Ontwikkeling en toepassing van akoestische onderwatertransducersensor

1 Het basisconcept en de geschiedenis van een onderwater akoestisch transducernetwerk

 

De onderwater akoestisch  transducernetwerk is het product van de popularisering van wereldwijde netwerktechnologie. Nu het land is verbonden via bekabelde optische of elektrische middelen, en het netwerk is verbonden via draadloze netwerken of zelfs communicatiesatellieten in de lucht, is het onderwaternetwerk wellicht het enige overgebleven ongerepte land dat nog niet volledig is gecultiveerd. Het is denkbaar dat u op een dag, wanneer u de computer aanzet en verbinding maakt met internet, onmiddellijk realtime gegevens kunt verkrijgen over de oceaanstromingen in de diepe Atlantische Oceaan. Als er een onderwatercamera is geïnstalleerd, kun je zelfs de kleurrijke vissen van de grote stroomopwaarts op je scherm zien. . Dit is de taak waarvoor het akoestische onderwatertransducernetwerk staat: het akoestische onderwaternetwerk wordt gebruikt als middel voor informatieoverdracht, de onderwatersensor wordt gebruikt als venster voor informatieverwerving, en het akoestische onderwaternetwerk wordt uiteindelijk op de een of andere manier in het conventionele netwerk opgenomen om de onderwatergegevens die naar de waarnemer worden verzonden, te integreren. Omdat geluidsgolven de enige vorm van energie zijn die over lange afstanden in het water kan worden overgedragen, hebben radiogolven een zeer korte voortplantingsafstand in water, en is licht ook niet geschikt voor onderwateromgevingen vanwege de hoge demping en verstrooiing onder water. . De akoestische onderwatertransducer is een draadloos netwerk dat bestaat uit akoestische onderwatergolven als informatiedrager. Het is analoog aan een draadloos netwerk in de lucht, behalve dat de informatiedrager in de lucht radiogolven is en de informatiedrager in het water geluidsgolven. Het akoestische onderwaternetwerk moet twee technische problemen oplossen: het ene is een onderwater-akoestische communicatietransducer en het andere is netwerken gebaseerd op akoestische communicatie. De akoestische onderwatercommunicatie lost de point-to-point-communicatie tussen twee gebruikers (of informatiebronnen) op, en het netwerken lost het probleem van informatie-interactie op wanneer meerdere gebruikers (of informatiebronnen) het watermediumkanaal delen. Als opkomende technologie in ontwikkeling, wordt de reden waarom de ontwikkeling van akoestische onderwaternetwerken ver achterblijft bij het draadloze netwerk in de lucht grotendeels beperkt door de ontwikkeling van akoestische onderwatercommunicatietechnologie. De vroegste akoestische onderwatercommunicatie is terug te voeren op amplitudemodulatie (AM) en enkelzijband (SSB) onderwatertelefoons voor analoge gegevens in de jaren vijftig; vóór de jaren zeventig waren er enkele analoge systemen, vanwege de amplitudemodulatie in de akoestische nagalmomgeving onder water. Met de ontwikkeling van de VLSI-technologie werd begin jaren tachtig de onderwater digitale frequentieverschuivingssleuteltechnologie (FSK) toegepast. Het is robuust voor de tijd- en frequentiespreiding van het kanaal. De akoestische coherente communicatie onder water verscheen eind jaren tachtig. Vergeleken met niet-coherente communicatie kan de coherente akoestische onderwatercommunicatietechnologie de bandbreedte-efficiëntie van het akoestische onderwaterkanaal met beperkte bandbreedte verbeteren. Vanwege de hardheid en complexiteit van het akoestische onderwaterkanaal is de akoestische onderwatercommunicatie echter nog niet begonnen. Er werd aangenomen dat het product van de afstand en snelheid van de akoestische onderwatercommunicatie op dat moment ongeveer 0,5 km bedroeg. In de jaren negentig kunnen, dankzij de ontwikkeling van de DSP-chiptechnologie en de digitale communicatietheorie, veel complexe kanaalequalisatietechnologieën worden gerealiseerd, die de ontwikkeling van akoestische coherente communicatietechnologie onder water aandreven en zich richtten op de studie van horizontale kanaalcommunicatie, omdat het multipath-effect van het kanaal veel gecompliceerder is dan dat van het verticale kanaal in de diepzee. Halverwege de jaren negentig bereikte het snelheids- en afstandsproduct van de onderwater-akoestische communicatietransducer in de ondiepe zeeomgeving 40 km × kbit, wat de oprichting van een onderwater-akoestische transducer maakte. Een belangrijk onderdeel van onderwaternetwerken is de opkomst van akoestische onderwatermodems. Het vroegste concept van de toepassing van akoestische onderwatertransducers was het Autonomous Ocean Sampling Network (AOSN) in 1993. De Verenigde Staten zijn in 1998 begonnen met een jaarlijks experiment om het concept van akoestische onderwatertransducers te verifiëren. Sinds het midden van de jaren negentig hebben de akoestische onderwatercommunicatietechnologie en de onderwaternetwerktechnologie zich tegelijkertijd gestaag ontwikkeld. Vanwege de bijzonderheid en complexiteit van het watermedium (zoals hoge tijdsvertraging, grote verzwakking, multipad en frequentieverschuiving) wordt het echter op het land gebruikt. Draadloze netwerktechnologie kan niet rechtstreeks worden toegepast op onderwaternetwerken, en onderzoek naar onderwaterkanalen, onderwatercommunicatie en onderwaternetwerkprotocollen is in opkomst. Tegelijkertijd heeft de ontwikkeling van terrestrische draadloze sensornetwerken, gebaseerd op draadloze communicatie over korte afstand, vanaf de jaren negentig tot nu ook zeer snel plaatsgevonden. Er kan worden gezegd dat een akoestisch onderwatersensornetwerk een uitbreiding is van het concept van een terrestrisch sensornetwerk naar onderwatertoepassingen. Het akoestische onderwatersensornetwerk bestaat uit meerdere sensorknooppunten. De knooppunten kunnen vast zijn, zoals verankerde boeien of onderwaterdoelen, of mobiel, zoals onderwaterrobots (UV of AUV). Momenteel kan het akoestische onderwatersensornetwerk verschillende informatie verkrijgen op basis van de verschillende soorten onderwatersensoren: het kan worden gebruikt voor oceanografische gegevensverzameling, monitoring van zeevervuiling, ontwikkeling in de buurt van de kust, rampenpreventie, onderwaternavigatie en positioneringshulp, mariene hulpbronnen Onderzoek en wetenschappelijke onderzoeksgegevensverzameling, gedistribueerde tactische monitoring, mijnverkenning en detectie, tracking en positionering van onderwaterdoelen. Kortom, het akoestische onderwatersensornetwerk is bedoeld om onderwaterinformatie te verkrijgen via verschillende sensorknooppunten in een bepaald onderwatergebied, en akoestische communicatie en netwerken uit te voeren met onderwaterknooppunten, en uiteindelijk door specifieke knooppunten te gaan en opnieuw te radio'en. In bekabelde en bekabelde vorm wordt de informatie verkregen in het dekkingsgebied opgenomen in het conventionele netwerk aan de kust en naar het onderwatersubnet van de waarnemer gestuurd. Je kunt verschillende kenmerken van het akoestische onderwatersensornetwerk zien: De eerste is mobiliteit. Omdat het verplaatsbaar is, moet het een autonoom netwerk zijn dat zichzelf kan organiseren en een bepaalde netwerkrouteringsmethode kan volgen; de tweede is draadloze onderwatercommunicatie en akoestische onderwatercommunicatie, die vanwege het gebruik van akoestische onderwatercommunicatie zich moet aanpassen aan de kenmerken van het mariene milieu en de technische uitdagingen van de fysieke laag moet oplossen; ten derde is het energiezuinig, omdat het draadloos is en dus op batterijen werkt; ten vierde heeft het gegevens. De relaisfunctie kan de monitoringgegevens naar de wal verzenden. Om de gegevens effectief en betrouwbaar te kunnen verzenden, moet een bepaald netwerkprotocol worden gevolgd. De netwerktopologie bepaalt de routeringsmethode, het energieverlies, de netwerkcapaciteit en de betrouwbaarheid van het netwerk, dus de netwerktopologie moet eerst worden geïntroduceerd.

2 Topologische structuur van een onderwater akoestisch sensornetwerk

Net als de structuur van het draadloze sensornetwerk op het land, kan de topologische structuur van het hydro-akoestische sensornetwerk onder water in twee categorieën worden verdeeld: gecentraliseerd netwerk (gecentraliseerd netwerk) en gedistribueerd peer-to-peer-netwerk (gedistribueerd peer-to-peer-netwerk). In een gecentraliseerd netwerk wordt de communicatie tussen knooppunten gerealiseerd via een centraal knooppunt en is het netwerk via dit centrale knooppunt verbonden met het backbone-netwerk. Het grootste nadeel van deze configuratie is dat er één enkel storingspunt is, dat wil zeggen dat het falen van dit knooppunt zal leiden tot het falen van het hele netwerk. En omdat het bereik van één modem beperkt is, is de dekking van het gecentraliseerde netwerk beperkt. Figuur 1 is een schematisch diagram van de topologie van een gecentraliseerd netwerk. Peer-to-peer-netwerk betekent dat er geen centraal knooppunt is om ze te 'beheren', en dat elk knooppunt relatief gelijke bevoegdheden heeft. Volgens de verschillende routeringsmethoden zijn er enkele verschillen in het peer-to-peer-netwerk. Een volledig verbonden peer-to-peer-netwerk biedt directe 'point-to-point'-verbindingen met twee willekeurige knooppunten in het netwerk. Deze topologie vermindert de behoefte aan routering. Wanneer de knooppunten echter over een groot gebied verspreid zijn, is er behoefte aan communicatie. Het vermogen is enorm toegenomen. En er zal ook een 'dichtbij en veraf'-probleem zijn, dat wil zeggen dat wanneer een knooppunt A een datapakket naar een knooppunt op afstand verzendt, het de aangrenzende knooppunten van knooppunt A zal blokkeren van het ontvangen van andere signalen.

 

Het multi-hop peer-to-peer-netwerk communiceert alleen tussen aangrenzende knooppunten, en een bericht wordt voltooid door meerdere hops tussen knooppunten van de bron naar de bestemming. Het multi-hop systeem kan een groter gebied bestrijken, omdat het bereik van het netwerk afhankelijk is van het aantal knooppunten, en niet langer beperkt wordt door het bereik van één modem. Figuur 2 is een schematisch diagram van de multi-hop peer-to-peer netwerktopologie. Het netwerk is een netwerk voor draadloze mobiele toepassingen, dat behoort tot een multi-hop peer-to-peer netwerk. Het hoeft niet vooraf infrastructuur aan te leggen, ook wel infrastructuurloos netwerk (infrastructuurnetwerk) genoemd. De kenmerken zijn: autonoom netwerk, dynamische topologie, bandbreedtebeperking en variabele linkcapaciteit, multi-hop communicatie, gedistribueerde controle, knooppunten met beperkte energie en beperkte beveiliging. Omdat het niet afhankelijk is van infrastructuur, kan het snel worden ingezet en een groter gebied bestrijken. Omdat de infrastructuur waarop in het water kan worden vertrouwd beperkt is en de beweegbare AUV een belangrijk onderdeel zal zijn van het akoestische onderwatersensornetwerk (AUV kan de prestaties van het onderwatersensornetwerk verbeteren), maken het zelforganiserende vermogen en de dynamische topologie het AdHoc-netwerk zeer geschikt voor gebruik in akoestische onderwatersensornetwerken. Hoewel het AdHoc-netwerk geschikt is voor de toepassing van een hydro-akoestisch netwerk, is het veiligheidsprobleem ervan altijd een onderzoeksonderwerp geweest. In feite is de Het onderwaterhydrofoonsensornetwerk moet een hybride zijn van een gecentraliseerd netwerk en een peer-to-peer-netwerk. In de literatuur [16] wordt een tweedimensionaal en driedimensionaal hydro-akoestisch sensornetwerk geïntroduceerd. Tweedimensionaal verwijst naar de dimensie van de verkregen informatie. In het tweedimensionale akoestische onderwatersensornetwerk worden sensorknooppunten en datatransponders (Sink) op de zeebodem geplaatst, in een klein gebied met Sink als middelpunt, en de gegevens van elke sensor kunnen zich in de horizontale link bevinden om de Sink op een directe of multi-hop manier te bereiken (Multi-hop peer-to-peer netwerk), en de sensorgegevens kunnen het oppervlaktestation alleen bereiken als deze via de verticale link via Sink worden doorgestuurd. Omdat alleen de informatie van een bepaald deel van de zeebodem kan worden verkregen, wordt dit een tweedimensionaal sensornetwerk genoemd. In het driedimensionale akoestische onderwatersensornetwerk kan de diepte van het onderwaterdoel worden geregeld, zodat de multisensorknooppunten in een bepaald gebied zich op verschillende diepten bevinden, zodat de oceaaninformatie van een bepaald gebied en verschillende diepten kan worden verkregen. Daarom wordt dit een driedimensionaal akoestisch onderwatersensornetwerk genoemd. In de netwerktopologie is het ook een multi-hop peer-to-peer-netwerk. AUV kan verschillende diepten in de oceaan bereiken, gecombineerd met een vast bodemsensornetwerk, en kan ook een driedimensionaal onderwater akoestisch sensornetwerk vormen. Het is de moeite waard erop te wijzen dat er vanwege akoestische onderwatersensornetwerken altijd een probleem is om toegang te krijgen tot andere conventionele netwerken op het water. Er is een speciaal knooppunt genaamd oppervlaktestation, gateway of masterknooppunt om dit werk te voltooien. Het moet niet alleen beschikken over een akoestisch modem voor communicatie met onderwaternetwerken, maar ook over een radio- of kabelmodem voor communicatie met satelliet- of walnetwerken. Het oppervlaktestation kan de boei als vervoerder gebruiken, of het oppervlakteschip als vervoerder. De netwerktopologie bepaalt de routeringsmethode, het energieverlies, de netwerkcapaciteit en de betrouwbaarheid van het netwerk. Studies hebben aangetoond dat een netwerk dat bestaat uit meerdere sensorknooppunten die met gelijke intervallen langs een rechte lijn zijn verdeeld, meer stroom verbruikt dan een multi-hop peer-to-peer-netwerk volgens de routeringsmethode van een volledig verbonden peer-to-peer-netwerk; en de netwerkcapaciteit wordt ook beïnvloed door de netwerktopologie.

 

3 Gerelateerde concepten van de onderwater-akoestische sensornetwerklaag

Het akoestische onderwatersensornetwerk is inderdaad een gloednieuw vakgebied, maar het concept dat het volgt is hetzelfde als dat van de veelgebruikte netwerkprotocolstapel. Tabel 1 bevat de veelgebruikte netwerklaagconcepten. Eenvoudigheidshalve worden in dit artikel alleen de drie basislagen besproken: de fysieke laag, de datalinklaag en de netwerklaag. Het probleem dat door de fysieke laag moet worden opgelost, is hoe het transmissiemedium moet worden gebruikt

 

 

De karakteristieken (dwz kanaalkarakteristieken) en de overeenkomstige modulatiemethoden maken effectieve datatransmissie mogelijk. Akoestische communicatie op basis van een watermedium is een typisch fysiek laagprobleem in de netwerkprotocollaag. Aan de zendende kant moeten de informatiebits worden omgezet in signalen (akoestische signalen) die door het kanaal kunnen worden verzonden, en aan de ontvangende kant moeten de signalen in het medium weer worden omgezet in informatiebits. Dit is de taak van de akoestische onderwatermodem, die hoofdzakelijk drie aspecten omvat: mediaconversie (zoals: elektro-akoestische signaalconversie), efficiëntie van het gebruik van frequentiebanden, kanaalaanpassingsvermogen. De modulatiemethoden die gewoonlijk worden gebruikt bij akoestische onderwatercommunicatie zijn onderverdeeld in twee categorieën: de ene is niet-coherente modulatie, zoals frequentieverschuivingssleuteling (FSK), en de andere is de coherente modulatiemethode, zoals faseverschuivingssleuteling (PSK) en kwadratuuramplitudemodulatie. (QAM). Niet-coherente modulatie is goed bestand tegen de ruwe akoestische onderwateromgeving, maar de snelheid is laag; De coherente modulatiemethode heeft een hoge coderingsefficiëntie en een hoog frequentiebandgebruik, maar de transmissieafstand is beperkt. Sommige technologieën zijn beide de fysieke laag.

 

Het voortplantingsmedium van het akoestische onderwatersensornetwerk is water, wat heel anders is dan het medium lucht van het terrestrische sensornetwerk. Daarom kan het netwerkprotocol dat effectief op het land kan worden gebruikt, niet worden toegepast op het akoestische onderwaternetwerk. We beginnen met de akoestische voortplantingseigenschappen van water en bespreken de effecten van geluid. We leren de factoren van communicatie kennen en analyseren de problemen die dit veroorzaakt voor de verschillende lagen van de netwerkprotocolstapel.

 

4.1 'Fysieke factoren die van invloed zijn onderwater akoestische communicatie

4.1.1 'Lange voortplantingsvertraging en grote vertragingsvariantie De voortplantingssnelheid van elektromagnetische golven in de lucht is 200.000 keer de voortplantingssnelheid van geluidsgolven in water. De langzame geluidssnelheid maakt de voortplantingsvertraging erg groot, met een vertraging van ongeveer 0,67 s per kilometer, en tegelijkertijd maken de tijdsvariërende eigenschappen van het onderwater-akoestische kanaal de vertragingsvariantie erg groot. De eerste beïnvloedt de doorvoer van het netwerk, en de laatste maakt sommige op tijd gebaseerde protocollen onbruikbaar.

 

4.1.2 'Groot voortplantingsverlies (ook wel padverlies genoemd)

Volgens het voortplantingsmodel van Urick is voortplantingsverlies de som van de verliezen veroorzaakt door uitzetting en verzwakking. Verzwakkingsverlies omvat de effecten van absorptie, verstrooiing en geluidsenergie die uit het geluidskanaal lekt. Absorptie wordt veroorzaakt door de omzetting van geluidsenergie in thermische energie, die toeneemt met de frequentie en de afstand. Uitbreidingsverlies verwijst naar de uitzetting van akoestische energie veroorzaakt door golffrontuitbreiding. Het omvat voornamelijk sferische expansie (omnidirectionele expansie) van puntbronnen in diepzeeomgevingen. Het voortplantingsverlies neemt toe met het kwadraat van de afstand; en cilindrische uitzetting in ondiepe wateromgevingen. Als het zich uitbreidt in het horizontale vlak, neemt het voortplantingsverlies toe met de afstand. Omdat het voortplantingsverlies van akoestische signalen toeneemt met de toename van de frequentie en de afstand, is de beschikbare frequentieband van het akoestische onderwaterkanaal zeer beperkt, en is de voortplantingsafstand ook beperkt. Daarom kunt u in het onderwatercommunicatienetwerk, als u langeafstandscommunicatie wilt uitvoeren, alleen een laag codetarief kiezen; Als u voor een hoog codetarief wilt kiezen, kunt u alleen op korte afstand communiceren. Om de voortplantingsafstand 10-100 km te laten bereiken, ligt de beschikbare bandbreedte over het algemeen in het bereik van 2-5 kHz; de transmissie over middellange afstand is 1-10 km, en de bandbreedte ligt in de orde van 10 kHz; als de gebruikte frequentieband groter is dan 100 kHz, moet de voortplantingsafstand kleiner zijn dan 100 meter.

 

4.1.3 'Ernstige meerdere routes

Het multipath-fenomeen wordt veroorzaakt door het bestaan ​​van meer dan één voortplantingspad tussen de geluidsbron en de ontvanger, en komt vaak voor in ondiepe zeeën en bij voortplanting over lange afstanden. Simpel gezegd kan een signaal van een enkele geluidsbron meerdere signalen ontvangen die op verschillende tijdstippen aan de ontvangende kant aankomen vanwege het bestaan ​​van meerdere paden. Multi-path veroorzaakt fluctuaties in signaalamplitude en fase. Vanwege de verschillende voortplantingstijd van verschillende paden zal dit ernstige signaalvervorming veroorzaken, zal het leiden tot de decorrelatie van ontvangen signalen tussen verschillende ontvangers, en zal multi-pad ook bandbreedteverbreding veroorzaken. Deze zullen het communicatiesignaal ernstig verslechteren en inter-symboolinterferentie veroorzaken. Multipath heeft ook te maken met de positie en afstand tussen de geluidsbron en de ontvanger. Als we het zeebodemvlak als referentie nemen, is de meerpadsinvloed van het verticale kanaal klein en is de meerpadsinvloed van het horizontale kanaal groot.

 

Omgevingslawaai is een verzameling van vele factoren, die verband houden met getijden, turbulentie, zeewind en golven, en onweersbuien. Ook scheepsgeluid is een belangrijke geluidsbron. In tegenstelling tot de situatie waarin het geluid van de diepzee relatief zeker is, zal het omgevingsgeluid van de ondiepe zee, vooral de kustwateren, baaien en havens, aanzienlijk veranderen in de tijd en plaats. Het geluid bestaat voornamelijk uit scheeps- en industriegeluid, eolisch geluid en biologisch geluid. Omgevingsgeluid zal de signaal-ruisverhouding van het signaal verminderen en de prestaties van akoestische onderwatercommunicatie beïnvloeden. 4.1.5' Doppler-verspreiding Een ernstige Doppler-verschuiving wordt veroorzaakt door de relatieve beweging van de geluidsbron en de ontvanger. Omdat de snelheid van het geluid 200.000 keer langzamer is dan de snelheid van elektromagnetische golven, kan een zeer kleine snelheid een verschuiving van de Doppler-frequentie veroorzaken, en vanwege het kanaal is de akoestische draaggolffrequentie onder water lager. Deze twee factoren zorgen samen voor de invloed van Doppler in water dan de draadloze communicatie in de lucht is veel groter. Als Doppler slechts een eenvoudige frequentietransformatie is de compensatie van de ontvanger relatief eenvoudig. Als het akoestische signaal het zeeoppervlak één of meerdere keren raakt, zullen er echter verschillende Doppler-verschuivingen optreden tussen elk pad, wat moeilijk te compenseren is. Bij snelle datacommunicatie zal dit interferentie tussen symbolen genereren en de efficiëntie van de frequentieband verminderen.