浅海环境水声传播数据实测与仿真分析

搭建了一套水下录音记录系统,在复杂浅海环境进行了水声数据采集实验;对于水声采集数据进行了距离、频率谱分析,利用MIT开发的声学计算程序OASES针对声场进行了仿真分析。通过模拟结果和实测结果的比较,优化调整仿真程序的环境参数,分析发现影响声场分布的主要因素为沉积层压缩波声速与声源深度。通过这种方式,优化了仿真软件的环境参数,初步建立了比较准确的浅海水声环境仿真模型,取得了预期实验效果。     

水声数据通信系统研究

提出一种基于并行传输体制的水声数据通信系统设计方案,发射端采用纠错能力很强的级联码和MFSK调制,分集技术采用抑制载波的双边带调制方式,接收端对接收信号利用快速频谱分析进行解调,并进行硬判决Viterbi译码和BM迭代译码。实验表明,该水声数据通信系统的传输波特率为200bits/s。误码率达到10^-5～10^-6以下。     

高速水声通信中的相位补偿研究

利用相位补偿来解决高速水声通信中的载波恢复问题,并分析了联合相位补偿和信道均衡时的系统性能。研究结果表明：使用相位补偿后,均衡器可以有效地抵抗频率偏移造成的信道相位旋转,跟踪频率偏移能力提高了一个数量级以上。     

水声数字通信系统的仿真

本文介绍了利用计算机仿真水声数字通信系统。介绍了数字通信系统的组成部分之后，重点介绍水声信道的仿真以及调制方法的选取，通过计算机的仿真提高了水声通信系统设计的有效性，对实际出海实验很有帮助。     

水下声传输数据通讯技术研究

本文介绍了水下声传输数据通讯的原理、功能作用及关键技术研究。     

水声扩谱通讯中的自适应多普勒补偿方法

本文介绍了一种水声扩谱通讯中，应用子波对多普勒效应进行补偿的方法。针对多普勒效应本身是否会随时间变化，分别应用直接估计、自适应估计的方法。其中自适应多普勒补偿方法同自适应信道均衡算法结合在一起，对多普勒漂移、信道参数进行联合估计。两种方法都应用了子波变换对多普勒展宽程度进行估计并用线性插值进行补偿。计算机仿真结果令人满意。     

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（Polarcode）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。     

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。     

浅海型水下滑翔机技术研究现状分析

美国Teledyne Webb Research公司按照型号系列化、结构模块化和测量多样化的设计思路研制水下滑翔机,其Slocum 200浅海型和Slocum 1000深海型水下滑翔机在海洋环境观测领域具有广泛的客户需求。文中以200 m浅海型和1 000 m深海型两款水下滑翔机为例,详细对比了两者的技术特点,并在此基础上阐述了两者各自适用的海洋环境观测应用范围,两者优势互补,难以取代对方。浅海型水下滑翔机具有锯齿剖面密度大、折返机动性高和平均前向速度快的特点,适合在近海岸、陆架坡折和深海温跃层等区域对高时空变率海洋现象进行观测。近几年,我国深海型水下滑翔机技术取得了惊人进步,同时,我国浅海型水下滑翔机技术也在快速发展,这对推动我国海洋环境监测业务水平的提升意义重大。     

水声信道高速率数据传输的换能器研制

在复杂的水声信道中 ,实现高速率的数据传输 ,水声换能器的带宽是一个重要的技术问题。实验中 ,为了拓宽换能器的带宽 ,我们利用圆柱形压电换能器的径向振动与液腔振动相耦合原理研制自由溢流式换能器和利用纵向振动与前盖板弯曲振动相耦合原理研制纵向振动复合棒换能器。本文介绍适应于复杂的水声信道中 ,进行高速率数据传输的两种宽频带换能器的研制     

Shipborne Underwater Acoustic Communication System and Sea Trials with Submersible Shenhai Yongshi

The Shipborne acoustic communication system of the submersible Shenhai Yongshi works in vertical, horizontal and slant channels according to the relative positions. For ease of use, an array combined by a vertical-cone directional transducer and a horizontal-toroid one is installed on the mothership. Improved techniques are proposed to combat adverse channel conditions, such as frequency selectivity, non-stationary ship noise, and Doppler effects of the platform’s nonlinear movement. For coherent modulation, a turbo-coded single-carrier scheme is used. In the receiver, the sparse decision-directed Normalized Least-Mean-Square soft equalizer automatically adjusts the tap pattern and weights according to the multipath structure, the two receivers’ asymmetry, the signal’s frequency selectivity and the noise’s spectrum fluctuation. The use of turbo code in turbo equalization significantly suppresses the error floor and decreases the equalizer’s iteration times, which is verified by both the extrinsic information transfer charts and bit-error-rate performance. For noncoherent modulation, a concatenated error correction scheme of nonbinary convolutional code and Hadamard code is adopted to utilize full frequency diversity. Robust and low-complexity synchronization techniques in the time and Doppler domains are proposed. Sea trials with the submersible to a maximum depth of over 4500 m show that the shipborne communication system performs robustly during the adverse conditions. From the ten-thousand communication records in the 28 dives in 2017, the failure rate of the coherent frames and that of the noncoherent packets are both below 10%, where both synchronization errors and decoding errors are taken into account.     

深海RAP下的水声信道特性与通信技术研究

可靠声路径（Reliable Acoustic Path,RAP）是深海声传播的重要通道之一,其受界面影响较小,传播损失较低,可以传播到较远的距离,而且在临界深度以下,环境噪声较低;其次,可靠声路径有效避开了多途扩展现象,声线以结构稳定的直达声为主。在总结可靠声路径物理机理和声传播优势的基础上,对比分析了几种不同海洋参数条件下RAP声传播特性,然后采用射线模型仿真分析了RAP声信道内的接收声线结构,之后基于仿真的RAP信道进行了单载波通信性能的分析。仿真结果发现：在RAP声信道内,直达声能量高,传播损失低,声线结构稳定且多途扩展小,对环境变化不敏感,在35km左右的中远程距离内具有很高的信噪比;相同仿真条件下,RAP区域的误码率较同距离浅深度的接收低很多,而且RAP区域接收信号信噪比高出其他区域10 dB左右。该研究结果对于实现垂直方向上深海信息的跨域传输具有重要意义。     

浅海双跃层脉冲声传播

利用在东海测量的双跃层声速剖面和修改的单跃层声速剖面,数值模拟了2种跃层条件下不同收发深度声脉冲传播的波形。模拟结果表明,当声源或接收器位于上混合层时,信号波形在2种条件下都出现梳状多途结构。当声源和接收器都位于下混合层时,信号波形在2种条件下均相似。当声源位于中间均匀层时,信号波形在除上混合层以外的4层都有显著差异。用简正波的深度-简正波号域的幅度和相应的群速度解释了双跃层和单跃层声速剖面条件下信号波形特点以及异同的原因。     

OFDM水声通信系统的同步技术研究

OFDM传输技术能够克服水声信道中的多径传播并获得高的频谱效率,不需要复杂的自适应均衡器,但其对同步误差非常敏感.在分析OFDM同步误差原理的基础上,设计实现了一个宽带OFDM水声通信接收机,并着重讨论了接收机中基于训练数据的定时和频率同步方法,以及多普勒频偏的估计和补偿算法.水下实验证明了方案的有效性.     

OTFS水声通信技术研究现状与展望

正交时频空调制是近年来提出的一种用于高速移动无线通信场景的调制技术,通过将时变多径信道转换到时延–多普勒域,使得所有符号都经历几乎相同且变化缓慢的稀疏信道。与正交频分复用系统相比,正交时频空技术具有较低的峰均功率比,且能够有效抵抗多普勒效应,在高时延、高多普勒的信道条件下具备性能优势。简要介绍了正交时频空技术的基本原理,以及目前无线电及水声通信领域正交时频空技术研究与应用现状,梳理了正交时频空技术在工程应用中亟待解决的关键问题,如波形设计、信道估计和均衡以及接收机结构设计等。最后对正交时频空技术在水声通信系统中面临的挑战和应用前景进行了分析和展望。     

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.     

Multicarrier Communication Over Underwater Acoustic Channels With Nonuniform Doppler Shifts

Underwater acoustic (UWA) channels are wideband in nature due to the small ratio of the carrier frequency to the signal bandwidth, which introduces frequency-dependent Doppler shifts. In this paper, we treat the channel as having a common Doppler scaling factor on all propagation paths, and propose a two-step approach to mitigating the Doppler effect: 1) nonuniform Doppler compensation via resampling that converts a “wideband” problem into a “narrowband” problem and 2) high-resolution uniform compensation of the residual Doppler. We focus on zero-padded orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) to minimize the transmission power. Null subcarriers are used to facilitate Doppler compensation, and pilot subcarriers are used for channel estimation. The receiver is based on block-by-block processing, and does not rely on channel dependence across OFDM blocks; thus, it is suitable for fast-varying UWA channels. The data from two shallow-water experiments near Woods Hole, MA, are used to demonstrate the receiver performance. Excellent performance results are obtained even when the transmitter and the receiver are moving at a relative speed of up to 10 kn, at which the Doppler shifts are greater than the OFDM subcarrier spacing. These results suggest that OFDM is a viable option for high-rate communications over wideband UWA channels with nonuniform Doppler shifts.      

An Iterative Equalization and Decoding Approach for Underwater Acoustic Communication

In this paper, we present an iterative approach for recovering information sent over a shallow underwater acoustic (UWA) communication channel. The procedure has three main tasks: estimation of channel model parameters (CMPs), channel equalization, and decoding. These tasks are performed cyclicly until the algorithm converges. Information bits are convolutionally encoded, punctured and permuted, mapped into quaternary phase-shift keying (QPSK) symbols, linearly modulated, and transmitted through a downward-refracting ocean waveguide. Training symbols are prepended to the transmitted sequence for initial estimation of CMPs. Our algorithm processes data from a single receive sensor. Data are received on a vertical array and the performance of the algorithm for each sensor in the array is examined. There is negligible Doppler spread in the received data. However, difference between transmitter and receiver clocks as well as slight motion of the receive array produce a nonnegligible compression of the received signals. Consequently, there is observable Doppler “shift.” Nonuniform resampling of the data produces time series we model as the output of a linear time-invariant system. Resampling and CMP estimation are done iteratively, in conjunction with equalization and decoding. The algorithm successfully processes the data to yield few or no information bit errors.      

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。     

带内全双工水声通信空间域自干扰抵消方法

针对带内全双工水声通信的自干扰抵消技术,目前常通过模拟域或数字域自干扰抵消方法进行自干扰信号消除,但由于硬件设备问题,自干扰抵消性能存在上限。而空间域自干扰抵消常采用吸声障板或具有指向性的换能器完成,虽增加了自干扰抵消上限,但在工程应用中较为复杂,方法具有设备依赖性,且抵消能力有限。为进一步增加自干扰抵消上限并减少空间域自干扰抵消方法复杂度,基于阵列信号处理技术完成空间域自干扰抵消,并针对带内全双工水声通信中独有问题设计波束形成器,利用空域滤波抑制自干扰信号并增强期望信号,通过仿真及水池实验验证了本方法的实用性及抵消效果。