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。     

一种水声组网定位一体化系统设计与实现

水声网络已在海洋信息立体化获取、传输、感知领域中得到广泛研究和应用，水声网络节点的位置是水声网络协议设计、多样化应用中常常需要的重要信息。依托全球定位系统定位、采用常规水声定位技术获取水声网络节点位置等解决方案存在着无法直接水下应用、多节点需多次定位效率低、需要精确时间同步等问题。提出一种水声组网定位一体化方案，该方案利用水声网络运行过程中网络节点互联互通进行的交互可以直接通过应答测距方式进行节点位置解算，从而实现在不影响网络通信的情况下，无需精确同步的通信定位一体化功能。给出了系统组网通信、测距、定位、误差校正等核心环节的设计过程，设计了一套小规模水声网络通信定位试验系统，并开展湖试试验。湖试试验结果初步表明了该系统组网、定位一体化的有效性。     

水声通信网络的资源分配发展综述

随着陆地资源的枯竭,人类逐渐把目光转向了蓝色海洋。水声通信网络(Underwater Acoustic Communication Network,UACN)能够有效实现水下信息交互,是认识、开发、利用海洋的重要工具,并在推动“智慧海洋”建设中发挥着重要作用。但是,水下节点的发射功率、转发中继、通信信道等通信资源严重受限,这将无法满足 UACN 长期且有效作业的需求。资源分配技术能够在不提升网络硬件成本的情况下有效改善网络能量效率、抗干扰性等相关性能,在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,如何对有限的网络资源进行合理分配已成为 UACN 领域的研究热点之一。首先对 UACN 系统进行了简要介绍,然后研究分析了 UACN 资源分配技术及意义,并重点指出了其资源分配的发展现状、趋势和面临的挑战。     

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。     

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。     

基于带乘性噪声模型的水声通信字符估计算法研究

水声信道多途效应明显,而且存在衰落、散射、损耗以及随机时变等特性,使得水声通信系统的接收信号存在严重的码间干扰.利用带乘性噪声系统模型来刻画随机信道,在建模基础上利用最优滤波递推算法实现状态估计.由于状态向量中的第一维与接收信号之间存在一一对应关系,进而可实现水声信号的估计.该算法在最小方差意义下是最优的,能有效克服码间干扰和噪声污染.2种信道的仿真结果表明,在信噪比(SNR)为18db时,误码率(BER)均已经降低到10-4数量级,验证了算法的有效性.     

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。     

高速水声通信中正交频分复用技术试验研究

设计了基于正交频分复用的高速水声通信系统,并进行了湖上和海上试验研究。湖试中,在6 000 m距离下,传输速率达到7.6 kbps,误码率低于10-4;海试中,在12 km距离下,传输速率达到8.3 kbps,误码率低于10-3。试验结果表明,正交频分复用技术可以较好地克服码间干扰,有效地利用水声信道带宽,达到高速水声通信的目的。     

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。     

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。     

水声信道中一种抗多途跳频通信的研究

水声通道系统是当代海洋开发和海洋环境立体监测中的重要技术组成部分，广泛应用于海洋监测、海洋资源勘探和开发等方面。然而，水声信道的随机起伏、时－空－频变的多途特征使水声通信技术成为当代最为复杂的通信技术之一。本文介绍近年来在高速水声通信方面的一些研究进展，讨论了一种利用高速数字信号处理器（DSP）实现水声信道跳频通信的方案，并探讨了该方案在调制信号设计及信号处理实现上所采用的关键技术。     

感应耦合技术在海洋声学同步测量中的应用

海洋声场环境研究需要对不同深度的海洋声学环境要素进行同步测量,而感应耦合数据传输技术可实现多个单通道水声测量仪之间的同步采集和记录。文中阐述了感应耦合数据传输技术的特点及其在海洋声学环境同步测量中的应用,介绍了一种利用感应耦合数据传输技术实现数据同步测量的声学浮标系统,详细描述了系统的方案设计、结构组成及感应耦合部分的关键技术。实验水池测试表明,该系统工作稳定可靠,数据同步性好,具有良好的应用前景。     

基于水声环境空间中多模态深度融合模型的目标识别方法研究

随着对水下目标特性研究的深入和声学探测技术的发展,基于单模态的阵列式信息融合或基于空间信息的分布式信息融合的水下目标识别方法研究已有一定成果,但针对复杂海况导致单一物理场或单一融合层次的系统识别性能提高有限等方面影响的水下目标识别方法研究还有所不足,因此,开展基于多模态深度融合模型的水下目标识别方法研究可利用模态互补,共享信息而提升识别率。文中在国内外研究基础上,深入研究了基于到达时差法和多模态方法组合的检测方法,初步形成了基于水声环境空间中多模态深度融合模型的识别框架,开展了海洋中典型自然与人为事件的信号分析与特征提取,并在此基础上,设计新型基于海底基站的被动识别系统。该系统同步记录和由位置等组成的时间序列标记声、磁和压数据,可实现高精度、高分辨率的识别。本研究可满足未来海洋观测对高性能水下目标探测、定位和跟踪系统的迫切需要,为海洋安全监管、海洋突发事件应急响应等领域提供新的技术手段和科学参考。     

面向典型海洋现象观测的水下滑翔机应用综述

水下滑翔机是一种浮力驱动的无人水下自治观探测平台, 具有持续性、鲁棒性、自主性等特点, 是构建海洋观测技术体系重要的水下航行器之一。文章从水下滑翔机发展历程、运行方式和专用传感器展开, 基于国内外海洋学文献综述研究, 重点对水下滑翔机在典型海洋现象观测应用方面进行总结。水下滑翔机的运行稳定性、长时续, 观测高分辨率、低成本的特点, 满足了对海洋中尺度涡、内波、湍流、环流/边界流和锋面的长时间、精细化立体观测要求; 鲁棒性、自主性的特点使其能够适应台风过境、地震、原油泄漏前后等紧急恶劣海洋状况的监测; 运行平稳、低噪声的特点使其成为声学监测与探测的良好平台。对比分析国内外的水下滑翔机(组网)应用状况可以发现, 国内水下滑翔机在传感器、数据处理和组网技术方面都需要进一步完善。最后总结并展望了国内外水下滑翔机面向海洋现象观测的应用。     

基于声学调制解调器的声速剖面遥测技术

声速是海洋声呐测量中最重要的声学参数之一。拖缆式声速剖面仪可提供实时测量功能,但其缆长不能满足深海测量要求;自容式声速剖面仪可满足深海测量要求,但工作效率低。如何提高野外深海声速剖面测量工作效率是深海调查一项非常有意义的工作。文中详细介绍了基于声学调制解调器的声速剖面遥测系统的主要结构和功能,揭示了水声通信技术在深海非铠装缆测量中的应用优势。     

高精度和高分辨率水下地形地貌探测技术综述

为提高我国水下地形地貌探测技术水平,促进对海洋的科学认知和高效开发利用,文章综述高精度和高分辨率水下地形地貌探测技术研发进展,并分析关键技术发展方向。研究结果表明:采用机载激光、多波束、侧扫声呐、浅地层剖面、双频识别声呐、合成孔径声呐和水下三维扫描声呐等探测技术以及无人船、水下机器人和海底观测网等探测平台,可获取高精度和高分辨率水下地形地貌信息;应在提高设备性能、减小探测误差和完善数据算法等方面加大研究力度,重点发展综合探测技术,从而全面和清晰地反映水下地形地貌。     

ActiveX技术在海洋声信号处理中的应用

在Visual Basic6．0中应用ActiveX技术与Matlab混合编程，来处理海洋水声信号及海洋环境噪声实测数据，能够发挥各自的软件优势，既实现软件运行的无缝联接，又能大大简化繁琐的数据计算。     

Design and research on the two-joint mating system of underwater vehicle

In the 21st century,people have come to the era of ocean science and ocean economy.With the development of ocean science and technology and the thorough research on the ocean,underwater mating technique has been widely used in such fields as sunk ship salvage,deep ocean workstation,submarine lifesaving aid and military affairs.In this paper,researches are made home and abroad on mating technology.Two-joint mating system of underwater vehicle is designed including plane system,three-dimensional assembly system and control system in order to increase the capacity of adapting platform obliquity and adopting rotational skirt scheme.It is clear that the system fits the working space of underwater vehicle passageway and there is no interference phenomenon in assembly design.The finite element model of the system shell and the pressurization of the joint are established.The results of the finite element computing and the pressing test are accordant,and thus it can testify that the shell material meet the need of intension and joint pressurization is reliable.Modeling of the control system is accomplished,and simulation and analysis are made,which can provide directions for the controller design of mating system of underwater vehicles.     

Acoustic telemetry--An overview

Acoustic telemetry from underwater submersibles and sensors has been pursued ever since it was recognized that the ocean could support signal transmission. While it has been evident that some form of communication is possible, the ocean has proved to be a distressingly difficult medium in which to achieve high data rates. High data rate transmission requires a wide bandwidth which is severely constrained in the ocean because of the absorption of high-frequency energy. Moreover, the ocean is a very reverberant environment with both time and frequency spreading of signals; this further limits data transmission rates. The net effect of the bandwidth and reverberation constraints has led to either acoustic telemetry systems with low data rates or to the use of tethered systems. Over the years, various forms of acoustic communication systems have been developed. These have included direct AM and SSB for underwater telephones, FM for sensor data, FSK and DPSK for digital data, and parametric sonars for narrow-beam systems. As offshore operations have increased, several other systems have been proposed and/or built to respond to particular needs. In this paper, we review the underwater channel and the limitations that it imposes upon acoustic telemetry systems. We then survey some of the systems that have been built (excluding military systems) and indicate how they use various communication system principles to overcome these limitations.