variabile, comunicazione multi-hop, controllo distribuito, nodi con energia limitata e sicurezza limitata. Poiché non fa affidamento sull’infrastruttura, può essere implementato rapidamente e coprire un’area più ampia. Poiché l'infrastruttura su cui si può fare affidamento in acqua è limitata e l'AUV mobile sarà una parte importante della rete di sensori acustici subacquei (l'AUV può migliorare le prestazioni della rete di sensori acustici subacquei), la sua capacità di auto-organizzazione e la topologia dinamica rendono la rete AdHoc molto adatta per essere utilizzata nelle reti di sensori acustici subacquei. Sebbene la rete AdHoc sia adatta per l'applicazione della rete idroacustica, il suo problema di sicurezza è sempre stato un argomento di ricerca. In effetti, il La rete di sensori di idrofoni sottomarini dovrebbe essere un ibrido tra una rete centralizzata e una rete peer-to-peer. In letteratura [16] viene introdotta una rete di sensori idroacustici bidimensionali e tridimensionali. Bidimensionale si riferisce alla dimensione delle informazioni ottenute. Nella rete bidimensionale di sensori acustici subacquei, i nodi dei sensori e i transponder di dati (Sink) sono posizionati sul fondo del mare, in una piccola area con Sink al centro, e i dati di ciascun sensore possono essere nel collegamento orizzontale Per raggiungere il Sink in modo diretto o multi-hop (rete peer-to-peer multi-hop), e i dati dei sensori possono raggiungere la stazione di superficie solo se vengono inoltrati sul collegamento verticale attraverso Sink. Poiché è possibile ottenere solo le informazioni di una determinata area del fondale marino, viene chiamata rete di sensori bidimensionali. Nella rete di sensori acustici subacquei tridimensionali, la profondità del bersaglio sommergibile può essere controllata, in modo che i nodi multisensore in una determinata area si trovino a profondità diverse, in modo da poter ottenere informazioni sull'oceano di una determinata area e profondità diverse, quindi viene chiamata rete di sensori acustici subacquei tridimensionali. Nella topologia di rete, è anche una rete peer-to-peer multi-hop. L'AUV può raggiungere diverse profondità nell'oceano, combinato con una rete di sensori sul fondo fissa, può anche formare una rete di sensori acustici subacquei tridimensionali. Vale la pena sottolineare che a causa delle reti di sensori acustici subacquei esiste sempre il problema di accesso ad altre reti convenzionali sull'acqua. Esiste un nodo speciale chiamato stazione di superficie, gateway o nodo master per completare questo lavoro. Non deve avere solo un modem acustico per la comunicazione con le reti sottomarine, ma anche un modem radio o via cavo per la comunicazione con reti satellitari o costiere. La stazione di superficie può utilizzare la boa come vettore o la nave di superficie come vettore. La topologia della rete determina il metodo di instradamento, la perdita di energia, la capacità della rete e l'affidabilità della rete. Gli studi hanno dimostrato che una rete composta da più nodi di sensori distribuiti a intervalli uguali lungo una linea retta consuma più energia di una rete peer-to-peer multi-hop secondo il metodo di instradamento di una rete peer-to-peer completamente connessa; e la capacità della rete è influenzata anche dalla topologia della rete.

 

3 Concetti correlati allo strato di rete di sensori acustici subacquei

La rete di sensori acustici subacquei è davvero un campo completamente nuovo, ma il concetto che segue è lo stesso dello stack di protocolli di rete comunemente utilizzato. La tabella 1 riporta i concetti del livello di rete comunemente utilizzati. Per ragioni di semplicità, questo articolo discute solo i tre livelli di base: livello fisico, livello di collegamento dati e livello di rete. Il problema da risolvere per lo strato fisico è come utilizzare il mezzo di trasmissione

 

 

Le caratteristiche (cioè le caratteristiche del canale) e i corrispondenti metodi di modulazione consentono un'efficace trasmissione dei dati. La comunicazione acustica basata sull'acqua è un tipico problema del livello fisico nel livello del protocollo di rete. All'estremità trasmittente, i bit di informazione devono essere trasformati in segnali (segnali acustici) che possono essere trasmessi dal canale, e all'estremità ricevente, i segnali nel mezzo devono essere riconvertiti in bit di informazione. Questo è il compito del modem acustico subacqueo, che coinvolge principalmente tre aspetti: conversione dei media (come: conversione del segnale elettroacustico), efficienza di utilizzo della banda di frequenza, adattabilità del canale. I metodi di modulazione comunemente utilizzati nella comunicazione acustica subacquea sono divisi in due categorie, una è la modulazione non coerente, come la modulazione a spostamento di frequenza (FSK), e l'altra è il metodo di modulazione coerente, come la modulazione a spostamento di fase (PSK) e la modulazione di ampiezza in quadratura. (QAM). La modulazione non coerente ha una buona robustezza nei confronti del duro ambiente acustico subacqueo, ma la velocità è bassa; Il metodo di modulazione coerente ha un'elevata efficienza di codifica e un utilizzo della banda ad alta frequenza, ma la distanza di trasmissione è limitata. Alcune tecnologie sono sia il livello fisico.

 

Il mezzo di propagazione della rete di sensori acustici subacquei è l'acqua, che è molto diversa dall'aria della rete di sensori terrestri. Pertanto, il protocollo di rete che può essere utilizzato efficacemente a terra non può essere applicato alla rete acustica subacquea. Inizieremo con le caratteristiche di propagazione acustica dell'acqua e discuteremo gli effetti del suono. Apprendimento dei fattori di comunicazione e analisi delle difficoltà che provoca ai vari strati dello stack del protocollo di rete.

 

4.1 'Fattori fisici che influenzano comunicazione acustica subacquea

4.1.1 'Lungo ritardo di propagazione e grande varianza del ritardo La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nell'aria è 200.000 volte la velocità di propagazione delle onde sonore nell'acqua. La bassa velocità del suono rende il ritardo di propagazione molto ampio, con un ritardo di circa 0,67 s per chilometro, e allo stesso tempo Le caratteristiche variabili nel tempo del canale acustico subacqueo rendono la varianza del ritardo molto grande. Il primo influisce sulla velocità di trasmissione della rete, mentre il secondo ne aumenta alcuni protocolli basati sul tempo inutilizzabili.

 

4.1.2 'Grande perdita di propagazione (chiamata anche perdita di percorso)

Secondo il modello di propagazione di Urick, la perdita per propagazione è la somma delle perdite causate dall'espansione e dall'attenuazione. La perdita di attenuazione comprende gli effetti di assorbimento, diffusione e perdita di energia sonora dal canale sonoro. L'assorbimento è causato dalla conversione dell'energia sonora in energia termica, che aumenta con la frequenza e la distanza. La perdita di espansione si riferisce all'espansione dell'energia acustica causata dall'espansione del fronte d'onda. Comprende principalmente l'espansione sferica (espansione omnidirezionale) di sorgenti puntiformi in ambienti marini profondi. La perdita per propagazione aumenta con il quadrato della distanza; ed espansione cilindrica in ambienti di acque poco profonde. Espandendosi sul piano orizzontale, la perdita di propagazione aumenta con la distanza. Poiché la perdita di propagazione dei segnali acustici aumenta con l'aumentare della frequenza e della distanza, la banda di frequenza disponibile del canale acustico subacqueo è molto limitata e anche la distanza di propagazione è limitata. Pertanto, nella rete di comunicazione subacquea, se si desidera effettuare comunicazioni a lunga distanza, è possibile scegliere solo una velocità di codice bassa; se si desidera scegliere una frequenza di codice elevata è possibile effettuare solo comunicazioni a breve distanza. In generale, per far sì che la distanza di propagazione raggiunga 10-100 km, la larghezza di banda disponibile è compresa tra 2 e 5 kHz; la trasmissione a media distanza è di 1-10 km e la larghezza di banda è dell'ordine di 10kHz; se la banda di frequenza utilizzata è maggiore di 100kHz, la distanza di propagazione deve essere inferiore a 100m.

 

4.1.3 'Percorsi multipli gravi

Il fenomeno del multipercorso è causato dall'esistenza di più di un percorso di propagazione tra la sorgente sonora e il ricevitore e si verifica spesso in mari poco profondi e con propagazione a lunga distanza. In poche parole, un segnale proveniente da una singola sorgente sonora può ricevere più segnali che arrivano in momenti diversi all'estremità ricevente a causa dell'esistenza di più percorsi. Il percorso multiplo causerà fluttuazioni nell'ampiezza e nella fase del segnale. A causa del diverso tempo di propagazione dei diversi percorsi, ciò causerà una grave distorsione del segnale, porterà alla decorrelazione dei segnali ricevuti tra diversi ricevitori e il multipercorso causerà anche un ampliamento della larghezza di banda. Questi degraderanno gravemente il segnale di comunicazione e causeranno interferenze tra i simboli. Il multipercorso è anche correlato alla posizione e alla distanza tra la sorgente sonora e il ricevitore. Prendendo come riferimento il piano del fondale marino, l'influenza del multipercorso del canale verticale è piccola, mentre l'influenza del multipercorso del canale orizzontale è ampia.

 

Il rumore ambientale è un insieme di molti fattori legati alle maree, alle turbolenze, ai venti e alle onde marine e ai temporali. Anche il rumore delle navi è un'importante fonte di rumore. A differenza della situazione in cui il rumore del mare profondo è relativamente certo, il rumore ambientale del mare poco profondo, in particolare delle acque costiere, delle baie e dei porti, cambierà in modo significativo nel tempo e nel luogo. Il rumore è composto principalmente da rumore navale e industriale, rumore eolico e rumore biologico. Il rumore ambientale ridurrà il rapporto segnale-rumore del segnale e influenzerà le prestazioni della comunicazione acustica subacquea. 4.1.5' Dispersione Doppler Un grave spostamento Doppler è causato dal movimento relativo della sorgente sonora e del ricevitore. Poiché la velocità del suono è 200.000 volte inferiore alla velocità delle onde elettromagnetiche, una velocità molto piccola può causare uno spostamento della frequenza Doppler e, a causa del canale, la frequenza della portante acustica subacquea è inferiore. Questi due fattori si sommano per rendere l'influenza del Doppler nell'acqua rispetto a quella La comunicazione wireless nell'aria è molto più grande. Se il Doppler produce solo un semplice trasformazione della frequenza, la compensazione del ricevitore è relativamente semplice. Tuttavia, a causa dell'esistenza di percorsi multipli, quando il segnale acustico colpisce la superficie del mare una o più volte, si verificheranno diversi spostamenti Doppler tra ciascun percorso, che è difficile da compensare Durante la comunicazione di dati ad alta velocità, si genererà un'interferenza tra i simboli e si ridurrà l'efficienza della banda di frequenza.