專(zhuān)題報(bào)告水聲通信

專(zhuān)題報(bào)告一水聲通信當(dāng)今世界已進(jìn)入了飛速發(fā)展的信息時(shí)代，通信是這一進(jìn)程中發(fā)展最為迅速、進(jìn)步最快的行業(yè).陸地和空中通信領(lǐng)域包括的兩個(gè)最積極、最活躍和發(fā)展最快的分 Internet網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)日臻完善，而海中通信的發(fā)展剛剛嶄露頭角.有纜方式的信息傳輸由于目標(biāo)活動(dòng)范圍受限制、通信纜道的安裝和維護(hù)費(fèi)用高昂以及對(duì)其他海洋活動(dòng)如正常航運(yùn)）可能存在影響等缺點(diǎn)，極大地限制了它在海洋環(huán)境中的應(yīng)用.另外由于在渾濁、含鹽的海水中，光波、電磁波的傳播衰減都非常大，即使是衰減最小的藍(lán)綠光的衰減也達(dá)到了40dB/km，因而它們?cè)诤Ｋ械膫鞑ゾ嚯x十分有限，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足人類(lèi)海洋活動(dòng)的需要.在非常低的頻率（200Hz以下），聲波在海洋中卻能傳播幾百公里，即使20kHz的聲波在水中的衰減也只有2—3dB/km，因此水下通信一般都使用聲波來(lái)進(jìn)行通信.而在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，聲波在水中（包括海水）的衰減與頻率的平方成正比，聲波的這個(gè)特性導(dǎo)致了水下聲信道是帶寬受限的.采用聲波作為信息傳送的載體是目前海中實(shí)現(xiàn)中、遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)通信的唯一手段水聲通信。最初是主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，最近十年，隨著人類(lèi)對(duì)海洋資源的不斷開(kāi)發(fā)和利用，如近年來(lái)環(huán)境系統(tǒng)的污染監(jiān)測(cè)、海上石油工業(yè)的遙控以及不回收儀器設(shè)備而直接獲取海底工作站記錄的科學(xué)數(shù)據(jù)等等,使得水下信息通信技術(shù)的商用前景越來(lái)越廣闊，相應(yīng)地，也促進(jìn)了水下通信技術(shù)的發(fā)展.早在第二次世界大戰(zhàn)之后，水聲通信就已出現(xiàn).現(xiàn)在水聲通信已廣泛應(yīng)用于潛艇之間的通信、水面艦艇與潛艇的通信、海上遙控和遙測(cè)、遙感、水下測(cè)量設(shè)備記錄數(shù)據(jù)回送、水下圖像傳輸、語(yǔ)音傳輸和水聲局域互聯(lián)網(wǎng)（ALAN）等多個(gè)方面.其具體的設(shè)備包括艦艇用水聲通信機(jī)、水下通信浮標(biāo)、水下應(yīng)急通信設(shè)備、潛水員水聲電話(huà)、水下機(jī)器人用的圖像聲納和通信聲納等許多種。海洋水下信道是一個(gè)極其復(fù)雜的時(shí)間-空間-頻率變化、強(qiáng)多徑干擾、有限頻帶和高噪聲的信道，這是至今還存在的難度最大的無(wú)線(xiàn)通信信道.研究水聲通信必須綜合物理海洋學(xué)、聲學(xué)、電子技術(shù)和信號(hào)處理等多種學(xué)科和技術(shù)的知識(shí)，現(xiàn)在水聲通信的研究已經(jīng)成為各國(guó)科學(xué)和工程技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)之一.另外，海洋聲學(xué)技術(shù)尤其是水聲通信技術(shù)是國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖的領(lǐng)域，因此研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水聲通信技術(shù)意義深遠(yuǎn)。水聲通信特點(diǎn)和性能評(píng)價(jià)：水聲通信是利用聲波在海水里傳播實(shí)現(xiàn)的.水聲通信系統(tǒng)的工作原理是首先將文字、語(yǔ)音、圖像等信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并由編碼器將信息數(shù)字化處理后，換能器又將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào).聲信號(hào)通過(guò)水這一介質(zhì)，將信息傳遞到接收換能器，這時(shí)聲信號(hào)又轉(zhuǎn)換為電信號(hào),解碼器將數(shù)字信息破譯后,電接收機(jī)才將信息變成聲音、文字及圖片.聲音是由于震動(dòng)而產(chǎn)生的.在海里面,我們要把我們講話(huà)的信息傳到遠(yuǎn)處也一樣，僅僅是把空氣換成是海水，這一傳輸就要另外一個(gè)嘴巴和耳朵，即水聲換能器，通過(guò)它,聲能和電能相互轉(zhuǎn)換，在空氣中、水中、固體中任意發(fā)射和接收不同頻率、不同強(qiáng)度的聲信號(hào)。水聲信道是一個(gè)典型的時(shí)變多途衰落信道，由該信道傳輸后的接收信號(hào),可視為經(jīng)由不同路徑到達(dá)的、具有不同時(shí)延和幅度的多個(gè)分量的疊加。在淺海聲道上聲傳播模型中Tt為發(fā)射換能器,Re為接收換能器。Tt和Re之間的聲傳播主要由界面反射和直達(dá)路徑組成.，到達(dá)接收端換能器的各條路徑的信號(hào)有著不同的路徑長(zhǎng)度，因而到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間各不相同，同時(shí)各條路徑的信號(hào)幅度也是隨機(jī)變化的.所以信號(hào)在時(shí)域上被展寬，幅度呈頻率選擇性衰落，這稱(chēng)為多途干擾.多途干擾是由于聲波在水聲信道傳播過(guò)程中遇到各種非期望反射體，如上、下表面、水中物體、非均勻水團(tuán)等，引起反射和散射，這些反射或折射信號(hào)同直達(dá)信號(hào)在接收端相互干涉造成干擾，形成多途.水聲信道中，在收、發(fā)兩端始終存在著一條以上的傳播路徑，因此多途在任何時(shí)候都可發(fā)生，在長(zhǎng)距離通信中,多途更是一個(gè)常見(jiàn)現(xiàn)象.更由于水聲場(chǎng)的時(shí)間-空間-頻率變化特性，使得多途現(xiàn)象尤為突出.因此如何克服多途干擾、時(shí)域和多普勒擴(kuò)展、時(shí)變衰落，是水聲通信中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題.水聲通信的質(zhì)量,通常用誤碼率和數(shù)據(jù)率這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量.無(wú)論是海上作業(yè)或作戰(zhàn),都要求通信最好是實(shí)時(shí)的，而圖像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量又很大,所以要求通信必須采用高數(shù)據(jù)率;另外，圖像通信時(shí)，誤碼率若超過(guò)1%,畫(huà)面就會(huì)出現(xiàn)明顯的“疵點(diǎn)”，而指令通信對(duì)誤碼率的要求則更高，在現(xiàn)如今高科技的快速作戰(zhàn)中，一個(gè)誤碼很可能導(dǎo)致一個(gè)指令的接收錯(cuò)誤，從而貽誤整個(gè)戰(zhàn)機(jī).要求高數(shù)據(jù)率和低誤碼率,這本身就是一對(duì)矛盾，我們通常所說(shuō)的保證水聲通信的質(zhì)量，就是在保持高數(shù)據(jù)率的前提下，盡量降低傳輸?shù)恼`碼率.水下通信系統(tǒng)通常是在滿(mǎn)足誤碼率要求條件下，用作用距離與通信速率的乘積來(lái)衡量該系統(tǒng)的性能,就是說(shuō)，一般情況下，這個(gè)乘積值越大，說(shuō)明系統(tǒng)的通信性能越強(qiáng).水聲通信的國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究目的就是使水聲通信系統(tǒng)誤碼率更低，使這個(gè)乘積值達(dá)到最大.例如,1999年國(guó)際上發(fā)表的各種水聲通信機(jī)的指標(biāo)一般以傳輸速率x作用距離=40kbpskm為上限相干系統(tǒng)與非相干系統(tǒng)相比，相位相干水下通信系統(tǒng)在最近的十年當(dāng)中發(fā)展的更快、研究成果更多.對(duì)于水下相位相干通信系統(tǒng),提高通信速率和降低誤碼的主要難點(diǎn)有兩個(gè)方面:一是減輕碼間干擾(ISI)的影響;二是水下多徑傳播的動(dòng)態(tài)機(jī)制.相干水聲通信系統(tǒng)采用的調(diào)制方式主要有PSK(相移鍵控),DPSK(差分相移鍵控),QAM(正交幅度調(diào)制)等.為了克服水下信道多徑引起的碼間干擾(ISI),接收機(jī)一般要進(jìn)行ISI補(bǔ)償處理,主要處理方法有線(xiàn)性均衡(LE)、判決反饋均衡(DFE)、直接序列擴(kuò)頻(DS-SS)等。隨著水聲通信的發(fā)展，對(duì)水下高速通信(一般指速率大于2kbit/s)的需求越來(lái)越大，使得水下相干通信采用了一些移動(dòng)通信中的許多先進(jìn)和復(fù)雜的技術(shù)如正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)、多天線(xiàn)(,MIMO)技術(shù)等.其中OFDM技術(shù)是最近三年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，并取得了一定的試驗(yàn)結(jié)果，其核心思想是將整個(gè)可用頻帶分割成多個(gè)正交子信道,將待傳輸?shù)母咚俅写a流并行地調(diào)制在這些子信道載波上，再加上循環(huán)前綴以后，使其具有抗多徑、頻譜利用率高的特點(diǎn).MIMO技術(shù)是水聲通信中剛剛興起的技術(shù),MIMO也是第四代移動(dòng)通信(4G)的核心技術(shù),由于其具有提高信道容量、抗衰落、降低誤碼率等特點(diǎn)，使其成為水下通信極有發(fā)展?jié)摿Φ囊豁?xiàng)技術(shù),也可以將其與OFDM技術(shù)結(jié)合使用，以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn).現(xiàn)在,水聲通信已經(jīng)發(fā)展到建立水聲網(wǎng)絡(luò)的階段當(dāng)前水聲通信的目標(biāo)是建立水下自治采樣網(wǎng)絡(luò)(AOSN).這種網(wǎng)絡(luò)能夠提供多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間交換數(shù)據(jù)的功能，與此同時(shí)，也己經(jīng)提出了能夠傳輸包括圖像、數(shù)據(jù)、控制命令、語(yǔ)言等多種信息的水聲局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議21世紀(jì)將是利用和開(kāi)發(fā)海洋資源的重要時(shí)期，而水聲通信作為水下唯一的通信手段，必將成為各國(guó)研究的重點(diǎn)，也必將得到快速的發(fā)展,從而在人類(lèi)探索海洋、認(rèn)識(shí)海洋到最終征服海洋的過(guò)程中發(fā)揮重要作用.和現(xiàn)在的無(wú)線(xiàn)電通信網(wǎng)一樣,未來(lái)也將在海洋建立水聲通信網(wǎng),這樣既可同時(shí)獲取大范圍的海洋信息，也可快速、便捷地傳遞各種信息.水聲通信的應(yīng)用既包括軍事領(lǐng)域，也包括民用領(lǐng)域，可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面：水聲通信是水面艦艇、潛艇間相互通信的重要手段.特別是潛艇處在潛航狀態(tài)時(shí)，無(wú)線(xiàn)電和其它通信方式都將失效,唯一可能的通信方式就是水聲通信.而在我國(guó)大陸架附近海域和遠(yuǎn)海域，組建可靠的、大范圍的水聲通信網(wǎng)，對(duì)于我國(guó)領(lǐng)海防御和未來(lái)海軍遠(yuǎn)航作戰(zhàn)必將起到重要的保障作用.水聲反潛網(wǎng)絡(luò).在未來(lái)“以網(wǎng)絡(luò)為中心的反潛戰(zhàn)”中，水聲通信和水聲數(shù)據(jù)鏈傳輸將發(fā)揮重要作用，這需要在水下分布式監(jiān)測(cè)器、水下無(wú)人航行體、潛艇和水面艦艇等之間建立聲納系統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)，傳遞語(yǔ)音、數(shù)據(jù)乃至圖像等多種信息.網(wǎng)絡(luò)通信將大大提高對(duì)水下目標(biāo)的聯(lián)合檢測(cè)、定位和攻擊的能力.水下潛器的命令和數(shù)據(jù)傳送.這包括對(duì)水下機(jī)器人的狀態(tài)控制和水下機(jī)器人的狀態(tài)應(yīng)答,對(duì)水下機(jī)器人的狀態(tài)控制，水下采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)回送或深海目標(biāo)圖像的獲取等.在這些場(chǎng)合下不宜用電纜,最好的辦法是利用水聲通信，需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題有水下潛器通信系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)、高性能電池的設(shè)計(jì)及使用、采用低復(fù)雜度的通信算法.海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和災(zāi)難預(yù)警.建立