Développement et application du capteur de transducteur acoustique sous-marin

1 Le concept de base et l'histoire du réseau de transducteurs acoustiques sous-marins

La transducteur acoustique sous-marinLe réseau est le produit de la vulgarisation de la technologie du réseau mondial. Maintenant que le terrain est connecté par des moyens optiques ou électriques câblés, et que le réseau est connecté par des réseaux sans fil ou même des satellites de communication dans l'air, le réseau sous-marin peut être le seul terrain vierge restant qui n'a pas été entièrement cultivé. Il est concevable qu'un jour, lorsque vous allumez l'ordinateur et que vous vous connectez à Internet, vous pouvez immédiatement obtenir des données réelles - Time des courants océaniques dans l'océan Atlantique profond. Si une caméra sous-marine est installée, vous pouvez même voir les poissons colorés du grand amont de votre écran. Il s'agit de la tâche face au réseau de transducteur acoustique sous-marine: le réseau acoustique sous-marine est utilisé comme moyen de transmission d'informations, le capteur sous-marin est utilisé comme fenêtre pour l'acquisition d'informations, et le réseau acoustique sous-marin est finalement incorporé dans le réseau conventionnel d'une manière ou d'une autre pour intégrer les données sous-marines envoyées à l'observateur. Étant donné que les ondes sonores sont la seule forme d'énergie qui peut être transmise sur de longues distances dans l'eau, les ondes radio ont une distance de propagation très courte dans l'eau et la lumière ne convient pas non plus aux environnements sous-marins en raison d'une forte atténuation et d'une diffusion sous l'eau. Le transducteur acoustique sous-marin est un réseau sans fil composé d'ondes acoustiques sous-marines comme opérateur d'information. Il est analogue à un réseau sans fil dans l'air, sauf que le transporteur d'information dans l'air est des ondes radio, et le transporteur d'information dans l'eau est des ondes sonores. Le réseau acoustique sous-marin doit résoudre deux problèmes techniques, l'un est un transducteur de communication acoustique sous-marine, et l'autre fait du réseautage basé sur la communication acoustique. La communication acoustique sous-marine résout la communication point - vers - entre deux utilisateurs (ou sources d'informations), et la mise en réseau résout le problème de l'interaction d'informations lorsque plusieurs utilisateurs (ou sources d'information) partagent le canal moyen. En tant que technologie émergente en cours de développement, la raison pour laquelle le développement du réseau acoustique sous-marin est loin derrière le réseau sans fil dans l'air est largement limité par le développement de la technologie de communication acoustique sous-marine. La première communication acoustique sous-marine peut être retracée à la modulation d'amplitude (AM) et aux téléphones sous-marins à bande latérale unique (SSB) pour les données analogiques dans les années 1950; Il y avait quelques systèmes analogiques avant les années 1970, en raison de la modulation d'amplitude dans l'environnement de réverbération acoustique sous-marine. Avec le développement de la technologie VLSI, la technologie sous-marine du changement de fréquence numérique (FSK) a été appliquée au début des années 1980. Il est robuste à la propagation de temps et de fréquence du canal. La communication cohérente acoustique sous-marine est apparue à la fin des années 1980. Par rapport à la communication non cohérente, la technologie de communication acoustique sous-marine cohérente peut améliorer l'efficacité de la bande passante du canal acoustique sous-marine limité.Cependant, en raison de la dureté et de la complexité du canal acoustique sous-marine, la communication cohérente acoustique sous-marine n'a pas commencé, il a été admis que le produit de la distance et de la vitesse de la communication acoustique sous-marine à l'époque était d'environ 0,5 km. Dans les années 1990, en raison du développement de la technologie des puces DSP et de la théorie de la communication numérique, de nombreuses technologies complexes d'égalisation des canaux peuvent être réalisées, ce qui a conduit le développement de la technologie de communication cohérente acoustique sous-marine, et s'est tournée vers l'étude de la communication des canaux horizontaux, car l'effet multiple parallèle du canal est beaucoup plus compliqué que celui du canal vertical en mer profonde. Au milieu des années 1990, le produit de vitesse et de distance du transducteur de communication acoustique sous-marine dans l'environnement de la mer peu profonde a atteint 40 km × kbit, ce qui a fait l'établissement d'un transducteur acoustique sous-marin. Un élément clé historique des réseaux sous-marins est l'émergence de modems acoustiques sous-marins. Le premier concept d'application sous-marin acoustique des transducteurs a été le réseau d'échantillonnage d'océan autonome (AOSN) en 1993. Les États-Unis ont lancé une expérience annuelle en 1998, vérifiez le concept de transducteur acoustique sous-marin. Depuis le milieu des années 1990, les technologies de communication acoustique sous-marine et la technologie du réseau sous-marin se développent régulièrement en même temps. Cependant, en raison de la particularité et de la complexité du milieu d'eau (comme un délai élevé, une atténuation importante, une trajectoire et un décalage de fréquence), il est utilisé sur terre. La technologie des réseaux sans fil ne peut pas être directement appliquée aux réseaux sous-marins, et la recherche sur les canaux sous-marins, les communications sous-marines et les protocoles de réseau sous-marine se trouve dans l'ascendant. Dans le même temps, des années 1990 à nos jours, le développement de réseaux de capteurs sans fil terrestre basés sur une communication sans fil à courte portée a également été très rapide. On peut dire que le réseau de capteurs acoustiques sous-marins est une extension du concept de réseau de capteurs terrestres aux applications sous-marines. Le réseau de capteurs acoustiques sous-marine est composé de plusieurs nœuds de capteurs. Les nœuds peuvent être fixés, tels que des bouées ancrées ou des cibles submersibles, ou mobiles, telles que les robots sous-marins (UV ou AUV). À l'heure actuelle, le réseau de capteurs acoustiques sous-marins peut obtenir des informations différentes en fonction des différents types de capteurs sous-marins: il peut être utilisé pour l'acquisition de données océanographiques, la surveillance de la pollution marine, le développement à côte proche, la prévention des catastrophes, la navigation sous-marine et l'assistance de positionnement, le relevé des ressources marines et L'acquisition de données de recherche scientifique, la surveillance tactique distribuée, la reconnaissance des mines et la détection des cibles sous-marines, le suivi et le positionnement. En bref, le réseau de capteurs acoustiques sous-marins doit obtenir des informations sous-marines via divers nœuds de capteur dans une certaine zone sous-marine, et effectuer une communication acoustique et un réseautage avec des nœuds sous-marins, et enfin passer par des nœuds et une radio spécifiques sous une forme câblée et câblée, Les informations obtenues dans la zone de couverture sont incorporées dans le réseau conventionnel sur le rivage et envoyée au sous-réseau sous-marin de l'observateur.

2 Structure topologique du réseau de capteurs acoustiques sous-marins

Comme la structure du réseau de capteurs sans fil sur le terrain, la structure topologique du réseau de capteurs hydroacoustique sous-marine peut être divisée en deux catégories: réseau centralisé (réseau centralisé) et réseau de pairs distribué (réseau de pairs distribué). Dans un réseau centralisé, la communication entre les nœuds est réalisée via un nœud central, et le réseau est connecté au réseau de squelette via ce nœud central. Le principal inconvénient de cette configuration est qu'il existe un seul point de défaillance, c'est-à-dire que la défaillance de ce nœud entraînera la défaillance de l'ensemble du réseau. Et parce que la plage d'un seul modem est limitée, la couverture du réseau centralisé est limitée. La figure 1 est un diagramme schématique de la topologie d'un réseau centralisé. Le réseau peer-to-peer signifie qu'il n'y a pas de nœud central pour les administrer, et chaque nœud a une autorité relativement égale. Selon les différentes méthodes de routage, il existe quelques différences dans le réseau entre pairs. Un réseau peer-to-peer entièrement connecté fournit des connexions directes \"Point-to Point \" à deux nœuds arbitraires du réseau. Cette topologie réduit le besoin de routage. Cependant, lorsque les nœuds sont dispersés dans une grande zone, il est nécessaire de communiquer. La puissance a considérablement augmenté. Et il y aura également un problème \"proche et lointain\", c'est-à-dire lorsqu'un nœud A envoie un paquet de données à un nœud distant, il bloquera les nœuds voisins du nœud A de recevoir d'autres signaux.

Le réseau peer-to-peer multi-HOP ne communique que entre les nœuds adjacents, et un message est complété par plusieurs houblons entre les nœuds de la source à la destination. Le système multi-HOP peut couvrir une zone plus grande, car la plage du réseau dépend du nombre de nœuds et n'est plus limitée par la plage d'un seul modem. La figure 2 est un diagramme schématique de la topologie du réseau peer-to-peer multi-HOP. Le réseau est un réseau pour les applications mobiles sans fil, qui appartiennent à un réseau multi-HOP entre les pairs. Il n'a pas besoin de construire des infrastructures à l'avance, également connue sous le nom de réseau sans infrastructure (réseau infrastructurel). Ses caractéristiques sont: le réseau autonome, la topologie dynamique, la limitation de la bande passante et la capacité de liaison variable, la communication multi-HOP, le contrôle distribué, les nœuds avec une énergie limitée et une sécurité limitée. Parce qu'il ne reposait pas sur l'infrastructure, il peut être déployé rapidement et couvrir une plus grande zone. Étant donné que l'infrastructure qui peut être invoquée dans l'eau est limitée et que l'AVUV mobile sera une partie importante du réseau de capteurs acoustiques sous-marins (AUV peut améliorer les performances du réseau de capteurs sous-marins), sa capacité d'auto-organisation et la topologie dynamique , faire que le réseau ADHOC est très approprié pour être utilisé dans les réseaux de capteurs acoustiques sous-marins. Bien que le réseau ADHOC convient à l'application du réseau hydroacoustique, son problème de sécurité a toujours été un sujet de recherche. En fait, lecapteur d'hydrophone sous-marinLe réseau doit être un hybride d'un réseau centralisé et d'un réseau peer-to-peer. Dans la littérature [16], un réseau de capteurs hydroacoustique bidimensionnel et tridimensionnel est introduit. Les deux dimensions se réfèrent à la dimension des informations obtenues. Dans le réseau de capteurs acoustiques sous-marine bidimensionnel, les nœuds de capteur et les transpondeurs de données (évier) sont placés sur le fond marin, dans une petite zone avec évier comme centre, et les données de chaque capteur peuvent être dans la liaison horizontale pour atteindre l'évier D'une manière directe ou multi-HOP (réseau peer-to-peer multi-HOP), et les données du capteur ne peuvent atteindre la station de surface que si elle est transmise sur la liaison verticale via l'évier. Étant donné que seules les informations d'une certaine zone du fond marin peuvent être obtenues, elle est appelée un réseau de capteurs bidimensionnel. Dans le réseau de capteurs acoustiques sous-marine tridimensionnel, la profondeur de la cible submersible peut être contrôlée, de sorte que les nœuds multi-capteurs dans une certaine zone sont situés à différentes profondeurs, de sorte que les informations océaniques d'une certaine zone et des profondeurs différentes peuvent être obtenu, il est donc appelé un réseau de capteurs acoustique sous-marine tridimensionnel. Dans la topologie du réseau, il s'agit également d'un réseau multi-HOP peer-to-peer. L'AUV peut atteindre différentes profondeurs dans l'océan, combinée à un réseau de capteurs à fond fixe, peut également former un réseau de capteurs acoustique sous-marine tridimensionnel. Il convient de souligner qu'en raison des réseaux de capteurs acoustiques sous-marins, il y a toujours un problème d'accès à d'autres réseaux conventionnels sur l'eau. Il y a un nœud spécial appelé Station de surface, passerelle ou nœud maître pour terminer ce travail. Il doit non seulement avoir un modem acoustique pour la communication avec les réseaux sous-marins, mais aussi un modem radio ou câble pour la communication avec les réseaux par satellite ou à terre. La station de surface peut utiliser la bouée comme support ou le navire de surface comme transporteur. La topologie du réseau détermine la méthode de routage, la perte d'énergie, la capacité du réseau et la fiabilité du réseau. Des études ont montré qu'un réseau composé de multiples nœuds de capteurs distribués à des intervalles égaux le long d'une ligne droite consomme plus de puissance qu'un réseau peer-to-peer multi-HOP en fonction de la méthode de routage d'un réseau peer-to-peer entièrement connecté; et la capacité du réseau est également affectée par la topologie du réseau.

3 concepts connexes de couche de réseau de capteurs acoustiques sous-marine

Le réseau de capteurs acoustiques sous-marins est en effet un champ tout nouveau, mais le concept qu'il suit est le même que celui de la pile de protocole de réseau couramment utilisée. Le tableau 1 est les concepts de couche de réseau couramment utilisés. Par souci de simplicité, cet article ne traite que des trois couches de base: couche physique, couche de liaison de données et couche de réseau. Le problème à résoudre par la couche physique est de savoir comment utiliser le milieu de transmission

Les caractéristiques (c.-à-d. Les caractéristiques du canal) et les méthodes de modulation correspondantes permettent une transmission efficace des données. La communication acoustique basée sur le milieu d'eau est un problème de couche physique typique dans la couche de protocole de réseau. À l'extrémité de transmission, les bits d'information doivent être transformés en signaux (signaux acoustiques) qui peuvent être transmis par le canal, et à l'extrémité de réception, les signaux du support doivent être remis en bits d'information. Il s'agit de la tâche du modem acoustique sous-marin, qui implique principalement trois aspects: conversion des médias (tels que: conversion du signal électro-acoustique), efficacité de l'utilisation de la bande de fréquences, adaptabilité des canaux. Les méthodes de modulation couramment utilisées dans la communication acoustique sous-marine sont divisées en deux catégories, l'une est une modulation non cohérente, telle que le keying de décalage de fréquence (FSK), et l'autre est une méthode de modulation cohérente, telle que le keying de décalage de phase (PSK) et l'amplitude quadrature modulation. (QAM). La modulation non cohérente a une bonne robustesse à un environnement acoustique sous-marine sévère, mais le taux est faible; La méthode de modulation cohérente a une efficacité de codage élevée et une utilisation de bande à haute fréquence, mais la distance de transmission est limitée. Certaines technologies sont à la fois la couche physique.

Le milieu de propagation du réseau de capteurs acoustiques sous-marine est l'eau, qui est très différente de l'air moyen du réseau de capteurs terrestres. Par conséquent, le protocole de réseau qui peut être utilisé efficacement sur des terres ne peut pas être appliqué au réseau acoustique sous-marin. Nous commencerons par les caractéristiques de propagation acoustique de l'eau et discuterons des effets du son. Apparaissant les facteurs de communication et analysez les difficultés qu'il provoque aux différentes couches de la pile de protocole de réseau.

4.1 \"Facteurs physiques affectantCommunication acoustique sous-marine

4.1.1 \"Détrage de propagation long et variance de retard important La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans l'air est de 200 000 fois la vitesse de propagation des ondes sonores dans l'eau. La vitesse du son lente rend le retard de propagation très grand, avec un retard d'environ 0,67 S par kilomètre, et en même temps, les caractéristiques variant dans le temps du canal acoustique sous-marine rendent la variance de retard très grande. Le premier affecte le débit du réseau, et le second rend les protocoles basés sur le temps inopérables.

4.1.2 \"Perte de propagation importante (également appelée perte de chemin)

Selon le modèle de propagation d'Urick, la perte de propagation est la somme des pertes causées par l'expansion et l'atténuation. La perte d'atténuation comprend les effets de l'absorption, de la diffusion et de l'énergie sonore qui s'échappe du canal du son. L'absorption est causée par la conversion de l'énergie sonore en énergie thermique, ce qui augmente avec la fréquence et la distance. La perte d'expansion fait référence à l'expansion de l'énergie acoustique causée par l'expansion du front d'onde. Il comprend principalement l'expansion sphérique (expansion omnidirectionnelle) des sources ponctuelles dans les environnements en mer profonde. La perte de propagation augmente avec le carré de la distance; et l'expansion cylindrique dans les environnements en eau peu profonde. En s'étendant sur le plan horizontal, la perte de propagation augmente avec la distance. Étant donné que la perte de propagation des signaux acoustiques augmente avec l'augmentation de la fréquence et de la distance, la bande de fréquence disponible du canal acoustique sous-marin est très limitée et la distance de propagation est également limitée. Par conséquent, dans le réseau de communication sous-marine, si vous souhaitez effectuer une communication à longue distance, vous ne pouvez choisir qu'un faible taux de code; Si vous souhaitez choisir un taux de code élevé, vous ne pouvez effectuer qu'une communication à courte distance. D'une manière générale, pour faire atteindre la distance de propagation de 10 à 100 km, la bande passante disponible est dans la plage de 2 à 5 kHz; La transmission de distance moyenne est de 1 à 10 km et la bande passante est de l'ordre de 10 kHz; Si la bande de fréquence utilisée est supérieure à 100 kHz, la distance de propagation doit être inférieure à 100 m.

4.1.3 \"Routes multiples sévères

Le phénomène de trajets multiples est causé par l'existence de plus d'un chemin de propagation entre la source sonore et le récepteur, et il se produit souvent dans les mers peu profondes et la propagation à longue distance. Autrement dit, un signal d'une seule source sonore peut recevoir plusieurs signaux arrivant à différents moments à l'extrémité de réception en raison de l'existence de plusieurs chemins. Multi-Path provoquera des fluctuations de l'amplitude et de la phase du signal. En raison du temps de propagation différent des différents chemins, il entraînera une distorsion grave du signal, entraînera la décorrélation des signaux reçus entre différents récepteurs, et le multi-cheminement entraînera également une élargissement de la bande passante. Ceux-ci dégraderont gravement le signal de communication et provoqueront des interférences inter-symboles. Le trajet multiple est également lié à la position et à la distance entre la source sonore et le récepteur. Prenant le plan des fonds marins comme référence, l'influence multi-chemin du canal vertical est petite et l'influence multi-chers du canal horizontal est grande.

Le bruit environnemental est une collection de nombreux facteurs, qui sont liés aux marées, à la turbulence, aux vents de mer et aux vagues et aux orages. Le bruit du navire est également une source de bruit importante. Contrairement à la situation où le bruit de la mer profonde est relativement certain, le bruit environnemental de la mer peu profonde, en particulier les eaux côtières, les baies et les ports, changeront considérablement avec le temps et le lieu. Le bruit est principalement composé de bruit et de bruit industriel, de bruit éolien et de bruit biologique. Le bruit environnemental réduira le rapport signal / bruit du signal et affectera les performances de la communication acoustique sous-marine. 4.1.5 \"Doppler Dispersion Le décalage Doppler sévère est causé par le mouvement relatif de la source sonore et du récepteur. Étant donné que la vitesse du son est 200 000 fois plus lente que la vitesse des ondes électromagnétiques, une très petite vitesse peut provoquer un décalage de fréquence Doppler, et because of the channel, the underwater acoustic carrier frequency is lower. These two factors add up to make the influence of Doppler in water than The wireless communication in the air is much larger. If Doppler only produces a simple frequency transformation, the compensation of the Le récepteur est relativement facile. Cependant, en raison de l'existence de plusieurs chemins, lorsque le signal acoustique frappe la surface de la mer une ou plusieurs fois, différents décalages Doppler se produiront entre chaque chemin, ce qui est difficile à compenser. Lorsque la communication de données à grande vitesse, Il générera des interférences inter-symboles et réduira l'efficacité de la bande de fréquence.