水下声信号处理与通信技术在海洋环境中的应用.pdf

2 0 2 4年3期 5 7 2 0 2 4年第4 6卷第3期水下声信号处理与通信技术在海洋环境中的应用宋 悦 王晓婧 董传斌作者简介:宋悦(1 9 9 9-),本科,研究方向为海洋信息工程。(烟台八角湾海洋科技有限公司 山东 烟台2 6 4 0 0 6)摘 要 随着人们对海洋资源的不断开发和海洋研究的逐渐深入,水下声信号处理与通信技术在海洋环境中的应用变得日益重要。文中介绍了水下声信号处理与通信技术,明确了各种技术的具体应用。在此基础上,分别从海洋科学研究、海洋资源勘探、海洋军事与国防应用等方面探讨了水下声信号处理与通信技术的具体应用,有助于推动水下声信号处理与通信技术的发展,进而为海洋资源的合理利用与保护提供技术支持。关键词:水下声信号;处理;通信;海洋环境中图分类号 T N 9 2 9.5A p p l i c a t i o nU n d e r w a t e rA c o u s t i cS i g n a lP r o c e s s i n ga n dC o mm u n i c a t i o nT e c h n o l o g y i nM a r i n eE n v i r o n m e n t sS ON GY u e,WAN GX i a o j i n ga n dD ON GC h u a n b i n(Y a n t a iB a j i a o w a nO c e a nT e c h n o l o g yC o.,L t d.,Y a n t a i,S h a n d o n g2 6 4 0 0 6,C h i n a)A b s t r a c t W i t ht h e c o n t i n u o u s d e v e l o p m e n t o fm a r i n e r e s o u r c e s a n d t h e d e e p e n i n go fm a r i n e r e s e a r c h,t h e a p p l i c a t i o no f u n d e r-w a t e r a c o u s t i c s i g n a l p r o c e s s i n ga n dc o mm u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i nm a r i n ee n v i r o n m e n th a sb e c o m e i n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t.T h i sp a p e r i n t r o d u c e s u n d e r w a t e r a c o u s t i c s i g n a l p r o c e s s i n g a n d c o mm u n i c a t i o n t e c h n o l o g y,a n d c l a r i f i e s t h e s p e c i f i c a p p l i c a t i o n s o f v a-r i o u s t e c h n o l o g i e s.O n t h i sb a s i s,t h e s p e c i f i c a p p l i c a t i o n s o f u n d e r w a t e r a c o u s t i c s i g n a l p r o c e s s i n ga n d c o mm u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e df r o m m a r i n es c i e n t i f i cr e s e a r c h,m a r i n er e s o u r c ee x p l o r a t i o n,m a r i n em i l i t a r ya n dn a t i o n a ld e f e n s ea p p l i c a t i o n s,e t c.,w h i c hw i l l h e l pt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fu n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n ga n dc o mm u n i c a t i o nt e c h n o l o g y,a n dt h e np r o v i d e t e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h e r a t i o n a l u t i l i z a t i o na n dp r o t e c t i o no fm a r i n e r e s o u r c e s.K e y w o r d s U n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a l,P r o c e s s i n g,C o mm u n i c a t i o n,M a r i n ee n v i r o n m e n t0 引言随着人类对海洋资源的不断探索,水下声信号处理与通信技术在海洋环境中的应用变得至关重要。海洋覆盖了地球表面的绝大部分,其中包含着丰富的自然资源、生态系统以及战略利益。然而,海洋深处的环境极具挑战性,它的黑暗、高压、低温、高盐度等特点导致传统的通信和数据传输方式的效果较差。本文旨在克服这些困难,为海洋环境中的数据传输和通信提供可行的解决方案。1 水下声信号处理技术1.1 声信号采集与传感器技术在水下环境中,声波是唯一可传播的信号载体,因此高质量的声信号采集至关重要。为实现这一目标,需要使用专门设计的水下声学传感器。水下声学传感器通常分为主动型和被动型两种。主动型传感器可以发出声波脉冲并监听其回波,以测量距离、方向、深度等参数。被动型传感器则依赖于接收周围环境中的声音,用于实现目标检测、声源定位和水下通信。这些传感器可以采集声波信号的振幅、频率、相位、时间延迟等,为后续的信号处理提供数据。除了选择适当的传感器外,还需考虑传感器的布置和定位。合理布置传感器网络,可以更好地覆盖目标区域,同时考虑水下环境的特点(如水深、水温、水质等),确保传感器的性能和数据的准确性。同时,传感器的能源管理也是一个挑战,因为水下传感器通常需要长时间的自主运行,需要考虑节能和电池寿命的问题。1.2 声信号特征提取与分析在水下环境中,声波是主要的信息传播媒介,因此对声信号进行准确的特征提取和分析至关重要。这一过程旨在从原始声波中提取有用的信息,以便进行声源识别、目标追踪、数据解码、海洋环境监测等。(1)声信号的特征提取通常包括频谱分析,它可以将声信号转换为频域表示,揭示声音的频率成分和强度分布。时域分析则关注声音信号在时间上的变化,包括声音的时域波形、时间延迟和时域特征。这些分析有助于确定声音的起始和结束时间,判断声音的持续性。(2)能量分析用于测量声音信号在不同时间或频率上的能量分布,从而确定5 8 2 0 2 4年3期声音的强度、峰值和能量分布情况。谱图分析结合频谱和时域信息,可以捕获声音频率随时间的变化,特别适用于分析复杂的声音事件和声音模式。(3)模式识别和分类可以通过机器学习和模式识别技术来识别声信号的特定特征和模式,以实现声源识别、目标分类和事件检测。在海洋生物学研究中,其可以用于识别不同种类的海洋生物声音,也可以在水下通信中用于解码和识别不同类型的数据信号1。1.3 信号增强与去噪技术在水下声信号处理中,信号增强与去噪技术有着至关重要的作用,因为水下环境常常存在多种噪声源,如水流声、海洋生物声和机械设备的声音。这些噪声会掩盖或干扰声信号,降低声信号的质量和可用性。因此,信号增强与去噪技术旨在提高声信号的清晰度和可辨识性。信号增强技术主要包括以下方面。(1)滤波技术。滤波技术可以去除不需要的频率成分,保留声信号中的有用信息。常见的滤波方法包括低通滤波、高通滤波和带通滤波,根据应用需求,可以选择不同类型的滤波器。(2)时域增强。时域增强技术用于提高声信号的时域特征,包括增强声音的清晰度、增大声音的幅度和改善声音的时序性。其有助于识别和分析声音事件。(3)频域增强。频域增强技术可通过提高声信号的频谱特征,改善声音的频率分辨率和频谱清晰度。这对分析复杂声音信号非常有用。去噪技术主要包括以下方面。(1)自适应滤波。自适应滤波技术可根据噪声的特性自动调整滤波器参数,以去除噪声并保留声信号。这对于处理复杂的噪声环境非常有效。(2)波束形成。波束形成技术通过使用多个传感器阵列来提高声信号的信噪比。选择合适的波束形成算法,可以抑制来自不同方向的噪声。(3)小波变换。小波变换可以将声信号分解成不同频率和时间尺度上的成分,以便去除噪声并突出声音的特征。1.4 声信号压缩与编码技术声信号的传输和存储往往需要应用有效的压缩和编码技术,特别是在水下环境中,在资源、数据传输速率有限的情况下。声信号压缩与编码技术可以降低声信号的数据量,同时保留重要的信息。这些技术在水下通信、海洋科学研究、海洋资源勘探等领域发挥了重要作用。(1)基于信号的冗余性和统计特性进行数据压缩,使用各种数据压缩算法,如基于小波变换的压缩、傅立叶变换压缩、熵编码等。通过分析声信号的频谱、时域和能量分布,可以选择合适的压缩算法来控制数据文件的大小,以便实现更有效的传输和存储。(2)声信号编码技术也很关键。编码技术可以将声信号映射成数字数据流,以便实现传输和解码。常见的声信号编码方法包括脉冲编码调制(P CM)、自适应差分编码(A D P CM)和声音压缩编码(如M P 3和A A C编码)。这些编码技术不仅可以减少数据量,还可以提供错误检测和纠正功能,提高数据传输的可靠性2。2 水下声信号通信技术2.1 水下声信号通信系统的构建该系统需要配备发射器和接收器,它们是系统的核心组件。发射器负责将电信号转换为声波信号,然后将其发送到水下。接收器则用于捕获和解码声波信号,将其还原为电信号,以供进一步的处理和分析。在构建该系统之前,必须对声波在水下环境中的传播路径进行建模和分析。这意味着需要考虑水温、水深、盐度、水流、海底地形等多种因素,确定声波的传播路径和特性,从而选择适当的声波频率、调制方式和传输参数。水下声通信系统还需要配备适当的天线和传感器。天线的设计需要考虑信号的频率和方向性,确保信号能覆盖较大的范围。传感器用于监测水下环境的物理参数,如水温、水压、水质等,这些数据有助于实现系统的优化,使其适应不同的水下传播条件。在通信过程中,信号处理和编码技术有着关键作用,如提高通信的可靠性和效率。其中,包括对传输的数据进行编码和解码,对信号进行滤波、降噪、调制等,以适应复杂的水下传播条件。同时,电源和能源管理也是关键因素,因为水下声通信系统通常需要长时间运行,需要选择适当的电池技术、能源来源以及节能策略。通信协议在定义数据传输和通信规则方面起着重要作用。它涵盖数据包格式、传输速率、冲突解决、多址接入等,确保系统可以高效传输数据。2.2 传输协议与调制解调技术在水下声通信技术中,传输协议和调制解调技术有着关键的作用。传输协议定义了数据在声波信号中的组织和传输方式,而调制解调技术则可以将数字数据映射为声波信号,也可将接收到的声波信号还原为数字数据。(1)传输协议。水下声通信系统通常使用特定的传输协议来管理数据传输。这些协议规定了数据包的格式、错误检测和纠正方法、数据分段和重新组合规则等。传输协议需要考虑水下环境中的特殊条件,如声波传播的延迟、多径传播和信号衰减,以确保可靠的数据传输。(2)调制技术。调制技术可以将数字数据转换为声波信号,以便在水下传输。常见的调制方法包括频移键控(F S K)、相移键控(P S K)和振幅键控(A S K)。在选择具体的调制方式时,多取决于通信距离、信噪比、数据传输速率等因素。此外,在水下声通信中,还可以使用特殊的调制方法,如正交频分复用(O F DM),以提高抗多径传播和抗干扰的能力。(3)解调技术。解调技术用于将接收到的声波信号还原为数字数据,包括信号的解调、去噪、解码等。解调过程需要考虑水下环境中可能存在的多路径传播和多普勒效移动信息2 0 2 4年3期 5 9 应,以提高数据的解析度和准确性。去噪技术用于减小水下环境中的噪声对信号的干扰,以提高解码的可靠性3。2.3 误码率优化与纠错编码技术在水下声通信中,由于水下环境较为复杂,声波信号往往会受到多种干扰,导致误码率增加。为提高通信的可靠性,误码率的优化和纠错编码技术的应用至关重要。(1)为降低误码率,可采用多种方法。其中,包括需要选择合适的声波频率、调制方式和传输参数,以最大程度地减少声波在水下传播过程中的衰减和失真。声波信号的发送和接收设备需要经过精心设计,以确保其性能稳定且能适应水下环境。(2)纠错编码技术是提高水下声通信系统的抗干扰性的重要手段之一。纠错编码允许在传输过程中引入冗余信息,使接收端能检测和纠正部分或全部受损的数据。这种技术对于降低误码率、提高数据传输的可靠性至关重要,特别是在长距离传输或复杂的水下环境中。(3)纠错编码技术应用了前向纠错码(F E C),它通过在数据中添加冗余信息来检测和纠正错误。另一种方法是使用自动重传请求(A R Q)协议,它允许接收端在检测到错误后向发送端请求重新发送数据包。这两种方法可以单独使用或结合在一起,以确保数据传输的可靠性。2.4 多径传播与多址接入技术在水下声通信中,多径传播是一种常见的现象,它是指声波在水下环境中以不同的路径传播到接收器,导致多个版本的信号同时到达接收器。多径传播会导致声波信号的时延扩散和失真,从而增加误码率和干扰。为有效应对多径传播,多径传播建模和多址接入技术至关重要。多径传播建模可以通过分析水下环境的物理特性,包括水温、水深、水质、水流、水下地形等,来理解声波在传播过程中的路径和特性。通过建立准确的多径传播模型,通信系统可以更好地预测声波信号的到达时刻和强度,从而更有效地进行信号处理和解调,以减小误码率、提高通信的可靠性。多址接入技术常用于多个声源和接收器同时工作的场景。在水下声通信中,多个声源可能需要在相同频带上传输数据,因此多址接入技术需要确保不同声源的信号不产生相互干 扰。常 见 的 多 址 接 入 技 术 包 括 频 分 多 址(F D-MA)、码分多址(C DMA)和时分多址(T DMA)。这些技术可以有效管理多个声源和接收器之间的信号交互,确保各自的通信不受干扰4。3 水下声信号处理与通信技术在海洋环境中的应用3.1 海洋科学研究海洋科学家和研究人员依赖这些技术来获取有关海洋环境和生态系统的重要数据。声波能穿透海水,可以用于测量海洋底部的地形、水温、盐度、水流等物理参数。声纳传感器可以监测水下生物的迁徙、行为和生态系统的健康状况。通过水下声通信系统,科研人员能实时传输海洋数据,加深对海洋环境的理解。这些信息对于气候研究、海洋生物学、海洋地质学以及海洋资源管理至关重要,有助于保护海洋生态系统并推动科学研究的发展。3.2 海洋资源勘探水下声通信技术在海洋资源勘探中也具有重要作用,它使勘探团队能实时传输数据,如地质勘探数据、图像和传感器测量结果。这些数据对于决策制定和资源开采过程中的监测至关重要。水下通信系统还允许远程操控水下设备,如遥控潜水器和机器人,以执行具体的任务,如样本采集、设备维护等。综合而言,水下声信号处理与通信技术在海洋资源勘探中可以提供高效的工具,有助于降低勘探成本、提高勘探效率,并为资源开发提供可靠的数据支持。3.3 海洋军事与国防应用水下声信号处理与通信技术在海洋军事与国防应用中具有重要的战略意义。军事部门广泛使用这些技术来实现水下通信、情报收集、水下侦察、反潜作战等任务。声波在水下的传播能力使其成为理想的通信媒介,同时也是潜艇和水下无人航行器(AUV s)的重要感知工具。水下声通信系统允许潜艇或水下设备与基地、其他舰艇、指挥中心等进行安全的实时通信。这种通信方式难以被敌方侦测和干扰,有助于维护军事行动的机密性和安全性。声通信也是协调联合海军行动的关键手段。此外,水下声信号处理技术常用于对水下目标的探测和追踪。如声纳系统可以检测和跟踪潜艇、水下舰艇、水雷等威胁,并提供情报支持和反潜作战能力。声信号处理还可以用于识别和分类水下目标,帮助军事部队判断目标的友敌属性5。4 结语水下声信号处理与通信技术在海洋环境中的应用具有重要的意义,它为人们更深入地理解海洋世界,保护海洋资源,提高海洋工程效率,维护国家安全提供了有力的支持。未来,还需要持续进行技术创新,以满足不断增长的海洋探索需求。参考文献1陈潇,徐敬.基于信号处理的水下无线光通信综述J.数字海洋与水下攻防,2 0 2 2,5(4):3 1 3-3 2 1.2任庭瑞,于笑楠,佟首峰,等.基于数字信号处理的高灵敏度水下光通信发收机设计与评估J.中国激光,2 0 2 2,4 9(4):1 0 7-1 1 6.3张庆国.某小型 水 下航 行体 深度 传 感信 号处 理 方法 改进J.电子测量技术,2 0 2 1,4 4(1 2):1 6 1-1 6 7.4刘孝强,张海峰,刘海东,等.信号传输技术在水下生产系统的应用J.化工管理,2 0 2 0(3 5):1 0 9-1 1 0.5张磊.浮标基水下声信号处理平台设计与实现D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2 0 1 0.移动信息