不依赖水声传感器信噪比的分布式量化检测融合方法

针对水下跨平台协同系统信号检测融合的应用需求,本文提出了一种不依赖于水声传感器信噪比先验信息的水下目标分布式量化检测融合方法,不仅提升了检测融合系统的性能,而且避免了以往检测融合需要知道各传感器信噪比的难题。在奈曼-皮尔逊准则下,推导了量化检测融合的全局最优算法,在量化检测融合系统满足虚警概率要求的条件下,通过联合设计检测融合规则和各传感器判决规则,实现了对多位量化判决结果的最优判决。给出了量化检测融合的次优算法,通过独立设计融合规则与各传感器判决规则,使融合中心判决门限和各传感器判决门限仅仅依赖于与噪声方差密切联系的虚警概率,而不再依赖于信噪比。进行了计算机仿真,结果表明:所提算法性能优于参加融合的各传感器检测性能以及全局最优硬判决融合的性能,量化检测融合次优算法性能接近全局最优量化检测融合的性能。

适用于水声传感器网络的混合路由协议

针对水声传感器网络中静态节点与移动节点不同路由设计需求,分析确定性路由和机会路由的特点,提出一种适用于水声传感器网络的混合路由协议(HRP-USN),将水声传感器网络区分为静态节点和移动节点开展设计。静态节点路由协议融合静态路由和动态路由优点,路由建立过程手动配置路由表,路由维护和重建过程采用联合MAC层反馈及聚焦转发控制的方式,兼顾自组织性和协议复杂性;移动节点采用机会路由,将数据以单跳方式发送到静态节点,自适应确定最优中继节点后按照已有路由传输到网关节点,利用水声信道广播特性,提升网络弱通信条件下数据包投递率。通过仿真分析,在不同节点移动速度和误码率条件下,HRP-USN数据包投递率明显优于其他传统路由协议,更加适合水声传感器网络。

基于水声传感器的高保真加密传输方法

提出了一种水声传感器高保真加密传输方法。针对海洋上软件加密方式需要的处理器相对复杂且加密速度慢,满足不了信息实时性及小型化要求的实际应用的缺点,本文着重从目标信息的融合、加密、编码等方面进行研究。利用高精度水声探测组件及现场可编程门阵列(FPGA)高速数字处理器,结合公用密钥(RSA)数字加密算法实现目标信息在海上可靠、安全的无线数字传输。最后,在数据终端通过界面显示,并进行了模拟实验。测试结果表明:该方法将目标信号的正交的矢量水声和声压水声信号零时差采集和磁信号通过簇式加密的方式将信号同步无线传输给上位机,能够实现高精度、高保真目标信息还原。

MEMS磁电耦合矢量水声传感器研制

本文提出了一种基于磁电耦合原理和MEMS加工工艺的矢量水声传感器。该矢量水声传感器的MEMS敏感检测单元包括磁电耦合材料、八悬臂梁-中心质量块MEMS元件和永磁铁。采用电荷放大信号处理电路处理敏感检测单元产生的信号。通过对磁电耦合材料、MEMS元件和信号处理电路进行设计,使矢量水声传感器在工作时具有很高的灵敏度。通过声学灌封完成矢量水声传感器的制备,并对矢量水声传感器的性能进行了测试,测试结果表明:该矢量水声传感器的接收灵敏度在1 000 Hz时达到-180 dB(0 dB re 1 V/μPa)。

水声传感器调理电路设计

由于水下环境极其恶劣且水声传感器输出信号微弱,在传输微弱信号时又常常受到其他信号的干扰而不能直接用于后级采集电路,因此需要对水声传感器的输出信号进行一系列处理。设计一种水声传感器调理电路,主要包括前置放大电路、滤波电路、单端转差分电路。该电路采用了低功耗、极低噪声、超低偏置电流的高速仪表放大器AD8421和低功耗、低噪声、低偏置电流的运算放大器AD8022,其中滤波电路由四阶有源SK高通滤波器与二阶有源MFB低通滤波器级联构成。仿真和测试结果表明,该电路可实现固定增益为20 dB,较宽的通频带100 Hz~500 kHz,截止频率处的衰减小于1 dB,短路等效输入噪声不大于2μVrms。该电路的噪声性能较一般信号调理电路更优异且电路结构更简单,可以灵活运用于微弱信号的采集和处理。

声影区影响下的水声传感器网络部署优化算法研究

为提高声影区影响下水声传感器网络的连通性,提升对目标区域的监测质量,提出一种基于深度可调节节点的水声网络部署优化算法(deployment optimization algorithm for shadow-zone-affected underwater acoustic sensor networks,DOASZ)。节点利用来自ARGO(array for real-time geostrophic oceanography)的真实海洋数据估计声影区范围,以最小化节点间信道衰减为目标函数,保证节点移出声影区和控制节点移动能耗为约束条件;基于粒子群算法对节点连通的最优位置进行求解,优化网络部署;设计了基于节点位置、最大移动距离、感知半径的节点移动等待时间和相应的信息传输机制,以保障算法的动态可靠运行。结果表明:算法能在现有部署算法的基础上根据声影区位置进行动态部署优化。当网络中的节点数量为50时,应用DOASZ算法后,随机部署的网络连通性增加了55.9%,基于Voronoi图的深度调节算法部署的网络连通性增加了21.8%,声影区影响下的水声传感器网络连通性明显提升。

基于矢量转发的节能型水声传感器网络路由协议

近年来,水下物联网和海洋物联网已经成为一个热门的研究方向,水声传感器网络路由协议作为海洋物联网的重要组成部分也得到研究人员的广泛重视。因此在HH-VBF协议的基础上,提出一种基于矢量转发的节能型水声传感器网络路由协议——ES-HH-VBF协议。ES-HH-VBF协议在保留了将下一跳节点的位置信息作为计算节点转发因子的参考值的基础上,引入了节点剩余能量改进节点转发因子的计算方式,以此来均衡网络中的能量消耗;并且还将预设的距离阈值由HH-VBF协议中的固定值改为根据节点剩余能量变化的动态值,从而可以动态地控制数据冗余。为了验证ES-HH-VBF协议的性能,在水下传感器网络仿真器Aqua-Sim上对HH-VBF协议和ES-HH-VBF协议的性能进行了对比分析。仿真结果表明,随着节点发包间隔的增加,ES-HH-VBF协议的包传递率比HH-VBF协议的包传递率高4.2%左右,网络平均时延比HH-VBF协议低11.3%左右,网络平均能耗比HH-VBF协议低8.2%左右。通过对ES-HH-VBF协议和HH-VBF协议的仿真实验分析可知,ES-HH-VBF协议在提高数据包传递率、降低平均能耗和降低平均延时方面具有较大优势。

一种基于TDMA的水声传感器网络MAC协议

由于水声信道的传播时延很高,传统的TDMA协议存在时隙过长导致吞吐量下降的问题。本文提出一种基于TDMA的改进型MAC协议,该协议允许发送节点在一个时隙内发送多个数据包或在时隙中间时刻发送数据包,改善长时隙对TDMA协议性能的影响。仿真结果表明该协议可以有效提高时隙的利用率并提升网络吞吐量。

纤毛式MEMS矢量水声传感器的仿生组装

提出了一种纤毛式微机电系统(MEMS)矢量水声传感器的仿生组装技术.期望结合MEMS工艺和仿生组装工艺技术,解决复杂结构的仿生制造问题.文中简单介绍了仿生学理论以及定向探测机理.采用MEMS基硅微机械加工技术完成了传感器微结构的加工.通过模仿鱼类侧线器官神经丘感觉器的仿生结构,完成了传感器仿生微结构的组装,制作出纤毛式硅微仿生矢量水声传感器的模型样机.最后,完成了传感器的校准测试.测试结果表明,该水声传感器不但体积小、质量轻、结构简单,而且具有"8"字型的指向特性.该水声传感器的声压灵敏度为-197.7 dB(0 dB=1 V/μPa).

硅微仿生矢量水声传感器研制

根据鱼类侧线听觉仿生学原理,设计出硅微仿生矢量水声传感器结构.该传感器结构包括高精度压阻式硅微换能单元结构和空芯光子晶体光纤柱体.讨论了水声传感器结构的仿生学原理和声学原理.用有限元软件Ansys分析传感器的应力分布,讨论了传感器的加工工艺,并采用气流静态加载法测试出传感器的矢量指向性图,测试结果表明,仿生水声传感微结构具有“8字型”矢量指向性.

硅微矢量水声传感器的封装及测试方法研究

针对目前矢量水声传感器存在的高灵敏度、低频检测以及小型化等问题,提出了一种新型的硅微MEMS矢量水声传感器.利用敏感材料的压阻效应?传感器精巧的微结构以及硅微MEMS技术,实现矢量水声传感器的低频特性和小型化的可行性.以声场中的刚硬圆柱在声波作用下的声散射问题作为切入点,对传感器的同振原理进行分析,并基于该机理以及传感器的特殊结构,提出采用注入蓖麻油的方法实现微结构的柱体与所处介质质点同振.分别采用振动台标定和驻波场测量的方法完成了传感器的灵敏度、频响以及指向性的测试,最后对2种测试结果进行了分析和比较.研究结果表明:所研制的水声传感器具有较低的工作频率,其水下自由场声压灵敏度值为-207.6 dB(0 dB=1 V/μPa,测试频率为200 Hz),指向性图的零点深度为50.9 dB.

水声传感器网络及其在海洋监测中的应用研究

针对海洋监测水声传感器网络中的基础性问题,分析和总结了近年来相关的主要研究方向和重要研究成果。同时,深入讨论了海洋监测水声传感器网络研究所面临的挑战和亟须解决的问题,为今后的研究提供了方向。

基于共振隧穿二极管的矢量水声传感器设计

提出了一种基于共振隧穿二极管(RTD)的矢量水声传感器,传感器采用共振隧穿二极管作为敏感元件,共振隧穿二极管布置在传感器结构中柱体的四周边缘.两个反方向变化的基于共振隧穿二极管的振荡器的输出信号通过信号处理电路预处理后输入微处理器,计算出声源水平方位角和声压.分析并设计了基于共振隧穿二极管的振荡电路、矢量水声传感器物理结构以及制作工艺,讨论了传感器信号处理方法.

能量高效的水声传感器网络多跳非均匀分簇算法

针对现有水声传感器网络(UW-ASN)分簇路由算法存在的能耗不均衡问题,提出了一种能量高效的多跳非均匀分簇(EEMUC)路由算法。通过节点到基站的物理距离建立网络非均匀分层模型,各层区域内的节点根据综合属性值选择簇头,靠近基站的簇的规模小于远离基站的簇。簇间采用多跳路由方式传送数据,从而均衡了簇头的能耗。实验结果表明,所提算法在簇头数目和节点的剩余能量等性能方面优于低能耗自适应分簇路由(LEACH)和能量高效的非均匀分簇(EEUC)算法,从而提高了水声传感器网络的能量效率,并延长了网络的生命周期。

水声传感器网络拓扑控制技术综述

水声传感器网络作为一种新型的无线传感器网络,将在诸多水下监测应用中发挥重要作用。鉴于水介质的特殊性和复杂性,水声传感器网络与传统无线传感器网络存在很大的差异。拓扑控制技术是水声传感器网络的核心组网技术。文中总结和分析了水声传感器网络领域中拓扑控制技术的现有研究成果,阐述了多种受研究者关注较多的典型问题和解决方法,并指出其中有待解决的问题,进而归结了拓扑控制技术设计中需考虑的因素,最后探讨了今后应研究的问题,指明了该领域中下一步研究的重点和难点。

水声传感器网络仿真框架UASNSF的设计

仿真是目前水声传感器网络的主要研究手段,在总结现有水声通信网络仿真工作的基础上,提出了水声传感器网络仿真框架UASNSF,并对其体系结构、组成模型、应用场景等几方面进行了描述,最后通过一个典型的水声传感器网络仿真应用,对该框架的实用性进行了验证。仿真结果证明,该仿真框架兼顾了模型准确性和仿真效率,可以方便地实现对水声传感器网络系统的全面模拟,为水声传感器网络的研究与设计提供了较好的实验平台。

面向海洋监测的水声传感器网络节点定位算法

为解决面向海洋监测应用的大规模水声传感器网络的节点定位问题,首先,采用整数线性规划理论,提出了多目标约束的水面网关优化部署策略;其次,针对水声传感器网络不同节点的特点,设计不同的定位方案,提出了有预测性的水声传感器网络节点部署算法。仿真实验验证了该方法的可行性与有效性,结果表明,该算法能明显提升节点的定位范围,降低通信能耗,减小定位误差,为水声传感器网络的海洋大规模部署提供相应技术指导。

低时延能耗均衡的水声传感器网络簇间路由算法

针对水声传感器网络的簇间路由选择问题,提出了一种基于前向网关的低时延能耗均衡路由算法,该算法采用最优方向角原则和能耗均衡原则选择中继簇头和中继网关,以减小长延迟和高能耗对水声通信的影响。仿真结果表明该算法在网络平均能耗、端到端时延和网络生命周期等方面具有较好的性能。

宽频带水下导引系统的水声传感器设计

对适用于水下武器导引系统的水声传感器频带展宽问题进行了讨论。采用 Tonpilz型纵向振动压电水声换能器作为传感器阵的基本单元 ,在设计上将压电晶堆激励的纵向振动与辐射面的弯曲振动模态综合考虑 ,改善了换能器的声辐射和接收频率响应特性 ,实现了高空间增益和 Δf≥ 1 0 .0 k

海洋水声传感器网络路由机制研究

水声传感器网络是近年来的新兴应用研究领域,路由机制是其网络协议栈的核心内容,用于在水下建立一条数据传输路径。由于水下应用场景与水声通信环境的特殊性,导致陆上传感器网络的路由机制难以直接应用到水下。文章深入分析了海洋水声传感器网络的应用场景,将其归结为水底的二维平面形式与水下三维立体形式。对于二维平面形式提出了节省能量的路由策略以有效延长网络生存时间;对于水下三维立体形式提出一种不依赖位置信息的路由机制,并针对数据转发中存在的路由空洞设计了有效的路由重构机制。