水下无线光通信中关键技术的研究与进展

由于水下无线光通信（Underwater Wireless Optical Communication,UWOC）具有高速率、低延迟和高保密性等优势,成为了水下无线通信的潜在应用。针对UWOC系统的模型及研究现状进行了简要的总结,重点阐述了UWOC系统所用到的关键技术,包括光源的选择、调制编码、探测、信道建模等关键技术,并介绍了一种UWOC系统的设计方案。最后针对实现水下长距离通信和高速率传输等问题,总结了UWOC未来的发展趋势及所面临的挑战,为UWOC将来的发展方向及实用化提供了参考。     

基于信号处理的水下无线光通信综述

水下无线光通信（UOWC）具有高带宽、低时延和抗电磁干扰等优势,成为水下数据传输的重要手段之一。简述了UOWC的发展史,总结了基于高性能光电器件和数字信号处理（DSP）2种方案的高速率长距离和高可靠性UOWC系统的研究现状。DSP中的调制技术能够实现通信速率和传输距离的折衷;信道均衡技术能够消除码间干扰,增大调制带宽;信道编码技术能够纠正接收信号中的错误;分集复用技术则能够分别提高系统可靠性和通信速率。除了研究高性能的光电器件以外,引入DSP技术能够从软件层面进一步提高系统性能。     

水下光学无线通信的海水信道特性研究

提出了将具有比声学高达几倍的数据通信速率,良好的安全性和隐蔽性的光学无线通信技术应用于海军、海洋科学研究和水下工程等领域,实现高速率的水下无线通信技术实现海量数据的信息交换.基于生物光学特性的水下光学信道模型,建立了水下光学通信系统性能分析方法.并对基于发光二极管(LED)的水下光学无线通信系统进行了仿真,其结果表明所建立的方法可以进行各种海域水质环境的模拟,便于时水下光学无线通信系统性能进行预测评估,为水下光学无线通信系统的设计方案的评估提供了依据.     

自主水下机器人水下接驳插拔传输与无线感应传输研究现状及对比分析

水下对接传输技术作为自主水下机器人（autonomous underwater vehicle,简称AUV）水下能源补给及数据传输的重要方式,受到国内外的重点关注,目前采用的水下对接传输方式主要分为接驳插拔传输及无线感应传输。在探究国内外AUV水下对接研究概况的基础上,归纳、总结以上两种传输方式的研究现状,分析对比其在对接传输效率、发展限制因素、对接控制技术等方面的区别。通过分析发现,接驳插拔传输在传输效率及功率方面具备优势,无线感应传输则具有更高的简易性、经济性。此发现为不同作业需求下传输方式的选择提供了基础。通过技术发展限制因素对比得出,在未来技术发展方向上,接驳插拔传输技术需提升系统稳定性、灵活性及费效比,无线感应传输需解决能量损耗、系统鲁棒性及涡旋损耗等问题。对两种传输技术未来发展前景及方向的预测,能够为AUV水下传输的发展提供重要参考。     

面向水下无线传感器网络的介电弹性体能量收集技术研究

水下无线传感器网络为海洋资源勘探、海洋灾害预警、海洋权益维护和海洋安全防御等提供了重要助力。然而,利用传统蓄电池对传感器进行供电的方式,需要定期充电或更换蓄电池,难以保证长时间持续可靠工作,介电弹性体能量收集技术原位供电成为解决这一难题的有效途径。目前,面向水下能量收集的介电弹性体发电机（DEG）存在能量收集性能低的问题,针对该问题,通过构建的 DEG 理论模型,研究不同参数下 DEG 的动态响应和能量收集性能,以探究提高其能量收集性能的方法。结果表明：增大负载电阻或提高 DEG 拉升阶段在其周期中所占时间比可以增强其能量密度。研究结果能够为增强介电弹性体水下能量收集性能提供新途径。     

水下滑翔机三维定常运动建模与分析

针对水下滑翔机运动过程中的特点,水下滑翔机实际运动过程可以分为定常运动段和非定常运动段,对自设计的水下滑翔机原理样机建立了基于单刚体六自由度的定常运动段的数学模型并进行了数值仿真,在此基础上分别对水下滑翔机运动过程中的两种定常运动—直线定常运动和螺旋定常运动进行了分析。结论显示在直线定常运动中俯仰角和攻角随平移质量块位置的增大先变化迅速后变化缓慢。滑翔角随平移质量块位置的增大近似呈线性增大的关系。在螺旋定常运动中通过模型仿真得到螺旋运动特征参数(螺旋半径、螺旋线螺距、螺旋时间周期、速度)和状态参数(滑翔角、翻滚角、各方向速度分量、各方向角速度分量),根据最小二乘法拟合得到它们之间的关系,从而说明了螺旋运动状态是如何通过调整平移质量块移动距离,旋转质量块旋转角度和净重力等控制量而变化的。     

水下光通信技术的研究与展望

水下光通信（Underwater Optical Wireless Communication,UOWC）是一种新型的水下通信技术,具有保密性好、可靠性高等优点,对于构建全光立体通信网络以及6G空天海地一体化全方位通信有重要的意义。分析了水下光通信相较于其他传统水下通信方式的优点,对水下光通信发展历程与进展进行了综述,对比了水下光通信2种主流光源：激光光源和LED光源。针对现阶段水下光通信面临的难题,提出了一种完善的水下光通信系统框图,并研制出相应的硬件系统,完成了水下通信调试。水下光通信是一种切实可行的新型通信方式,兼具灵活、保密、高速率等特点,在未来的6G时代中将会得到进一步的发展和应用。     

浅海声信道“时域衰落”特性研究

研究了浅海声信道“时域衰落”与海况，波高，中心频率和作用距离的关系，结果表明，在相同海况下，波浪愈高，振幅起伏愈明显，在同样作用距离，深度下，中心频率２０ｋＨｚ是信道较好的传播频率，其振幅起伏小，自相关时间较长，在该声道中，作用距离在２０００－２５００ｍ处振幅起伏最大。     

数据驱动的水下潜航器在线建模及运动控制技术

面向未来高机动水下潜航器对精确运动控制的需求,考虑到现有控制方法所面临的动态跟踪能力差、耦合系统控制精度低等不足,研究基于模型的控制方法。水下潜航器水动力非线性强、建模困难,研究了数据驱动的水下潜航器运动建模方法,可实现对潜航器未来运动的长时精确预报。面向微小型水下潜航器难以安装声学测速及推进器转速测量装置,研究了无声学传感信息下线速度多步预报技术,仅需惯导数据及推进器、舵角控制信号,实现对不同航次线速度长时精确预报。基于该建模方法,研究了水下潜航器 MPC 及基于模型的强化学习运动控制技术,基于仿真平台及无人机实物平台验证了控制方法的有效性。     

基于能耗最优的TLP张力腿水下无线监测组网方法研究

张力腿作为张力腿平台(tension leg platform,简称TLP)的重要组成部分,服役水深大,动力学行为复杂多样。为了保障张力腿的结构安全,开展张力腿的水下全方位监测十分必要。文中以某TLP为依托,构建一套能耗最优的张力腿监测系统。首先,利用附加质量法对张力腿进行湿模态分析,结合有效独立法与模态置信度准则确定张力腿监测节点的具体布设方案;其次,以能耗最低为优化目标,基于遗传算法建立了水下无线组网监测方案,同时讨论了监测节点存在失效时监测数据传输路径改变方案;最终,得到一套能耗最优的TLP张力腿水下无线组网监测方法,以降低水下监测系统维护成本。     

Channel Modeling and Threshold Signal Processing in Underwater Acoustics: An Analytical Overview

An overview of underwater acoustic channel modeling and threshold signal processing is presented, which emphasizes the inhomogeneous, random, and non-Ganssian nature of the generalized channel, combined with appropriate weak-signal detection and estimation. Principal attention is given to the formal structuring of the scattered and ambient acoustic noise fields, as well as that of the desired signal, including both fading and Doppler "smear" phenomena. The role of general receiving arrays is noted, as well as their impact on spatial and temporal signal processing and beam forming, as indicated by various performance measures in detection and estimation. The emphasis here is on limiting optimum threshold systems, with some attention to suboptimum cases. Specific first-order probability density functions (pdf's) for the non-Ganssian components of typical underwater acoustic noise environments are included along with their field covariances. Several examples incorporating these pdf's are given, to illustrate the applications and general methods involved. The fundamental role of the detector structure in determining the associated optimum estimators is noted: the estimators arc specific linear or nonlinear functionals of the original optimum detector algorithm, depending on the criterion (i.e., minimization of the chosen error or cost function) selected. Results for both coherent and incoherent modes of reception are presented, reflecting the fact that frequently signal epoch is not known initially at the receiver. To supplement the general discussion, a selected list of references is included, to provide direct access to specific detailed problems, techniques, and results, for which the present paper is only a guide.     

水下滑翔机纵垂面运动姿态分析

在水下滑翔机的设计过程中,为了能够预先估计其水动力特性和操纵特性,避免大量的约束模型实验,需要建立动力学模型以仿真分析水下滑翔机的动力学行为。动力学建模是研究水下滑翔机水动力特性的理论基础,是运动控制的分析依据。通过软件来模拟滑翔机上浮/下潜平衡状态的姿态,并对其进行受力分析得出此姿态对应的理论俯仰角,与实验数据进行了对比,结果基本吻合,为水下滑翔机的设计与控制提供了参考。     

直立式水下驻留平台座底稳定性分析

建立了适用于大攻角状态的水下平台六自由度数学模型,使用四元数替代欧拉角描述平台姿态,以消除某些特殊情况下因平台姿态变化或个别欧拉角不确定性导致的运动方程奇异现象。 基于弹性力学相关理论建立符合海底真实物理特性的弹塑性数值模型,将座底平台-海底间交互作用与平台空间运动模型相结合,预报直立式平台座底驻留后对海流作用的运动响应,分析平台座底稳定性,为后续设计提供参考。     

Precoding Based Channel Prediction for Underwater Acoustic OFDM

The life duration of underwater cooperative network has been the hot topic in recent years. And the problem of node energy consuming is the key technology to maintain the energy balance among all nodes. To ensure energy efficiency of some special nodes and obtain a longer lifetime of the underwater cooperative network, this paper focuses on adopting precoding strategy to preprocess the signal at the transmitter and simplify the receiver structure. Meanwhile, it takes into account the presence of Doppler shifts and long feedback transmission delay in an underwater acoustic communication system. Precoding technique is applied based on channel prediction to realize energy saving and improve system performance. Different precoding methods are compared. Simulated results and experimental results show that the proposed scheme has a better performance, and it can provide a simple receiver and realize energy saving for some special nodes in a cooperative communication.     

水下滑翔器的运动建模与分析

介绍了水下滑翔器的工作机理，对其沉浮阶段的滑翔过程进行了动力学分析，推导了滑翔器在垂直剖面上的动力学方程。论文深入分析了水下滑翔器稳态时的运动规律，以水下滑翔器试验模型为例，推导了其稳态运动参数，通过线性化与适当的简化，得到模型在垂直剖面上的运动状态方程，讨论了系统的可控性与可观测性，为水下滑翔器系统的开发设计和控制提供了理论依据，具有重要的指导意义。     

进港航道水下地形的空间监测分析

阐述了利用水下地形测量数据对进港航道水下地形进行空间监测分析的方法,及其对制定航道水深监测周期的意义,主要介绍了等高线图示法、三维图示法和断面图示法及其应用。     

BDRM理论在双轴海洋声道中的应用

由于表面声道与深海声道间的耦合效应,声波在双轴海洋声道中的传播比较复杂,因此求解双轴海洋声道中的声场就比较困难。在 WKBZ 本征函数的基础上,推导出了参考界面相位修正的一致表达式,并将浅海声传播的波束位移射线简正波(BDRM)理论应用于计算双轴海洋声道中的声场,进行了数值模拟并与传统简正波方法进行比较,结果表明应用 BDRM 理论计算的传播损失具有很高的精度和速度,可以对双轴海洋声道内声传播问题进行分析和预报。     

多模式自适应水下无线通信网络框架研究

对当前典型的水下无线通信网进行分析,针对水声、光、射频3种通信模式在水下无线通信中的优缺点,提出基于软件无线电技术的多模式自适应水下无线通信网络的概念及其框架结构,并对其中的自适应调制解调方式展开研究.结合MAC层协议,提出一种跨层的自适应调制解调解决方案,即通过收发双方的握手信息携带当前信道状态,由发射方根据握手信息,判断双方通信距离,预计信道未来状态,结合需要传输的数据量,自适应选择合适的通信模式和调制方式,并利用握手信号通知接收方,从而实现在通信网络范围内数据或指令的快速可靠传输.