水声通信技术综述

受制于严重的衰减,电磁波在水中的传播距离非常有限,因此以声波为载体的水声通信是在水下实现无线信息传输的主要方式。水声通信无论是在军事方面还是在民用方面都有重要的作用,随着人类加快开发海洋的步伐,对水声通信技术的需求也变得越来越迫切。文章对水声通信技术进行了综合介绍。首先介绍了水声通信的概念和意义,着重分析了水声信道的特点以及水声通信面临的困难,然后对目前应用较多的几种典型水声通信技术进行了介绍,最后对水声通信技术的发展方向进行了展望。     

水声信号处理领域新进展

本文介绍近30年来水声信号处理领域理论研究的新进展和在声纳设计中的应用。包括水声信号建模、声场匹配、海洋波导和内波现象的探索和研究、声矢量场信息获取和处理,低频水声信道的时/空相关特性,水下目标辐射噪声的不变特征量提取和检测技术,水下语音、图像传输和抗干扰技术。同时概述,声纳设计的前沿领域:大孔径拖曳线列阵声纳、高分辨力合成孔径声纳、深海传呼机等的发展情况。     

水声测量用声脉冲瞬态抑制方法的研究

脉冲声技术是一种很常用的水声测量技术，但由于脉冲声存在着瞬态过程，严重影响了它在低频下的使用，本文中研究的水声测量用声脉冲瞬态抑制方法，通过瞬态抑制等效消除换能器的瞬态过程，从而为在有限尺寸水域内扩展水声测量低频限创造了条件。     

水声通信实验信道仿真研究

水声信道的时变多途特性对其中通信信号传输构成严重影响，为了分析评估现实实验信道条件下水声通信系统的性能，给出了一种基于实验测量的水声信道仿真方法。此方法通过发射线性调频脉冲以检测信道多径结构，同时分别采用自回归模型与多普勒时间压扩来仿真信道中各路径的时变幅度与时变延迟。通过一个具体的直接序列扩频水声通信系统，表明在仿真与实验信道条件下系统性能具有较好的一致性。     

嵌入式水声功率放大器设计

功率放大器是水声信号发射机中的核心部件,其发展方向是低功耗、高效率和小体积。论文提出了一种可与匹配网络独立的嵌入式水声功率放大器技术方案,利用数字音频驱动器IRS2092设计并研制了一款高声源级的水声功率放大器样机,并通过水池实验测试了整机性能,验证了方案的可行性和先进性。测试结果表明,该样机在180×60×70mm3体积、24V电池供电和90W平均功率条件下实现了高达187dB的发射声源级,能较好地满足舰载或嵌入式的要求。     

第八讲水声通信及其研究进展

水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式，由于其在民用和军事上都有重大意义，水声通信的研究一直是国内外研究的热点．文章介绍了水声通信的特点、系统组成、发展历史和国内外的发展现状，最后简要介绍了文章作者在高速水声通信研究方面的成果和进展．     

“超同步周期”水声定位技术研究与实现

水声同步定位系统在对水声目标进行定位的过程中，定位系统对于目标轨迹的采样率将随目标距离的增加而降低。从而使原始数据减少，并使定位系统的处理能力不能得到有效的利用。长期以来，这个矛盾一直没有得到解决。我们在对这一问题进行深入研究的基础上，发展了一种被称之为“超同步周期”水声定位的新技术，可以大大提高对于远距离水声目标轨迹的采样率。在电路实现过程中，又相应地开发出一种检测定位信号时延值的“余数算法”，并已成功地应用于实际系统。该系统在工作周期为０．４ｓ、目标最大距离为６ｋｍ的情况下，可以有效克服目标“距离模糊”现象，同时对五个目标进行正确定位。在几次湖上和海上试验中，利用“超同步周期”水声定位技术对远距离水声目标进行定位，都取得了令人满意的结果。     

基于水声潜标应用的数据采集及大容量存储系统设计

水声潜标是获取海洋水声信号以及海洋生物声信号的重要技术设备之一。为了满足水声潜标在水下较长时间工作,本文设计并实现了一套基于水声潜标应用的低功耗数据采集及大容量存储系统,在芯片选型和NAND FLASH读写管理等方面对系统进行了低功耗设计。该系统在"标-矢量"综合潜标上应用的试验结果表明,该系统获取的数据有效,满足总体设计技术要求。同时,本系统还具有良好的扩展能力,可适应水声潜标发展的应用需求。     

水声被动目标识别技术挑战与展望

低频水声探测和船舶减振降噪技术发展,使得传统水声目标识别技术性能逐渐下降。该文分析了声呐工作带宽、探测频率、船舶减振降噪给识别技术带来的挑战。针对低频声呐广泛使用的低频线谱识别,研究了低频线谱的识别能力问题;针对智能识别技术发展,研究了深度学习技术在船舶辐射噪声识别中的应用问题,并给出了数据试验结果,文章最后指出了水声被动目标识别技术亟需开展的研究内容和方向。     

基于通用数据采集卡的水声应答器设计

水声应答器(Acoustic Transponder/Responder)是一类常用的水声设备,主要功能是完成水下设备的定位和导航,广泛应用在水声系统测试、目标模拟以及水声科学试验中。本文以NI公司的PCI-6052采集卡和工控机构成信号处理模块,设计出了一种可灵活配置的水声应答系统(ESRAE,Extensible Sound Responder for Acoustic Experiments),通过环境噪声电平的跟踪估计和脉冲判决技术实现了复杂海洋条件下脉冲检测、回发功能,并在海洋水声信道测量试验中得到了成功的应用。     

Covert underwater acoustic communications

Low probability of detection (LPD) communications are conducted at a low received signal-to-noise ratio (SNR) to deter eavesdroppers to sense the presence of the transmitted signal. Successful detection at intended receiver heavily relies on the processing gain achieved by employing the direct-sequence spread-spectrum (DSSS) technique. For scenarios that lack a sufficiently low SNR to maintain LPD, another metric, referred to as low probability of interception (LPI), is of interest to protect the privacy of the transmitted information. If covert communications take place in underwater acoustic (UWA) environments, then additional challenges are present. The time-varying nature of the UWA channel prevents the employment of a long spreading waveform. Furthermore, UWA environments are frequency-selective channels with long memory, which imposes challenges to the design of the spreading waveform. In this paper, a covert UWA communication system that adopts the DSSS technique and a coherent RAKE receiver is investigated. Emphasis is placed on the design of a spreading waveform that not only accounts for the transceiver structure and frequency-selective nature of the UWA channel, but also possesses a superior LPI. The proposed techniques are evaluated using both simulated and SPACE'08 in-water experimental data.     

水声换能器研究新进展

文章综述了几种典型结构水声换能器近些年的新发展,包括:弯张换能器、圆柱面辐射型换能器、纵向换能器等等,主要介绍这些结构类型水声换能器的设计新思想和多方面优化改进的新成果。     

Drifting underwater acoustic antenna array

Characteristics of a compensated receiving antenna array consisting of four drifting radioacoustic relaying buoys are studied experimentally. The signal frequency is 21 Hz. The array gain is 11.4 dB, and its noise immunity is 3.8 dB.     

Experiments on underwater acoustic tomography

Three full-scale experiments on acoustic tomography of the ocean that were carried out under the supervision and with the participation of L.M. Brekhovskikh by researchers from the Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, are described. An attempt is made to combine and generalize the results of three sets of publications devoted to the Norway Sea (1990), THETIS-II (1994), and ACOUS (1998–1999) experiments.     

Efficiency of face-plated underwater acoustic transducers

The possibility of obtaining the efficiency of simple disc transducers, broad-banded by use of face-plates, from input electrical conductance measurements under air-loading is explored. For an air-backed ceramic disc with a Perspex face-plate it was found that the main limitation to the accuracy of efficiency estimates is due to departures from uniformity of the face-plate thickness.     

Bidirectional equalization for underwater acoustic communication

The bidirectional decision feedback equalizer (BiDFE) that combines the outputs of a conventional decision feedback equalizer (DFE) and backward DFE can improve the performance of the conventional DFE by up to 1-2 dB based on simulations. In this letter, the BiDFE concept is extended to multichannel time reversal communications involving a DFE as a post-processor. Experimental data collected in shallow water (10-20 kHz) show that the performance can be enhanced by 0.4-1.8 dB in terms of output signal-to-noise ratio. In particular, a larger improvement (e.g., 1.8 dB) is achieved for time-varying channels where the channel diversity in opposite directions is more profound.     

Outer cavity Janus-Helmholtz underwater acoustic transducer

The outer cavity Janus-Helmholtz with sound insulation layer is presented for obtaining the capacity of high-power non-directional transmitting. The radiation efficiency and directivity in the 0 degrees direction can be improved when the radiation mode is changed by laying sound insulation layer. The operating bandwidth can be expanded effectively by the dual mode coupling between the cavity vibration and longitudinal vibration of Janus transducer. A prototype is designed by finite element method. Test results show that the results are in good agreement with the design results. Compared with inner cavity Janus-Helmholtz transducer,acoustic radiation performance of outer cavity Janus-Helmholtz underwater acoustic transducer in the 0 degrees direction has been significantly improved.     

外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器

为获得具有大功率无指向性发射特性的水声换能器,提出了一种外液腔式Janus-Helmholtz结构。通过设置隔声层改变换能器的声辐射模式,从而改善声辐射效率和无指向性方向的声辐射能力,并利用外液腔振动和Janus换能器纵向振动耦合实现宽带发射。基于有限元法设计了一只工作频段为1.1~3.5 kHz的外液腔式Janus-Helmholtz换能器试验样机。样机测试结果显示与设计结果符合得较好,与内液腔式相比,外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器在0°方向的声辐射能力得到了显著改善。      

FS水声遥控系统

本文介绍一种可实用的ＦＳ式编码的水声遥控系统，该系统采用９个频率点进行移频编码，可有效抗多途对译码的影响，编码设计能使遥控指令的码间距做得较大，通过自适应滤波器有效译码，可将误码率控制在希望值以下。理论分析和试验结果均表明，本系统误码率接近０，解码率１５００ｍ以内大于０．９，近距离大于０．９６本系统已应用于水下物理场测量系统中。