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。     

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。     

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。     

基于水下三维传感器网络的海洋环境立体监测系统关键技术研究

深入分析了我国海洋环境监测技术的不足与现实需求,提出一种基于水下三维传感器网络的海洋环境立体监测系统,探讨了系统的组成、架构及其涉及的关键技术。设计了可自主沉浮的水下传感器节点,探讨了水下传感器节点间、系统与控制中心间的通信方式,对网络拓扑结构进行了三维仿真,最后对水下三维传感器网络的应用前景进行了展望。     

一个水声扩频通信系统设计与实现

严重的多途衰落、多普勒频偏是水声通信中引起误码的主要原因。低功耗、远距离、高隐蔽性、低信噪比检测、高可靠性的数据传输是水声通信的一个发展方向。设计并实现了一个水声扩频通信系统,有效地解决了以上问题,并采用快速相关算法,代替传统的矢量与矩阵相乘运算,极大地减少了程序的运行量,从而实时地处理接收信号。通过湖试和海试,验证了此通信系统的优良性能。     

海洋水声传感器网络路由机制研究

水声传感器网络是近年来的新兴应用研究领域,路由机制是其网络协议栈的核心内容,用于在水下建立一条数据传输路径。由于水下应用场景与水声通信环境的特殊性,导致陆上传感器网络的路由机制难以直接应用到水下。文章深入分析了海洋水声传感器网络的应用场景,将其归结为水底的二维平面形式与水下三维立体形式。对于二维平面形式提出了节省能量的路由策略以有效延长网络生存时间;对于水下三维立体形式提出一种不依赖位置信息的路由机制,并针对数据转发中存在的路由空洞设计了有效的路由重构机制。     

时变多径水声信道的仿真研究

本文针对浅海水声信道的时变特性,基于射线理论引入海洋参数——强度起伏参数Φ、不均匀度参数A,建立有效的时变多径信道模型,并采用Matlab工具进行仿真．仿真结果表明,该模型相比于确定性模型更容易理解、更真实．文中给出的模型和结论能够为实际通信系统中发射接收机深度等的选择和设计提供一定的参考和依据,有助于对水声信道的了解．     

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。     

海洋环境对桥梁下部结构的影响

概述了海洋环境对桥梁下部结构(包括基础、承台、桥墩等)的影响,并介绍了跨海大桥在下部结构设计、施工中采取的相应措施,以期为跨海大桥下部结构的设计提供参考。     

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。     

海洋生态环境与资源保护执行情况评价

改善海洋生态环境和保护海洋资源是实现海洋可持续发展的基本前提.<全国海洋经济发展规划纲要>发布实施已有6年,为客观掌握国家及沿海地区对海洋生态环境与资源保护政策的落实情况,对海洋生态环境与资源保护的执行情况进行评价.     

水雷作战效能海洋环境影响评估

提出并定性分析了海洋环境对水雷作战效能的影响,提出了构造模糊隶属函数,归一量化描述不同环境参数;采用层次分析法构建水雷作战效能指标参数,建立水雷作战效能与海洋环境参数之间的关联和层次结构,构造环境参数到水雷效能的训练样本;采用机器学习方法对海洋环境影响下水雷作战效能进行评估。通过实例,给出了水雷作战效能量化评估过程。     

A Marine Environment Early Warning Algorithm Based on Marine Data Sampled by Multiple Underwater Gliders

This study analyzes and summarizes seven main characteristics of the marine data sampled by multiple underwater gliders. These characteristics such as the big data volume and data sparseness make it extremely difficult to do some meaningful applications like early warning of marine environment. In order to make full use of the sea trial data, this paper gives the definition of two types of marine data cube which can integrate the big marine data sampled by multiple underwater gliders along saw-tooth paths, and proposes a data fitting algorithm based on time extraction and space compression(DFTS) to construct the temperature and conductivity data cubes. This research also presents an early warning algorithm based on data cube(EWDC) to realize the early warning of a new sampled data file.Experiments results show that the proposed methods are reasonable and effective. Our work is the first study to do some realistic applications on the data sampled by multiple underwater vehicles, and it provides a research framework for processing and analyzing the big marine data oriented to the applications of underwater gliders.     

基于圆型基阵的水下声信标搜寻仪性能测试

基于声信标信号特征的快速识别技术、远距离微弱信号的快速定位技术、空域时域组合的多目标分辨技术,研发了基于圆型基阵的水下声信标搜寻仪"天科寻海一号"。通过消声水池、海上现场等试验,对其各项指标和整体性能进行了测试。该设备探测距离达3 000 m、方向分辨力达0.5°,具备同时搜寻多个声信标的能力。通过实时交会定位方法,可对大面积海域进行快速搜索及准确定位,具有重要的工程应用价值。     

基于小波包变换特征向量提取的隐蔽水声通信性能评价方法研究

针对水声通信系统的隐蔽性缺乏客观、有效的评价手段,提出一种基于小波包变换提取信号特征向量并比较特征向量相似度的信号隐蔽性评价算法。为了区别截获信号和环境噪声,考虑从能量分布特征的角度,提取截获信号的特征参数。所提算法利用小波包变换具有更高的时频分辨率、自适应选择频带等特点,获取信号的小波包能量占比、小波包能量熵、小波包尺度熵,采用上述 3 个特征参数组成特征向量和利用余弦相似度算法判别信号隐蔽性。仿真实验和海试结果表明,所提方法得到的信号隐蔽性能基本符合实际信号隐蔽性能随信噪比变化规律,为隐蔽水声通信系统评估设计和水声对抗性能评级提供有效参考。     

人类活动对海岸海洋环境的影响——以海南岛为例

通过对海南岛南部三亚湾海岸海洋和东部铜鼓岭海岸海洋环境的调查和研究,探讨了人类活动对海岸海洋环境的深刻影响.结果表明,海南岛三亚湾岸段处于中等开发状态,存在生活污水排放和城市建筑违规等环境问题;东部铜鼓岭岸段处于初级开发状态,环境问题主要是养殖排污.人类活动对海岸海洋环境带来负面效应的同时,也在充分利用海岸海洋资源.因此,根据海岸海洋环境特征,充分发挥人的主观能动性,尽可能减少人类活动对海岸海洋环境的负面影响,扩大人类活动对海岸海洋环境的正面效应.     

连云港海底航道安全海洋环境综合评价

海底航道安全与海洋环境相关,随着海洋调查观测技术的进步,航道观测信息增多,有些信息往往难以定量,如何利用这些资料评估海底航道安全日益重要。本研究在综合分析连云港海底航道安全海洋环境主要影响因素的基础上,基于航道地形环境、航道地质环境、海洋动力环境、极端事件对航道安全的影响程度,建立了连云港海底航道安全海洋环境模糊综合评价模型,运用模糊综合评价法对航道安全海洋环境进行了定量评估,依据评价结果,连云港海底航道安全海洋环境定量评价为2.63,等级介于比较安全与一般危险之间,对航道海洋环境立体监测与安全评价体系建设具有实践意义。     

印度洋水声环境特征自组织网络区划分型

利用WOA05世界大洋数据集,1°×1°分辨率、标准分层的气候态平均温、盐场资料,提取一组表征印度洋海域水下声场环境的特征指标.借助一组聚类结果评估函数,确定最佳区划分型数目,利用自组织特征映射网络(SOFM)可以保持拓扑结构不变的特点,对西太平洋海域水下环境进行区划分型.分类区划结果对该海域的声场背景分析和声纳探测具有参考应用意义.     

我国东部沿海地区海洋环境绩效评价研究

海洋强国战略是我国海洋经济发展的重要引擎,海洋环境的科学保护、海洋资源的合理开发是海洋经济发展的重要举措。文章引入生态环境绩效、社会经济绩效等变量,通过因子分析法计算影响海洋环境的主要成分因子,并根据成分因子得分系数科学地对海洋环境绩效进行评价。相关因子的权重结果表明,社会经济绩效因子所占权重大于生态环境绩效因子,要使海洋环境得到可持续发展,需要社会各界不断努力,健全海洋环境监测机制,共同形成保护海洋环境的良好氛围。