Разработка и применение подводного датчика акустического преобразователя

1 Основная концепция и история подводной акустической сети преобразователей

А подводной акустический датчикСеть является продуктом популяризации глобальных сетевых технологий. Теперь, когда земля подключена через проводные оптические или электрические средства, а сеть подключена через беспроводные сети или даже спутники связи в воздухе, подводная сеть может быть единственной оставшейся девственной землей, которая не была полностью культивирована. Вполне возможно, что однажды, когда вы включаете компьютер и подключается к Интернету, вы можете немедленно получить реальные данные о океанических течениях в глубоком Атлантическом океане. Если установлена ​​подводная камера, вы даже можете увидеть красочные рыбы великого вверх по течению на вашем экране. Это задача, стоящая перед подводной акустической сетью преобразователей: подводная акустическая сеть используется в качестве средства передачи информации, подводной датчик используется в качестве окна для получения информации, а подводная акустическая сеть, наконец, включена в обычную сеть каким -то образом для интеграции подводных данных, отправленных наблюдателю. Поскольку звуковые волны являются единственной формой энергии, которая может быть передана на большие расстояния в воде, радиоволны имеют очень короткое расстояние распространения в воде, а свет также не подходит для подводной среды из -за высокого ослабления и разброса под водой. Подводной акустический преобразователь - это беспроводная сеть, состоящая из подводных акустических волн в качестве информационного носителя. Это аналогично беспроводной сети в воздухе, за исключением того, что информационный носитель в воздухе является радиоволн, а информационный носитель в воде - это звуковые волны. Подводная акустическая сеть должна решать две технические проблемы, одна из них - подводная акустическая коммуникационная передача, а другая - сеть, основанная на акустической связи. Подводная акустическая связь решает точку - точечная связь между двумя пользователями (или источниками информации), а сеть решает проблему взаимодействия с информацией, когда несколько пользователей (или источников информации) обмениваются каналом для воды. В качестве развивающейся технологии разработанной, причина, по которой развитие подводной акустической сети значительно отстает от беспроводной сети в воздухе, в значительной степени ограничена разработкой технологий подводной акустической коммуникации. Самая ранняя подводная акустическая связь может быть прослежена до амплитудной модуляции (AM) и подводных телефонов с одной боковой полосой (SSB) для аналоговых данных в 1950 -х годах; До 1970 -х годов было несколько аналоговых систем из -за амплитудной модуляции в подводной акустической среде реверберации. С разработкой технологии VLSI, в начале 1980 -х годов была применена технология подводной цифровой частоты сдвига (FSK). Это устойчиво до распределения времени и частоты канала. Подводная акустическая когерентная связь появилась в конце 1980 -х годов. По сравнению с не -последовательной коммуникацией, когерентная подводная акустическая коммуникационная технология может повысить эффективность полосы пропускания подводного акустического канала с ограниченной полосой пропускания.Однако из -за резкости и сложности подводного акустического канала подводная акустическая когерентная связь не началась, было признано, что продукт расстояния и скорости подводной акустической связи в то время составлял около 0,5 км. В 1990 -х годах, благодаря разработке технологии DSP CHIP и теории цифровых коммуникаций, можно реализовать многие сложные технологии выравнивания каналов, что привело к разработке технологии подводной акустической когерентной связи и обратилась к изучению горизонтального канала связи, потому что многократный эффект канала намного сложнее, чем у вертикального канала в глубоком море. В середине - 1990 -х годах скорость и расстояние продукта подводной акустической связи датчика в неглубокой морской среде достигли 40 км × кбит, что сделало установление подводного акустического преобразователя. Основным ключевым компонентом подводных сетей является появление подводных акустических модемов. Самая ранняя концепция подводного применения акустического преобразователя была в 1998 году автономной сети отбора проб океана (AOSN). С середины - 1990 -х годов технологии подводной акустической связи и подводные сетевые технологии постоянно развиваются. Однако из -за особенности и сложности водной среды (такой как высокая задержка времени, большое затухание, многолучевое сдвиг и сдвиг частоты), она используется на земле. Технология беспроводной сети не может быть напрямую применяться к подводным сетям, а исследования подводных каналов, подводных коммуникаций и подводных сетевых протоколов находятся в асценденте. В то же время, с 1990 -х годов до настоящего времени, разработка наземных беспроводных сенсорных сетей, основанных на беспроводной связи с коротким диапазоном, также была очень быстрой. Можно сказать, что подводная сеть акустических датчиков является расширением концепции сети наземных датчиков к подводным приложениям. Подводная сеть акустических датчиков состоит из нескольких узлов датчиков. Узлы могут быть исправлены, такие как привязанные буи или погруженные цели, или мобильные, такие как подводные роботы (УФ или AUV). В настоящее время подводная сеть акустических датчиков может получать различную информацию в соответствии с различными типами подводных датчиков: она может использоваться для получения океанографических данных, мониторинга загрязнения морского загрязнения, прибрежного развития, предотвращения стихийных бедствий, подводной навигации и помощи в позиционировании, обследования морских ресурсов и обследования морских ресурсов и обследования морских ресурсов и обследования морских ресурсов и обследования морских ресурсов и обследования морских ресурсов и обследования морских ресурсов и обследования морских ресурсов и обследования морских ресурсов и обследования морских ресурсов и Получение данных научных исследований, распределенный тактический мониторинг, разведка шахты и обнаружение, отслеживание и позиционирование подводного целей. Короче говоря, подводная сеть акустических датчиков заключается в получении подводной информации через различные сенсорные узлы в определенной подводной области, акустическую связь и сеть с подводными узлами и, наконец, проходит через определенные узлы и радио в проводной и проводной форме, Информация, полученная в зоне покрытия, включена в обычную сеть на берегу и отправляется в подводную подсеть наблюдателя.

2 топологическая структура подводных акустических датчиков сети

Подобно структуре сети беспроводной сенсорной сети на земле, топологическая структура подводной гидроакустической сенсорной сети может быть разделена на две категории: централизованная сеть (централизованная сеть) и распределенная одноранговая сеть (распределенная сеть одноранговых и пирогов). В централизованной сети связь между узлами реализуется через центральный узел, и сеть подключена к сети основных целей через этот центральный узел. Основным недостатком этой конфигурации является то, что существует одна точка сбоя, то есть сбой этого узла приведет к сбое всей сети. А поскольку диапазон одного модема ограничен, охват централизованной сети ограничен. Рисунок 1 представляет собой схематическую диаграмму топологии централизованной сети. Одноранговая сеть означает, что нет центрального узла для \"Администрировать \", и каждый узел имеет относительно равный авторитет. Согласно различным методам маршрутизации, в одноранговой сети существуют некоторые различия. Полностью подключенная одноранговая сеть обеспечивает прямые подключения \"точка-точка \" с двумя произвольными узлами в сети. Эта топология уменьшает необходимость маршрутизации. Однако, когда узлы разбросаны на большой территории, существует необходимость в общении. Сила значительно увеличилась. И также будет проблема «почти и далеко», то есть, когда узел А отправляет пакет данных в удаленный узел, он заблокирует соседние узлы узла А от получения других сигналов.

Однонаправленная сеть с несколькими хопами связывается только между соседними узлами, и сообщение завершается несколькими хмелями между узлами от источника до пункта назначения. Система с несколькими хопами может охватывать большую область, потому что диапазон сети зависит от количества узлов и больше не ограничен диапазоном одного модема. Рисунок 2 представляет собой схематическую диаграмму топологии с несколькими однополосными сетью. Сеть представляет собой сеть для беспроводных мобильных приложений, которая принадлежит к однополосной сети. Ему не нужно заранее создавать инфраструктуру, также известную как сеть без инфраструктуры (инфраструктурная сеть). Его характеристики: автономная сеть, динамическая топология, ограничение полосы пропускания и емкость переменной связи, мульти-хоп связь, распределенное управление, узлы с ограниченной энергией и ограниченная безопасность. Поскольку это не полагается на инфраструктуру, ее можно развернуть быстро и покрыть большую область. Поскольку инфраструктура, на которую можно опираться в воде, ограничена, а подвижный AUV будет важной частью подводной акустической датчической сети (AUV может повысить производительность подводной датчики), ее способность самоорганизации и динамическая топология , Сделайте сеть ADHOC, очень подходит для использования в подводных акустических датчиках. Хотя сеть ADHOC подходит для применения гидроакустической сети, ее проблема безопасности всегда была темой исследования. На самом деле,Подводной гидрофон датчикСеть должна быть гибридом централизованной сети и одноранговой сети. В литературе [16] введена двумерная и трехмерная сеть гидроакустических датчиков. Двумерное относится к измерению полученной информации. В двухмерной подводной акустической датчичной сети, узлы датчиков и датчики данных (раковина) помещаются на морское дно, на небольшой площади с раковиной в качестве центра, а данные каждого датчика могут быть в горизонтальном звене, чтобы достичь раковины в прямом или многообогативном способе (несколько однополосных одноранговых сети), и данные датчика могут достигать поверхностной станции только в том случае, если она перенаправлена ​​по вертикальной связи через раковину. Поскольку может быть получена только информация определенной области морского дна, она называется двухмерной датчикой сетью. В трехмерной подводной сети акустических датчиков можно контролировать глубину погружной цели, так что мультисенсорные узлы в определенной области расположены на разных глубинах, поэтому информация о океане определенной области и разные глубины может быть Получен, поэтому он называется трехмерной подводной акустической датчической сетью. В топологии сети она также является многоуровневой одноранговой сетью. AUV может достигать разных глубин в океане, в сочетании с фиксированной сетью датчиков нижней части, также может образовывать трехмерную подводную акустическую сенсорную сеть. Стоит отметить, что из -за подводных акустических сенсорных сетей всегда есть проблема с доступом к другим обычным сетям на воде. Существует специальный узел, называемый поверхностной станцией, шлюзом или мастер -узлом для завершения этой работы. Он должен иметь не только акустический модем для связи с подводными сетями, но и радио или кабельный модем для связи со спутниковыми или береговыми сетями. Поверхностная станция может использовать буй в качестве носителя, или поверхностный корабль в качестве носителя. Топология сети определяет метод маршрутизации, потерю энергии, мощность сети и надежность сети. Исследования показали, что сеть, состоящая из нескольких сенсорных узлов, распределенных с одинаковыми интервалами вдоль прямой линии, потребляет большую мощность, чем многоотражающая одноранговая сеть в соответствии с методом маршрутизации полностью подключенной к одноранговой сети; и на мощность сети также влияет топология сети.

3 Связанные концепции уровня сети подводного акустического датчика

Подводная сеть акустических датчиков действительно является совершенно новой областью, но концепция, о которой она следует, такая же, как и в обще используемом стеке сетевых протоколов. Таблица 1 является общеиспользованным концепциями сетевого уровня. Для простоты в этой статье обсуждаются только основные три уровня: физический уровень, уровень канала данных и сетевой уровень. Проблема, которая должна быть решена физическим слоем, заключается в том, как использовать среду передачи

Характеристики (т.е. характеристики канала) и соответствующие методы модуляции обеспечивают эффективную передачу данных. Акустическая связь, основанная на водной среде, является типичной проблемой физического уровня в уровне сетевого протокола. На передаче, информационные биты должны быть превращены в сигналы (акустические сигналы), которые могут передаваться каналом, а на приемном конце сигналы в среде должны быть изменены обратно на информационные биты. Это задача подводного акустического модема, которая в основном включает в себя три аспекта: преобразование среды (например: преобразование электроакустического сигнала), эффективность использования полосы частот, адаптивность канала. Методы модуляции, обычно используемые в подводной акустической связи, делятся на две категории, одна-это нетоглентная модуляция, такая как клавиша сдвига частоты (FSK), а другая-это метод когерентной модуляции, такой как клавиша сдвига фазового сдвига (PSK) и квадратурная амплитуда модуляция. (QAM). Несоверленная модуляция обладает хорошей устойчивостью к суровой подводной акустической среде, но скорость низкая; Метод когерентной модуляции обладает высокой эффективностью кодирования и высокочастотной полос, но расстояние передачи ограничено. Некоторые технологии являются физическим слоем.

Среда распространения подводной акустической датчической сети - это вода, которая сильно отличается от среднего воздуха сети наземных датчиков. Следовательно, сетевой протокол, который может эффективно использовать на земле, не может быть применен к подводной акустической сети. Мы начнем с акустических характеристик распространения воды и обсудим эффекты звука. Обозначение факторов связи и анализ трудностей, которые он вызывает для различных слоев стека сетевых протоколов.

4.1 \"Физические факторы, влияющие наПодводная акустическая связь

4.1.1 \"Длительная задержка распространения и большие дисперсии задержки Скорость распространения электромагнитных волн в воздухе в 200 000 раз превышает скорость распространения звуковых волн в воде. Медленная скорость звука делает задержку распространения очень большой, с задержкой около 0,67 S за километр, и в то же время изменяющиеся во времени характеристики подводного акустического канала делают дисперсию задержки очень большими. Первый влияет на пропускную способность сети, а последний делает неработоспособные протоколы на основе времени.

4.1.2 \"Большая потеря распространения (также называемая потерями потерей)

Согласно модели распространения Урика, потеря распространения - это сумма убытков, вызванных расширением и ослаблением. Потеря затухания включает в себя влияние поглощения, рассеяния и звуковой энергии, протекающей из звукового канала. Поглощение вызвано превращением звуковой энергии в тепловую энергию, которая увеличивается с частотой и расстоянием. Потеря расширения относится к расширению акустической энергии, вызванной расширением волнового фронта. В основном он включает в себя сферическую экспансию (всенаправленное расширение) точечных источников в глубоководной среде. Потеря распространения увеличивается с квадратом расстояния; и цилиндрическое расширение в неглубоких водных средах. Расширяясь на горизонтальной плоскости, потеря распространения увеличивается с расстоянием. Поскольку потеря акустических сигналов распространения увеличивается с увеличением частоты и расстояния, доступная полоса частоты подводного акустического канала очень ограничена, а расстояние распространения также ограничено. Поэтому в подводной сети связи, если вы хотите провести связь на большие расстояния, вы можете выбрать только низкую кодексу; Если вы хотите выбрать высокую ставку кода, вы можете провести только короткое общение. Вообще говоря, для достижения расстояния распространения 10-100 км доступная полоса пропускания находится в диапазоне 2-5 кГц; Передача средней дистанции составляет 1-10 км, а полоса пропускания находится на порядке 10 кГц; Если используемая полоса частот превышает 100 кГц, расстояние распространения должно составлять менее 100 м.

4.1.3 \"Серьезные множественные маршруты

Многократное явление вызвано существованием более одного пути распространения между источником звука и приемником, и он часто встречается в неглубоких морях и распространении на расстоянии. Проще говоря, сигнал от одного источника звука может получать несколько сигналов, прибывающих в разное время на приемном конце из -за наличия нескольких путей. Многоцелевые пути вызовут колебания амплитуды и фазы сигнала. Из-за различного времени распространения различных путей это приведет к серьезным искажениям сигнала, что приведет к декорреляции полученных сигналов между различными приемниками, а многоцелевая промежутка также приведет к расширению полосы пропускания. Они серьезно разрушат сигнал связи и вызывают межсимбольные помехи. Multabate также связан с положением и расстоянием между источником звука и приемником. Принимая плоскость морского дна в качестве эталона, многоплановое влияние вертикального канала невелико, а многоплановое влияние горизонтального канала велико.

Экологический шум - это набор многих факторов, которые связаны с приливами, турбулентностью, морскими ветрами и волнами и грозами. Шум корабля также является важным источником шума. В отличие от ситуации, когда шум глубокого моря является относительно определенным, экологический шум мелкого моря, особенно прибрежные воды, заливы и порты, значительно изменится со временем и местом. Шум в основном состоит из судового и промышленного шума, эолового шума и биологического шума. Экологический шум уменьшит отношение сигнала / шум сигнала и повлияет на производительность подводной акустической связи. 4.1.5 \"Дисперсия допплера тяжелая допплеровская сдвиг вызван относительным движением источника и приемника звука. Поскольку скорость звука в 200 000 раз медленнее, чем скорость электромагнитных волн, очень небольшая скорость может вызвать сдвиг частоты доплеров Из -за канала частота подводного акустического носителя ниже. Эти два фактора составляют, чтобы сделать влияние допплера в воде, чем беспроводная связь в воздухе намного больше. Если допплеров. Приемник относительно прост. Однако, из-за существования множественных путей, когда акустический сигнал попадает на поверхность моря один или несколько раз, между каждым путем будет происходить различные допплеровские сдвиги, что трудно компенсировать. Когда высокоскоростная передача данных Он будет генерировать межсимбольные помехи и снизить эффективность полосы частот.