基于声矢量传感器的水声通信技术研究

基于声矢量传感器声压和振速联合加权处理可以提高空间处理增益的原理,将声矢量传感器应用于相位调制的高速水声通信中,并结合自适应均衡算法,研究了相干解调和解码的方法。基于声矢量传感器声强处理可以抵消各向同性干扰、提高信噪比的原理,研究了在频率调制的水声通信系统中,利用声强解码代替声压解码的方法。理论分析、仿真研究和湖上试验结果表明:利用声矢量传感器相对于声压传感器来说,可以提高解码处理增益,进而提高了水声通信系统的作用距离、降低误码率。     

基于矢量传感器的频率估计算法在水声通信中的应用

本文给出了基于矢量传感器的ESPRIT频率估计算法，并将其应用于频率调制水声通信系统中。与声强频率估计算法相比，ESPRIT频率估计可在小样本的情况下，获得高精度的频率估计。仿真和湖试结果表明，基于矢量传感器的ESPRIT频率估计算法可以提高通信速率并降低对通信系统的带宽要求。本算法对信噪比的要求较高，目前看，较适用于近程高速水声通信。     

基于水声传感器网络的多路径协同多跳通信研究

针对水声网络高误码、大时延的特点,借鉴提出了一种多路径协同多跳通信协议,该协议通过多路径、多节点的协同多跳中继通信以及冗余判决,来完成网络中端对端的远程数据传输。通过数值仿真试验分析表明:与普通的点对点直接通信和单路径多跳中继通信方式相比,此协议具有低误码、高能效的特点(距离与能量相同时,误码率低一至两数量级;限定误码率时,每比特能耗降低一个数量级),能够减少数据重发几率,提高网络的通信效率和工作寿命,特别适于水声传感器网络应用。     

UMFSK水声通信技术研究

在MFSK基础上,本文提出了UMFSK信道编码方法。采用窄带调频和跳频调制技术,故在一定程度上抑制了由多途效应引起的码内/码间干扰;提出了基于UMFSK的实时信道标校技术,可对信道进行稳键均衡,抗信道多途引起的码内干扰。进行了湖试,取得了试验数据并进行了数据分析。分析表明：UMFSK可抑制码元相消干涉引起的码内干扰,其效果随码元调频带宽的增大而变好;信道标校技术可对信道进行稳键均衡,并由于结构简单,可做到实时实现。基于UMFSK的误码率为10^-3（通信带宽2kHz,速率100-150bps)。     

Near-field acoustic intensity measurements using an accelerometer-based underwater intensity vector sensor

An accelerometer-based underwater acoustic intensity vector sensor is used to measure the acoustic nearfield of a single spherical source, and a pair of sources that vibrate in or out of phase with each other. The intensity sensor consists of co-located pressure and inertial sensors within a neutrally buoyant probe body. The design of this probe has been published previously. The measurements were performed in a large tank at a frequency of 5 kHz for two sources of different sizes, corresponding to ka values of 0.7 and 1.2 respectively, where k is acoustic wavenumber and a is the source radius. By way of validation, the acoustic intensity field from two closely spaced, interacting spherical radiators is predicted using the exact theory of the translational addition theorem for spherical wave functions. The predictions using this theory compare favorably well with the measured intensity field. Beam pattern and calibration data obtained for the intensity sensor suggest that underwater acoustic intensity generated by simple and complex sources can be measured to an accuracy of ±1 dB provided that ka is less than approximately 0.2.     

声矢量传感器研究进展

声矢量传感器由传统的无指向性声压传感器和偶极子指向性质点振速传感器复合而成,可以同步共点测量声场中一点处的声压和质点振速若干正交分量,由此得到的幅度和相位信息为解决一些水声问题提供了新的思路。因其实际的和潜在的工程应用价值,所以在最近十年间与此相关的声矢量传感器技术备受水声界关注。本文尝试综述声矢量传感器技术近五十年间在物理基础、传感器设计制作、相关工程应用等各方面的发展历史、现状和所取得的一些研究进展。     

猝发混合扩频水声隐蔽通信技术

针对常规的连续载波调制扩频通信方式容易通过能量检测的方法被截获的问题,提出了一种猝发的混合扩频水声隐蔽通信方式,该方法通过在时间上随机的发送脉冲混合调制扩频信号来降低截获概率,而且可以比较灵活的通过调整平均占空比来满足不同隐蔽性的要求,但是该隐蔽性是以牺牲通信速率为代价的。猝发信号中混合了二进制相位键控(BPSK)、循环移位键控(CSK)和多进制频移键控(MFSK)扩频调制方式,采用自同步和时频二维搜索算法实现码元和载波同步。通过仿真分析了猝发通信系统的隐蔽性能和多途信道下的误码性能,并且通过了南海海试验证了算法的性能,在5 km的通信距离上,4 kHz的带宽内,单个脉冲信号的通信速率可以达到317 bps,误码率达到10^-3以下。     

基于单矢量差分能量检测器的扩频水声通信

通过获得扩频处理增益, 直接序列扩频水声通信系统具有较高的稳定性, 是高质量水声通信及远程水声通信的首选通信方式. 但复杂的海洋环境使得直扩系统在解扩时受到载波相位跳变的影响, 这将导致直扩系统的扩频处理增益下降. 为此, 本文针对直扩系统提出了差分能量检测器算法, 通过比较接收端相关器输出能量完成解码, 并与有源平均声强器算法相结合, 提出单矢量差分能量检测器算法. 该算法具有很好的抗载波相位跳变和多途扩展干扰的能力, 并可对信号方位信息实时跟踪估计, 利用估计方位进行矢量组合可获得矢量处理增益, 从而保证直扩系统可以在低信噪比、时变信道条件下稳定工作. 通过仿真分析和大连海试试验, 验证了本文提出的单矢量差分能量检测器算法的有效性和稳健性.     

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.     

一种新的水声通信体制

本文提出了一种针对海洋水声信道多途干扰的新的水声通信体制.它将利用信号码元波形参数进行多维信道编码技术和利用信号码元时延值进行信息编码技术融于信号码元的设计中,从而使得本方案具有很强的抗多途时延扩展能力,并可望获得相当高的通信速率.初步的湖上试验结果表明:在1公里左右的水平通信距离上,可靠的通信速率约为200bit/s。     

时频编码水声通信技术研究

时频编码技术是利用信号码元不同时隙的不同频率进行二维信息编码的调制技术，具有较强的抗多途抗衰落能力，已被广泛应用于无线电短波信道和大气对流层散射信道，将其应用于多途效应严重的水声通信领域是一有价值的探索。     

吸声材料对水下小平台上矢量传感器声学特性的影响研究

本文围绕粘贴黏弹性吸声材料方法对水下小平台上安装矢量传感器的指向性和测向的影响展开理论分析和实验研究.首先建立了吸声材料和平台结构组成的复合层结构的数学模型,对声波经过复合层结构的声学特性进行了分析,在此基础上利用有限元耦合边界元法对粘贴吸声材料前后的水下小平台上的矢量传感器的声学特性进行研究.通过理论计算和数值分析研究了吸声材料对矢量传感器的各通道的指向性的影响,并计算了覆盖吸声材料前后矢量传感器的测向精度.水池实验验证了分析结果的正确性.     

隐蔽通信中基于水声信道的密钥生成技术*

水声传感器网络实现了高度智能化、自主性强、分布式、全天候的水下信息采集、传输、处理及融合,是水下目标的监测、定位、跟踪与分类等应用的最佳选择之一。针对隐蔽传输中的加密,提出了基于水声信道响应特征产生密钥的方法,通过利用水声信道的短时相关性,通信双方实时的产生加密密钥,以保证信息的保密性能。通过将信息隐藏技术和密钥生成技术相结合,确保水声信息的隐蔽传输。仿真与试验结果表明,基于提出的密钥生成方法能够生成匹配密钥,为水声隐蔽通信提供加密支持。     

基于分簇技术的水下声传感器网络的时钟同步研究

时钟同步是水下传感器网络节点协作的必要条件。不同于陆地传感器网络,水声信道具有随机的时频变化,声信号传播速率低,具有很大的时延。本文首先研究了水下传感器网络的分簇技术,在分簇的传感器网络中,实现了适用于水下的发送端—接收端的同步协议。通过MATLAB,利用水下声传播特性公式,对水下传感器网络的时钟同步能耗与同步精度之间的关系进行模拟仿真。最后得出了结论,证明了本文的研究意义。     

正交频分复用在水声通信中频率同步的研究

正交频分复用（OFDM）通信系统对频率偏移比较敏感，容易导致系统性能急剧下降。水声通信中存在着严重的多普勒频率偏移，限制了OFDM技术在水下的应用。本文仿真分析了频率偏移对OFDM系统的性能影响，提出了一种适用于水声通信的频率同步方法。本方法不仅可以对固定的频率偏移进行估计，也可以对连续变化的频率偏移进行估计。仿真表明，本方法具有较高的频偏估计精度和大的频偏估计范围。湖试结果也表明，采用这种方法可有效地进行频偏估计。     

点对点移动水声通信技术研究

点对点移动水声通信是实现由活动和静止节点共同构成的水声数据通信网的关键技术之一. 对移动水声通信声信道特性进行了分析,指出不同途径到达的声线对应的多普勒频偏不一致,进一步加大了多途扩展产生的码间干扰的复杂性,不利于水声通信. 提出单阵元被动式相位共轭镜信道均衡技术,可实时自动补偿多普勒频偏,并聚焦多途信号. 将单阵元被动式相位共轭应用于Pattern时延差编码移动水声通信系统,进行了移动水声通信试验,湖试结果验证了其消除码间干扰性能及本文水声通信系统的鲁棒性. 关键词： 移动水声通信 被动式相位共轭镜 时变信道 码间干扰     

一种利用海豚叫声的仿生水声通信方法

针对水下通信隐蔽性的需求, 克服传统固定载波调制方式带来的声源暴露问题, 提出一种基于海豚叫声的仿生伪装水声通信方法, 使通信信号被当作海洋生物噪声排除, 达到隐蔽通信的效果. 研究了海豚叫声信号特点, 利用海豚哨声信号实现同步与识别, 采用差分脉冲位置调制方法, 信息调制在相邻海豚嘀嗒声信号的时间间隔, 采用压缩传感体制下的匹配追踪技术估计信道, 虚拟时反技术实现信道均衡. 湖试结果验证了该方法的有效性和可行性, 接收声信号与发射信号声音上具有很高的相似度, 可以达到伪装隐蔽的效果. 实验中水平距离2 km, 通信速率不小于29 bps时,误码率可以达到10^-4以下. 关键词： 水声通信 仿生 海豚 隐蔽     

Effects of the transducer dynamics in underwater acoustic communication

The inter-carrier interference (ICI) of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) symbols, which is caused by the transducer’s dynamics, has been analysed and simulated in this paper. The small Cyclic Prefix (CP) method is proposed to overcome the ICI caused by the transducer in order to maintain the orthogonality between sub-carriers without much loss of the energy and the bandwidth efficiency. The simulation results show that the small CP whose length is longer than the transient response of the transducer can eliminate the ICI problem.     

Development of an accelerometer-based underwater acoustic intensity sensor

An underwater acoustic intensity sensor is described. This sensor derives acoustic intensity from simultaneous, co-located measurement of the acoustic pressure and one component of the acoustic particle acceleration vector. The sensor consists of a pressure transducer in the form of a hollow piezoceramic cylinder and a pair of miniature accelerometers mounted inside the cylinder. Since this sensor derives acoustic intensity from measurement of acoustic pressure and acoustic particle acceleration, it is called a p-a intensity probe. The sensor is ballasted to be nearly neutrally buoyant. It is desirable for the accelerometers to measure only the rigid body motion of the assembled probe and for the effective centers of the pressure sensor and accelerometer to be coincident. This is achieved by symmetric disposition of a pair of accelerometers inside the ceramic cylinder. The response of the intensity probe is determined by comparison with a reference hydrophone in a predominantly reactive acoustic field.     

第六讲水下声学传感器网络的发展和应用

文章主要介绍了正在发展中的水下声学传感器网络的一些概念和发展现状.在回顾了水声通信和水下网络的发展历史之后,首先从网络拓扑结构出发,指出多跳对等网络是适合于水声应用的一种网络结构,接着根据网络协议栈的概念,说明水下声学传感器网络在各协议层上所涉及的问题,并从物理层面,分析了水声介质的特殊性,和水下声学传感器网络所面临的一些主要的技术挑战.介绍了组成水下传感器网络的关键部件,以美国海网（Seaweb）为例,给出了一个水声传感器网实现的实例,对它的年度实验进行了介绍,最后,给出了中国未来的发展应用前景.