Desarrollo y aplicación de sensor de transductor acústico subacuático

1 El concepto básico y la historia de la red de transductores acústicos submarinos

los transductor acústico submarinoLa red es el producto de la popularización de la tecnología de red global. Ahora que la tierra está conectada a través de medios ópticos o eléctricos cableados, y la red está conectada a través de redes inalámbricas o incluso satélites de comunicación en el aire, la red submarina puede ser la única tierra virgen restante que no se ha cultivado por completo. Es concebible que algún día, cuando encienda la computadora y se conecta a Internet, puede obtener datos de tiempo real de las corrientes oceánicas en el Océano Atlántico profundo. Si se instala una cámara submarina, incluso puede ver los coloridos peces del excelente aguas arriba en su pantalla. Esta es la tarea que enfrenta la red de transductores acústicos subacuáticos: la red acústica submarina se utiliza como medio de transmisión de información, el sensor submarino, el sensor submarino se utiliza como ventana para la adquisición de información, y la red acústica submarina finalmente se incorpora a la red convencional de alguna manera para integrar los datos submarinos enviados al observador. Dado que las ondas de sonido son la única forma de energía que se puede transmitir a largas distancias en el agua, las ondas de radio tienen una distancia de propagación muy corta en el agua, y la luz tampoco es adecuada para ambientes submarinos debido a la alta atenuación y la dispersión bajo el agua. El El transductor acústico submarino es una red inalámbrica compuesta por ondas acústicas submarinas como portador de información. Es análogo a una red inalámbrica en el aire, excepto que el transportista de información en el aire es ondas de radio, y el portador de información en el agua es ondas de sonido. La red acústica submarina debe resolver dos problemas técnicos, uno es el transductor de comunicación acústica submarina y la otra es la red basada en la comunicación acústica. La comunicación acústica submarina resuelve la comunicación punto a punto entre dos usuarios (o fuentes de información), y la red resuelve el problema de la interacción de la información cuando múltiples usuarios (fuentes de información) comparten el canal medio de agua. Como tecnología emergente en desarrollo, la razón por la cual el desarrollo de la red acústica submarina se queda muy por detrás de la red inalámbrica en el aire está en gran medida limitado por el desarrollo de la tecnología de comunicación acústica submarina. La comunicación acústica submarina más temprana se remonta a los teléfonos submarinos de modulación de amplitud (AM) y de banda lateral (SSB) para datos analógicos en la década de 1950; Hubo algunos sistemas analógicos antes de la década de 1970, debido a la modulación de amplitud en el entorno de reverberación acústica submarina. Con el desarrollo de la tecnología VLSI, la tecnología de teclas de cambio de frecuencia digital submarina (FSK) se aplicó a principios de la década de 1980. Es robusto para la propagación de tiempo y frecuencia del canal. La comunicación coherente acústica submarina apareció a fines de la década de 1980. En comparación con la comunicación no coherente, la tecnología coherente de comunicación acústica submarina puede mejorar la eficiencia del ancho de banda del canal acústico submarino limitado de ancho de banda.Sin embargo, debido a la dureza y la complejidad del canal acústico submarino, la comunicación coherente acústica submarina no ha comenzado, se aceptó que el producto de la distancia y la velocidad de la comunicación acústica submarina en ese momento era de aproximadamente 0,5 km. En la década de 1990, debido al desarrollo de la tecnología de chips DSP y la teoría de la comunicación digital, se pueden realizar muchas tecnologías complejas de ecualización de canales, lo que impulsó el desarrollo de la tecnología de comunicación coherente acústica submarina y recurrió al estudio de la comunicación de canales horizontales, porque el efecto múltiple del canal es mucho más complicado que el del canal vertical en el mar profundo. A mediados de la década de 1990, el producto de velocidad y distancia del transductor de comunicación acústica submarina en el entorno del mar poco profundo alcanzó 40 km × kbit, lo que hizo el establecimiento de transductor acústico submarino. Un componente clave histórico de las redes submarinas es la aparición de módems acústicos submarinos. El primer concepto de aplicación del transductor acústico submarino fue la Red de Muestreo del Océano Autónomo (AOSN) en 1993. Estados Unidos ha comenzado un experimento anual en 1998 Verificar el concepto de transductor acústico submarino. Desde mediados de la década de 1990, la tecnología de comunicación acústica submarina y la tecnología de red submarina se han desarrollado constantemente al mismo tiempo. Sin embargo, debido a la particularidad y la complejidad del medio de agua (como el alto retraso del tiempo, la gran atenuación, la múltiple matriz y el cambio de frecuencia), se usa en la tierra. La tecnología de red inalámbrica no se puede aplicar directamente a las redes submarinas, y la investigación sobre canales submarinos, comunicaciones submarinas y protocolos de redes submarinos está en el ascendente. Al mismo tiempo, desde la década de 1990 hasta el presente, el desarrollo de redes de sensores inalámbricos terrestres basados ​​en comunicación inalámbrica de rango corto también ha sido muy rápido. Se puede decir que la red de sensores acústicos submarinos es una extensión del concepto de red de sensores terrestres a aplicaciones submarinas. La red de sensores acústicos submarinos se compone de múltiples nodos de sensores. Los nodos se pueden solucionar, como boyas ancladas o objetivos sumergibles, o móviles, como robots submarinos (UV o AUV). En la actualidad, la red de sensores acústicos submarinos puede obtener información diferente de acuerdo con los diferentes tipos de sensores submarinos: se puede utilizar para la adquisición de datos oceanográficos, monitoreo de la contaminación marina, desarrollo cercano a la costa, prevención de desastres, navegación submarina y asistencia de posicionamiento, encuesta de recursos marinos y recursos marinos Adquisición de datos de investigación científica, monitoreo táctico distribuido, reconocimiento de minas y detección de objetivos submarinos, seguimiento y posicionamiento. En resumen, la red de sensores acústicos subacuáticos debe obtener información submarina a través de varios nodos de sensores en una cierta área submarina, y realizar comunicación acústica y redes con nodos submarinos, y finalmente pasar a través de nodos específicos y re -radio en forma cableada y cableada, La información obtenida en el área de cobertura se incorpora a la red convencional en la costa y se envía a la subred submarina del observador.

2 Estructura topológica de la red de sensores acústicos submarinos

Al igual que la estructura de la red de sensores inalámbricos en la tierra, la estructura topológica de la red de sensores hidroacústicos subacuáticos se puede dividir en dos categorías: red centralizada (red centralizada) y una red distribuida entre pares (red distribuida de pares). En una red centralizada, la comunicación entre nodos se realiza a través de un nodo central, y la red está conectada a la red troncal a través de este nodo central. La principal desventaja de esta configuración es que hay un solo punto de falla, es decir, la falla de este nodo conducirá a la falla de toda la red. Y debido a que el rango de un solo módem es limitado, la cobertura de la red centralizada es limitada. La Figura 1 es un diagrama esquemático de la topología de una red centralizada. La red de igual a igual significa que no hay un nodo central para \"administrarlos, y cada nodo tiene una autoridad relativamente igual. Según los diferentes métodos de enrutamiento, existen algunas diferencias en la red de igual a igual. Una red de igual a igual totalmente conectada proporciona conexiones directas de \"punto a punto \" a dos nodos arbitrarios en la red. Esta topología reduce la necesidad de enrutamiento. Sin embargo, cuando los nodos están dispersos en un área grande, existe la necesidad de comunicación. El poder ha aumentado considerablemente. Y también habrá un problema de \"cercano y lejano, es decir, cuando un nodo A envíe un paquete de datos a un nodo remoto, bloqueará los nodos vecinos del nodo A para recibir otras señales.

La red de igual a igual de múltiples saltos solo se comunica entre nodos adyacentes, y un mensaje se completa con múltiples lúpulos entre los nodos desde la fuente hasta el destino. El sistema de múltiples saltos puede cubrir un área más grande, porque el rango de la red depende del número de nodos, y ya no está limitado por el rango de un solo módem. La Figura 2 es un diagrama esquemático de la topología de la red de igual para igual de saltos. La red es una red para aplicaciones móviles inalámbricas, que pertenece a una red entre pares a igual. No necesita construir infraestructura por adelantado, también conocida como red sin infraestructura (red de infraestructura). Sus características son: red autónoma, topología dinámica, limitación de ancho de banda y capacidad de enlace variable, comunicación de múltiples saltos, control distribuido, nodos con energía limitada y seguridad limitada. Debido a que no depende de la infraestructura, se puede implementar rápidamente y cubrir un área más grande. Debido a que la infraestructura en la que se puede confiar en el agua es limitada, y el AUV móvil será una parte importante de la red de sensores acústicos submarinos (AUV puede mejorar el rendimiento de la red de sensores submarinos), su capacidad de autoorganización y topología dinámica , hacer que la red ADHOC sea muy adecuada para ser utilizada en redes de sensores acústicos submarinos. Aunque la red ADHOC es adecuada para la aplicación de la red hidroacústica, su problema de seguridad siempre ha sido un tema de investigación. De hecho, elsensor de hidrófono submarinoLa red debe ser un híbrido de una red centralizada y una red de igual a igual. En la literatura [16], se introduce una red de sensores hidroacústicos tridimensionales y tridimensionales. Bidimensional se refiere a la dimensión de la información obtenida. En la red de sensores acústicos submarinos bidimensionales, los nodos de sensores y los transpondedores de datos (sumidero) se colocan en el fondo del mar, en un área pequeña con fregadero como centro, y los datos de cada sensor pueden estar en el enlace horizontal para llegar al fregadero De una manera directa o múltiple (red de igual a igual de saltos), y los datos del sensor solo pueden llegar a la estación de superficie si se reenvía en el enlace vertical a través del sumidero. Debido a que solo se puede obtener la información de una determinada área del fondo marino, se llama red de sensores bidimensionales. En la red tridimensional de sensores acústicos submarinos, se puede controlar la profundidad del objetivo sumergible, de modo que los nodos de sensor múltiple en un área determinada se encuentran a diferentes profundidades, por lo que la información oceánica de un área determinada y diferentes profundidades se puede obtenido, por lo que se llama una red de sensores acústicos submarinos tridimensionales. En la topología de la red, también es una red entre pares a igual. AUV puede alcanzar diferentes profundidades en el océano, combinada con una red de sensores de fondo fijo, también puede formar una red de sensores acústicos submarinos tridimensionales. Vale la pena señalar que debido a las redes de sensores acústicos submarinos, siempre existe el problema de acceder a otras redes convencionales en el agua. Hay un nodo especial llamado Surface Station, Gateway o Master Node para completar este trabajo. No solo debe tener un módem acústico para la comunicación con redes submarinas, sino también un módem de radio o cable para la comunicación con redes satelitales o en tierra. La estación de superficie puede usar la boya como transportista, o el barco de superficie como portador. La topología de la red determina el método de enrutamiento, la pérdida de energía, la capacidad de la red y la confiabilidad de la red. Los estudios han demostrado que una red compuesta por múltiples nodos de sensores distribuidos a intervalos iguales a lo largo de una línea recta consume más potencia que una red de igual a igual de salto de acuerdo con el método de enrutamiento de una red de igual a igual de pares; y la capacidad de la red también se ve afectada por la topología de la red.

3 conceptos relacionados de la capa de red de sensores acústicos submarinos

La red de sensores acústicos submarinos es de hecho un campo nuevo, pero el concepto que sigue es el mismo que el de la pila de protocolo de red de uso común. La Tabla 1 son los conceptos de capa de red comúnmente utilizados. En aras de la simplicidad, este artículo solo discute las tres capas básicas: capa física, capa de enlace de datos y capa de red. El problema a resolver por la capa física es cómo usar el medio de transmisión

Las características (es decir, las características del canal) y los métodos de modulación correspondientes permiten una transmisión de datos efectiva. La comunicación acústica basada en el medio de agua es un problema típico de la capa física en la capa de protocolo de red. En el extremo de transmisión, los bits de información deben convertirse en señales (señales acústicas) que el canal puede transmitir por el canal, y en el extremo receptor, las señales en el medio deben cambiarse de nuevo a bits de información. Esta es la tarea del módem acústico submarino, que involucra principalmente tres aspectos: conversión de medios (como: conversión de señal electroacústica), eficiencia de utilización de la banda de frecuencia, adaptabilidad del canal. Los métodos de modulación comúnmente utilizados en la comunicación acústica submarina se dividen en dos categorías, uno es la modulación no coherente, como la tecla de cambio de frecuencia (FSK), y el otro es un método de modulación coherente, como la tecla de cambio de fase (PSK) y la amplitud de la cuadratura modulación. (Qam). La modulación no coherente tiene una buena robustez al entorno acústico submarino duro, pero la velocidad es baja; El método de modulación coherente tiene alta eficiencia de codificación y utilización de la banda de alta frecuencia, pero la distancia de transmisión es limitada. Algunas tecnologías son la capa física.

El medio de propagación de la red de sensores acústicos submarinos es el agua, que es muy diferente del aire medio de la red de sensores terrestres. Por lo tanto, el protocolo de red que puede usarse de manera efectiva en la tierra no puede aplicarse a la red acústica submarina. Comenzaremos con las características de propagación acústica del agua y discutiremos los efectos del sonido. Aprender los factores de comunicación y analizar las dificultades que causa a las diversas capas de la pila de protocolo de red.

4.1 \"Factores físicos que afectancomunicación acústica submarina

4.1.1 \"retraso de propagación larga y gran varianza de retraso La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el aire es 200,000 veces la velocidad de propagación de las ondas sonoras en el agua. La velocidad de sonido lenta hace que el retraso de propagación sea muy grande, con un retraso de aproximadamente 0.67 S por kilómetro, y al mismo tiempo las características que varían en el tiempo del canal acústico submarino hacen que la varianza de retraso sea muy grande. El primero afecta el rendimiento de la red, y el segundo hace que algunos protocolos basados ​​en el tiempo sean inoperables.

4.1.2 \"Gran pérdida de propagación (también llamada pérdida de ruta)

Según el modelo de propagación de Urick, la pérdida de propagación es la suma de las pérdidas causadas por la expansión y la atenuación. La pérdida de atenuación incluye los efectos de la absorción, la dispersión y la energía sonora que se filtra del canal de sonido. La absorción es causada por la conversión de energía sonora en energía térmica, que aumenta con la frecuencia y la distancia. La pérdida de expansión se refiere a la expansión de la energía acústica causada por la expansión del frente de onda. Incluye principalmente la expansión esférica (expansión omnidireccional) de fuentes puntuales en entornos de aguas profundas. La pérdida de propagación aumenta con el cuadrado de la distancia; y expansión cilíndrica en ambientes de aguas poco profundas. Al expandirse en el plano horizontal, la pérdida de propagación aumenta con la distancia. Dado que la pérdida de propagación de señales acústicas aumenta con el aumento de la frecuencia y la distancia, la banda de frecuencia disponible del canal acústico submarino es muy limitada, y la distancia de propagación también es limitada. Por lo tanto, en la red de comunicación submarina, si desea llevar a cabo una comunicación a larga distancia, solo puede elegir una tasa de código baja; Si desea elegir una alta tasa de código, solo puede llevar a cabo una comunicación de corta distancia. En términos generales, para que la distancia de propagación alcance los 10-100 km, el ancho de banda disponible está en el rango de 2-5 kHz; La transmisión de distancia media es de 1 a 10 km, y el ancho de banda está del orden de 10 kHz; Si la banda de frecuencia usada es mayor de 100 kHz, la distancia de propagación debe ser inferior a 100 m.

4.1.3 \"rutas múltiples severas

El fenómeno de múltiples pájaros es causado por la existencia de más de una ruta de propagación entre la fuente de sonido y el receptor, y a menudo ocurre en mares poco profundos y propagación de larga distancia. En pocas palabras, una señal de una sola fuente de sonido puede recibir múltiples señales que llegan en diferentes momentos en el extremo receptor debido a la existencia de múltiples rutas. Multi-Path causará fluctuaciones en la amplitud y fase de señal. Debido al diferente tiempo de propagación de diferentes rutas, causará una distorsión de señal grave, conducirá a la decorrelación de las señales recibidas entre los diferentes receptores, y el ritmo múltiple también causará una ampliación de ancho de banda. Estos degradarán severamente la señal de comunicación y causarán interferencia entre símbolos. La múltiple trayectoria también está relacionada con la posición y la distancia entre la fuente de sonido y el receptor. Tomando el plano del fondo marino como referencia, la influencia múltiple del canal vertical es pequeña, y la influencia múltiple del canal horizontal es grande.

El ruido ambiental es una colección de muchos factores, que están relacionados con las mareas, la turbulencia, los vientos marinos y las olas, y las tormentas eléctricas. El ruido del barco también es una fuente de ruido importante. A diferencia de la situación en la que el ruido del mar profundo es relativamente seguro, el ruido ambiental del Mar poco profundo, especialmente las aguas costeras, las bahías y los puertos, cambiará significativamente con el tiempo y el lugar. El ruido se compone principalmente de ruido de barco e industrial, ruido eólico y ruido biológico. El ruido ambiental reducirá la relación señal / ruido de la señal y afectará el rendimiento de la comunicación acústica submarina. 4.1.5 \"Dispersión Doppler El cambio de doppler severo es causado por el movimiento relativo de la fuente de sonido y el receptor. Dado que la velocidad del sonido es 200,000 veces más lenta que la velocidad de las ondas electromagnéticas, una velocidad muy pequeña puede causar un cambio de frecuencia Doppler, y Debido al canal, la frecuencia del portador acústico subacuático es menor. Estos dos factores se suman para hacer que la influencia del doppler en el agua que la comunicación inalámbrica en el aire sea mucho mayor. Si Doppler solo produce una transformación de frecuencia simple, la compensación de la El receptor es relativamente fácil. Sin embargo, debido a la existencia de múltiples rutas, cuando la señal acústica llega a la superficie del mar una o más veces, se producirán diferentes cambios Doppler entre cada ruta, lo cual es difícil de compensar. Cuando la comunicación de datos de alta velocidad, Generará interferencia entre símbolos y reducirá la eficiencia de la banda de frecuencia.