载人潜水器“蛟龙”号的水声通信信号处理

蛟龙号的水声通信机实现了世界上首次7000 m深度的潜器与母船间的图像、语音、数据和文字的水声通信传输。研究了适用于载人潜水器的水声通信信号处理。(1)它有4种通信功能:1)相干水声通信,传输速率为5~15 kbps,用于传输图像;2)非相干水声通信,传输速率300 bps,传输文字、指令和数据;3)扩频水声通信,传输速率16 bps,传输指令;4)水声语音通信,采用单边带调制技术传输语音。(2)相干水声通信信号处理方法主要是自适应多普勒补偿的多通道自优化判决反馈自适应均衡器,它与Turbo码级联工作,同时采用定长编码的小波图像压缩方法。(3)声呐线阵吊放至水中一定深度,实现空间分集合并技术。(4)太平洋水域试验表明,水声通信机的作用距离几乎覆盖了所有地球海洋的深度,7s或14s传输一幅光图或声图。      

海洋声学中三维抛物方程非均匀网格模型

在海洋声学中,三维抛物方程模型可以有效考虑三维空间的声传播效应。然而,采用三维抛物方程模型分析三维空间内的声传播问题时,计算时间较长,并且需要消耗较大的计算机内存,因此给远距离声场的快速精确计算带来了很大困难。为此,将非均匀网格Galerkin离散化方法用于三维直角坐标系下的水声抛物方程模型中,深度算子和水平算子Galerkin离散方式由均匀网格变为非均匀网格。仿真结果表明,三维直角坐标系下非均匀网格离散的抛物方程模型,在保持计算精度、提高计算速度的同时,可以实现远距离声场的快速预报。另外,针对远距离局部海底地形与距离有关的三维声传播问题,给出了声场快速计算方法;在海底保持水平的区域,采用经典Kraken模型,重构抛物方程算法的初始场,随后依次递推求解地形与距离有关海底下的三维声场。采用改进模型,证明了远距离楔形波导声强增强效应。      

用于单载波频域均衡水声通信的可分近似稀疏信道估计

针对单载波频域均衡水声通信中信道估计易受噪声干扰的问题,提出了一种低复杂度的信道估计方法。考虑水声信道的时域稀疏特性,导出频域输入、输出信号与信道冲激响应的关系式,并引入稀疏正则项,构造稀疏信道估计的目标函数。然后利用可分近似对目标函数进行迭代优化,再经过稀疏化与去偏处理,得到信道传递函数的最终估计。最后,利用数值仿真和海试数据对所提出方法的性能和运算效率进行评估。较之传统信道估计方法,所提出的方法在估计精度和计算复杂度方面具有一定的优势。      

二维解卷积波束形成水下高分辨三维声成像

针对水下三维成像的空间分辨率难以提高,且具有较高旁瓣级的问题,提出了一种二维解卷积波束形成高分辨三维声成像算法,该算法首先完成任意距离切片的平面阵波束形成,近场情况下采用菲涅尔近似实现近场平面阵波束形成,然后通过二维解卷积技术对任意距离切片的二维波束形成结果进行解卷积处理,去除阵列指向性函数的影响,改善波束响应非理想冲击函数所造成波束形成主瓣宽及旁瓣级高的问题。通过计算机仿真分析,新算法可以有效的提高水下三维成像的空间分辨率,抑制旁瓣级,并能够在较宽频带和不同阵列孔径内保持与常规波束形成相当的稳定性。通过试验研究,新方法比常规波束形成实际目标成像分辨率提高一倍,最高旁瓣级下降20 dB,验证了该算法在实际系统中的有效性.      

稀疏信道条件下正交多载波扩频水声通信无导频信道估计算法

提出了一种无导频信道估计算法,该算法首先利用水声信道的稀疏特性对扩频信号进行识别,再利用扩频信号识别结果对水声信道响应进行判决反馈估计,从而实现对稀疏水声信道响应的可靠重建。仿真和湖上试验结果证实:无导频信道估计算法可以在不降低通信质量的前提下,实现对水声通信信号的稳健均衡,提升水声通信速率。      

Research of the planar optical fiber Bragg grating hydrophone probe

This paper presents the planar Fiber Bragg Grating （FBG） hydrophone probe sensing principle, and theoretically and experimentally researches the probe structure sensitivity, the receiving sensitivity frequency response characteristic and the acceleration response property. Planar sheet is made of stainless steel, its thickness is 0.15 mm, its diameter is 15mm, and the length of hollow circular shell is 20 mm. For this size of the structure, the probe structure sensitivity is up to 23 fm/Pa, which is about 7300 times of the value of the bare fiber. The resonance frequency is 6.5 kHz, and the amplitude-frequency curve of the receiving sensitivity response is relatively flat within the frequency range of 100 Hz to 5.5 kHz. The output yielded by one unit acceleration （1m/s2） is equivalent to （2.52 to 3.26 Pa） acoustic pressure acting output. This probe structure is easy to form FBG hydrophone array by multiplexing technique. The research shows that this planar structure not only can form FBG hydrophone probe, but also can constitute optical FBG laser hydrophone probe. The structure can realize different bandwidth, different range acoustic pressure measurement by adjusting the geometrical size of the sheet.     

正交时频空间调制移动水声通信方法

为提高移动水声通信可靠性,提出了一种基于正交时频空间(OTFS)调制的移动水声通信方法。针对水声信道长时延扩展的特点,设计了一种低复杂度交叉域Turbo迭代均衡算法,先在时域内对接收信号进行最小均方误差(MMSE)均衡,将均衡后的外部信息传递到时延-多普勒域进行软译码;再将译码后的软信息反馈回时域,作为下一次时域均衡的先验信息,实现均衡与译码的迭代检测。此外,针对OTFS水声通信中OTFS符号维度过大导致MMSE均衡复杂度过高的问题,采用了一种低复杂度MMSE算法,先利用矩阵对角线元素得到一组初始估计值,再将矩阵求逆问题转换为求解初始估计值与准确求解值之间的误差,继而通过对误差向量的不断迭代估计来实现低复杂度计算。湖试数据处理结果表明,所提方法可在最大移动速度4 kn的情况下实现OTFS信号的可靠检测。     

正交M元码元移位键控扩频水声通信

M元和码元移位键控(CSK)扩频在水声通信中被广泛采用来克服扩频增益对通信速率的限制。为了获得更高的通信速率,文章基于Gold序列较大的码本数量、良好的自相关和互相关特性,提出正交双通道的M元和CSK相结合的水声通信方法。通过公式推导描述了正交M元CSK的调制和解调流程及影响其性能的因素。并且,通过与双通道M元CSK的仿真比较,得到正交M元CSK的误码率曲线。最后,通过实验验证了仿真的有效性。并实现了10 kbits数据量下1096.8 bps通信速率的无误码传输。通过推导、仿真和实验,可以得到这样的结论:正交M元CSK提供了优良的通信性能。      

一种惯性/水声单应答器距离组合导航方法

惯性/水声单应答器距离组合导航方法为自主水下航行器(AUV)校准提供了一种新途径。针对惯性/水声单应答器距离组合导航系统,建立了AUV三维空间运动学模型,对单应答器距离变换位置非线性系统采用李导数方法进行了可观测性分析,设置了合理的载体航行轨迹,位置组合导航算法中采取了延时状态滤波方式实现了量测信息的同步更新。湖上实验表明,采用单应答器距离组合导航方法后,明显地抑制了INS/DVL导航误差的发散趋势,最大定位误差减小幅度约为19.2%,初步验证了惯性/水声单应答器距离组合导航方案的有效性,为解决AUV导航设备水下校准提供了可能。     

中国科学院声学计量测试站通过国家技术监督局计量标准考核和认证

中国科学院声学计量测试站于1988年12月16日至17日按“中华人民共和国计量法”的要求通过了国家技术监督局的计量标准考核和计量认证。通过考核的计量标准有:电声检定标准装置(一级)、水声换能器校准测试装置(一级)和压电加速度计检定标准(二级),由此该站可以进行声学量值的传递,检定标准电容传声器、声级校准器、声级计、标准噪声源、标准水听器及压电加速度计等声学计量器具和带通滤波器、声频放大器等声学测量仪器。通过计量认证的有关产品质量检验的测试项目有:声学实验室(消声室、半消声室、混响室等)性能测试、噪声源(机电产品)声功率级测试、环境噪声和工业噪声测试、厅堂音质测试、水