Utveckling och tillämpning av undervattens akustisk givare

1 Grundkonceptet och historien för undervattens akustiska givarnätverk

 

De undervattens akustiska omvandlarnätverk  är produkten av populariseringen av global nätverksteknik. Nu när landet är anslutet via trådbundna optiska eller elektriska medel, och nätverket är anslutet via trådlösa nätverk eller till och med kommunikationssatelliter i luften, kan undervattensnätverket vara det enda kvarvarande jungfruliga landet som inte har odlats helt. Det är tänkbart att du en dag, när du slår på datorn och ansluter till Internet, omedelbart kan få realtidsdata om havsströmmar i det djupa Atlanten. Om en undervattenskamera är installerad kan du till och med se de färgglada fiskarna från den stora uppströms på din skärm. . Detta är uppgiften för nätverket av akustiska undervattensgivare: det akustiska undervattensnätverket används som ett sätt för informationsöverföring, undervattenssensorn används som fönster för informationsinsamling, och det akustiska undervattensnätverket införlivas slutligen i det konventionella nätverket på något sätt för att integrera undervattensdata som skickas till observatören. Eftersom ljudvågor är den enda formen av energi som kan sändas över långa avstånd i vattnet, har radiovågor ett mycket kort utbredningsavstånd i vatten, och ljus är inte heller lämpligt för undervattensmiljöer på grund av hög dämpning och spridning under vattnet. . Den akustiska undervattensgivaren är ett trådlöst nätverk som består av akustiska undervattensvågor som informationsbärare. Det är analogt med ett trådlöst nätverk i luften, förutom att informationsbäraren i luften är radiovågor och informationsbäraren i vattnet är ljudvågor. Det akustiska undervattensnätverket måste lösa två tekniska problem, det ena är en undervattens akustisk kommunikationsgivare, och det andra är nätverk baserat på akustisk kommunikation. Den akustiska undervattenskommunikationen löser punkt-till-punkt-kommunikationen mellan två användare (eller informationskällor), och nätverket löser problemet med informationsinteraktion när flera användare (eller informationskällor) delar vattenmediekanalen. Som en framväxande teknik under utveckling, är anledningen till att utvecklingen av akustiska undervattensnätverk ligger långt efter det trådlösa nätverket i luften, till stor del begränsad av utvecklingen av akustisk undervattenskommunikationsteknik. Den tidigaste akustiska undervattenskommunikationen kan spåras tillbaka till amplitudmodulering (AM) och enkelsidband (SSB) undervattenstelefoner för analog data på 1950-talet; det fanns några analoga system före 1970-talet, på grund av amplitudmoduleringen i den akustiska efterklangsmiljön under vattnet. Med utvecklingen av VLSI-teknologin, tillämpades undervattens digitala frekvensskiftnyckelteknik (FSK) i början av 1980-talet. Den är robust för kanalens tids- och frekvensspridning. Den akustiska koherenta undervattenskommunikationen dök upp i slutet av 1980-talet. Jämfört med icke-koherent kommunikation kan den koherenta akustiska undervattenskommunikationstekniken förbättra bandbreddseffektiviteten för den begränsade bandbredden undervattens akustiska kanalen. Men på grund av hårdheten och komplexiteten hos den akustiska undervattenskanalen har den akustiska undervattenskommunikationen inte startat. Det accepterades att produkten av avstånd och hastighet för akustisk undervattenskommunikation vid den tiden var cirka 0,5 km. På 1990-talet, på grund av utvecklingen av DSP-chipteknologi och digital kommunikationsteori, kan många komplexa kanalutjämningstekniker realiseras, vilket drev utvecklingen av undervattens akustisk koherent kommunikationsteknik och vände sig till studiet av horisontell kanalkommunikation, eftersom flervägseffekten av kanalen är mycket mer komplicerad än den för den vertikala kanalen i djuphavet. I mitten av 1990-talet nådde hastighets- och avståndsprodukten av en akustisk kommunikationsgivare för undervattenskommunikation i den grunda havsmiljön 40 km× kbit, vilket gjorde etableringen av en akustisk undervattensgivare. En nyckelkomponent i undervattensnätverk är framväxten av akustiska undervattensmodem. Det tidigaste konceptet för tillämpning av akustiska undervattensgivare var Autonomous Ocean Sampling Network (AOSN) 1993. USA har startat ett årligt experiment 1998 för att verifiera konceptet med akustisk undervattensgivare. Sedan mitten av 1990-talet har akustisk kommunikationsteknik under vatten och undervattensnätverksteknik utvecklats stadigt samtidigt. Men på grund av vattenmediets särdrag och komplexitet (såsom hög tidsfördröjning, stor dämpning, flervägs- och frekvensskifte) används det på land. Trådlös nätverksteknik kan inte tillämpas direkt på undervattensnätverk, och forskning om undervattenskanaler, undervattenskommunikation och undervattensnätverksprotokoll är i framkant. Samtidigt, från 1990-talet fram till idag, har utvecklingen av markbundna trådlösa sensornätverk baserade på kortdistans trådlös kommunikation också gått mycket snabbt. Det kan sägas att undervattens akustiska sensornätverk är en utvidgning av konceptet med terrestra sensornätverk till undervattensapplikationer. Det akustiska sensornätverket under vattnet består av flera sensornoder. Noderna kan vara fixerade, såsom förankrade bojar eller dränkbara mål, eller mobila, såsom undervattensrobotar (UV eller AUV). För närvarande kan nätverket för akustiska undervattenssensorer erhålla olika information beroende på de olika typerna av undervattenssensorer: det kan användas för oceanografisk datainsamling, övervakning av havsföroreningar, strandnära utveckling, katastrofförebyggande, undervattensnavigering och positioneringshjälp, insamling av marina resurser och datainsamling av vetenskaplig forskning, distribuerad taktisk övervakning, upptäckning av minspår och målupptäckning under vatten, och undervattensspårning. I korthet går det undervattens akustiska sensornätverket till att erhålla undervattensinformation genom olika sensornoder i ett visst undervattensområde, och bedriva akustisk kommunikation och nätverk med undervattensnoder, och slutligen passera genom specifika noder och re-radio I trådbunden och trådbunden form inkorporeras informationen som erhålls i täckningsområdet i det konventionella nätverket på stranden och skickas till observatörens undervattensnät. Du kan se flera egenskaper hos nätverket för akustiska undervattenssensorer: Den första är rörlighet. Eftersom det är rörligt måste det vara ett autonomt nätverk som kan självorganisera och följa en viss nätverksdirigeringsmetod; den andra är trådlös undervattenskommunikation och akustisk undervattenskommunikation, på grund av användningen av akustisk undervattenskommunikation, måste anpassas till den marina miljöns egenskaper och lösa de tekniska utmaningarna i det fysiska lagret; för det tredje är den energibegränsad, eftersom den är trådlös, så den är batteridriven; För det fjärde har den data. Reläfunktionen kan överföra övervakningsdata till stranden. För att överföra data effektivt och tillförlitligt måste ett visst nätverksprotokoll följas. Nätverkstopologin bestämmer routingmetoden, energiförlust, nätverkskapacitet och nätverkets tillförlitlighet, så nätverkstopologin måste introduceras först.

2 Topologisk struktur av undervattens akustiska sensornätverk

Liksom den trådlösa sensornätverksstrukturen på land kan den topologiska strukturen för det hydroakustiska sensornätverket under vattnet delas in i två kategorier: centraliserat nätverk (centraliserat nätverk) och distribuerat peer-to-peer-nätverk (distribuerat peer-to-peer-nätverk). I ett centraliserat nätverk realiseras kommunikationen mellan noder genom en central nod, och nätverket är anslutet till stamnätet genom denna centrala nod. Den största nackdelen med denna konfiguration är att det finns en enda felpunkt, det vill säga att felet i denna nod kommer att leda till fel i hela nätverket. Och eftersom räckvidden för ett enda modem är begränsad, är täckningen av det centraliserade nätverket begränsad. Figur 1 är ett schematiskt diagram över topologin för ett centraliserat nätverk. Peer-to-peer-nätverk innebär att det inte finns någon central nod för att 'administrera' dem, och varje nod har en relativt lika auktoritet. Enligt de olika routingmetoderna finns det vissa skillnader i peer-to-peer-nätverket. Ett helt anslutet peer-to-peer-nätverk ger direkta 'punkt-till-punkt'-anslutningar till två godtyckliga noder i nätverket. Denna topologi minskar behovet av routing. Men när noderna är utspridda i ett stort område finns det ett behov av kommunikation. Kraften har ökat kraftigt. Och det kommer också att finnas ett 'nära och fjärran'-problem, det vill säga när en nod A skickar ett datapaket till en fjärrnod, kommer den att blockera de närliggande noderna till nod A från att ta emot andra signaler.

 

Multi-hop peer-to-peer-nätverket kommunicerar endast mellan intilliggande noder, och ett meddelande fullbordas av flera hopp mellan noder från källan till destinationen. Multi-hop-systemet kan täcka ett större område, eftersom nätverkets räckvidd beror på antalet noder och inte längre begränsas av räckvidden för ett enda modem. Figur 2 är ett schematiskt diagram över multi-hop peer-to-peer-nätverkstopologin. Nätverket är ett nätverk för trådlösa mobilapplikationer, som tillhör ett multi-hop peer-to-peer-nätverk. Det behöver inte byggas infrastruktur i förväg, även känt som infrastrukturlöst nätverk (infrastrukturnätverk). Dess egenskaper är: autonomt nätverk, dynamisk topologi, bandbreddsbegränsning och variabel länkkapacitet, multi-hop-kommunikation, distribuerad kontroll, noder med begränsad energi och begränsad säkerhet. Eftersom den inte förlitar sig på infrastruktur kan den användas snabbt och täcka ett större område. Eftersom infrastrukturen som man kan lita på i vattnet är begränsad, och den rörliga AUV kommer att vara en viktig del av det akustiska sensornätverket under vatten (AUV kan förbättra prestanda hos undervattenssensornätverket), gör dess självorganiseringsförmåga och dynamiska topologi att AdHoc-nätverket är mycket lämpligt att användas i undervattens akustiska sensornätverk. Även om AdHoc-nätverket är lämpligt för användning av hydroakustiska nätverk, har dess säkerhetsfråga alltid varit ett forskningsämne. Faktum är att undervattenshydrofonsensornätverk bör vara en hybrid av ett centraliserat nätverk och ett peer-to-peer-nätverk. I litteraturen [16] introduceras ett tvådimensionellt och tredimensionellt hydroakustiskt sensornätverk. Tvådimensionell avser dimensionen av information som erhålls. I det tvådimensionella undervattens akustiska sensornätverket placeras sensornoder och datatranspondrar (Sink) på havsbotten, i ett litet område med Sink som centrum, och data från varje sensor kan finnas i den horisontella länken. För att nå Sink på ett direkt eller multi-hop sätt (Multi-hop peer-to-peer-nätverk), och sensordatan kan bara nå den vertikala länken på Sink-länken om den är framåtriktad. Eftersom endast informationen om ett visst område av havsbotten kan erhållas kallas det ett tvådimensionellt sensornätverk. I det tredimensionella undervattens akustiska sensornätverket kan djupet på det nedsänkbara målet kontrolleras, så att multisensornoderna i ett visst område är placerade på olika djup, så att havsinformationen för ett visst område och olika djup kan erhållas, så det kallas ett tredimensionellt undervattens akustiskt sensornätverk. I nätverkstopologin är det också ett peer-to-peer-nätverk med flera hopp. AUV kan nå olika djup i havet, i kombination med ett fast bottensensornätverk, kan även bilda ett tredimensionellt undervattens akustiskt sensornätverk. Det är värt att påpeka att på grund av akustiska sensornätverk under vatten finns det alltid problem med att komma åt andra konventionella nätverk på vattnet. Det finns en speciell nod som kallas ytstation, gateway eller masternod för att slutföra detta arbete. Den ska inte bara ha ett akustiskt modem för kommunikation med undervattensnät, utan även ett radio- eller kabelmodem för kommunikation med satellit- eller landbaserade nät. Ytstationen kan använda bojen som bärare, eller ytfartyget som bärare. Nätverkstopologin bestämmer routingmetoden, energiförlust, nätverkskapacitet och nätverkets tillförlitlighet. Studier har visat att ett nätverk som består av flera sensornoder fördelade med lika intervall längs en rak linje förbrukar mer ström än ett multi-hop peer-to-peer-nätverk enligt routingmetoden för ett helt anslutet peer-to-peer-nätverk; och nätverkskapaciteten påverkas också av nätverkstopologin.

 

3 Relaterade begrepp för akustiskt sensornätverk under vatten

Nätverket för akustiska undervattenssensorer är verkligen ett helt nytt område, men konceptet som det följer är detsamma som för den vanliga nätverksprotokollstacken. Tabell 1 är de vanligaste koncepten för nätverkslager. För enkelhetens skull diskuterar den här artikeln bara de tre grundläggande lagren: fysiskt lager, datalänkslager och nätverkslager. Problemet som det fysiska lagret ska lösa är hur man använder transmissionsmediet

 

 

Karakteristiken (dvs kanalegenskaper) och motsvarande moduleringsmetoder möjliggör effektiv dataöverföring. Akustisk kommunikation baserad på vattenmedium är ett typiskt fysiskt lagerproblem i nätverksprotokolllagret. I den sändande änden måste informationsbitarna omvandlas till signaler (akustiska signaler) som kan sändas av kanalen, och i den mottagande änden ska signalerna i mediet ändras tillbaka till informationsbitar. Detta är uppgiften för det akustiska undervattensmodemet, som huvudsakligen involverar tre aspekter: Mediakonvertering (som: elektroakustisk signalomvandling), frekvensbandsutnyttjandeeffektivitet, kanalanpassningsförmåga. Moduleringsmetoderna som vanligtvis används i akustisk undervattenskommunikation är indelade i två kategorier, den ena är icke-koherent modulering, såsom frekvensskiftnyckel (FSK), och den andra är koherent moduleringsmetod, såsom fasskiftnyckling (PSK) och kvadraturamplitudmodulering. (QAM). Icke-koherent modulering har god robusthet mot tuffa akustiska undervattensmiljöer, men hastigheten är låg; koherent moduleringsmetod har hög kodningseffektivitet och högfrekvensbandanvändning, men överföringsavståndet är begränsat. Vissa tekniker är både det fysiska lagret.

 

Utbredningsmediet för det undervattens akustiska sensornätverket är vatten, vilket skiljer sig mycket från mediumluften i det markbundna sensornätverket. Därför kan nätverksprotokollet som kan användas effektivt på land inte tillämpas på det akustiska undervattensnätet. Vi kommer att börja med vattens akustiska utbredningsegenskaper och diskutera effekterna av ljud. Lära oss kommunikationsfaktorerna och analysera svårigheterna det orsakar för de olika lagren i nätverksprotokollstacken.

 

4.1 'Fysiska faktorer som påverkar akustisk undervattenskommunikation

4.1.1 'Lång utbredningsfördröjning och stor fördröjningsvarians Utbredningshastigheten för elektromagnetiska vågor i luften är 200 000 gånger utbredningshastigheten för ljudvågor i vatten. Den långsamma ljudhastigheten gör utbredningsfördröjningen mycket stor, med en fördröjning på cirka 0,67 s per kilometer, och samtidigt den akösa karaktäristiska fördröjningen av vattnets undervattensvariation. stor Det förra påverkar nätverkets genomströmning, och det senare gör att vissa tidsbaserade protokoll inte fungerar.

 

4.1.2 'Stor spridningsförlust (även kallad vägförlust)

Enligt Uricks utbredningsmodell är utbredningsförlust summan av förluster orsakade av expansion och dämpning. Dämpningsförlust inkluderar effekterna av absorption, spridning och ljudenergi som läcker ut ur ljudkanalen. Absorption orsakas av omvandling av ljudenergi till termisk energi, som ökar med frekvens och avstånd. Expansionsförlust avser expansion av akustisk energi som orsakas av vågfrontsexpansion. Det omfattar främst sfärisk expansion (rundstrålande expansion) av punktkällor i djuphavsmiljöer. Utbredningsförlusten ökar med kvadraten på avståndet; och cylindrisk expansion i grunt vattenmiljöer. Expanderande på horisontalplanet ökar utbredningsförlusten med avståndet. Eftersom utbredningsförlusten av akustiska signaler ökar med ökningen av frekvens och avstånd, är det tillgängliga frekvensbandet för den akustiska undervattenskanalen mycket begränsat, och utbredningsavståndet är också begränsat. Därför, i undervattenskommunikationsnätverket, om du vill utföra långdistanskommunikation, kan du bara välja en låg kodhastighet; om du vill välja en hög kodhastighet kan du endast utföra kortdistanskommunikation. Generellt sett, för att få utbredningsavståndet att nå 10-100 km, är den tillgängliga bandbredden i intervallet 2-5 kHz; medeldistansöverföringen är 1-10 km, och bandbredden är i storleksordningen 10 kHz; om det använda frekvensbandet är större än 100kHz måste utbredningsavståndet vara mindre än 100m.

 

4.1.3 'Svåra flera rutter

Flervägsfenomenet orsakas av att det finns mer än en utbredningsväg mellan ljudkällan och mottagaren, och det förekommer ofta i grunt hav och långdistansutbredning. Enkelt uttryckt kan en signal från en enda ljudkälla ta emot flera signaler som anländer vid olika tidpunkter vid mottagningssidan på grund av att det finns flera vägar. Multi-path kommer att orsaka fluktuationer i signalamplitud och fas. På grund av olika utbredningstid för olika vägar kommer det att orsaka allvarlig signalförvrängning, leda till dekorrelation av mottagna signaler mellan olika mottagare, och flervägs kommer också att orsaka bandbreddsbreddning. Dessa kommer att allvarligt försämra kommunikationssignalen och orsaka inter-symbol interferens. Multipath är också relaterad till positionen och avståndet mellan ljudkällan och mottagaren. Med havsbottenplanet som referens är den vertikala kanalens flervägspåverkan liten och den horisontella kanalens flervägsinverkan stor.

 

Omgivningsbuller är en samling av många faktorer som är relaterade till tidvatten, turbulens, havsvindar och vågor samt åskväder. Fartygsbuller är också en viktig bullerkälla. Till skillnad från situationen där bullret från djuphavet är relativt säkert kommer omgivningsbullret från det grunda havet, särskilt kustvattnen, vikar och hamnar, att förändras avsevärt med tid och plats. Bullret består huvudsakligen av fartygs- och industribuller, eoliskt buller och biologiskt buller. Omgivningsbrus kommer att minska signal-brusförhållandet för signalen och påverka prestandan för akustisk undervattenskommunikation. 4.1.5' Dopplerdispersion Allvarlig dopplerförskjutning orsakas av den relativa rörelsen mellan ljudkällan och mottagaren. Eftersom ljudets hastighet är 200 000 gånger lägre än hastigheten för elektromagnetiska vågor, kan en mycket liten hastighet orsaka dopplerfrekvensförskjutning, och på grund av kanalen, är den undervattens akustiska bärarfrekvensen den lägre faktorn för vatten som utgörs av den trådlösa bärvågsfrekvensen, den lägre faktorn än Dopplern. Kommunikationen i luften är mycket större Om Doppler endast producerar en enkel frekvensomvandling, är kompensationen av mottagaren relativt enkel, på grund av att det finns flera vägar, när den akustiska signalen träffar havsytan en eller flera gånger, kommer olika Doppler-förskjutningar att ske mellan varje väg, vilket är svårt att kompensera när det kommer att generera interferens- och frekvensbandet.