Utvikling og bruk av undervanns akustisk transdusersensor

1 Grunnkonseptet og historien til undervanns akustiske transdusernettverk

 

De undervanns akustiske transdusernettverk  er et produkt av populariseringen av global nettverksteknologi. Nå som landet er koblet til via kablede optiske eller elektriske midler, og nettverket er koblet til via trådløse nettverk eller til og med kommunikasjonssatellitter i luften, kan undervannsnettverket være det eneste gjenværende jomfruelige landet som ikke er ferdig dyrket. Det kan tenkes at du en dag, når du slår på datamaskinen og kobler deg til Internett, umiddelbart kan få sanntidsdata om havstrømmer i det dype atlanterhavet. Hvis et undervannskamera er installert, kan du til og med se de fargerike fiskene til den store oppstrøms på skjermen din. . Dette er oppgaven som det undervanns akustiske transdusernettverket står overfor: det akustiske undervannsnettverket brukes som middel for informasjonsoverføring, undervannssensoren brukes som vindu for informasjonsinnhenting, og det undervanns akustiske nettverket blir til slutt integrert i det konvensjonelle nettverket på en eller annen måte for å integrere undervannsdataene som sendes til observatøren. Siden lydbølger er den eneste formen for energi som kan overføres over lange avstander i vannet, har radiobølger svært kort forplantningsavstand i vann, og lys er heller ikke egnet for undervannsmiljøer på grunn av høy dempning og spredning under vann. . Den akustiske undervannstransduseren er et trådløst nettverk som består av akustiske undervannsbølger som informasjonsbærer. Det er analogt med et trådløst nettverk i luften, bortsett fra at informasjonsbæreren i luften er radiobølger, og informasjonsbæreren i vannet er lydbølger. Det akustiske undervannsnettverket må løse to tekniske problemer, det ene er en undervanns akustisk kommunikasjonstransduser, og det andre er nettverk basert på akustisk kommunikasjon. Den akustiske undervannskommunikasjonen løser punkt-til-punkt-kommunikasjonen mellom to brukere (eller informasjonskilder), og nettverket løser problemet med informasjonsinteraksjon når flere brukere (eller informasjonskilder) deler vannmediumkanalen. Som en fremvoksende teknologi under utvikling, er årsaken til at utviklingen av akustisk undervannsnettverk ligger langt etter det trådløse nettverket i luften, i stor grad begrenset av utviklingen av akustisk undervannskommunikasjonsteknologi. Den tidligste akustiske undervannskommunikasjonen kan spores tilbake til amplitudemodulasjon (AM) og enkeltsidebånd (SSB) undervannstelefoner for analoge data på 1950-tallet; det var noen få analoge systemer før 1970-tallet, på grunn av amplitudemodulasjonen i det akustiske etterklangsmiljøet under vann. Med utviklingen av VLSI-teknologi ble undervanns digital frequency shift keying (FSK)-teknologien brukt på begynnelsen av 1980-tallet. Den er robust for tids- og frekvensspredningen til kanalen. Den akustiske sammenhengende undervannskommunikasjonen dukket opp på slutten av 1980-tallet. Sammenlignet med ikke-koherent kommunikasjon, kan den koherente akustiske undervannskommunikasjonsteknologien forbedre båndbreddeeffektiviteten til den begrensede båndbredden undervanns akustiske kanal. På grunn av hardheten og kompleksiteten til den akustiske undervannskanalen, har imidlertid den akustiske sammenhengende undervannskommunikasjonen ikke startet. Det ble akseptert at produktet av avstand og hastighet for akustisk undervannskommunikasjon på den tiden var omtrent 0,5 km. På 1990-tallet, på grunn av utviklingen av DSP-brikketeknologi og digital kommunikasjonsteori, kan mange komplekse kanalutjevningsteknologier realiseres, som drev utviklingen av undervanns akustisk koherent kommunikasjonsteknologi, og vendte seg til studiet av horisontal kanalkommunikasjon, fordi flerveiseffekten av kanalen er mye mer komplisert enn den til den vertikale kanalen i dyphavet. På midten av 1990-tallet nådde hastigheten og avstandsproduktet til en akustisk undervannskommunikasjonstransduser i det grunne havmiljøet 40 km× kbit, noe som gjorde etableringen av en akustisk undervannstransduser. En landemerke nøkkelkomponent i undervannsnettverk er fremveksten av akustiske undervannsmodem. Det tidligste konseptet med bruk av akustiske transdusere under vann var Autonomous Ocean Sampling Network (AOSN) i 1993. USA startet et årlig eksperiment i 1998 for å bekrefte konseptet med akustisk undervannstransduser. Siden midten av 1990-tallet har akustisk undervannskommunikasjonsteknologi og undervannsnettverksteknologi utviklet seg jevnt og trutt på samme tid. På grunn av det spesielle og kompleksiteten til vannmediet (som høy tidsforsinkelse, stor dempning, flerveis- og frekvensskifte), brukes det på land. Trådløs nettverksteknologi kan ikke brukes direkte på undervannsnettverk, og forskning på undervannskanaler, undervannskommunikasjon og undervannsnettverksprotokoller er i fremmarsj. Samtidig, fra 1990-tallet og frem til i dag, har utviklingen av bakkebaserte trådløse sensornettverk basert på kortdistanse trådløs kommunikasjon også gått veldig raskt. Det kan sies at undervanns akustisk sensornettverk er en utvidelse av konseptet med terrestrisk sensornettverk til undervannsapplikasjoner. Det undervanns akustiske sensornettverket er sammensatt av flere sensornoder. Nodene kan være faste, for eksempel forankrede bøyer eller nedsenkbare mål, eller mobile, for eksempel undervannsroboter (UV eller AUV). For øyeblikket kan det undervanns akustiske sensornettverket skaffe forskjellig informasjon i henhold til de forskjellige typene undervannssensorer: det kan brukes til oseanografisk datainnsamling, marin forurensningsovervåking, kystnær utvikling, katastrofeforebygging, undervannsnavigasjon og posisjoneringshjelp, marine ressurser Survey og vitenskapelig forskning datainnsamling, distribuert taktisk overvåking, sporing av minemål og posisjonering under vannmål, og undervannsmålposisjonering. Kort fortalt skal det undervanns akustiske sensornettverket innhente undervannsinformasjon gjennom ulike sensornoder i et bestemt undervannsområde, og gjennomføre akustisk kommunikasjon og nettverk med undervannsnoder, og til slutt passere gjennom spesifikke noder og re-radio I en kablet og kablet form blir informasjonen som innhentes i dekningsområdet inkorporert i det konvensjonelle nettverket på kysten og sendt til observatørens undervannsnettverk. Du kan se flere egenskaper ved det akustiske sensornettverket under vann: Den første er mobilitet. Fordi det er flyttbart, må det være et autonomt nettverk som kan organisere seg selv og følge en bestemt nettverksrutingsmetode; den andre er trådløs undervannskommunikasjon og akustisk undervannskommunikasjon, på grunn av bruken av akustisk undervannskommunikasjon, må tilpasses egenskapene til det marine miljøet og løse de tekniske utfordringene til det fysiske laget; for det tredje er den energibegrenset, fordi den er trådløs, så den er batteridrevet; For det fjerde har den data. Reléfunksjonen kan overføre overvåkingsdataene til land. For å overføre dataene effektivt og pålitelig, må en viss nettverksprotokoll følges. Nettverkstopologien bestemmer rutingmetoden, energitapet, nettverkskapasiteten og påliteligheten til nettverket, så nettverkstopologien må introduseres først.

2 Topologisk struktur av akustisk sensornettverk under vann

Som den trådløse sensornettverksstrukturen på land, kan den topologiske strukturen til det undervanns hydroakustiske sensornettverket deles inn i to kategorier: sentralisert nettverk (sentralisert nettverk) og distribuert peer-to-peer-nettverk (distribuert peer-to-peer-nettverk). I et sentralisert nettverk realiseres kommunikasjonen mellom noder gjennom en sentral node, og nettverket er koblet til ryggradsnettverket gjennom denne sentrale noden. Den største ulempen med denne konfigurasjonen er at det er et enkelt feilpunkt, det vil si at feilen i denne noden vil føre til svikt i hele nettverket. Og fordi rekkevidden til et enkelt modem er begrenset, er dekningen til det sentraliserte nettverket begrenset. Figur 1 er et skjematisk diagram av topologien til et sentralisert nettverk. Peer-to-peer-nettverk betyr at det ikke er noen sentral node for å 'administrere' dem, og hver node har en relativt lik autoritet. I henhold til de forskjellige rutingmetodene er det noen forskjeller i peer-to-peer-nettverket. Et fullt tilkoblet node-til-node-nettverk gir direkte 'punkt-til-punkt'-forbindelser til to vilkårlige noder i nettverket. Denne topologien reduserer behovet for ruting. Men når nodene er spredt i et stort område, er det behov for kommunikasjon. Kraften har økt kraftig. Og det vil også være et «nært og fjernt»-problem, det vil si at når en node A sender en datapakke til en ekstern node, vil den blokkere nabonodene til node A fra å motta andre signaler.

 

Multi-hop peer-to-peer-nettverket kommuniserer kun mellom tilstøtende noder, og en melding fullføres av flere hopp mellom noder fra kilden til destinasjonen. Multi-hop-systemet kan dekke et større område, fordi rekkevidden til nettverket avhenger av antall noder, og er ikke lenger begrenset av rekkevidden til et enkelt modem. Figur 2 er et skjematisk diagram av multi-hop peer-to-peer-nettverkstopologien. Nettverket er et nettverk for trådløse mobilapplikasjoner, som tilhører et multi-hop peer-to-peer-nettverk. Den trenger ikke bygge infrastruktur på forhånd, også kjent som infrastrukturløst nettverk (infrastrukturnettverk). Dens egenskaper er: autonomt nettverk, dynamisk topologi, båndbreddebegrensning og variabel koblingskapasitet, multi-hop kommunikasjon, distribuert kontroll, noder med begrenset energi og begrenset sikkerhet. Fordi den ikke er avhengig av infrastruktur, kan den distribueres raskt og dekke et større område. Fordi infrastrukturen man kan stole på i vannet er begrenset, og den bevegelige AUV-en vil være en viktig del av det undervanns akustiske sensornettverket (AUV kan forbedre ytelsen til undervannssensornettverket), dets selvorganiseringsevne og dynamiske topologi, gjør at AdHoc-nettverket er svært egnet til å brukes i undervanns akustiske sensornettverk. Selv om AdHoc-nettverket er egnet for bruk av hydroakustiske nettverk, har sikkerhetsproblemet alltid vært et forskningstema. Faktisk undervanns hydrofonsensornettverk bør være en hybrid av et sentralisert nettverk og et peer-to-peer-nettverk. I litteraturen [16] introduseres et todimensjonalt og tredimensjonalt hydroakustisk sensornettverk. Todimensjonal refererer til dimensjonen av informasjon som er oppnådd. I det todimensjonale undervanns akustiske sensornettverket er sensornoder og datatranspondere (Sink) plassert på havbunnen, i et lite område med Sink som senter, og dataene til hver sensor kan ligge i den horisontale lenken. For å nå Sink på en direkte eller multi-hop måte (Multi-hop peer-to-peer nettverk), og sensordataene kan bare nå den vertikale lenken på den vertikale lenken på den vertikale lenken. Fordi bare informasjonen om et bestemt område av havbunnen kan fås, kalles det et todimensjonalt sensornettverk. I det tredimensjonale undervanns akustiske sensornettverket kan dybden til det nedsenkbare målet kontrolleres, slik at multisensornodene i et bestemt område er plassert på forskjellige dybder, slik at havinformasjonen til et bestemt område og forskjellige dybder kan oppnås, så det kalles et tredimensjonalt undervanns akustisk sensornettverk. I nettverkstopologien er det også et multi-hop peer-to-peer-nettverk. AUV kan nå ulike dyp i havet, kombinert med et fast bunnsensornettverk, kan også danne et tredimensjonalt undervanns akustisk sensornettverk. Det er verdt å påpeke at på grunn av akustiske sensornettverk under vann, er det alltid et problem med å få tilgang til andre konvensjonelle nettverk på vannet. Det er en spesiell node kalt overflatestasjon, gateway eller masternode for å fullføre dette arbeidet. Det skal ikke bare ha et akustisk modem for kommunikasjon med undervannsnett, men også et radio- eller kabelmodem for kommunikasjon med satellitt- eller landbaserte nett. Overflatestasjonen kan bruke bøyen som bærer, eller overflateskipet som bærer. Nettverkstopologien bestemmer rutemetoden, energitapet, nettverkskapasiteten og påliteligheten til nettverket. Studier har vist at et nettverk sammensatt av flere sensornoder fordelt med like intervaller langs en rett linje bruker mer strøm enn et multi-hop peer-to-peer-nettverk i henhold til rutingmetoden til et fullt tilkoblet peer-to-peer-nettverk; og nettverkskapasiteten påvirkes også av nettverkstopologien.

 

3 Beslektede konsepter for akustisk sensornettverk under vann

Det undervanns akustiske sensornettverket er virkelig et helt nytt felt, men konseptet det følger er det samme som for den vanlig brukte nettverksprotokollstakken. Tabell 1 er de vanlig brukte konseptene for nettverkslag. For enkelhets skyld diskuterer denne artikkelen bare de tre grunnleggende lagene: fysisk lag, datalinklag og nettverkslag. Problemet som skal løses av det fysiske laget er hvordan man bruker overføringsmediet

 

 

Karakteristikkene (dvs. kanalkarakteristikk) og de tilsvarende modulasjonsmetodene muliggjør effektiv dataoverføring. Akustisk kommunikasjon basert på vannmedium er et typisk fysisk lagproblem i nettverksprotokolllaget. I sendeenden skal informasjonsbitene gjøres om til signaler (akustiske signaler) som kan overføres av kanalen, og i mottakerenden skal signalene i mediet endres tilbake til informasjonsbiter. Dette er oppgaven til det akustiske undervannsmodemet, som hovedsakelig involverer tre aspekter: Mediekonvertering (som: elektroakustisk signalkonvertering), frekvensbåndutnyttelseseffektivitet, kanaltilpasningsevne. Modulasjonsmetodene som vanligvis brukes i akustisk undervannskommunikasjon er delt inn i to kategorier, den ene er ikke-koherent modulasjon, for eksempel frequency shift keying (FSK), og den andre er koherent modulasjonsmetode, for eksempel phase shift keying (PSK) og kvadraturamplitudemodulasjon. (QAM). Ikke-koherent modulasjon har god robusthet overfor tøffe akustiske undervannsmiljøer, men hastigheten er lav; Koherent modulasjonsmetode har høy kodingseffektivitet og høyfrekvensbåndutnyttelse, men overføringsavstanden er begrenset. Noen teknologier er både det fysiske laget.

 

Forplantningsmediet til det undervanns akustiske sensornettverket er vann, som er svært forskjellig fra middels luften i det terrestriske sensornettverket. Nettverksprotokollen som kan brukes effektivt på land kan derfor ikke brukes på det akustiske undervannsnettverket. Vi starter med de akustiske forplantningsegenskapene til vann og diskuterer effekten av lyd. Lære kommunikasjonsfaktorene og analysere vanskelighetene det forårsaker for de ulike lagene i nettverksprotokollstabelen.

 

4.1 «Fysiske faktorer som påvirker akustisk undervannskommunikasjon

4.1.1 'Lang forplantningsforsinkelse og stor forsinkelsesvarians Utbredelseshastigheten til elektromagnetiske bølger i luften er 200 000 ganger forplantningshastigheten til lydbølger i vann. Den langsomme lydhastigheten gjør forplantningsforsinkelsen veldig stor, med en forsinkelse på ca. 0,67 s per kilometer, og samtidig den akustiske variasjonen til undervannsforsinkelsen, stor Førstnevnte påvirker gjennomstrømningen til nettverket, og sistnevnte gjør noen tidsbaserte protokoller ubrukelige.

 

4.1.2 'Stort forplantningstap (også kalt banetap)

I følge Uricks forplantningsmodell er forplantningstap summen av tap forårsaket av ekspansjon og dempning. Dempningstap inkluderer effekten av absorpsjon, spredning og lydenergi som lekker ut av lydkanalen. Absorpsjon er forårsaket av konvertering av lydenergi til termisk energi, som øker med frekvens og avstand. Ekspansjonstap refererer til utvidelsen av akustisk energi forårsaket av ekspansjon av bølgefronten. Det inkluderer hovedsakelig sfærisk ekspansjon (rundtgående ekspansjon) av punktkilder i dyphavsmiljøer. Utbredelsestapet øker med kvadratet på avstanden; og sylindrisk ekspansjon i grunt vannmiljøer. Utvidelse på horisontalplanet øker forplantningstapet med avstanden. Siden utbredelsestapet av akustiske signaler øker med økningen av frekvens og avstand, er det tilgjengelige frekvensbåndet til den akustiske undervannskanalen svært begrenset, og forplantningsavstanden er også begrenset. Derfor, i undervannskommunikasjonsnettverket, hvis du ønsker å utføre langdistansekommunikasjon, kan du bare velge en lav kodehastighet; hvis du ønsker å velge høy koderate, kan du kun utføre kortdistansekommunikasjon. Generelt sett, for å få forplantningsavstanden til å nå 10-100 km, er den tilgjengelige båndbredden i området 2-5kHz; mellomdistanseoverføringen er 1-10 km, og båndbredden er i størrelsesorden 10kHz; hvis det brukte frekvensbåndet er større enn 100kHz, må forplantningsavstanden være mindre enn 100m.

 

4.1.3 'Alvorlige flere ruter

Flerveisfenomenet er forårsaket av eksistensen av mer enn én forplantningsvei mellom lydkilden og mottakeren, og det forekommer ofte i grunt hav og langdistanseutbredelse. Enkelt sagt kan et signal fra en enkelt lydkilde motta flere signaler som ankommer til forskjellige tider på mottakersiden på grunn av eksistensen av flere baner. Multi-path vil forårsake svingninger i signalamplitude og fase. På grunn av ulik utbredelsestid for forskjellige baner, vil det forårsake alvorlig signalforvrengning, vil føre til dekorrelasjon av mottatte signaler mellom forskjellige mottakere, og multi-path vil også forårsake båndbreddeutvidelse. Disse vil forringe kommunikasjonssignalet alvorlig og forårsake inter-symbol interferens. Multipath er også relatert til posisjon og avstand mellom lydkilden og mottakeren. Tar vi havbunnsplanet som referanse, er flerveispåvirkningen til den vertikale kanalen liten, og flerveispåvirkningen til den horisontale kanalen er stor.

 

Omgivelsesstøy er en samling av mange faktorer, som er relatert til tidevann, turbulens, havvind og bølger, og tordenvær. Skipsstøy er også en viktig støykilde. I motsetning til situasjonen hvor støyen fra dyphavet er relativt sikker, vil miljøstøyen fra det grunne havet, spesielt kystvann, bukter og havner, endre seg betydelig med tid og sted. Støyen er hovedsakelig sammensatt av skips- og industristøy, eolisk støy og biologisk støy. Omgivelsesstøy vil redusere signal-til-støy-forholdet til signalet og påvirke ytelsen til akustisk undervannskommunikasjon. 4.1.5' Dopplerdispersjon Alvorlig dopplerforskyvning er forårsaket av den relative bevegelsen til lydkilden og mottakeren. Siden lydhastigheten er 200 000 ganger langsommere enn hastigheten til elektromagnetiske bølger, kan en svært liten hastighet forårsake dopplerfrekvensskifte, og på grunn av kanalen vil den akustiske undervannsbærefrekvensen under vann utgjøre en lavere faktor enn den trådløse bærefrekvensen som utgjør en lavere faktor enn Doppler. Kommunikasjon i luften er mye større. Hvis Doppler kun produserer en enkel frekvenstransformasjon, er kompensasjonen av mottakeren relativt enkel, på grunn av at det finnes flere baner, når det akustiske signalet treffer havoverflaten en eller flere ganger, vil det oppstå forskjellige Doppler-skift mellom hver bane, noe som er vanskelig å kompensere for, når det vil redusere interferens-hastigheten.