Desenvolvimento e aplicação do sensor de transdutor acústico subaquático

1 O conceito básico e histórico da rede de transdutores acústicos subaquáticos

o Transdutor acústico subaquáticoA rede é o produto da popularização da tecnologia de rede global. Agora que a terra é conectada por meios ópticos ou elétricos com fio, e a rede está conectada através de redes sem fio ou mesmo satélites de comunicação no ar, a rede subaquática pode ser a única terra virgem restante que não foi totalmente cultivada. É concebível que um dia, quando você liga o computador e se conecta à Internet, você pode obter imediatamente dados reais - dados do oceano no Oceano Atlântico Deep. Se uma câmera subaquática estiver instalada, você poderá ver os peixes coloridos do grande a montante na tela. Essa é a tarefa que a rede de transdutores acústicos subaquática: a rede acústica subaquática é usada como meios de transmissão de informações, o sensor subaquático é usado como janela para aquisição de informações e a rede acústica subaquática é finalmente incorporada à rede convencional de alguma forma para integrar os dados subaquáticos enviados ao observador. Como as ondas sonoras são a única forma de energia que pode ser transmitida a longas distâncias na água, as ondas de rádio têm uma distância de propagação muito curta na água e a luz também não é adequada para ambientes subaquáticos devido à alta atenuação e espalhamento subaquático. O transdutor acústico subaquático é uma rede sem fio composta por ondas acústicas subaquáticas como transportadora de informações. É análogo a uma rede sem fio no ar, exceto que a transportadora de informações no ar são ondas de rádio e a transportadora de informações na água é o ondas sonoras. A rede acústica subaquática deve resolver dois problemas técnicos, um é o transdutor de comunicação acústica subaquática e o outro é a rede com base na comunicação acústica. A comunicação acústica subaquática resolve o ponto - a comunicação de ponto entre dois usuários (ou fontes de informação), e a rede resolve o problema da interação da informação quando vários usuários (ou fontes de informação) compartilham o canal médio da água. Como uma tecnologia emergente em desenvolvimento, a razão pela qual o desenvolvimento da rede acústica subaquática fica muito atrás da rede sem fio no ar é amplamente limitada pelo desenvolvimento da tecnologia de comunicação acústica subaquática. A comunicação acústica subaquática mais antiga pode ser rastreada até a modulação da amplitude (AM) e os telefones subaquáticos de banda lateral única (SSB) para dados analógicos na década de 1950; Havia alguns sistemas analógicos antes da década de 1970, devido à modulação da amplitude no ambiente de reverberação acústica subaquática. Com o desenvolvimento da tecnologia VLSI, a tecnologia subaquática de manuseio de mudança de frequência digital (FSK) foi aplicada no início dos anos 80. É robusto para a propagação de tempo e frequência do canal. A comunicação coerente acústica subaquática apareceu no final dos anos 80. Comparado com a comunicação não coerente, a tecnologia coerente de comunicação acústica subaquática pode melhorar a eficiência da largura de banda do canal acústico subaquático de largura de banda limitada.No entanto, devido à dureza e complexidade do canal acústico subaquático, a comunicação coerente acústica subaquática não iniciou, foi aceito que o produto da distância e da velocidade da comunicação acústica subaquática naquele momento era de cerca de 0,5 km. Na década de 1990, devido ao desenvolvimento da tecnologia de chips DSP e teoria da comunicação digital, muitas tecnologias complexas de equalização de canais podem ser realizadas, o que impulsionou o desenvolvimento da tecnologia de comunicação coerente acústica subaquática e se voltou para o estudo da comunicação horizontal do canal, porque o efeito da multiplicação do canal é muito mais complicado do que o do canal vertical no fundo do mar. Em meados da década de 1990, o produto de velocidade e distância do transdutor de comunicação acústica subaquática no ambiente marinho raso atingiu 40 km × kbit, o que fez o estabelecimento do transdutor acústico subaquático. Um componente -chave histórico das redes subaquáticas é o surgimento de modems acústicos subaquáticos. O conceito mais antigo de aplicação subaquática do transdutor acústico foi a Rede Autônoma de Amostragem do Oceano (AOSN) em 1993. Os Estados Unidos iniciaram um experimento anual em 1998 verificar o conceito de transdutor acústico subaquático. Desde meados da década de 1990, a tecnologia de comunicação acústica subaquática e a tecnologia de rede subaquática estão se desenvolvendo constantemente ao mesmo tempo. No entanto, devido à particularidade e complexidade do meio de água (como atraso de tempo, grande atenuação, mudança de múltipla e mudança de frequência), ela é usada na terra. A tecnologia de rede sem fio não pode ser aplicada diretamente às redes subaquáticas, e a pesquisa sobre canais subaquáticos, comunicações subaquáticas e protocolos de rede subaquática está em ascensão. Ao mesmo tempo, desde os anos 90 até o presente, o desenvolvimento de redes de sensores sem fio terrestre com base na comunicação sem fio de curto alcance também foi muito rápida. Pode -se dizer que a rede de sensores acústicos subaquáticos é uma extensão do conceito de rede de sensores terrestres para aplicações subaquáticas. A rede de sensores acústicos subaquáticos é composta por múltiplos nós de sensores. Os nós podem ser corrigidos, como bóias ancoradas ou alvos submersíveis, ou móveis, como robôs subaquáticos (UV ou AUV). Atualmente, a rede de sensores acústicos subaquáticos pode obter informações diferentes de acordo com os diferentes tipos de sensores subaquáticos: pode ser usado para aquisição de dados oceanográficos, monitoramento da poluição marinha, desenvolvimento próximo, prevenção de desastres, navegação subaquática e assistência de posicionamento, pesquisa de recursos marítimos e pesquisa Aquisição de dados de pesquisa científica, monitoramento tático distribuído, reconhecimento de minas e detecção, rastreamento e posicionamento de metas subaquáticas. Em resumo, a rede de sensores acústicos subaquáticos é obter informações subaquáticas através de vários nós do sensor em uma determinada área subaquática e realizar comunicação acústica e networking com nós subaquáticos e, finalmente, passar por nós específicos e re -rádio em uma forma com fio e com fio, As informações obtidas na área de cobertura são incorporadas na rede convencional na costa e enviadas para a sub -rede subaquática do observador.

2 Estrutura topológica da rede de sensores acústicos subaquáticos

Como a estrutura da rede de sensores sem fio na terra, a estrutura topológica da rede de sensores hidroacústicos subaquática pode ser dividida em duas categorias: rede centralizada (rede centralizada) e rede ponto a ponto distribuído (rede de ponto a ponto distribuída). Em uma rede centralizada, a comunicação entre os nós é realizada através de um nó central e a rede é conectada à rede de backbone através deste nó central. A principal desvantagem dessa configuração é que há um único ponto de falha, ou seja, a falha desse nó levará à falha de toda a rede. E como o alcance de um único modem é limitado, a cobertura da rede centralizada é limitada. A Figura 1 é um diagrama esquemático da topologia de uma rede centralizada. Rede ponto a ponto significa que não há nó central para \"administrar \", e cada nó tem uma autoridade relativamente igual. De acordo com os diferentes métodos de roteamento, existem algumas diferenças na rede ponto a ponto. Uma rede ponto a ponto totalmente conectada fornece conexões diretas \"ponto a ponto\" para dois nós arbitrários na rede. Essa topologia reduz a necessidade de roteamento. No entanto, quando os nós estão espalhados em uma grande área, há uma necessidade de comunicação. O poder aumentou muito. E também haverá um problema \"próximo e longe\", ou seja, quando um nó A está enviando um pacote de dados para um nó remoto, ele bloqueará os nós vizinhos do nó A de receber outros sinais.

A rede ponto a ponto multi-hop se comunica apenas entre nós adjacentes, e uma mensagem é concluída por vários saltos entre nós da fonte e o destino. O sistema multi-hop pode cobrir uma área maior, porque o alcance da rede depende do número de nós e não é mais limitado pela faixa de um único modem. A Figura 2 é um diagrama esquemático da topologia de rede ponto a ponto de vários hop. A rede é uma rede para aplicativos móveis sem fio, que pertence a uma rede ponto a ponto multi-hop. Ele não precisa criar infraestrutura com antecedência, também conhecido como rede infraestrutura (Rede de Infraestrutura). Suas características são: rede autônoma, topologia dinâmica, limitação de largura de banda e capacidade de link variável, comunicação multi-hop, controle distribuído, nós com energia limitada e segurança limitada. Como não depende da infraestrutura, pode ser implantado rapidamente e cobrir uma área maior. Como a infraestrutura que pode ser usada na água é limitada e o AUV móvel será uma parte importante da rede de sensores acústicos subaquáticos (o AUV pode aumentar o desempenho da rede de sensores subaquáticos), sua capacidade de auto-organização e topologia dinâmica , Faça a rede Adhoc é muito adequada para ser usada em redes de sensores acústicos subaquáticos. Embora a rede Adhoc seja adequada para a aplicação da rede hidroacústica, sua questão de segurança sempre foi um tópico de pesquisa. De fato, oSensor subaquático de hidrofoneA rede deve ser um híbrido de uma rede centralizada e uma rede ponto a ponto. Na literatura [16], é introduzida uma rede de sensores hidroacústicos bidimensionais e tridimensionais. Bidimensional refere-se à dimensão das informações obtidas. Na rede de sensores acústicos subaquáticos bidimensionais, nós de sensores e transponders de dados (Sink) são colocados no fundo do mar, em uma pequena área com pia como o centro, e os dados de cada sensor podem estar no link horizontal para alcançar o coletor De maneira direta ou multi-hop (rede ponto a ponto de vários hop), e os dados do sensor só podem atingir a estação de superfície se forem encaminhados no link vertical através do coletor. Como apenas as informações de uma determinada área do fundo do mar podem ser obtidas, elas são chamadas de rede de sensores bidimensionais. Na rede de sensores acústicos subaquáticos tridimensionais, a profundidade do alvo submersível pode ser controlada, de modo que os nós multi-sensores em uma determinada área estão localizados em profundidades diferentes, de modo que as informações do oceano de uma determinada área e diferentes profundidades podem ser obtido, assim é chamado de rede de sensores acústicos subaquáticos tridimensionais. Na topologia da rede, também é uma rede ponto a ponto de vários saltos. O AUV pode atingir diferentes profundidades no oceano, combinado com uma rede de sensores de fundo fixo, também pode formar uma rede tridimensional de sensores acústicos subaquáticos. Vale ressaltar que, devido às redes de sensores acústicos subaquáticos, sempre há um problema de acessar outras redes convencionais na água. Existe um nó especial chamado estação de superfície, gateway ou nó mestre para concluir este trabalho. Ele não deve apenas ter um modem acústico para comunicação com redes subaquáticas, mas também um modem de rádio ou cabo para comunicação com redes baseadas em satélite ou em terra. A estação de superfície pode usar a bóia como transportadora, ou o navio de superfície como transportador. A topologia de rede determina o método de roteamento, perda de energia, capacidade de rede e confiabilidade da rede. Estudos mostraram que uma rede composta por múltiplos nós de sensores distribuídos em intervalos iguais ao longo de uma linha reta consome mais energia do que uma rede ponto a ponto de vários hop, de acordo com o método de roteamento de uma rede ponto a ponto totalmente conectada; E a capacidade da rede também é afetada pela topologia da rede.

3 conceitos relacionados de camada de rede de sensores acústicos subaquáticos

A rede de sensores acústicos subaquáticos é realmente um campo totalmente novo, mas o conceito que segue é o mesmo da pilha de protocolo de rede comumente usada. A Tabela 1 é os conceitos de camada de rede comumente usados. Por uma questão de simplicidade, este artigo discute apenas as três camadas básicas: camada física, camada de link de dados e camada de rede. O problema a ser resolvido pela camada física é como usar o meio de transmissão

As características (isto é, características do canal) e os métodos de modulação correspondentes permitem a transmissão eficaz de dados. A comunicação acústica baseada no meio de água é um problema típico da camada física na camada de protocolo de rede. Na extremidade transmissora, os bits de informações devem ser transformados em sinais (sinais acústicos) que podem ser transmitidos pelo canal e, na extremidade de recebimento, os sinais no meio devem ser alterados de volta aos bits de informação. Esta é a tarefa do modem acústico subaquático, que envolve principalmente três aspectos: conversão de mídia (como: conversão de sinal eletroacústica), eficiência da utilização da banda de frequência, adaptabilidade do canal. Os métodos de modulação comumente usados ​​na comunicação acústica subaquática são divididos em duas categorias, uma é a modulação não coerente, como a chave de transferência de frequência (FSK), e o outro é o método de modulação coerente, como a chave de fase (PSK) e a amplitude da quadratura modulação. (Qam). A modulação não coerente tem boa robustez ao ambiente acústico subaquático severo, mas a taxa é baixa; O método de modulação coerente possui alta eficiência de codificação e utilização de banda de alta frequência, mas a distância de transmissão é limitada. Algumas tecnologias são a camada física.

O meio de propagação da rede de sensores acústicos subaquáticos é a água, o que é muito diferente do ar médio da rede de sensores terrestres. Portanto, o protocolo de rede que pode ser usado efetivamente na terra não pode ser aplicado à rede acústica subaquática. Começaremos com as características de propagação acústica da água e discutiremos os efeitos do som. Levando os fatores de comunicação e analisar as dificuldades que isso causa às várias camadas da pilha de protocolos de rede.

4.1 \"fatores físicos que afetamComunicação acústica subaquática

4.1.1 \"Longo atraso de propagação e variação de grande atraso A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no ar é 200.000 vezes a velocidade de propagação das ondas sonoras na água. A velocidade lenta do som torna o atraso de propagação muito grande, com um atraso de cerca de 0,67 s por quilômetro e, ao mesmo tempo, as características variáveis ​​no tempo do canal acústico subaquático tornam a variação de atraso muito grande. O primeiro afeta a taxa de transferência da rede, e o último torna alguns protocolos baseados no tempo inoperante.

4.1.2 \"Grande perda de propagação (também chamada de perda de caminho)

De acordo com o modelo de propagação de Urick, a perda de propagação é a soma das perdas causadas pela expansão e atenuação. A perda de atenuação inclui os efeitos da absorção, espalhamento e energia sonora que vazava para fora do canal de som. A absorção é causada pela conversão de energia sonora em energia térmica, que aumenta com a frequência e a distância. A perda de expansão refere -se à expansão da energia acústica causada pela expansão da frente de onda. Inclui principalmente a expansão esférica (expansão omnidirecional) de fontes pontuais em ambientes do mar profundo. A perda de propagação aumenta com o quadrado da distância; e expansão cilíndrica em ambientes de águas rasas. Expandindo o plano horizontal, a perda de propagação aumenta com a distância. Como a perda de propagação dos sinais acústicos aumenta com o aumento da frequência e da distância, a faixa de frequência disponível do canal acústica subaquática é muito limitada e a distância de propagação também é limitada. Portanto, na rede de comunicação subaquática, se você deseja realizar uma comunicação de longa distância, só poderá escolher uma baixa taxa de código; Se você deseja escolher uma alta taxa de código, só pode realizar comunicação de curta distância. De um modo geral, para fazer a distância de propagação atingir 10-100 km, a largura de banda disponível fica na faixa de 2-5kHz; A transmissão de média distância é de 1 a 10 km e a largura de banda é da ordem de 10kHz; Se a banda de frequência usada for maior que 100kHz, a distância de propagação deve ser inferior a 100m.

4.1.3 \"Várias rotas graves

O fenômeno da múltipla é causado pela existência de mais de um caminho de propagação entre a fonte sonora e o receptor, e geralmente ocorre em mares rasos e propagação de longa distância. Simplificando, um sinal de uma única fonte de som pode receber vários sinais que chegam a momentos diferentes na extremidade de recebimento devido à existência de vários caminhos. Multi-Path causará flutuações na amplitude e fase do sinal. Devido ao tempo de propagação diferente de diferentes caminhos, isso causará distorção séria, levará à decorrelação dos sinais recebidos entre diferentes receptores, e o Multi-Path também causará ampliação de largura de banda. Estes degradarão severamente o sinal de comunicação e causarão interferência entre símbolos. O multipato também está relacionado à posição e distância entre a fonte de som e o receptor. Tomando o plano do fundo do mar como uma referência, a influência de vários caminhos do canal vertical é pequena e a influência de vários caminhos do canal horizontal é grande.

O ruído ambiental é uma coleção de muitos fatores, relacionados a marés, turbulência, ventos e ondas do mar e tempestades. O ruído do navio também é uma fonte de ruído importante. Ao contrário da situação em que o barulho do mar profundo é relativamente certo, o ruído ambiental do mar raso, especialmente as águas costeiras, baías e portos, mudará significativamente com o tempo e o local. O ruído é composto principalmente por ruído de navio e industrial, ruído eoliano e ruído biológico. O ruído ambiental reduzirá a relação sinal / ruído do sinal e afetará o desempenho da comunicação acústica subaquática. 4.1.5 \"Dispersão Doppler A mudança de Doppler grave é causada pelo movimento relativo da fonte de som e do receptor. Como a velocidade do som é 200.000 vezes mais lenta que a velocidade das ondas eletromagnéticas, uma velocidade muito pequena pode causar mudança de frequência do Doppler e a mudança Devido ao canal, a frequência da transportadora acústica subaquática é menor. Esses dois fatores aumentam para tornar a influência do Doppler na água do que a comunicação sem fio no ar é muito maior. Se o Doppler produzir apenas uma simples transformação de frequência, a compensação do O receptor é relativamente fácil. No entanto, devido à existência de vários caminhos, quando o sinal acústico atinge a superfície do mar uma ou mais vezes, diferentes mudanças de Doppler ocorrerão entre cada caminho, o que é difícil de compensar. Quando a comunicação de dados de alta velocidade, Ele gerará interferência entre símbolos e reduzirá a eficiência da faixa de frequência.