Opracowanie i zastosowanie podwodnego czujnika przetwornika akustycznego

1 Podstawowa koncepcja i historia podwodnej sieci przetworników akustycznych

 

The podwodna sieć przetworników akustycznych  jest efektem popularyzacji globalnej technologii sieciowej. Teraz, gdy ląd jest połączony za pomocą przewodowych środków optycznych lub elektrycznych, a sieć jest połączona za pośrednictwem sieci bezprzewodowych, a nawet satelitów komunikacyjnych w powietrzu, sieć podwodna może być jedynym pozostałym dziewiczym terenem, który nie został w pełni zagospodarowany. Można sobie wyobrazić, że pewnego dnia, gdy włączysz komputer i połączysz się z Internetem, będziesz mógł natychmiast uzyskać w czasie rzeczywistym dane dotyczące prądów oceanicznych w głębinach Oceanu Atlantyckiego. Jeśli zainstalowana jest kamera podwodna, na ekranie można nawet zobaczyć kolorowe ryby z górnego biegu rzeki. . Takie właśnie zadanie stoi przed podwodną siecią przetworników akustycznych: podwodna sieć akustyczna służy jako środek transmisji informacji, podwodny czujnik służy jako okno do pozyskiwania informacji, a podwodna sieć akustyczna zostaje ostatecznie w jakiś sposób włączona do konwencjonalnej sieci, aby zintegrować podwodne dane przesyłane do obserwatora. Ponieważ fale dźwiękowe są jedyną formą energii, która może być przenoszona w wodzie na duże odległości, fale radiowe mają w wodzie bardzo krótką drogę propagacji, a światło również nie nadaje się do środowisk podwodnych ze względu na duże tłumienie i rozpraszanie pod wodą. . Podwodny przetwornik akustyczny to sieć bezprzewodowa złożona z podwodnych fal akustycznych jako nośnika informacji. Jest to analogiczne do sieci bezprzewodowej w powietrzu, z tą różnicą, że nośnikiem informacji w powietrzu są fale radiowe, a nośnikiem informacji w wodzie są fale dźwiękowe. Podwodna sieć akustyczna musi rozwiązać dwa problemy techniczne, jeden to przetwornik podwodnej komunikacji akustycznej, a drugi to sieciowanie oparte na komunikacji akustycznej. Podwodna komunikacja akustyczna rozwiązuje komunikację punkt-punkt pomiędzy dwoma użytkownikami (lub źródłami informacji), a tworzenie sieci rozwiązuje problem interakcji informacji, gdy wielu użytkowników (lub źródeł informacji) korzysta z kanału medium wodnego. Jako nowa technologia w fazie rozwoju, powód, dla którego rozwój podwodnej sieci akustycznej pozostaje daleko w tyle za siecią bezprzewodową w powietrzu, jest w dużej mierze ograniczony przez rozwój technologii podwodnej komunikacji akustycznej. Najwcześniejszą podwodną komunikację akustyczną można prześledzić wstecz do podwodnych telefonów telefonicznych z modulacją amplitudy (AM) i jednostronną wstęgą boczną (SSB) do przesyłania danych analogowych w latach pięćdziesiątych XX wieku; przed latami 70. XX wieku istniało kilka systemów analogowych ze względu na modulację amplitudy w podwodnym środowisku pogłosu akustycznego. Wraz z rozwojem technologii VLSI, na początku lat 80. XX wieku zastosowano technologię podwodnego cyfrowego kluczowania częstotliwości (FSK). Jest odporny na rozkład czasu i częstotliwości kanału. Podwodna spójna komunikacja akustyczna pojawiła się pod koniec lat 80-tych. W porównaniu z komunikacją niespójną, technologia spójnej podwodnej komunikacji akustycznej może poprawić wydajność pasma podwodnego kanału akustycznego o ograniczonej przepustowości. Jednak ze względu na surowość i złożoność podwodnego kanału akustycznego, podwodna spójna komunikacja akustyczna nie została rozpoczęta. Przyjęto, że iloczyn odległości i prędkości podwodnej komunikacji akustycznej w tamtym czasie wynosił około 0,5 km. W latach 90., dzięki rozwojowi technologii chipów DSP i teorii komunikacji cyfrowej, można zrealizować wiele złożonych technologii wyrównywania kanałów, co doprowadziło do rozwoju podwodnej technologii spójnej komunikacji akustycznej i zwróciło się ku badaniu komunikacji w kanałach poziomych, ponieważ efekt wielodrożności kanału jest znacznie bardziej skomplikowany niż efekt kanału pionowego w głębinach morskich. W połowie lat 90. iloczyn prędkości i odległości podwodnego przetwornika komunikacji akustycznej w środowisku płytkiego morza osiągnął 40 km× kbit, co umożliwiło utworzenie podwodnego przetwornika akustycznego. Przełomowym i kluczowym elementem sieci podwodnych jest pojawienie się podwodnych modemów akustycznych. Najwcześniejszą koncepcją zastosowania podwodnego przetwornika akustycznego była Autonomous Ocean Sampling Network (AOSN) z 1993 r. Stany Zjednoczone rozpoczęły w 1998 r. coroczny eksperyment weryfikujący koncepcję podwodnego przetwornika akustycznego. Od połowy lat 90. XX wieku technologia podwodnej komunikacji akustycznej i technologia sieci podwodnych stale się rozwijają. Jednakże ze względu na specyfikę i złożoność ośrodka wodnego (takie jak duże opóźnienie czasowe, duże tłumienie, wielodrożność i przesunięcie częstotliwości) jest on stosowany na lądzie. Technologii sieci bezprzewodowych nie można bezpośrednio zastosować w sieciach podwodnych, a badania nad kanałami podwodnymi, komunikacją podwodną i protokołami sieci podwodnych zyskują na popularności. Jednocześnie, od lat 90. XX wieku do chwili obecnej, bardzo szybki jest także rozwój naziemnych bezprzewodowych sieci czujników opartych na komunikacji bezprzewodowej krótkiego zasięgu. Można powiedzieć, że podwodna sieć czujników akustycznych stanowi rozwinięcie koncepcji naziemnej sieci czujników do zastosowań podwodnych. Podwodna sieć czujników akustycznych składa się z wielu węzłów czujnikowych. Węzły mogą być stałe, np. zakotwiczone boje lub cele podwodne, lub mobilne, np. roboty podwodne (UV lub AUV). Obecnie sieć podwodnych czujników akustycznych może uzyskiwać różne informacje w zależności od różnych typów czujników podwodnych: może być wykorzystywana do gromadzenia danych oceanograficznych, monitorowania zanieczyszczeń morza, rozwoju obszarów przybrzeżnych, zapobiegania katastrofom, nawigacji podwodnej i pomocy w pozycjonowaniu, pozyskiwania danych z badań zasobów morskich i badań naukowych, rozproszonego monitorowania taktycznego, rozpoznania min oraz wykrywania, śledzenia i pozycjonowania podwodnych celów. Krótko mówiąc, podwodna sieć czujników akustycznych ma za zadanie pozyskiwać informacje podwodne za pośrednictwem różnych węzłów sensorowych na określonym obszarze podwodnym, prowadzić komunikację akustyczną i tworzenie sieci z węzłami podwodnymi, a na koniec przejść przez określone węzły i ponownie przetransmitować radio. Można dostrzec kilka cech charakterystycznych podwodnej sieci czujników akustycznych: Pierwszą jest mobilność. Ponieważ jest ruchoma, musi to być sieć autonomiczna, która może się samoorganizować i postępować zgodnie z określoną metodą routingu sieciowego; drugi to podwodna komunikacja bezprzewodowa i podwodna komunikacja akustyczna, ze względu na wykorzystanie podwodnej komunikacji akustycznej, musi być dostosowana do charakterystyki środowiska morskiego i rozwiązywać wyzwania techniczne warstwy fizycznej; po trzecie, jest ograniczony energetycznie, ponieważ jest bezprzewodowy, a więc zasilany bateryjnie; po czwarte, ma dane. Funkcja przekaźnika może przesyłać dane monitorowania na brzeg. Aby przesyłać dane skutecznie i niezawodnie, należy przestrzegać określonego protokołu sieciowego. Topologia sieci określa metodę routingu, straty energii, przepustowość sieci i niezawodność sieci, dlatego najpierw należy przedstawić topologię sieci.

2 Struktura topologiczna podwodnej sieci czujników akustycznych

Podobnie jak struktura sieci czujników bezprzewodowych na lądzie, strukturę topologiczną podwodnej sieci czujników hydroakustycznych można podzielić na dwie kategorie: sieć scentralizowaną (sieć scentralizowana) i rozproszoną sieć peer-to-peer (rozproszona sieć peer-to-peer). W sieci scentralizowanej komunikacja pomiędzy węzłami realizowana jest poprzez węzeł centralny, a sieć połączona jest z siecią szkieletową poprzez ten węzeł centralny. Główną wadą tej konfiguracji jest to, że istnieje jeden punkt awarii, co oznacza, że ​​awaria tego węzła doprowadzi do awarii całej sieci. A ponieważ zasięg pojedynczego modemu jest ograniczony, zasięg scentralizowanej sieci jest ograniczony. Rysunek 1 to schematyczny diagram topologii sieci scentralizowanej. Sieć peer-to-peer oznacza, że ​​nie ma centralnego węzła, który mógłby nimi „administrować”, a każdy węzeł ma stosunkowo równe uprawnienia. W zależności od różnych metod routingu istnieją pewne różnice w sieci peer-to-peer. W pełni połączona sieć peer-to-peer zapewnia bezpośrednie połączenia „punkt-punkt” z dwoma dowolnymi węzłami w sieci. Ta topologia zmniejsza potrzebę routingu. Kiedy jednak węzły są rozproszone na dużym obszarze, pojawia się potrzeba komunikacji. Moc znacznie wzrosła. Wystąpi także problem „bliski i daleki”, to znaczy, gdy węzeł A wysyła pakiet danych do węzła zdalnego, blokuje on sąsiednim węzłom węzła A odbieranie innych sygnałów.

 

Sieć typu peer-to-peer z wieloma przeskokami komunikuje się tylko między sąsiednimi węzłami, a komunikat jest uzupełniany przez wielokrotne przeskoki między węzłami od źródła do miejsca docelowego. System multi-hop może obejmować większy obszar, ponieważ zasięg sieci jest zależny od liczby węzłów i nie jest już ograniczony zasięgiem pojedynczego modemu. Figura 2 przedstawia schematyczny diagram topologii sieci typu peer-to-peer z wieloma przeskokami. Sieć jest siecią dla bezprzewodowych aplikacji mobilnych, która należy do wieloprzeskokowej sieci peer-to-peer. Nie wymaga wcześniejszego budowania infrastruktury, zwanej także siecią bez infrastruktury (sieć infrastrukturalna). Charakteryzuje się: siecią autonomiczną, topologią dynamiczną, ograniczeniem przepustowości i zmienną wydajnością łącza, komunikacją typu multi-hop, sterowaniem rozproszonym, węzłami o ograniczonej energii i ograniczonym bezpieczeństwem. Ponieważ nie jest zależny od infrastruktury, można go szybko wdrożyć i objąć większy obszar. Ponieważ infrastruktura, na której można polegać w wodzie, jest ograniczona, a ruchomy AUV będzie ważną częścią podwodnej sieci czujników akustycznych (AUV może zwiększyć wydajność podwodnej sieci czujników akustycznych), jej zdolność do samoorganizacji i dynamiczna topologia sprawiają, że sieć AdHoc doskonale nadaje się do stosowania w podwodnych sieciach czujników akustycznych. Chociaż sieć AdHoc nadaje się do zastosowania w sieci hydroakustycznej, jej bezpieczeństwo zawsze było przedmiotem badań. W rzeczywistości, podwodna sieć czujników hydrofonowych powinna być hybrydą sieci scentralizowanej i sieci peer-to-peer. W literaturze [16] przedstawia się dwuwymiarową i trójwymiarową sieć czujników hydroakustycznych. Dwuwymiarowość odnosi się do wymiaru uzyskiwanych informacji. W dwuwymiarowej podwodnej sieci czujników akustycznych węzły czujników i transpondery danych (Sink) są umieszczone na dnie morskim, na niewielkim obszarze z Sink w centrum, a dane z każdego czujnika mogą znajdować się w łączu poziomym, aby dotrzeć do Sink w sposób bezpośredni lub wieloprzeskokowy (sieć typu peer-to-peer z wieloma przeskokami), a dane z czujników mogą dotrzeć do stacji naziemnej tylko wtedy, gdy zostaną przesłane łączem pionowym przez Sink. Ponieważ można uzyskać informacje tylko o pewnym obszarze dna morskiego, nazywa się to dwuwymiarową siecią czujników. W trójwymiarowej sieci podwodnych czujników akustycznych można kontrolować głębokość podwodnego celu, tak aby węzły wielosensorowe w określonym obszarze znajdowały się na różnych głębokościach, dzięki czemu można uzyskać informacje o oceanie dla określonego obszaru i różnych głębokości, dlatego nazywa się to trójwymiarową podwodną siecią czujników akustycznych. W topologii sieci jest to także sieć typu peer-to-peer typu multi-hop. AUV może docierać do różnych głębokości oceanu, w połączeniu ze stałą siecią czujników dennych, może również tworzyć trójwymiarową podwodną sieć czujników akustycznych. Warto zaznaczyć, że ze względu na podwodne sieci czujników akustycznych zawsze istnieje problem dostępu do innych konwencjonalnych sieci na wodzie. Istnieje specjalny węzeł zwany stacją powierzchniową, bramą lub węzłem głównym, który wykonuje tę pracę. Musi posiadać nie tylko modem akustyczny do komunikacji z sieciami podwodnymi, ale także modem radiowy lub kablowy do komunikacji z sieciami satelitarnymi lub lądowymi. Stacja nawodna może używać boi jako nośnika lub statku nawodnego jako nośnika. Topologia sieci określa metodę routingu, straty energii, przepustowość sieci i niezawodność sieci. Badania wykazały, że sieć złożona z wielu węzłów czujnikowych rozmieszczonych w równych odstępach wzdłuż linii prostej zużywa więcej energii niż wieloprzeskokowa sieć typu peer-to-peer, zgodnie z metodą routingu w pełni połączonej sieci typu peer-to-peer; topologia sieci ma również wpływ na przepustowość sieci.

 

3 Pojęcia pokrewne warstwy sieci podwodnych czujników akustycznych

Podwodna sieć czujników akustycznych to rzeczywiście zupełnie nowa dziedzina, ale koncepcja, którą się w niej kieruje, jest taka sama, jak w przypadku powszechnie używanego stosu protokołów sieciowych. Tabela 1 przedstawia powszechnie stosowane koncepcje warstwy sieciowej. Dla uproszczenia w tym artykule omówiono jedynie podstawowe trzy warstwy: warstwę fizyczną, warstwę łącza danych i warstwę sieciową. Problemem, który rozwiązuje warstwa fizyczna, jest sposób wykorzystania medium transmisyjnego

 

 

Charakterystyka (tj. charakterystyka kanału) i odpowiednie metody modulacji umożliwiają efektywną transmisję danych. Komunikacja akustyczna oparta na medium wodnym jest typowym problemem warstwy fizycznej w warstwie protokołu sieciowego. Po stronie nadawczej bity informacyjne muszą zostać zamienione na sygnały (sygnały akustyczne), które mogą być przesłane przez kanał, a po stronie odbiorczej sygnały w medium muszą zostać zamienione z powrotem na bity informacyjne. Takie jest zadanie podwodnego modemu akustycznego, które obejmuje głównie trzy aspekty: konwersję mediów (np. konwersję sygnału elektroakustycznego), efektywność wykorzystania pasma częstotliwości, możliwość adaptacji kanałów. Metody modulacji powszechnie stosowane w podwodnej komunikacji akustycznej dzielą się na dwie kategorie: jedna to modulacja niekoherentna, taka jak kluczowanie z przesunięciem częstotliwości (FSK), a druga to metoda modulacji spójnej, taka jak kluczowanie z przesunięciem fazowym (PSK) i kwadraturowa modulacja amplitudy. (QAM). Modulacja niespójna charakteryzuje się dobrą odpornością na trudne podwodne środowisko akustyczne, ale szybkość jest niska; Spójna metoda modulacji ma wysoką wydajność kodowania i wykorzystanie pasma wysokiej częstotliwości, ale odległość transmisji jest ograniczona. Niektóre technologie obejmują zarówno warstwę fizyczną.

 

Medium propagacyjnym podwodnej sieci czujników akustycznych jest woda, która bardzo różni się od ośrodka powietrznego naziemnej sieci czujników akustycznych. Dlatego też protokół sieciowy, który można skutecznie wykorzystać na lądzie, nie może być zastosowany w podwodnej sieci akustycznej. Zaczniemy od charakterystyki propagacji akustycznej wody i omówimy skutki dźwięku. Poznanie czynników komunikacji i analiza trudności, jakie powoduje ona dla różnych warstw stosu protokołów sieciowych.

 

4.1 „Czynniki fizyczne wpływające podwodna komunikacja akustyczna

4.1.1 `Duże opóźnienie propagacji i duża wariancja opóźnienia Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych w powietrzu jest 200 000 razy większa od prędkości propagacji fal dźwiękowych w wodzie. Mała prędkość dźwięku powoduje, że opóźnienie propagacji jest bardzo duże, z opóźnieniem około 0,67 s na kilometr, a jednocześnie zmienna w czasie charakterystyka podwodnego kanału akustycznego powoduje, że wariancja opóźnienia jest bardzo duża. To pierwsze wpływa na przepustowość sieci, a drugie sprawia, że niektóre protokoły oparte na czasie nie działają.

 

4.1.2 „Duża utrata propagacji (zwana także utratą ścieżki)

Według modelu propagacji Uricka strata propagacji to suma strat spowodowanych rozszerzaniem i tłumieniem. Strata tłumienia obejmuje efekty absorpcji, rozpraszania i wyciekania energii dźwiękowej z kanału dźwiękowego. Absorpcja jest spowodowana przemianą energii dźwięku w energię cieplną, która wzrasta wraz z częstotliwością i odległością. Strata rozszerzalności odnosi się do ekspansji energii akustycznej spowodowanej rozszerzaniem się czoła fali. Obejmuje ona głównie ekspansję sferyczną (ekspansję dookólną) źródeł punktowych w środowiskach głębinowych. Straty propagacyjne rosną wraz z kwadratem odległości; i cylindryczna ekspansja w środowiskach płytkich wód. Rozszerzając się w płaszczyźnie poziomej, strata propagacji wzrasta wraz z odległością. Ponieważ strata propagacji sygnałów akustycznych wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości i odległości, dostępne pasmo częstotliwości podwodnego kanału akustycznego jest bardzo ograniczone, podobnie jak odległość propagacji. Dlatego w podwodnej sieci komunikacyjnej, jeśli chcesz prowadzić komunikację na duże odległości, możesz wybrać tylko niską szybkość kodowania; jeśli chcesz wybrać wysoki współczynnik kodowania, możesz prowadzić tylko komunikację na małe odległości. Ogólnie rzecz biorąc, aby odległość propagacji osiągnęła 10-100 km, dostępna szerokość pasma mieści się w zakresie 2-5 kHz; transmisja na średnie odległości wynosi 1-10 km, a szerokość pasma jest rzędu 10 kHz; jeżeli wykorzystywane pasmo częstotliwości jest większe niż 100 kHz, odległość propagacji musi być mniejsza niż 100 m.

 

4.1.3 „Kilka trudnych tras

Zjawisko wielodrogowości spowodowane jest istnieniem więcej niż jednej ścieżki propagacji pomiędzy źródłem dźwięku a odbiornikiem i często występuje w płytkich morzach oraz przy propagacji na duże odległości. Mówiąc najprościej, sygnał z jednego źródła dźwięku może odbierać wiele sygnałów docierających do odbiorcy w różnym czasie ze względu na istnienie wielu ścieżek. Tryb wielościeżkowy powoduje wahania amplitudy i fazy sygnału. Ze względu na różny czas propagacji różnych ścieżek, spowoduje to poważne zniekształcenie sygnału, doprowadzi do dekorelacji odbieranych sygnałów pomiędzy różnymi odbiornikami, a wielościeżowość spowoduje również poszerzenie pasma. Powodują one poważne pogorszenie sygnału komunikacyjnego i powodują zakłócenia między symbolami. Wielodrożność jest również powiązana z pozycją i odległością pomiędzy źródłem dźwięku a odbiornikiem. Biorąc za punkt odniesienia płaszczyznę dna morskiego, wielodrożny wpływ kanału pionowego jest niewielki, a wielodrożny wpływ kanału poziomego jest duży.

 

Hałas w środowisku to zbiór wielu czynników związanych z pływami, turbulencjami, wiatrami i falami morskimi oraz burzami. Hałas statków jest również ważnym źródłem hałasu. W przeciwieństwie do sytuacji, w której hałas głębinowych jest stosunkowo pewny, hałas środowiskowy płytkiego morza, zwłaszcza wód przybrzeżnych, zatok i portów, będzie się znacząco zmieniał w czasie i miejscu. Hałas składa się głównie z hałasu statków i przemysłu, hałasu eolicznego i hałasu biologicznego. Hałas otoczenia zmniejszy stosunek sygnału do szumu i wpłynie na wydajność podwodnej komunikacji akustycznej. Dyspersja Dopplera 4,1,5 cala Poważne przesunięcie Dopplera jest spowodowane względnym ruchem źródła dźwięku i odbiornika. Ponieważ prędkość dźwięku jest 200 000 razy mniejsza niż prędkość fal elektromagnetycznych, bardzo mała prędkość może spowodować przesunięcie częstotliwości dopplerowskiej, a ze względu na kanał częstotliwość nośnej akustyki podwodnej jest niższa. Te dwa czynniki sumują się, tworząc wpływ Dopplera w wodzie niż Bezprzewodowa komunikacja w powietrzu jest znacznie większa. Jeśli Doppler wytwarza tylko Dzięki prostej transformacji częstotliwości kompensacja odbiornika jest stosunkowo łatwa. Jednakże ze względu na istnienie wielu ścieżek, gdy sygnał akustyczny uderza w powierzchnię morza raz lub więcej razy, pomiędzy każdą ścieżką wystąpią różne przesunięcia Dopplera, co jest trudne do skompensowania w przypadku szybkiej transmisji danych, spowoduje to zakłócenia między symbolami i zmniejszy wydajność pasma częstotliwości.