异构滑翔器水声通信技术研究现状和发展趋势

水下滑翔器和波浪能滑翔器由于其低能耗、长航时、灵活机动的特点,被广泛应用于海洋观探测任务中。单一滑翔器无法满足海洋任务多样性、复杂性的需求,借助水声通信技术可将水下滑翔器和水面波浪能滑翔器的优势相结合,构成异构体滑翔器编队体系结构,建立跨介质信息传输链路,扩展滑翔器的作用范围和监测能力。简要介绍了水声通信技术的研究现状、常用算法及其优劣,综述了异构体滑翔器水声通信技术研究与应用国内外现状,探讨了异构体滑翔器水声通信技术难点和未来研究趋势。对异构体滑翔器水声通信和组网的研究与应用具有重要价值。     

面向长时水声通信数据采集与评估的浮标设计与实现

复杂海洋环境导致水声信道呈现随机时-空-频变特性,特别是浅海信道受界面、人为干扰的严重影响,对水声通信造成极大困难。近年来人工智能领域机器学习等技术飞速发展,为提高复杂环境下水声通信可靠性提供了新思路。但是,由于水声信道复杂多变、缺乏普适模型,从机器学习角度而言水声通信数据样本严重不足,传统单次、短时水声通信实验采集的数据无法充分表征水声信道空间、时间特性。通过长期部署水声通信及信号采集设备,可望在一定程度上丰富通信数据,为典型海域下人工智能水声通信研究提供数据支持。 设计并实现了一种浅海水声通信浮标,搭载水声通信系统可实现长时浅海水声通信数据采集、性能评估,同时依托北斗系统具备远程状态显示、功能控制功能。厦门港海域实验表明,依托浮标采集的长时水声通信数据可开展水声通信性能评估、信道特性与通信性能关联度分析,为下一步工作打下了良好的基础。     

水声通信及组网的现状和展望

水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。同时,水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣,对通信算法和设备可靠性有较高要求,水声通信及组网成为目前的研究热点。文中面向海洋环境监测领域,从水声通信物理层技术、网络技术及组网应用等方面进行介绍,并对未来技术趋势进行展望。     

带内全双工水声通信技术研究现状与展望

近年来,水声通信技术已经被广泛应用于海洋环境观测等方面,但可预见的,在未来发展趋势下,以半双工体制为主的水声通信网络,将会无法满足日益增长的水下信息交互需求。带内全双工水声通信技术可以在相同的通频带内,同时发射和接收通信信号,理论上可将现有的频谱效率提高 1 倍,在水声信道可用频谱资源严重受限、水下信息交互需求激增的背景下具有极高的研究意义与应用价值。因此,带内全双工水声通信技术已逐渐成为了目前水声通信领域的研究热点之一。简要介绍了目前无线电及水声通信背景下的带内全双工技术研究现状,对带内全双工水声通信面临的主要挑战进行了论述,并结合目前现有研究成果与实际工程应用中的难点问题,提出了几种可行的研究方向。     

近海海洋环境对水声网络性能影响试验评估

水声网络已成为海洋信息获取、传输和感知的关键技术,并得到广泛研究。目前的水声通信研究主要集中于考虑时延、多径等水声信道影响因素。当海洋环境发生变化时,水声信道中的时延、多径的特性也会相应发生变化,从而影响水声通信系统的性能。然而,对于复杂海洋环境现象与水声网络性能的直接关联性的研究还较为有限。基于厦门海域进行的水声网络实验,从平均端到端时延、丢包率等网络性能指标评估风、浪、潮汐等典型近海海洋环境因素对水声网络性能的影响,并基于试验结果对海洋环境与水声网络性能进行关联性分析,实验结果表明：水声通信网络的时延受到温度、风速和潮位变化的影响,存在一定程度的关联性。评估分析结论可为复杂近海海洋环境下水声通信网络的设计和应用提供参考。     

基于磁感应的跨介质通信技术研究

随着海洋军事与战略的发展,传统声学难以完成空水跨介质通信需求。磁感应通信技术由于在空水介质中磁导率一致,且具有信道稳定、速度快、体积灵活、成本低的优势,可以作为空水跨介质的技术补充。以磁偶极子为基础,对空水跨介质感应磁场传播模型进行了研究,证明磁场在空水界面的传播连续性, 之后基于 USRP 设计通信收发电路并实现一套磁感应通信系统。该系统在收发线圈半径 10 cm,发射功率 1 mW 情况下,实现空水(湖水)跨介质 20 m,通信速率 10 kbps 的无误码文本传输,证实了磁感应通信在空水跨介质场景下的可行性,对后续的相关研究具有一定的指导意义。     

“海鳐”波浪滑翔器在水下定位与通信中的应用

“海鳐”波浪滑翔器是我国自主研制的第 1 代波浪滑翔器产品,性能优异,可靠性高,已完成包括海洋环境观测、水下目标探测、跨域通信及信息传递等应用研究。在国家重点研发计划“无人无缆潜水器组网作业技术与应用示范”等领域项目的支持下,“海鳐”波浪滑翔器平台技术成熟度及应用研究上均得到进一步提升,为在我国在军事、海洋环境监测及海洋资源开发利用等领域的应用推广奠定了坚实的基础。介绍了“海鳐”波浪滑翔器在水下声学定位与跨域组网通信中的最新应用进展,总结了应用中的主要技术问题, 对波浪滑翔器装备未来的发展给出了新的研究方向。     

基于残余自干扰获取的带内全双工水声通信系统结构方案与仿真

强自干扰抵消是带内全双工(In-Band Full-Duplex,IBFD)水声通信系统工程实现中的最大挑战。 近端接收端需结合模拟域及数字域进行联合干扰抵消才可将干扰强度降低至可接受水平。提出一种基于残余干扰获取的带内全双工水声通信系统结构设计方案,其特征为具备主、辅双采集链路,通过辅助采集链路实现对干扰信号的获取,并利用辅助采集链路与消干扰信号在数字域上的抵消结果作为主采集链路数字域上的线性滤波器的输入参考信号,以实现对残余干扰的抵消。该系统结构方案与现有系统结构方案相比,在有效克服功率放大器非线性影响的同时,可降低模拟域及数字域干扰抵消系统结构复杂度;仿真数据处理结果表明,该方案可实现公里级带内全双工水声通信。     

水声通信半物理仿真平台设计与应用

信道自身的复杂性和现场级试验的高投入、高风险限制了水声通信技术的发展。针对高效率水声通信技术研究的需求,提出1种水声通信半物理仿真平台水声通信半物理仿真平台(A Hardware-in-Loop Simulation Platform for Underwater Acoustic Communication)。水声通信半物理仿真平台以可配置水声Modem为核心,包括现场测试采集系统、算法仿真评估系统、算法实现装载系统、水声波形存储播放系统。基于建立的水声通信半物理仿真平台,进行水声直接序列扩频通信系统的半物理仿真研究,结果表明水声通信半物理仿真平台可有效提高水声通信技术的研究效率。     

宽码率Polar码浅海水声通信实验研究

浅海水声信道的随机时–空–频特性给数据的可靠传输带来了重大挑战,低复杂度和理论上证明能到达香农限的极化码(Polar code)可以增强水声通信系统的鲁棒性。水下传输的图像、语音、文本、海洋监测数据和遥控指令具有不等重要性的特点,宽码率 Polar 码能够适应不同水声信道和不等重要性的信息传输。 目前 Polar 码在水声通信中的实验研究多为仿真分析,设计了宽码率 Polar 码在厦门港海域海试验证,在不同信噪比的实录环境噪声下进行分析。海试结果表明：在良好的信道条件下,宽码率 Polar 码的性能优异,0.25 码率的 BPSK 和 QPSK 在实录环境噪声信噪比为–1 和 4 时实现零误码,其低复杂度信道编译码机制和宽码率与水声信道相匹配,可有效提高水声数据传输的可靠性和有效性,为基于 Polar 码的稳健可靠水声通信系统提供海试实验验证。