基频可调激光声水下通信信号传输研究

针对开放式海洋环境通信特点,分析海气信道下行传输激光致声机理,提出基频可调激光跳频水下声通信方法,探讨激光跳频信号帧结构与信号传输特征.通过前导码间隔识别激光重频变化规律,研究水下传输的噪声信号与致声信号的频谱特性及分离方法,构建实验测量系统.实验结果表明,选择合适的下行光路光学结构可获得不同的致声能量效率.采用基频可调的ASK编码激光跳频通信能保证通信信息传输的安全性.在空海开放信道及弱信号环境下可满足数字信息的有效传送,为海洋通信提供新的技术途径.     

基于频域能量检测器的脉冲激光声信号检测

结合实测的激光致声信号时频域特性,提出了一种基于频域能量检测器的新型水下脉冲激光声信号检测方法,并分析了不同频率激光声信号的衰减特性。针对远距离条件下高频信号衰减严重的问题,在频域能量检测器的前端添加了预补偿滤波器。蒙特卡罗仿真结果表明,带预补偿滤波器的频域能量检测器可以有效提高远距离下激光声信号的检测性能。     

脉冲CO2激光水下致声声脉冲特性的实验研究

以分析水中的光声信号的特点为目的,采用实验的方法利用压电陶瓷球形水听器、数字存储示波器,对TEACO2脉冲激光在水中激发声波的幅度、频率等特性进行了测量,并用信号分析软件进行分析和处理。结果表明,TEACO2脉冲激光在水中产生的声信号幅度随脉冲能量增加而增大。实验中首次发现,激光声频率在100kHz以内有31kHz和62kHz两个峰值,且该两频率峰值随激光脉冲宽度增加而减小。光声信号的以上特性表明,可以通过调节激光脉冲的能量和宽度,选择或控制应用于水声通信、水下资源探测等技术的光声信号。     

一种跨介质的空中-水下激光致声探测技术研究

跨空水介质间的探测技术是世界主要海洋国家的热点研究问题。为研究空中平台与水下的激光致声探测技术,文中在光击穿机制下采用纳秒脉冲激光与水听器之间的光声信号转换来进行空-水跨介质探测模拟实验研究及验证工作。搭建了激光致声空气-水下实验测试系统,采集了激光声扫描探测数据,对典型实验数据在时域内进行分析得出了激光激励声波的传播特性,根据时间互易原理实现了水下激光声信号的三维探测成像。利用有限元法进行激光在水下激发声波及传播的数值仿真,据此对实验进行了验证。此外,从仿真中发现通过提高脉冲能量至2.8×1010 W/cm2所激励的声波在传播400 m后仍能观测出明显的信号,信噪比约为11.3 dB,证明了百米级传输及探测的可能性。此研究结果为采用激光致声技术进行跨空-水介质探测提供了依据。     

激光声特性与激光脉冲能量对应关系研究

分析了激光脉冲能量与激光声特性的对应关系.采用脉冲能量可调的Nd∶ YAG激光器产生激光声信号,利用水听器测量激光声信号.结果表明,激光脉冲能量在70～300mJ范围内变化时,随着激光脉冲能量的增加,激光声信号峰值声压具有线性增加的趋势,等离子体膨胀声波与空泡溃灭声波的时间间隔也相应增加,等离子体膨胀声波的峰值声压比空泡溃灭声波的峰值声压低,激光声信号的主频与脉冲能量的对应关系较弱.     

一种采用高重复频率激光进行水声通信的方法

为研究空中平台与水下目标之间的激光声通信技术,提出了一种热膨胀机制下采用高重复频率激光进行水声通信的方法(重复频率法)。理论推导了高重复频率激光产生窄带声信号的过程,并通过实验测量进行了验证。利用高重复频率激光产生了频移键控(n-FSK)和多频移键控(n-MFSK)两种频移键控信号,结合现有激光器的技术指标,针对不同调制信号的水下通信距离、占用带宽、传输速率进行了分析计算,并与现有的方法(长脉冲法)进行了比较。结果表明,n-MFSK调制的传输速率比n-FSK调制的更快,频带利用率更高,但水下通信距离不及n-FSK调制;同为n-FSK调制,重复频率法的水下通信距离为1000m,比长脉冲法高40%,通信性能优于长脉冲法。     

基于语音识别控制的激光超声水下遥感研究

为了减少激光致声对水下目标遥感的实时性和有效性的影响,分析了激光超声诱导与光声效应原理,采用语音识别技术实现字符化编码,探讨语音信息的基频编码和控制激光发射的码型结构。搭建了实验测试系统,利用波长为1.06μm的脉冲激光进行水下超声激励,通过对水下激光声信号采集处理,完成了实验室空中平台到水下目标的实时语音控制。结果表明,非特定人的语音指令识别与编码方法有效实现了可变基频的激光超声水下目标控制。该研究为激光声水下目标遥感应用提供了一种新的技术途径。     

一种水下激光声通信声源的设计方法

单个激光声脉冲具有脉宽窄、频带宽的特点,不适于远距离水声通信。为了改善激光声通信声源的频谱特性,提高通信性能,采用对激光声进行调制的方法,建立了调制激光声码元的数学模型,基于该模型,提出一种调制激光声源的设计方法,该方法使调制激光声码元频谱的能量集中体现在调制特征的频率上,降低了信号的频谱宽度,更利于激光声信号在水声信道中远距离传播;推导了在热膨胀机制和光击穿机制下调制激光声码元的调制参量,利用实验获得的热膨胀和光击穿激光声脉冲,仿真了该方法下的调制激光声码元,并分析其频谱特征。结果表明,该声源调制方法是正确和有效的。     

激光诱导声信号通信技术的初步研究

构建了激光声实验测量系统,利用脉冲激光聚焦击穿水介质产生声信号,由水听器将声信号转换成电信号并送入数字存储示波器.分析了激光声信号的时频域数学模型,通过实验对单个激光声信号的时频域特征进行了研究,对激光声通信的信号调制方式进行了理论分析和实验验证.研究结果表明:激光声信号的脉宽约为20s,其能量主要集中在200 kHz内,这其中100~200 kHz内的能量占到的比例大约有50%,通过对激光声信号进行幅度调制和频率调制,可以有效实现激光声通信过程.     

不同盐度海水的光击穿声辐射特性研究

强激光聚焦于水下时,通过光击穿机制辐射强声波信号。水体介质的盐度不同,在同等的激光参数、光学系统条件下,光击穿辐射的声波在强度、脉冲波形、频谱特征上具有一定的差异性。为研究水介质盐度对激光击穿形成的空泡辐射声波的影响,构建了激光声测量系统,实验研究了不同水体盐度参数对光击穿辐射声信号的影响。结论：激光击穿水介质伴随空泡脉动、声信号辐射效应;激光声信号脉冲宽度与水体盐度无关;空泡尺寸和激光声信号强度与激光脉冲能量成正比关系;水体盐度与激光声信号的强度早非线性变化关系。研究结果有助于激光声在海洋中的应用。     

扫描探针声显微镜原理及其应用

将声学检测技术与扫描探针显微术相结合,构成的扫描探针声显微镜,不仅可以检测材料表面、亚表面和内部的微小缺陷,还可以分析样品的弹性特性、电特性等物理性能,同时还具有分辨率高的特点,在材料科学和生命科学等领域具有很高的应用价值.目前,得到实际应用的扫描探针声显微镜主要有扫描隧道声显微镜和原子力声显微镜.本文介绍了这两类显微镜的基本工作原理,并对扫描探针声显微镜今后的发展方向进行了探讨.     

平面扬声器及其声学特性

对平板扬声器、电致伸缩聚合物薄膜扬声器和机电薄膜扬声器等典型平面扬声器的结构和声学性能进行了比较研究，并就平面扬声器在有源噪声控制，尤其是智能声学结构和有源声屏障中的应用作了介绍和分析。     

电声显微成像和应用

扫描电声显微镜(SEAM)是融现代电子光学技术、电声技术、压电传感技术、弱信号检测和脉冲图像处理以及计算机技术为一体的一种新型无损分析和显微成像工具。其成像机理是基于材料的微观热弹性能或者电学性能的变化，获取目前其他手段无法得到的信息。它可以原位(in situ)同时观察试样的二次电子像和电声像(SEAM)，兼有声学显微术非破坏性内部成像和电子显微术高分辨率快速成像的特点。本文重点阐述扫描电声显微镜的工作原理、结构和组成、电声显微成像的特点，以及电声成像的基本理论和影响分辨率的主要因素。并显示了扫描电声显微镜在观察功能晶体和陶瓷的电畴结构、金属材料的应力分布、半导体材料的缺陷和位错、MEMS器件的内部信息以及超导陶瓷的相变特性等方面的实际应用。为了和电声成像的实验结果进行比较，本文也介绍了在扫描探针显微镜基础上建立起来的扫描探针声学成像技术在电光陶瓷上的实际应用。     

一种用于水声通信网的TDMA方案

由于海洋中恶劣的传输条件，设计高可靠性、高吞吐量的水下通信网是一项具有很强的挑战性的工作。本文提出了一种适合水下环境中通信网使用的TDMA方案，该方案通过TDMA数据帧的交错布置减少信道的闲置时间，提高网络效率。仿真实验结果表明，该TDMA方案具有较高的网络性能。     

Surface acoustic wave devices for sensor applications

Surface acoustic wave (SAW) devices have been widely used in different fields and will continue to be of great importance in the foreseeable future. These devices are compact, cost efficient, easy to fabricate, and have a high performance, among other advantages. SAW devices can work as filters, signal processing units, sensors and actuators. They can even work without batteries and operate under harsh environments. In this review, the operating principles of SAW sensors, including temperature sensors, pressure sensors, humidity sensors and biosensors, will be discussed. Several examples and related issues will be presented. Technological trends and future developments will also be discussed.     

声学定位系统的软件设计

对BPS声学定位测试系统进行了软件设计,测试软件内容包括数据采集、数据处理以及结果显示。软件基于LabVIEW平台开发而成,采用功能模块化的编程思想,利用LabVIEW可视化的特点和数据流的编程方式,并使用其内部的MathScript节点,充分发挥了面向对象和面向文本的各自特点。通过在消声水池内的实验对软件进行了测试,软件工作正常,能够很好地满足BPS声学定位测试系统的测试需求。     

水声测距通信一体化技术分析及试验

根据水声导航与通信一体化设计需求,分析了水声测距通信一体化的技术体制,对水声测距通信一体化共用同步头做了比较,并对线性调频、双曲线调频、伪随机扩频3种同步方式下的测距误差及误码率进行仿真分析,最后采用伪随机扩频同步头的水声modem实物开展水池测试试验,结果表明,采用9阶的m序扩频码时间分辨率为0.5 ms,水声测距通信一体化的测距和通信性能满足预期。水声测距通信一体化技术研究有助于将来研制小型化的水下多功能一体化水声设备。     

Underwater acoustic sensor networks: research challenges

Underwater sensor nodes will find applications in oceanographic data collection, pollution monitoring, offshore exploration, disaster prevention, assisted navigation and tactical surveillance applications. Moreover, unmanned or autonomous underwater vehicles (UUVs, AUVs), equipped with sensors, will enable the exploration of natural undersea resources and gathering of scientific data in collaborative monitoring missions. Underwater acoustic networking is the enabling technology for these applications. Underwater networks consist of a variable number of sensors and vehicles that are deployed to perform collaborative monitoring tasks over a given area.In this paper, several fundamental key aspects of underwater acoustic communications are investigated. Different architectures for two-dimensional and three-dimensional underwater sensor networks are discussed, and the characteristics of the underwater channel are detailed. The main challenges for the development of efficient networking solutions posed by the underwater environment are detailed and a cross-layer approach to the integration of all communication functionalities is suggested. Furthermore, open research issues are discussed and possible solution approaches are outlined.     

Oceanic forces and their impact on the performance of mobile underwater acoustic sensor networks

This paper focuses on the performance analysis of Underwater Wireless Acoustic Sensor Networks (UWASNs) with passively mobile sensor nodes moving because of the influence of major oceanic forces. In an UWASN, passive node mobility is inevitable. Therefore, the performance analysis of UWASNs renders meaningful insights with the inclusion of a mobility model, which represents realistic oceanic scenarios. In this regard, the existing works on performance analysis of UWASNs lack the consideration of major dominating forces, which offer impetus for a node's mobility. Additionally, the existing works are limited to only shallow depths and coastal areas. Therefore, in this paper, we have proposed a physical mobility model, named Oceanic Forces Mobility Model , by incorporating important realistic oceanic forces imparted on nodes. The proposed model considers the effects of node mobility in 3‐D space of water. We also present an analysis on the impact of node mobility on the performance of UWASNs in terms of network dispersion and localization. Simulation results indicate performance degradation of UWASNs in the presence of oceanic forces—localization coverage decreases by 36.70% , localization error increases nearly by 21.14% , and average energy consumption increases by 3% approximately. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.