Розробка та застосування датчика підводного акустичного перетворювача

1 Основна концепція та історія мережі підводних акустичних перетворювачів

 

The Мережа підводних акустичних перетворювачів  є продуктом популяризації глобальних мережевих технологій. Тепер, коли земля з’єднана через дротові оптичні чи електричні засоби, а мережа – через бездротові мережі або навіть супутники зв’язку в повітрі, підводна мережа може бути єдиною незайманою землею, яка ще не була повністю оброблена. Цілком можливо, що одного разу, увімкнувши комп’ютер і підключившись до Інтернету, ви зможете одразу отримати дані про морські течії в глибинах Атлантичного океану в реальному часі. Якщо встановлена ​​підводна камера, ви навіть можете побачити на екрані різнокольорових риб великого верхів'я. . Це завдання, яке стоїть перед мережею підводних акустичних перетворювачів: підводна акустична мережа використовується як засіб передачі інформації, підводний датчик використовується як вікно для отримання інформації, і підводна акустична мережа, нарешті, об’єднується в звичайну мережу певним чином для інтеграції підводних даних, що надсилаються спостерігачеві. Оскільки звукові хвилі є єдиною формою енергії, яка може передаватися на великі відстані у воді, радіохвилі мають дуже коротку відстань поширення у воді, а світло також не підходить для підводного середовища через високе затухання та розсіювання під водою. . Підводний акустичний перетворювач - це бездротова мережа, що складається з підводних акустичних хвиль як носія інформації. Це аналог бездротової мережі в повітрі, за винятком того, що носієм інформації в повітрі є радіохвилі, а носієм інформації у воді є звукові хвилі. Підводна акустична мережа повинна вирішувати дві технічні проблеми, одна - перетворювач підводного акустичного зв'язку, а інша - мережа на основі акустичного зв'язку. Підводний акустичний зв’язок вирішує зв’язок «точка-точка» між двома користувачами (або джерелами інформації), а мережа вирішує проблему інформаційної взаємодії, коли кілька користувачів (або джерел інформації) спільно використовують канал водного середовища. Причина, чому розвиток підводної акустичної мережі значно відстає від бездротової мережі в повітрі, значною мірою обмежена розвитком технології підводного акустичного зв’язку, оскільки це нова технологія, що знаходиться на стадії розробки. Найдавніший підводний акустичний зв’язок можна простежити до підводних телефонів з амплітудною модуляцією (AM) і односмугових (SSB) для аналогових даних у 1950-х роках; до 1970-х років існувало кілька аналогових систем через амплітудну модуляцію в середовищі підводної акустичної реверберації. З розвитком технології НВІС на початку 1980-х років була застосована технологія підводної цифрової частотної маніпуляції (FSK). Він стійкий до часового та частотного розкиду каналу. Підводний акустичний когерентний зв'язок з'явився наприкінці 1980-х років. У порівнянні з некогерентним зв’язком технологія когерентного підводного акустичного зв’язку може підвищити ефективність пропускної здатності підводного акустичного каналу з обмеженою пропускною здатністю. Однак через жорсткість і складність підводного акустичного каналу підводний акустичний когерентний зв'язок не почався. Вважалося, що добуток відстані і швидкості підводного акустичного зв'язку в той час становив близько 0,5 км. У 1990-х роках, завдяки розвитку технології мікросхем DSP і теорії цифрового зв’язку, можна було реалізувати багато складних технологій вирівнювання каналів, які спонукали до розвитку технології когерентного підводного акустичного зв’язку та звернулися до вивчення зв’язку по горизонтальному каналу, оскільки ефект багатопроменевого поширення каналу є набагато складнішим, ніж ефект вертикального каналу в глибокому морі. У середині 1990-х років добуток швидкості та відстані підводного акустичного перетворювача зв’язку в мілководному морському середовищі досяг 40 км × кбіт, що змусило створити підводний акустичний перетворювач. Знаковим ключовим компонентом підводних мереж є поява підводних акустичних модемів. Найпершою концепцією застосування підводного акустичного перетворювача була Автономна мережа відбору проб океану (AOSN) у 1993 році. Сполучені Штати почали щорічний експеримент у 1998 році для перевірки концепції підводного акустичного перетворювача. З середини 1990-х років технології підводного акустичного зв'язку та технології підводних мереж стабільно розвиваються одночасно. Однак через особливість і складність водного середовища (наприклад, велику затримку часу, велике загасання, багатопроменевість і зсув частоти) його використовують на суші. Бездротова мережева технологія не може бути безпосередньо застосована до підводних мереж, тому дослідження підводних каналів, підводного зв’язку та протоколів підводних мереж перебувають на стадії зростання. У той же час, починаючи з 1990-х років і до теперішнього часу, розвиток наземних бездротових сенсорних мереж на основі бездротового зв'язку малої дальності також був дуже швидким. Можна сказати, що підводна акустична сенсорна мережа є розширенням концепції наземної сенсорної мережі для підводних застосувань. Мережа підводних акустичних датчиків складається з кількох сенсорних вузлів. Вузли можуть бути стаціонарними, як-от закріплені буї чи підводні цілі, або мобільними, як-от підводні роботи (UV або AUV). В даний час мережа підводних акустичних датчиків може отримувати різну інформацію відповідно до різних типів підводних датчиків: її можна використовувати для збору океанографічних даних, моніторингу забруднення моря, розробки прибережних районів, запобігання катастрофам, підводної навігації та допомоги в позиціонуванні, огляду морських ресурсів і збору даних наукових досліджень, розподіленого тактичного моніторингу, розвідки мін, а також виявлення підводних цілей, відстеження та позиціонування. Коротше кажучи, мережа підводних акустичних датчиків призначена для отримання підводної інформації через різні сенсорні вузли в певній підводній зоні та проведення акустичного зв’язку та створення мережі з підводними вузлами, і, нарешті, проходження через певні вузли та повторне радіо. У дротовому та дротовому вигляді інформація, отримана в зоні покриття, включається в звичайну мережу на березі та надсилається до підводної підмережі спостерігача. Ви можете побачити кілька характеристик мережі підводних акустичних датчиків: Перша – це мобільність. Оскільки він рухомий, він має бути автономною мережею, яка може самоорганізовуватися та дотримуватися певного методу мережевої маршрутизації; по-друге, підводний бездротовий та підводний акустичний зв’язок, завдяки використанню підводного акустичного зв’язку, має бути адаптованим до характеристик морського середовища та вирішувати технічні проблеми фізичного рівня; по-третє, він обмежений енергоспоживанням, оскільки він бездротовий, тому живиться від акумулятора; по-четверте, він має дані Функція реле може передавати дані моніторингу на берег. Для ефективної та надійної передачі даних необхідно дотримуватися певного мережевого протоколу. Топологія мережі визначає метод маршрутизації, втрати енергії, пропускну здатність мережі та надійність мережі, тому топологія мережі повинна бути введена спочатку.

2 Топологічна структура підводної акустичної сенсорної мережі

Подібно до структури мережі бездротових датчиків на землі, топологічну структуру мережі підводних гідроакустичних датчиків можна розділити на дві категорії: централізована мережа (централізована мережа) і розподілена однорангова мережа (розподілена однорангова мережа). У централізованій мережі зв'язок між вузлами здійснюється через центральний вузол, і мережа підключається до магістральної мережі через цей центральний вузол. Основним недоліком такої конфігурації є наявність єдиної точки відмови, тобто вихід з ладу цього вузла призведе до відмови всієї мережі. А оскільки радіус дії одного модему обмежений, покриття централізованої мережі обмежене. На малюнку 1 представлено принципову схему топології централізованої мережі. Однорангова мережа означає, що немає центрального вузла, який би ними 'адміністрував', і кожен вузол має відносно рівні повноваження. Відповідно до різних методів маршрутизації, існують деякі відмінності в одноранговій мережі. Повністю з’єднана однорангова мережа забезпечує пряме з’єднання «точка-точка» з двома довільними вузлами в мережі. Ця топологія зменшує потребу в маршрутизації. Однак, коли вузли розкидані на великій території, виникає потреба в комунікації. Потужність значно зросла. Існуватиме також проблема «близького та далекого», тобто коли вузол A надсилає пакет даних до віддаленого вузла, він блокуватиме сусідні вузли вузла A від отримання інших сигналів.

 

Однорангова мережа з кількома стрибками спілкується лише між суміжними вузлами, а повідомлення завершується кількома стрибками між вузлами від джерела до пункту призначення. Система з кількома стрибками може охоплювати більшу територію, оскільки радіус дії мережі залежить від кількості вузлів і більше не обмежується радіусом дії одного модему. На рисунку 2 показана схематична діаграма топології однорангової мережі з кількома стрибками. Мережа є мережею для бездротових мобільних додатків, яка належить до однорангової мережі з кількома стрибками. Для цього не потрібно будувати інфраструктуру заздалегідь, також відому як безінфраструктурна мережа (інфраструктурна мережа). Його характеристики такі: автономна мережа, динамічна топологія, обмеження пропускної здатності та змінна пропускна здатність каналу зв’язку, зв’язок з кількома стрибками, розподілене керування, вузли з обмеженою енергією та обмежена безпека. Оскільки він не залежить від інфраструктури, його можна швидко розгорнути та охопити більшу територію. Оскільки інфраструктура, на яку можна покластися у воді, обмежена, а рухомий AUV буде важливою частиною мережі підводних акустичних датчиків (AUV може покращити продуктивність мережі підводних датчиків), його здатність до самоорганізації та динамічна топологія роблять мережу AdHoc дуже придатною для використання в мережах підводних акустичних датчиків. Хоча мережа AdHoc підходить для застосування гідроакустичної мережі, питання її безпеки завжди було темою дослідження. Фактично, Мережа датчиків підводного гідрофона повинна бути гібридом централізованої мережі та однорангової мережі. У літературі [16] представлена ​​двовимірна та тривимірна гідроакустична сенсорна мережа. Двомірність відноситься до розмірності отриманої інформації. У двовимірній мережі підводних акустичних датчиків вузли датчиків і транспондери даних (Sink) розміщені на морському дні, у невеликій зоні з Sink як центром, і дані кожного датчика можуть бути в горизонтальному каналі зв’язку. Щоб досягти Sink прямим або багатоканальним шляхом (багатошагова однорангова мережа), і дані датчика можуть досягати наземної станції, лише якщо вони передаються по вертикальному каналу через Sink. Оскільки можна отримати інформацію лише про певну ділянку морського дна, її називають двовимірною сенсорною мережею. У тривимірній мережі підводних акустичних датчиків можна контролювати глибину занурюваної цілі, так що мультисенсорні вузли в певній області розташовані на різних глибинах, тому можна отримати інформацію про океан певної області та різних глибин, тому її називають тривимірною мережею підводних акустичних датчиків. У топології мережі це також однорангова мережа з кількома переходами. AUV може досягати різних глибин в океані в поєднанні з фіксованою мережею донних датчиків, також може формувати тривимірну мережу підводних акустичних датчиків. Варто зазначити, що через мережу підводних акустичних датчиків завжди виникає проблема доступу до інших традиційних мереж на воді. Для виконання цієї роботи існує спеціальний вузол, який називається наземною станцією, шлюзом або головним вузлом. Він повинен мати не тільки акустичний модем для зв'язку з підводними мережами, але також радіо- або кабельний модем для зв'язку з супутниковими або береговими мережами. Надводна станція може використовувати буй як носій, або надводний корабель як носій. Топологія мережі визначає спосіб маршрутизації, втрати енергії, пропускну здатність мережі та надійність мережі. Дослідження показали, що мережа, що складається з кількох вузлів датчиків, розподілених через рівні проміжки вздовж прямої лінії, споживає більше енергії, ніж однорангова мережа з кількома стрибками відповідно до методу маршрутизації повністю підключеної однорангової мережі; на пропускну здатність мережі також впливає топологія мережі.

 

3 Пов’язані концепції мережевого рівня підводних акустичних датчиків

Мережа підводних акустичних датчиків справді є абсолютно новою галуззю, але концепція, за якою вона дотримується, така ж, як і для широко використовуваного стеку мережевих протоколів. У таблиці 1 наведені поширені концепції мережевого рівня. Заради простоти в цій статті розглядаються лише три основні рівні: фізичний рівень, рівень каналу даних і мережевий рівень. Проблема, яку має вирішити фізичний рівень, полягає в тому, як використовувати середовище передачі

 

 

Характеристики (тобто характеристики каналу) і відповідні методи модуляції забезпечують ефективну передачу даних. Акустичний зв'язок на основі водного середовища є типовою проблемою фізичного рівня на рівні мережевого протоколу. На кінці передачі інформаційні біти повинні бути перетворені в сигнали (акустичні сигнали), які можуть бути передані каналом, а на кінці прийому сигнали в середовищі повинні бути змінені назад на інформаційні біти. Це завдання підводного акустичного модему, яке в основному включає три аспекти: перетворення медіа (наприклад, перетворення електроакустичного сигналу), ефективність використання діапазону частот, адаптивність каналу. Методи модуляції, які зазвичай використовуються в підводному акустичному зв’язку, поділяються на дві категорії: одна – некогерентна модуляція, така як частотна маніпуляція (FSK), а інша – метод когерентної модуляції, наприклад фазова маніпуляція (PSK) і квадратурна амплітудна модуляція. (QAM). Некогерентна модуляція має хорошу стійкість до суворого підводного акустичного середовища, але швидкість низька; метод когерентної модуляції має високу ефективність кодування та використання високочастотної смуги, але дальність передачі обмежена. Деякі технології є і фізичним рівнем.

 

Середовищем розповсюдження мережі підводних акустичних датчиків є вода, яка сильно відрізняється від повітря наземної мережі датчиків. Тому мережевий протокол, який можна ефективно використовувати на суші, не можна застосувати до підводної акустичної мережі. Ми почнемо з характеристик розповсюдження звуку у воді та обговоримо вплив звуку. Вивчимо фактори зв’язку та проаналізуємо труднощі, які він викликає на різних рівнях стеку мережевих протоколів.

 

4.1 'Фізичні фактори впливу підводний акустичний зв'язок

4.1.1 'Довга затримка поширення та велика дисперсія затримки Швидкість поширення електромагнітних хвиль у повітрі в 200 000 разів перевищує швидкість поширення звукових хвиль у воді. Повільна швидкість звуку робить затримку поширення дуже великою, із затримкою приблизно 0,67 с на кілометр, і в той же час змінні в часі характеристики підводного акустичного каналу роблять затримку перше впливає на пропускну здатність мережі, а друге робить деякі протоколи на основі часу непрацездатними.

 

4.1.2 'Великі втрати при розповсюдженні (також називаються втратами на шляху)

Згідно з моделлю розповсюдження Уріка, втрати при розповсюдженні є сумою втрат, викликаних розширенням і ослабленням. Втрата затухання включає ефекти поглинання, розсіювання та витоку звукової енергії зі звукового каналу. Поглинання зумовлене перетворенням звукової енергії в теплову енергію, яка збільшується з частотою та відстанню. Втрати на розширення відносяться до розширення акустичної енергії, спричиненого розширенням хвильового фронту. Це головним чином включає сферичне розширення (всеспрямоване розширення) точкових джерел у глибоководних середовищах. Втрати при розповсюдженні зростають із збільшенням квадрата відстані; і циліндричне розширення в мілководних середовищах. Розгорнувшись у горизонтальній площині, втрати при розповсюдженні збільшуються з відстанню. Оскільки втрати при розповсюдженні акустичних сигналів зростають із збільшенням частоти та відстані, доступна смуга частот підводного акустичного каналу дуже обмежена, і відстань поширення також обмежена. Тому в мережі підводного зв'язку, якщо ви хочете здійснювати міжміський зв'язок, ви можете вибрати лише низьку кодову швидкість; якщо ви хочете вибрати високу кодову швидкість, ви можете здійснювати тільки зв'язок на короткій відстані. Загалом, щоб відстань розповсюдження досягала 10-100 км, доступна смуга пропускання знаходиться в діапазоні 2-5 кГц; передача на середню відстань 1-10 км, а смуга пропускання порядку 10 кГц; якщо використовувана смуга частот перевищує 100 кГц, відстань розповсюдження має бути менше 100 м.

 

4.1.3 'Важкі кілька маршрутів

Явище багатопроменевого поширення викликане існуванням більш ніж одного шляху розповсюдження між джерелом звуку та приймачем, і воно часто трапляється в мілководних морях і при поширенні на великі відстані. Простіше кажучи, сигнал від одного джерела звуку може приймати кілька сигналів, що надходять у різний час на приймальному кінці через існування кількох шляхів. Багатопроменевість спричинить коливання амплітуди та фази сигналу. Через різний час розповсюдження різних шляхів це призведе до серйозних спотворень сигналу, призведе до декореляції отриманих сигналів між різними приймачами, а багатопроменевість також призведе до розширення смуги пропускання. Це суттєво погіршить сигнал зв’язку та спричинить міжсимвольні перешкоди. Багатопроменевість також пов’язана з положенням і відстанню між джерелом звуку та приймачем. Взявши площину морського дна як орієнтир, вплив багатопроменевості вертикального каналу невеликий, а вплив багатопроменевості горизонтального каналу великий.

 

Шум навколишнього середовища – це сукупність багатьох факторів, які пов’язані з припливами, турбулентністю, морськими вітрами та хвилями, а також грозами. Шум судна також є важливим джерелом шуму. На відміну від ситуації, коли шум глибокого моря є відносно певним, шум навколишнього середовища мілководдя, особливо прибережних вод, заток і портів, значно змінюватиметься з часом і місцем. Шум в основному складається з суднового та промислового шуму, еолового шуму та біологічного шуму. Шум навколишнього середовища зменшить співвідношення сигнал/шум сигналу та вплине на продуктивність підводного акустичного зв’язку. 4.1.5' Доплерівська дисперсія Сильний доплерівський зсув спричинений відносним рухом джерела звуку та приймача. Оскільки швидкість звуку у 200 000 разів нижча за швидкість електромагнітних хвиль, дуже мала швидкість може спричинити доплерівський зсув частоти, а через канал підводна акустична несуча частота нижча. Ці два фактори разом роблять вплив Доплера у воді, ніж бездротовий зв’язок у повітрі. Якщо доплер створює лише просте перетворення частоти, компенсація приймача є відносно легкою, коли акустичний сигнал потрапляє на поверхню моря один або кілька разів, між кожним шляхом відбуватимуться різні доплерівські зсуви, які важко компенсувати.