Entwicklung und Anwendung von Unterwasserschallwandler -Sensor

1 Das grundlegende Konzept und die Geschichte des Unterwasserakustikwandlernetzwerks

Das Unterwasser akustischer WandlerNetzwerk ist das Produkt der Popularisierung der globalen Netzwerktechnologie. Jetzt, da das Land durch kabelgebundene optische oder elektrische Mittel verbunden ist und das Netzwerk durch drahtlose Netzwerke oder sogar Kommunikationssatelliten in der Luft verbunden ist, ist das Unterwassernetz möglicherweise das einzige verbleibende jungfräuliche Land, das nicht vollständig kultiviert wurde. Es ist denkbar, dass Sie eines Tages, wenn Sie den Computer einschalten und sich mit dem Internet verbinden, sofort echte Zeitdaten von Meeresströmen im tiefen Atlantik erhalten können. Wenn eine Unterwasserkamera installiert ist, können Sie sogar die farbenfrohen Fische des großen stromaufwärts gelegenen Bildschirms sehen. Dies ist die Aufgabe, die dem Unterwasser akustischen Wandlernetzwerk gegenübersteht: Das Unterwasser akustische Netzwerk wird als Mittel zur Informationsübertragung verwendet, der Unterwassersensor wird als Fenster zum Erwerb von Informationen verwendet, und das Unterwasser -Akustiknetz wird schließlich in gewisser Weise in das konventionelle Netzwerk aufgenommen, um die an den Beobachter gesendeten Unterwasserdaten zu integrieren. Da Schallwellen die einzige Energieform sind, die über große Strecken im Wasser übertragen werden kann, haben Funkwellen einen sehr kurzen Ausbreitungsabstand im Wasser, und Licht ist auch für Unterwasserumgebungen aufgrund hoher Abschwächung und Streuung unter Wasser nicht geeignet. Unterwasser akustischer Wandler ist ein drahtloses Netzwerk, das sich aus Unterwasser -akustischen Wellen als Informationsträger zusammensetzt. Es ist analog zu einem drahtlosen Netzwerk in der Luft, außer dass der Informationsanbieter in der Luft Radiowellen und der Informationsträger im Wasser Schallwellen sind. Das Unterwasser akustische Netzwerk muss zwei technische Probleme lösen, einer ist Unterwasser -Akustik -Kommunikationswandler und der andere ist eine Vernetzung auf der Basis der akustischen Kommunikation. Die Unterwasserakustikkommunikation löst den Punkt - die Punktkommunikation zwischen zwei Benutzern (oder Informationsquellen), und das Netzwerk löst das Problem der Informationsinteraktion, wenn mehrere Benutzer (oder Informationsquellen) den Wassermediumkanal teilen. Als aufstrebende Technologie in der Entwicklung ist der Grund, warum die Entwicklung des Unterwasserakustik -Netzwerks weit hinter dem drahtlosen Netzwerk in der Luft zurückbleibt, weitgehend durch die Entwicklung der akustischen Kommunikationstechnologie unter Wasser. Die früheste Unterwasserakustikkommunikation kann auf die Amplitudenmodulation (AM) und die Unterwassertelefone (SideBand) für analoge Daten in den 1950er Jahren zurückgeführt werden. Vor den 1970er Jahren gab es einige analoge Systeme, da die Amplitudenmodulation in der Umgebung der Unterwasser akustischen Nachhall. Mit der Entwicklung der VLSI -Technologie wurde in den frühen 1980er Jahren die FSK -Technologie (Unterwasser Digital Frequency Shift Keying) angewendet. Es ist robust für die Zeit und die Frequenzverbreitung des Kanals. Die unter Wasser akustische kohärente Kommunikation trat Ende der 1980er Jahre auf. Im Vergleich zur nicht kohärenten Kommunikation kann die kohärente akustische Unterwasserkommunikationstechnologie die Bandbreiteneffizienz des begrenzten Bandbreitenunterwasserkanals verbessern.Aufgrund der Härte und Komplexität des akustischen Unterwasserkanals wurde jedoch die unter Wasser akustische kohärente Kommunikation nicht begonnen, dass das Produkt von Entfernung und Geschwindigkeit der Unterwasser akustischen Kommunikation zu diesem Zeitpunkt etwa 0,5 km betrug. In den neunziger Jahren können aufgrund der Entwicklung der DSP -Chip -Technologie und der digitalen Kommunikationstheorie viele komplexe Kanalausgleichstechnologien realisiert werden, die die Entwicklung der unter Wasser akustischen kohärenten Kommunikationstechnologie vorangetrieben und sich der Untersuchung der horizontalen Kanalkommunikation als Multipath -Effekt zugewandt haben des Kanals ist viel komplizierter als der des vertikalen Kanals in der Tiefsee. Mitte der 1990er Jahre erreichte das Geschwindigkeits- und Entfernungsprodukt des Unterwasser -Kommunikationswandlers in der flachen Meeresumgebung 40 km × kbit, wodurch die Schaffung eines akustischen Unterwassers unter Wasser machte. Eine wegweisende Schlüsselkomponente von Unterwassernetzwerken ist die Entstehung von Unterwasser akustischen Modems. Das früheste Konzept der Anwendung zur akustischen Unterwasserschallwandlerin war das autonome Ozean -Probenahmungsnetz (AOSN) 1993. Die Vereinigten Staaten haben 1998 ein jährliches Experiment gestartet, das das Konzept des akustischen Unterwasserschilders unter Wasser verifiziert. Seit Mitte der 1990er Jahre entwickelt sich die akustische Kommunikationstechnologie und die Unterwasser -Netzwerk -Technologie gleichzeitig stetig. Aufgrund der Besonderheit und Komplexität des Wassermediums (wie z. Die drahtlose Netzwerktechnologie kann nicht direkt auf Unterwassernetzwerke angewendet werden, und die Untersuchung von Unterwasserkanälen, Unterwasserkommunikation und Unterwasser -Netzwerkprotokollen finden Sie im Aszendenten. Gleichzeitig war auch die Entwicklung terrestrischer drahtloser Sensornetzwerke auf der Grundlage der drahtlosen Reichweite der terrestrischen drahtlosen Sensor -Netzwerke sehr schnell. Es kann gesagt werden, dass Unterwasser -Akustiksensor -Netzwerk eine Erweiterung des Konzepts des terrestrischen Sensornetzwerks auf Unterwasseranwendungen ist. Das unter Wasser akustische Sensornetzwerk besteht aus mehreren Sensorknoten. Die Knoten können repariert werden, z. B. verankerte Bojen oder Tauchziele oder Mobilgeräte wie Unterwasserroboter (UV oder AUV). Gegenwärtig kann das Unterwasser akustische Sensor -Netzwerk gemäß den verschiedenen Arten von Unterwassersensoren unterschiedliche Informationen erhalten Wissenschaftliche Forschungsdatenerfassung, verteilte taktische Überwachung, Minenaufklärung und Unterwasserzielerkennung, -verfolgung und -positionierung. Kurz gesagt, das Unterwasser akustische Sensor -Netzwerk soll Unterwasserinformationen über verschiedene Sensorknoten in einem bestimmten Unterwasserbereich erhalten und akustische Kommunikation und Vernetzung mit Unterwasserknoten durchführen und schließlich bestimmte Knoten und RE - Funk in einer kabelgebundenen und kabelgebundenen Form durchlaufen. Die im Deckungsbereich erhaltenen Informationen werden in das herkömmliche Netzwerk am Ufer eingebaut und an das Unterwasser -Subnetz des Beobachters gesendet.

2 Topologische Struktur des Unterwasserakustikensor -Netzwerks

Wie bei der Struktur des drahtlosen Sensor-Netzwerks auf Land kann die topologische Struktur des Unterwasserhydroakustik-Sensor-Netzwerks in zwei Kategorien unterteilt werden: zentrales Netzwerk (zentrales Netzwerk) und Distributed Peer-to-Peer-Netzwerk (Distributed Peer-to-Peer-Netzwerk). In einem zentralisierten Netzwerk wird die Kommunikation zwischen Knoten über einen zentralen Knoten realisiert, und das Netzwerk wird über diesen zentralen Knoten mit dem Backbone -Netzwerk verbunden. Der Hauptnachteil dieser Konfiguration besteht darin, dass es einen einzelnen Ausfallspunkt gibt, dh, dass der Fehler dieses Knotens zum Ausfall des gesamten Netzwerks führt. Und weil der Bereich eines einzelnen Modems begrenzt ist, ist die Abdeckung des zentralisierten Netzwerks begrenzt. Abbildung 1 ist ein schematisches Diagramm der Topologie eines zentralisierten Netzwerks. Peer-to-Peer-Netzwerk bedeutet, dass es keinen zentralen Knoten gibt, um sie zu verabreichen, und jeder Knoten hat eine relativ gleiche Autorität. Nach den verschiedenen Routing-Methoden gibt es einige Unterschiede im Peer-to-Peer-Netzwerk. Ein vollständig verbundenes Peer-to-Peer-Netzwerk bietet direkte \"Point-to-Point-\" -Knetzwerke zu zwei beliebigen Knoten im Netzwerk. Diese Topologie verringert das Routing. Wenn die Knoten jedoch in einem großen Bereich verstreut sind, besteht eine Kommunikation erforderlich. Die Kraft hat stark zugenommen. Und es wird auch ein \"nahe und weites\" Problem geben, dh wenn ein Knoten A ein Datenpaket an einen Remote -Knoten sendet, blockiert er die benachbarten Knoten von Knoten A vom Empfangen anderer Signale.

Das Multi-Hop-Peer-to-Peer-Netzwerk kommuniziert nur zwischen benachbarten Knoten, und eine Nachricht wird durch mehrere Hopfen zwischen Knoten von der Quelle zum Ziel abgeschlossen. Das Multi-Hop-System kann einen größeren Bereich abdecken, da der Bereich des Netzwerks von der Anzahl der Knoten abhängt und nicht mehr durch den Bereich eines einzelnen Modems begrenzt ist. Abbildung 2 ist ein schematisches Diagramm der Multi-Hop-Peer-to-Peer-Netzwerktopologie. Das Netzwerk ist ein Netzwerk für drahtlose mobile Anwendungen, das zu einem Multi-Hop-Peer-to-Peer-Netzwerk gehört. Es muss keine Infrastruktur im Voraus erstellen, auch als infrastrukturloses Netzwerk (Infrastrukturnetzwerk) bezeichnet. Seine Eigenschaften sind: Autonomes Netzwerk, dynamische Topologie, Bandbreitenbeschränkung und variable Verbindungskapazität, Multi-Hop-Kommunikation, verteilte Kontrolle, Knoten mit begrenzter Energie und begrenzte Sicherheit. Da es nicht auf Infrastruktur beruht, kann es schnell eingesetzt werden und einen größeren Bereich abdecken. Da die Infrastruktur, auf die im Wasser angewiesen werden kann , Machen Sie das Adhoc -Netzwerk sehr geeignet, um in Unterwasser akustischen Sensornetzwerken verwendet zu werden. Obwohl das Adhoc -Netzwerk für die Anwendung des Hydroakustiknetzes geeignet ist, war sein Sicherheitsproblem immer ein Forschungsthema. In der Tat dieUnterwasserhydrophonsensorDas Netzwerk sollte eine Mischung eines zentralisierten Netzwerks und eines Peer-to-Peer-Netzwerks sein. In der Literatur [16] wird ein zweidimensionales und dreidimensionales hydroakustisches Sensornetzwerk eingeführt. Zweidimensional bezieht sich die Dimension der erhaltenen Informationen. In dem zweidimensionalen Unterwasser akustischen Sensor-Netzwerk werden Sensorknoten und Datentransponder (Söhne) auf dem Meeresboden in einem kleinen Bereich mit Spüle als Zentrum platziert, und die Daten eines jeden Sensors können sich in der horizontalen Verbindung befinden, um die Spüle zu erreichen In direkter oder multi-hop-Weise (Multi-Hop-Peer-to-Peer-Netzwerk), und die Sensordaten können nur die Oberflächenstation erreichen, wenn sie auf der vertikalen Verbindung durch die Sink weitergeleitet werden. Da nur die Informationen eines bestimmten Bereichs des Meeresbodens erhalten werden können, wird er als zweidimensionales Sensornetzwerk bezeichnet. In dem dreidimensionalen Unterwasser akustischen Sensornetz erhalten, so wird es als dreidimensionales Unterwasser-akustischer Sensor-Netzwerk bezeichnet. In der Netzwerktopologie ist es auch ein Multi-Hop-Peer-to-Peer-Netzwerk. AUV kann unterschiedliche Tiefen im Ozean erreichen, kombiniert mit einem festen Bodensensor-Netzwerk, kann auch ein dreidimensionales Unterwasser-akustischer Sensor-Netzwerk bilden. Es ist darauf hinzuweisen, dass aufgrund von Unterwasser -akustischen Sensornetzwerken immer ein Problem beim Zugang zu anderen herkömmlichen Netzwerken auf dem Wasser besteht. Es gibt einen speziellen Knoten namens Surface Station, Gateway oder Master Node, um diese Arbeit zu erledigen. Es muss nicht nur ein akustisches Modem für die Kommunikation mit Unterwassernetzwerken, sondern auch ein Radio- oder Kabelmodem für die Kommunikation mit Satelliten- oder Landnetzwerken haben. Die Oberflächenstation kann die Boje als Träger oder das Oberflächenschiff als Träger verwenden. Die Netzwerktopologie bestimmt die Routing -Methode, den Energieverlust, die Netzwerkkapazität und die Zuverlässigkeit des Netzwerks. Studien haben gezeigt, dass ein Netzwerk, das aus mehreren Sensorknoten besteht, die in gleichen Intervallen entlang einer geraden Linie verteilt sind, mehr Leistung als ein Multi-Hop-Peer-to-Peer-Netzwerk gemäß der Routing-Methode eines vollständig verbundenen Peer-to-Peer-Netzwerks. Die Netzwerkkapazität wird auch von der Netzwerktopologie beeinflusst.

3 verwandte Konzepte der Unterwasser akustischen Sensor -Netzwerkschicht

Das unter Wasser akustische Sensor-Netzwerk ist in der Tat ein brandneues Gebiet, aber das Konzept ist das gleiche wie das des häufig verwendeten Netzwerkprotokollstapels. Tabelle 1 ist die häufig verwendeten Netzwerkschichtkonzepte. Aus dem Einfachheit halber werden in diesem Artikel nur die grundlegenden drei Ebenen erörtert: Physikalische Schicht, Datenverbindungsschicht und Netzwerkschicht. Das Problem, das von der physischen Schicht gelöst werden muss, ist die Verwendung des Übertragungsmediums

Die Eigenschaften (dh Kanaleigenschaften) und die entsprechenden Modulationsmethoden ermöglichen eine effektive Datenübertragung. Die akustische Kommunikation basierend auf Wassermedium ist ein typisches Problem der physischen Schicht in der Netzwerkprotokollschicht. Am Sendungsende müssen die Informationsbits in Signale (akustische Signale) umgewandelt werden, die vom Kanal übertragen werden können, und am Empfangsende müssen die Signale im Medium wieder in Informationsbits geändert werden. Dies ist die Aufgabe des Unterwasserakustikmodems, das hauptsächlich drei Aspekte umfasst: Medienumwandlung (z. Die Modulationsmethoden, die üblicherweise bei der akustischen Kommunikation unter Wasser verwendet werden, sind in zwei Kategorien unterteilt, eine nicht kohärente Modulation, wie z. Modulation. (QAM). Eine nicht kohärente Modulation hat eine gute Robustheit für die harte Unterwasser akustische Umgebung, aber die Rate ist niedrig. Die kohärente Modulationsmethode hat eine hohe Codierungseffizienz und eine hohe Frequenzbandnutzung, die Übertragungsentfernung ist jedoch begrenzt. Einige Technologien sind beide die physische Schicht.

Das Ausbreitungsmedium des Unterwasserakustikensor -Netzwerks ist Wasser, das sich stark von der mittleren Luft des terrestrischen Sensornetzwerks unterscheidet. Daher kann das Netzwerkprotokoll, das effektiv auf Land eingesetzt werden kann, nicht auf das akustische Unterwasser -Netzwerk angewendet werden. Wir werden mit den akustischen Ausbreitungsmerkmalen von Wasser beginnen und die Auswirkungen des Klangs diskutieren. Lieren Sie die Kommunikationsfaktoren und analysieren die Schwierigkeiten, die sie auf die verschiedenen Schichten des Netzwerkprotokollstapels verursachen.

4.1 \"physikalische Faktoren beeinflussenUnterwasser akustische Kommunikation

4.1.1 \"lange Ausbreitungsverzögerung und große Verzögerungsvarianz Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in der Luft beträgt das 200.000 -fache der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in Wasser. Die langsame Schallgeschwindigkeit macht die Ausbreitungsverzögerung mit einer Verzögerung von etwa 0,67 sehr groß, mit einer Verzögerung von etwa 0,67 s pro Kilometer und gleichzeitig die zeitlich variierenden Merkmale des Unterwasserakustikkanals machen die Verzögerungsvarianz sehr groß. Ersteres beeinflusst den Durchsatz des Netzwerks, und letzteres macht einige zeitbasierte Protokolle nicht funktionsfähig.

4.1.2 \"großer Ausbreitungsverlust (auch Pfadverlust genannt)

Laut Uricks Ausbreitungsmodell ist der Verlust der Propagation die Summe der Verluste, die durch Expansion und Dämpfung verursacht werden. Dämpfungsverlust umfasst die Auswirkungen von Absorption, Streuung und Schallenergie, die aus dem Schallkanal austritt. Die Absorption wird durch die Umwandlung von Schallenergie in thermische Energie verursacht, die mit Frequenz und Abstand zunimmt. Der Expansionsverlust bezieht sich auf die Expansion der durch Wellenfrontausdehnung verursachten akustischen Energie. Es umfasst hauptsächlich die kugelförmige Expansion (omnidirektionale Expansion) von Punktquellen in Tiefseeumgebungen. Der Ausbreitungsverlust nimmt mit dem Quadrat der Entfernung zu; und zylindrische Expansion in flachen Wasserumgebungen. Auf der horizontalen Ebene steigt der Ausbreitungsverlust mit der Entfernung. Da der Ausbreitungsverlust von akustischen Signalen mit zunehmender Frequenz und Entfernung zunimmt, ist das verfügbare Frequenzband des Unterwasserakustikkanals sehr begrenzt und die Ausbreitungsentfernung begrenzt. Wenn Sie im Unterwasserkommunikationsnetzwerk eine Fernkommunikation durchführen möchten, können Sie daher nur eine niedrige Coderate auswählen. Wenn Sie eine hohe Code-Rate auswählen möchten, können Sie nur eine Kurzstreckenkommunikation durchführen. Um die Ausbreitungsentfernung 10-100 km zu erreichen, liegt die verfügbare Bandbreite im Bereich von 2-5 kHz. Die mittelschwere Übertragung beträgt 1-10 km und die Bandbreite liegt in der Größenordnung von 10 kHz; Wenn das verwendete Frequenzband größer als 100 kHz ist, muss der Ausbreitungsabstand weniger als 100 m betragen.

4.1.3 \"schwere mehrere Routen

Das Multipath-Phänomen wird durch die Existenz von mehr als einem Ausbreitungsweg zwischen der Schallquelle und dem Empfänger verursacht und tritt häufig in flachen Meeren und einer Fernausbreitung auf. Einfach ausgedrückt kann ein Signal einer einzelnen Schallquelle aufgrund der Existenz mehrerer Pfade mehrere Signale empfangen, die zu unterschiedlichen Zeiten am empfangenden Ende ankommen. Multi-Pfad verursacht Schwankungen in der Signalamplitude und -phase. Aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungszeit verschiedener Pfade führt es zu einer schwerwiegenden Signalverzerrung, die Dekorrelation von empfangenen Signalen zwischen verschiedenen Empfängern, und Multi-Pfad wird auch eine Bandbreitenverbreiterung verursachen. Diese werden das Kommunikationssignal stark beeinträchtigen und intersymbolische Interferenzen verursachen. Multipath bezieht sich auch mit der Position und dem Abstand zwischen der Schallquelle und dem Empfänger. Wenn Sie die Meeresbodenebene als Referenz betrachten, ist der Einfluss auf den vertikalen Kanal mit mehreren Pfaden klein und der Einfluss des Mehrwegs des horizontalen Kanals ist groß.

Umweltgeräusche sind eine Sammlung vieler Faktoren, die sich mit Gezeiten, Turbulenzen, Meerwinden und Wellen und Gewittern zusammenhängen. Schiffsgeräusche sind auch eine wichtige Geräuschquelle. Im Gegensatz zu der Situation, in der das Geräusch der Tiefsee relativ sicher ist, wird sich das Umweltgeräusch des flachen Meeres, insbesondere die Küstengewässer, Buchten und Häfen, mit Zeit und Ort erheblich verändern. Das Lärm besteht hauptsächlich aus Schiffs- und Industriegeräuschen, äolischem Lärm und biologischem Rauschen. Umweltrauschen verringert das Signal-Rausch-Verhältnis des Signals und beeinflusst die Leistung der akustischen Unterwasserkommunikation. 4.1.5 \"Doppler -Dispersion Schwere Doppler -Verschiebung wird durch die relative Bewegung der Schallquelle und des Empfängers verursacht. Da die Schallgeschwindigkeit 200.000 -mal langsamer ist als die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen, kann eine sehr geringe Geschwindigkeit eine Doppler -Frequenzverschiebung verursachen, und kann zu einer Verschiebung der Frequenz von Doppler führen, und kann zu Aufgrund des Kanals ist die Unterwasserakustik -Trägerfrequenz niedriger. Diese beiden Faktoren tragen dazu bei, den Einfluss von Doppler im Wasser zu beeinträchtigen, als die drahtlose Kommunikation in der Luft viel größer ist. Wenn Doppler nur eine einfache Frequenztransformation erzeugt, ist die Kompensation der Kompensation des Der Empfänger ist relativ einfach. Aufgrund der Existenz mehrerer Pfade, wenn das akustische Signal ein oder mehrmals auf die Meeresoberfläche trifft, treten zwischen jedem Pfad unterschiedliche Doppler-Verschiebungen auf, was schwer zu kompensieren ist. Bei Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikation, Es erzeugt Inter-Symbol-Interferenz und verringert die Frequenzbandeffizienz.