Spatial diversity and combination technology using amplitude and phase weighting method for phase-coherent underwater acoustic communications

The UWA channel is characterized as a time-dispersive rapidly fading channel, which in addition exhibits Doppler instabilities and limited bandwidth. To eliminate inter- symbol interference caused by multipath propagation, spatial diversity equalization is the main technical means. The paper combines the passive phase conjugation and spatial processing to maximize the output array gain. It uses signal-to-noise-plus-interference to evaluate the quality of signals received at different channels. The amplitude of signal is weighted using Sigmoid function. Second order PLL can trace the phase variation caused by channel, so the signal can be accumulated in the same phase. The signals received at different channels need to be normal- ized. It adopts fractional-decision feedback diversity equalizer （FDFDE） and achieves diversity equalization by using different channel weighted coefficients. The simulation and lake trial data processing results show that, the optimized diversity receiving equalization algorithm can im- prove communication system＇s ability in tracking the change of underwater acoustic channel, offset the impact of multipath and noise and improve the performance of communication system. The performance of the communication receiving system is better than that of the equal gain combination. At the same time, the bit error rate （BER） reduces 1.8%.

自主水下航行器集群组网技术发展与展望

自主水下航行器(AUV)可借助水声通信、协同探测和控制决策等关键技术实现集群组网,形成同构或异构集群进行协同作业。通过集群组网,可以充分发挥不同航行器平台的能力优势,实现多平台之间的信息共享、任务协同和资源整合,从而自主完成更复杂的海上作业任务。这种集群化的作业方式不仅提高了任务执行效率,还可降低作业成本,并提升海洋领域的探测、监测和应对能力。文中介绍了国内外AUV集群组网研究现状,总结了集群组网通信、集群感知、控制决策等关键技术和挑战,并针对AUV集群组网的应用需求,其在探测、通信、控制方面的发展趋势进行了展望,为开展AUV集群基础理论研究与实践应用研究提供参考。

水声通信及网络技术综述

水声通信(UAC)及网络技术在海洋环境监测、商业领域和军事领域等诸多方面发挥着重要作用,关心海洋、认识海洋、经略海洋离不开水声通信及网络技术的发展。该文对水声通信技术和水声通信网络(UACN)进行综述,首先回顾了水声通信技术和水声通信网络的发展,总结了水声信道的特点。然后,对于水声通信技术中的非相干调制技术、相干调制技术以及以应用需求为导向的新型通信技术进行陈述。随后,对于水声通信网络中数据链路层媒介接入控制协议、网络层的路由协议和跨层设计进行分类探讨。最后,对目前水声通信及网络技术的不足进行总结,并且对未来水声通信及网络技术的发展进行展望。

声光联合引导UUV回收系统光学子系统研究

当今水下无人航行器(UUV)在军事与民用领域都有着广泛的应用前景,布放与回收技术是影响UUV实际应用的一项关键技术。目前主要回收引导方式有声学导引、光学导引、电磁导引这3种,而各自都存在明显的优缺点。本文针对声光联合导引机械臂回收系统光学子系统进行研究,设计一组可在水下200 m、0.05~10 m范围工作的机器视觉镜头及其配合使用的靶标,并完成了系统的仿真。该系统可在环境要求下准确地提取出靶标特征点。

某水利枢纽消力池底板及海漫水下检测方法及工程应用

随着水利枢纽的长期运行,大坝坝体、消能设施、隧洞、护岸等表观磨损问题将日趋严重,尤其是对消力池底板、海漫等消能设施而言,淘蚀、冲刷、淤积等问题时常存在,如果定期/不定期进行检测并采取相应的维修、维护措施,一旦问题严重,将会影响水利工程的安全运行。以某水利枢纽消力池底板及海漫为研究对象,采用“初步探查—重点详查—问题判断—综合描述”的一体化检测思路,对消力池底板及海漫表面的混凝土缺陷及淤积情况展开研究。在具体实施过程中,充分利用声学探测技术“精度低但定位准确”及水下影像探测技术“精度高但定位精度差”的特点,将2种方法相结合并有效应用于消力池底板水下检测。实践证明,该技术思路及技术方法在消力池底板及海漫水下检测中取得很好的应用效果,值得在实践中进行推广。

应用于海洋物联网的水声通信技术发展综述

近年来,为得到多元、综合、实时的海洋信息,海洋物联网已成为世界海洋领域范围内的研究重点,水声通信技术的迅速发展为海洋物联网的应用提供了有力支撑。本文首先从海洋物联网发展角度提出了对水声通信技术的要求,然后对国内外海洋物联网中的水声通信技术研究状况进行了概述,并围绕各类科研化、商业化的水声通信机进行分析与探讨,最后对应用于海洋物联网的水声通信技术进行展望。

宽带高阶子空间超短基线水下声学定位

超短基线作为一种常用的水声定位技术,具有基阵尺寸小,易于布置等优势,但存在因阵列孔径过小而定位精度欠佳等问题。对此,本文提出了一种基于宽带高阶子空间的超短基线水下声源定位方法,将水下源定位问题转换成高阶波达角的估计问题,在降低阵列孔径对定位精度影响的同时,提高了定位方法的可扩展性。该方法主要分为三个步骤:1)根据超短基线阵列构建阵列宽带信号接收模型;2)利用高阶累积量子空间方法虚拟扩展阵元数,提高阵列孔径,以此来提高目标在超短基线三维阵列结构下的方位角和俯仰角估计精度;3)根据发射信号波和接收信号波之间的时间关系,融合匹配滤波算法估计水下源斜距。在此基础上,本文针对水下目标动态姿态调整引起的定位失真问题,引入了自适应卡尔曼滤波模型来弱化噪声干扰,提出了一种基于自适应卡尔曼滤波的宽带高阶子空间动态目标定位方法。实验表明,本文提出的方法对水下声源定位具有更好的分辨率、对噪声具有更好的鲁棒性;与现主流的基于时延差、相位差的超短基线水下源定位方法相比,具有更好的定位精度。且在动态目标定位场景中,本文提出的方法平滑度更好,更加贴合于理论值,这也体现了本文动态定位方法对水下源轨迹跟踪具有更好的准确性。

基于水声技术的变压器潜游机器人定位方法研究

文中研究了变压器潜游机器人作业过程中的内部定位技术,分析了超声信号在变压器内部传播衰减的规律,验证了水下声定位技术用于潜游机器人导航的可行性,搭建了变压器油中定位模拟环境,详细讨论了机械噪声滤除、信号处理、时差计算、精准定位等问题的数据处理方法,优选了油中超声定位参数,对比了定位算法的效果,搭建了完整的定位系统,并在500kV换流变压器内检作业中进行了试用,取得了预想的效果。

水下无线传感器网络水声通信与测距技术

深入探讨水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSN)中的水声通信测距技术。首先介绍水声通信测距的基本原理,即利用声波在水中的传播特性来测量节点间的距离。在此基础上,详细阐述单跳测距方法的操作简便性及其在复杂水下环境中可能面临的准确度挑战。随后,探讨多跳测距技术,强调其在大范围网络中提高测距准确性和健壮性的优势。详细分析时差测距方法的效率和准确性优势,讨论相位差测距技术,指出其在高精度测距方面的潜力。

高速数字水声通信系统的研究

介绍了高速数字水声通信系统的基本原理、应用领域以及发展趋势,比较了常用的调制系统。讨论了信号解调基本原理、时钟恢复和同步系统、误码率性能分析以及高速数据解调算法优化,介绍了高速传输信号的功率和频谱分析、信道均衡和自适应技术、多用户干扰和多址系统以及信道编码和纠错系统。通过对高速数字水声通信系统的研究,能够进一步提高通信信号的传输效率和可靠度,减少噪声和误码等干扰因素的影响,满足实际应用需求。

水声系统中的优化均衡技术研究

综述水声系统中优化均衡技术的研究进展和性能优化方法。水声通信作为一种特殊的通信方式,在信号传输中面临诸多挑战,如多径干扰、噪声等。为了克服存在的问题,优化均衡技术被引入水声系统,以提高其通信可靠性和性能。首先,介绍多天线技术如多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)、波束赋形以及自适应滤波等方法在水声通信中的应用和优势。其次,提出评估指标和实验设计,如误码率和信噪比等,用于评估优化均衡技术的性能。再次,讨论算法改进和性能优化的方法,包括自适应参数调整、多通道信息融合和先验信息利用。最后,展望未来研究的方向,包括高容量传输、深度学习和人工智能。

复杂水文环境下水声系统检测性能研究

研究复杂水文环境下水声系统的检测性能,并提出了相应的技术分析。针对水声传感器技术、信号处理技术、复杂水文环境建模以及多传感器数据融合技术等,详细介绍了不同方法和策略。同时,对数据分析与结果进行了详细讨论,包括数据预处理与清洗、信号特征提取与表示、信号识别与分类结果分析以及系统性能评估与对比。通过该研究,可以为复杂水文环境下水声系统的性能提升提供重要参考。

水下声信号的激光干涉测量

为准确测量水下目标的发声频率,在光学暗室下建立了基于激光干涉法探测水下目标的实验系统。当水下声源引起水表面波动时,用激光照射水面,携带声波信息的水面散射光与参考光干涉,利用精密光学测量装置探测光程差的改变,通过数据采集和处理系统从干涉信号的频谱分析图中解调出水下声信号的频率信息。干涉信号的频谱分析图中存在以水下声信号频率为中心的频带,频带宽度与自然水表面波引起的多普勒频移有关。实验结果表明,水下发声目标引起水表面波动的振幅在纳米级,系统可以实时探测出4～15kHz的水下声信号,且测量标准偏差<7Hz。该系统可满足水下目标识别技术的实时性、准确性等要求。

基于空域压缩采样的水声目标DOA估计方法

在空域存在稀疏观测约束条件下,传统的水声目标方位DOA估计方法在水下无人航行器等小型平台的应用中往往精度低或者失效。针对这一问题,提出了一种基于空域压缩采样的水声目标DOA估计方法。该方法通过建立水下目标的空域稀疏模型,对水下目标在空域进行压缩采样,并利用联合稀疏重构实现水下目标的DOA估计。仿真实验表明:与传统方法相比,该方法在较少阵元、较小阵列间隔和较少快拍下估计精度相对提高;而在较低信噪比下估计成功率能够提高50%以上,均方误差也能降低到0.2°以下。

浅海水声信道模型差异对纠错码性能分析的影响

由于水声信道复杂多变,很难进行信道建模,迄今为止并没有一个标准的统计信道模型。针对不同的研究对象,往往需要采用不同的水声信道模型,而评估信道建模差异对研究结论的影响则具有重要意义。从信道纠错码角度,在分析时不变信道模型、时变信道模型和准静止衰落信道模型的基础上,结合高效信道纠错码(以LDPC码为例),讨论了水声信道模型差异对研究纠错码性能可能带来的影响,为实际设计水声通信系统提供参考。仿真结果表明,尽管不同信道建模方式对系统解码的具体信噪比数值要求不大相同,但编译码参数优化设计的方案基本一致,海试数据则进一步验证了上述结论。

宽带水声发射系统换能器分段匹配方法研究

换能器与功率放大器之间的匹配网络设计是宽带大功率水声发射系统的关键技术之一。把水声换能器、功率放大器及其联系两者的匹配网络视为一整体，从系统的观点出发，提出了一种分频段匹配宽带水声换能器的处理方法。通过对水声换能器的导纳特性和发射电压响应的分析，合理地选择匹配网络参数。该方法能充分发挥换能器在不同频段中的特性，实现水声发射系统的宽频带工作。水池实验验证了该方案的有效性：在2～16kHz带宽范围内，发射电压响应级起伏△TVR和发射声源级起伏△SL均得到改善，尤其在感兴趣的4～15kHz的宽带范围内，功率因数得到显著改善，功放管耗明显降低，发射电压响应级起伏ATVR从21dB降到14dB，发射电压声源级起伏△SL从24dB降到7dB，但对功放的安全保护电路提出了更高的要求。

浅海水声信道中重复累积码性能研究

针对浅海水声信道的强多途、长时延、严重衰落等特点,需采用性能好、能够实现线性编译码便于实时处理的信道纠错码技术以提高水声通信系统可靠性的问题,提出重复累积(Repeat-Accumulate,RA)码作为浅海水声信道的纠错码方案。建立RA码在浅海水声信道中的仿真模型,比较其在不同浅海水声信道模型下的性能,通过水池数据传输实验研究编译码参数对RA码性能的影响,并以水下图像传输实验进一步验证该编码方案。仿真和实验结果表明:RA码在浅海水声通信系统中具有较强的纠错能力,选择合适的参数会进一步提高编码增益。与Turbo码和LDPC码的编译码复杂度对比,RA码能够实现线性时间编译码,算法复杂度低,硬件实现简单,在水声通信中具有非常好的应用前景。

水声工程的新进展──欧洲UDT'99观感

本文介绍了１９９９年欧洲水下防务技术会议上与水声工程相关的内容，主要包括：声纳技术、水雷战、鱼雷自导与反鱼雷技术、水下兵器试验靶场等内容．

水下战场环境虚拟仿真系统

针对水下战场环境对海军武器装备战斗力的影响,研究并提出基于虚拟现实和可视化技术的水下战场环境虚拟仿真系统总体结构,建立系统仿真模型,以海洋环境主要特征参数和水声模型为基础,实现对海洋地理环境、水文环境以及水声环境的综合仿真和可视化分析,从而为水下战场环境的认知、模拟训练以及作战应用提供有效手段。

水面舰船结构在水下近场爆炸作用下冲击响应研究

水面舰船结构爆炸毁伤是舰船生命力研究的重要内容,也是分析舰载设备及人员毁伤的基础。为提高对舰艇等目标的打击能力,各国大力发展精确制导技术。目前精确制导引信使鱼雷能贴近船体表面接触爆炸,对舰船的船体结构造成严重毁伤。由于兵器水下近场爆炸毁伤复杂性,使之成为国内外研究的热点。采用水中近场爆炸毁伤模型,利用自编程序和商业程序相结合的方法,将冲击波和气泡射流的联合载荷加载到近场结构上进行仿真计算;对舰船结构在水下近场爆炸作用下毁伤特性进行试验研究。仿真计算结果与试验结果吻合较好。