Data Concurrent Transmission MAC Protocol for Application Oriented Underwater Acoustic Sensor Networks

With the increasing demand for marine exploration, underwater acoustic sensor networks (UASNs) are prone to have the characteristics of large-scale, long term monitoring, and high data traffic load. Underwater media access control (MAC) protocols, which allow multiple users to share the common medium fairly and efficiently, are essential for the performance of UASNs. However, the design of MAC protocols is confronted with the challenges of spatial unfairness, data eruption, and low energy efficiency. In this paper, we propose a novel data concurrent transmission (DCT) MAC protocol, which is able to exploit long propagation delay and conduct concurrent transmission. Specifically, we present the theoretical performance analysis of the proposed MAC protocol in detail and give an analytical solution of the success concurrent transmission probability between nodes. In addition, simulation results are provided to demonstrate that our proposed protocol is appropriate for UASNs and can significantly improve the performance in terms of network throughput and energy consumption. Finally, we give some typical future applications of UASNs and discuss the demands on MAC protocol design.

随钻声波测井井下算法测试系统数据交换接口设计

对数据进行井下实时处理能够更好地发挥随钻声波测井在地质导向钻井中的作用。设计井下算法测试系统有助于井下处理算法的高效开发。本文初步构建了一种井下算法测试系统,设计了前端机中SRAM与上位机之间的数据交换接口。硬件方面,前端机以FPGA为控制核心,它与上位机通过USB微控制器连接。软件方面,USB微控制器固件、FPGA和上位机控制软件共同实现了数据交换协议。测试表明,该数据交换接口能够实现测井数据的格式转换和双向传输功能,上传和下传速度分别可以达到34.78 MB/s和43.04 MB/s。本设计有助于完善声波测井井下算法测试系统,为井下处理算法开发和系统升级提供参考。

极区冰下浅表层声学监测浮标系统研发与应用

北冰洋海域的水声学研究在冰下通讯、导航定位、目标探测以及海洋环境参数反演等方面起着重要作用。而研发集成极区冰下浅表层声学监测浮标系统,获取长期连续气-冰-海界面的主要环境参数数据及冰下声学特性信息,是开展冰下水文和声学环境特性研究的重要手段。本文研究了一种极区冰下浅表层声学监测浮标系统的设计,该系统主要由主控制模块、供电模块、数据采集模块、数据远程传输模块、远程监控中心五部分组成,通过各个模块的开发与集成测试、数据的采集与传输测试、野外试验等,实现了对极区气-冰-海界面主要环境参数以及冰下浅表层声学特性参数数据的持续观测。本系统于2021年8月在中国第12次北极科学考察任务中完成现场应用,在极地低温恶劣环境下运行可靠稳定,实现了包括水声数据在内的极区各项环境观测参数的远程传输。

基于压缩感知的密封端面声发射信号提取技术研究

机械密封动、静环高速转动摩擦时会产生一定频段的声发射(AE)信号,根据声发射信号可以判断密封的运行状态。为提高AE信号数据传输效率,提出一种基于压缩感知的密封环声发射数据降维方法:利用稀疏矩阵将采集的原始AE数据进行稀疏表示,再通过观测矩阵将稀疏表示后的AE数据进行压缩采样以达到降维的目的,数据传输完成后利用OMP等信号重构算法将压缩后的信号恢复。将AE原始数据与重构后的数据进行对比,验证了该方法的可靠性。通过实验对比证明,在压缩比为0.2~0.4,训练样本集K值为80~160时,选择K-SVD作为稀疏矩阵,伯努利随机矩阵作为观测矩阵,采用OMP算法的信号重构效果最佳,其均方根误差为7.06×10^(-6)~7.39×10^(-6)。

空中炸点三基阵声学定位技术研究

多基阵联合定位有助于提高声学定距的精度。采用3个立体五元阵、数据处理器、GPS时间标记器和无线传输设备的声学子站建立了三基阵定位系统,对空中炸点进行定位。立体五元阵能去除声速的影响,具有良好的方位角和俯仰角测量精度,将各个子站方向线在中心站进行数据融合得到空中炸点的位置。三基阵孔径与最佳定位高度关系的仿真结果表明最佳定位高度约是三基阵孔径的1/3.已开展的实验计算结果显示该系统定距相对误差小于3%,定距精度比单基阵有较大提高。

声波沿钻柱最优传输特性的研究

为了利用钻柱作为声波信道实现地面与井下之间的信息传输,需要研究声波沿钻柱最优传输特性。建立用于井下信息声传输特性研究的非周期性钻柱组合模型,利用等效透声膜法,对8根不同长度的钻杆组合和不同截面积的钻杆组合的声传播特性进行了研究分析。结果表明,对于不同长度钻具组合,先增后减的钻具组合和先减后增的钻具组合的声传播特性优于其他钻具组合构建的声波钻柱模型;对于不同截面积钻具组合,先减后增的钻具组合的声传播特性优于其他钻具组合构建的声波钻柱模型。信道的建模与计算机仿真研究最优声波沿钻柱传输特性,可为声波信号更好传输研究提供有力的技术支持与测试平台。

水声信道高速率数据传输中换能器频谱特性的均衡

海洋水声信道严重的多途特性造成的码间干扰是水声信道高速率数据传输技术所需克服的最大困难，而接收和发射换能器在所用频带的不平坦又加剧了多途的影响．

利用水声通信原理解决随钻数据传输问题

在现有随钻数据传输技术的基础上,首次提出利用水声通信原理解决随钻数据传输难题的设想。首先选择钻杆内的钻井液作为水声通讯信道,并将其简化为一维、有限长、均匀、等截面波导。根据理想流体的小振幅波方程,讨论随钻水声信道的截止频率与黏滞力、非线性特性等因素的影响,确定通讯系统的频率、功率与传输距离等基本参数。然后提出建立随钻信道的分段、时变、分布式模型思路,适应信道结构分段变化、钻井深度随时间增加、信道参数时变分布等特点,仿真分析随钻水声信道的传输特性。最后通过定量计算水基钻井液、油基钻井液对水声信号的衰减,提出通过相控阵技术增强信源功率,提高信源质量与信宿检测能力。结果表明:利用水声通信原理解决随钻数据的高速传输问题是可行的,有望使随钻数据传输技术取得突破性进展,彻底解决随钻数据传输问题;结合钻井工程参数,可以选用的水声信号频率大于2 kHz,有效地避开了钻井过程噪声,有利于随钻信号提取;现有水声换能器、传感器可以满足3 000 m以内的随钻通信需求。

油气井测试的井下远程遥测方式分析

准确完整的获得井下待测地层数据有利于全面评价油藏特性,为此研究了地面直读、井 下存储、存储直读和无线遥测试井方式。综合比较各种试井方式的功能,分析了无线遥测和存储直 读式遥测的实现原理、技术特征,以及二者融合的优越性。结合井下恶劣条件和油气井测试现状, 选择钻杆或油管为研究对象,纵波为传输载体,提出基于井下无缆声传输技术和存储直读试井两者 相结合的遥测方式,可实现全通径远距离非接触信号传输。论述了声传输的信道特性、影响因素和 信号检测方法。

大容量水下声学采集数据的高速远距离传输系统的研制

本文针对航空声呐要求远距离实时传输多通道水下声数据的实际需要，研制了一种利用Manchester码实现的高速数据传输系统。其误码率小于10(-7)，数据传输率为3Mb／S，最高可达13Mb／S，传输距离超过500米，并可用于1000米以上的远距离传输。该系统已成功地用于某型航空声呐的数据传输中，并可推广应用于其它需要远距离高速传输多种数据的场合。

随钻测井数据传输技术新进展

作为随钻测井过程的关键环节,数据传输技术不仅可为井下地质与地球物理信息的实时处理分析工作提供依据,还有助于提高油气勘探开发的效率和效益。目前应用较多的随钻测井数据传输技术主要包括泥浆脉冲传输、电磁传输、声波传输及有线钻杆等,不同技术各具优势和缺陷。详细介绍了斯伦贝谢公司Digi Scope、威德福公司EM Casing Link、XACT AT及NOV公司的Intelliserv等随钻测井数据传输技术的新进展,并结合作业实例,阐述了相应的应用效果,以为推动我国随钻测井数据传输技术的快速发展提供参考。

多路水下声数据的一种高速低误码率传输方法

根据航空声呐实时传输多路水下声数据的需要，介绍了利用Ｍａｎｃｈ－ｅｓｔｅｒ码实现高速数据多路传输的方法。实验系统利用单片ＩＣ电路８２Ｃ５０１已获得工程实现，其误码率小于１０－７，数据传输速率为３Ｍｂ／ｓ，最高可达１３Ｍｂ／ｓ，传输距离超过５００ｍ。该系统已成功地应用于机载声呐的数据传输系统中，特别适用于传输电缆的体积和重量受到严格限制，且需要传输多种高速数据的场合。

面向异构水声传感网的分布式负载均衡算法

水声传感网中节点能量有限,大多采用多跳通信。为解决通信过程中的负载均衡问题,提出了一种基于质距优化机制的水声传感器网络多跳通信策略,设计自适应负载均衡算法,加权评估普通传感器的通信质量与距离选择下一跳;在此基础上,提出了基于AUVs节点的数据平衡传输算法,分布式的实现了网络性能的进一步优化,以获得网络生命周期的最大化。最后,通过仿真实验验证了该方法的合理性和有效性。

海洋声学调查数据处理系统的实现及关键技术

针对目前我国海洋水声环境调查需求,结合国内现有的技术条件和现有的处理方法、原理,详述了海洋声学调查数据处理系统的实现途径及关键技术的解决,该系统软件满足我国目前海洋调查的需求,提高了海洋环境数据处理的自动化、数字化和信息化程度。

拖曳声源深度起伏对深海会聚区声传播损失测量的影响

深海会聚区声传播损失测量是海洋声学调查中的重要项目之一。拖曳声源深度起伏对深海会聚区声传播损失的准确测量具有直接影响。基于Argo资料和RAM声传播计算程序,对不同声源深度起伏幅度下的会聚区声传播损失进行了计算。结果表明:不同声源初始布放深度下,拖曳声源深度起伏对声传播损失测量具有相似的影响规律;与海底反射区和声影区相比,会聚区范围内的声传播损失对拖曳声源深度起伏不敏感;水平距离30 km以内的声传播损失受拖曳声源深度起伏的影响较大,即使在较低频率和较小深度起伏幅度时也会出现较大误差。

无线数据传输技术在石油行业中的应用及展望

概括总结了在石油行业中使用的无线数据传输技术,主要可分为常规无线数据传输和井下无线随钻传输。提出了两点展望:利用短距离无线采集与远程无线数传相结合,可实现钻采现场参数实时监测;研发声波无线数据传输新型钻杆接头,能克服能量衰减问题,提高声波传输距离。

水声传感器网络数据传输能耗分析

水声传感器网络设计的其中一个目标就是提供节点间可靠通信的同时,能量消耗最小化。通过构造简化的场景,参考海洋中水声信号的吸收损失、传感器节点的参数以及实际环境参数推算出水声传感器网络分别在集中式拓扑结构和多跳式拓扑结构下的能量消耗模型。通过仿真得出:在短距离通信时采用中继节点实际上浪费了能量,采用集中式拓扑结构能量效率较高;而在长距离通信时,采用多跳拓扑结构选择合适的中继节点个数有优越的能量效率。

金属箱体内外压电声透传输性能研究

对金属箱体内外存在不同介质时的压电声透通信场景展开研究,其中箱体内部充满水,外部为空气。设计了一种密封装置以避免内部液体对换能器的影响。采用矢量信号发生器结合信号分析仪进行测试,探究了最佳通信参数的确定方法。通过实验比较了误差向量幅度以及信噪比,该场景下256 QAM调制方式取得了较好的性能,且在载波频率为500 kHz时可达到4 Mbit/s的传输速率。

井下声波短传系统中的解码方法

在井下声波短传系统中,信源的编码由两部分组成,同步码元+信息码元。针对编码系统,文章给出了解码方法。多次实验室试验证实了解码方法的可靠性。

水下自航模水声遥测遥控及数据传输系统的机电一体化设计

本文简要介绍了以水声作为传播媒介的 ,针对水下运动船模进行轨迹测量、数据传输和水声遥控的机电一体化系统的设计思想及工作原理。并重点介绍了数据处理、数据流向中的计算、控制过程。同时说明了针对本课题使用环境的编码、检码特点。