Using the mid-frequency range of acoustic waves to transmit information in shallow waters.pdf Освоение человеком подводного пространства Мирового океана и пресноводных водоемов невозможно без эффективных средств связи с подводными объектами. Так, уже сегодня существует необходимость в надежной связи с подводными лодками, буровым оборудованием, малыми и средними автономными и телеуправляемыми необитаемыми подводными аппаратами (ТНПА и АНПА), малыми обитаемыми подводными аппаратами [1]. Многообразие типов подводных объектов обусловливает необходимость как в стационарной, так и в мобильной подводной связи. Стационарная связь с подводными объектами может быть обеспечена при помощи наземных технологий проводной связи, адаптированных для работы под водой. При этом адаптация осуществляется сравнительно просто - путем применения подводных кабелей, обеспечения оборудования связи корпусами и разъемами для работы на соответствующей глубине, а также дистанционного питания оборудования. Куда более сложная ситуация складывается с беспроводной мобильной подводной связью. Как известно, радиоволны испытывают сильное затухание в воде, поэтому использование напрямую современных радиотехнических систем для связи под водой невозможно. В связи с этим в качестве основного канала связи с подводными объектами применяется гидроакустический канал, а также ограниченно используются оптический канал (для связи на малые расстояния) и радиоканалы на сверхнизких частотах (для дальней связи с крупногабаритными мобильными объектами) [1, 2]. Несмотря на то, что гидроакустические каналы связи на сегодня являются наиболее востребованными и подходящими каналами для беспроводной связи с подводными объектами, их характеристики не позволяют организовать такие же надежные и высокоскоростные каналы связи, как наземные радиоканалы. Данное обстоятельство обусловлено целым рядом эффектов распространения акустических волн в водной среде. Для гидроакустических каналов наиболее важными условиями являются: используемые частоты, глубина погружения объектов и направление передачи (по горизонтали или вертикали), химический состав воды, температура воды, характер движения объектов, расстояния до дна и поверхности воды, интенсивность волнения поверхности воды. Связь с малогабаритными объектами, такими как ТНПА, АНПА и водолазы, подразумевает относительно небольшую дальность передачи (до 500 м), поэтому для обеспечения достаточно широкой полосы пропускания канала рационально использовать средние (20-100 кГц) или высокие (более 100 кГц) частотные диапазоны. При этом средний частотный диапазон обладает рядом преимуществ 38 Использование среднего частотного диапазона акустических волн для передачи информации в сравнении с более высокими частотами, хотя и уступает им в возможной полосе пропускания. В частности, он характеризуются сравнительно низким затуханием сигнала и менее выраженными эффектами рассеяния волны. При этом средний частотный диапазон, так же как и высокие частоты, свободен от многих видов биогенных и техногенных шумов, характерных для низких частот (ниже 20 кГц). В совокупности это делает средний частотный диапазон удобным для передачи таких видов трафика, как голос и (или) звук, телеметрия, команды управления и фотоизображения. В данной работе мы анализируем характеристики и приводим результаты моделирования гидроакустического канала связи в поверхностных водах в диапазоне с полосой пропускания 48-64 кГц, а также приводим результаты моделирования работы систем связи с модуляцией с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM) по данному каналу. 1. Особенности гидроакустических каналов связи в поверхностных водах в среднем частотном диапазоне Малогабаритные ТНПА и АНПА широко используются для обследования дна и толщи воды в акваториях и прибрежных зонах. При этом аппарат погружается на сравнительно небольшие глубины (как правило, до 100 м) и на небольшом удалении от места оператора или базы (до 500 м). Таким образом, особенностью канала связи с ними является сравнительно небольшое расстояние между приемником и передатчиком и каждого из них от поверхности воды и дна водоема. Общие геометрические свойства типового канала связи представлены на рис. 1. Рис. 1. Основные условия распространения гидроакустического сигнала в поверхностных водах Fig. 1. Conditions of a hydroacoustic signal propagation in shallow water Как известно, скорость распространения акустической волны в морской воде составляет порядка 1 500 м/с и зависит в основном от давления, температуры и, как следствие, от глубины [3, 4]. Это приводит к двум основным эффектам. Во-первых, сигнал существенно задерживается даже при прохождении относительно небольших расстояний. Например, при расстоянии между приемником и передатчиком, равном 100 м, задержка распространения сигнала (прямого луча) составит около 67 мс, а отраженные от дна и поверхности воды сигналы (см. рис. 1) будут задержаны на еще большее время. Во-вторых, зависимость скорости от глубины оказывает существенное влияние на рефракцию волны и является причиной образования приповерхностного подводного звукового канала (ППЗК) [5]. Волна в таком канале распространяется по дуге окружности, радиус которой составляет десятки километров [5], поэтому при организации связи на малые расстояния данный эффект не является существенным. 39 С.В. Душин, В. С. Алешин, С.С. Шаврин, М.П. Фархадов, И.Ю. Куров Затухание в гидроакустическом канале возрастает с ростом частоты и зависит от солености, pH-фактора и температуры воды. Коэффициент поглощения волны средой на выбранной частоте может быть рассчитан по эмпирическим формулам Форпа [6] или Франсуа-Гаррисона [7]. Для рассматриваемого в данной работе диапазона частот (48-64 кГц) предпочтительно использовать формулу Франсуа-Гаррисона, дающую более точный результат для средних и высоких частот. В общем виде она выглядит следующим образом: а ( f ) Aw2 , ЛP2f2f2 fi2 + f2 f2 + f2 + A3 P3 f 2 дБ/км, (1) где: a(f) - удельное затухание; f - частота в килогерцах; P и A - корректирующие коэффициенты; fi, fi - частоты релаксации. С учетом поглощения волны средой распространения и ослабления за счет распространения волны в пространстве, затухание волны может быть рассчитано по формуле [8]: A( d, f) = к • 10log (d) + d • а (f ) • i0“3, (i) где A(d, f) - затухание в децибелах, к - коэффициент распространения, зависящий от направленности излучения (для сферического распространения к = 2); d - расстояние в метрах. Так как в рассматриваемом случае приемник и передатчик располагаются на небольшом удалении от дна и поверхности воды, отраженные от них сигналы (см. рис. 1) играют важную роль в формировании импульсной характеристики (ИХ) канала связи, а сам канал характеризуется многолучевым распространением [3]. При этом относительно низкая скорость распространения акустической волны в водной среде приводит к тому, что отраженный сигнал приходит на приемник со значительным запозданием относительно основного (прямого) сигнала. Дополнительно к этому волна испытывает рассеяние при прохождении препятствий, что усложняет форму ИХ канала. При этом длина волны на частоте, например, 60 кГц составляет 2,5 см, поэтому рассеяние волны будет происходить даже при прохождении препятствий сравнительно небольшого размера (сопоставимого с длиной волны). Значимое влияние на вид ИХ канала также может оказывать наличие подводных течений и вызванных ими турбулентностей вблизи источника и приемника акустических сигналов. Важной особенностью гидроакустического канала в поверхностных водах является нестационарность его характеристик, так как в естественных условиях его элементы находятся в движении. Главными источниками нестационарности являются колебания поверхности воды, линейные перемещения передатчика и приемника в пространстве, флуктуации положения приемника и передатчика под действием течений и волнений надводной части системы связи. Это приводит, с одной стороны, к изменению импульсной характеристики канала во времени, а с другой - к доплеровскому смещению спектра сигнала на приеме. Помимо этого, эффект Доплера в сравнительно широкополосных гидроакустических каналах может вызвать еще одно деструктивное для передачи информации, особенно для сложных сигналов, явление - деформацию спектра передаваемого сигнала. Деформация спектра будет проявляться в виде расширения или сужения спектра передаваемого сигнала пропорционально скорости передатчика относительно приемника в соответствии с выражением: У, 1 ± пр Д^д = AF- У 1 V - ИСТ (3) к. где Ѵпр - скорость приемника относительно среды, Ѵист - скорость источника относительно среды, Ѵзв -скорость распространения звука в среде. Гидроакустические каналы отличаются разнообразием источников шумов биогенного, техногенного, атмосферного характера. В среднем частотном диапазоне наибольшей мощностью обладают шумы, вызванные движением поверхности воды из-за ветра в атмосфере, и тепловые шумы [9]. Эмпирическая формула для оценки спектральной плотности мощности шума для глубокой воды представлена в [9, 10]. В поверхностных водах спектральная плотность шумов в среднем на 9 дБ выше 40 Использование среднего частотного диапазона акустических волн для передачи информации в сравнении с глубокой водой [10]. Таким образом, оценку спектральной плотности мощности уровня шума в поверхностных водах в среднем частотном диапазоне можно записать следующим образом: N * NB + NT =(50 + 7,5y[w + 20lg(f)- 40lg(f + 0,4)) +(-15 + 20lg(f)) + 9 дБмкПа/Гц, (4) где w - скорость ветра в м/с, f- частота в килогерцах. При этом соотношение сигнал / шум в канале рассчитывается по формуле: SNR = Lx - A - Lnoise, (5) где Ltx - уровень акустического давления выходного сигнала передатчика (на расстоянии 1 м), A -затухание в канале, Lnoise - уровень шума в канале, рассчитанный для всей полосы пропускания канала. 2. Моделирование характеристик канала связи в среднем частотном диапазоне с полосой пропускания 48-64 кГ ц В целом задача моделирования стационарных гидроакустических каналов исследована достаточно подробно и решается, например, при помощи широко известного программного обеспечения с открытым исходным кодом Bellhop [11]. Однако ключевой особенностью гидроакустических каналов является нестационарность их характеристик и наличие эффекта Доплера, моделирование которых в условиях широкополосности канала является весьма сложной математической задачей. Для моделирования нестационарного гидроакустического канала мы используем открытое программное обеспечение Acoustic Channel Simulator [12], которое позволяет провести вычислительно эффективную оценку эволюции параметров канала во времени, допуская независимость коэффициента поглощения от частоты внутри полосы пропускания канала. Для рассматриваемого частотного диапазона 48-64 кГц отношение ширины канала к центральной частоте составляет менее 0,3, что позволяет применить данное допущение [Ibid.]. Рассмотрим канал с типовыми для задачи связи с ТНПА и АНПА в акватории Черного моря номинальными параметрами (параметры при отсутствии движения): длина канала - 200 м, глубина погружения приемника - 50 м, глубина погружения передатчика - 60 м, глубина водоема - 100 м. При моделировании учитываются дрейф преемника относительно передатчика, движение поверхности воды и линейное перемещение приемника относительно передатчика (см. рис. 1). Дрейф приемника и передатчика моделируется как колебательный процесс со случайным фазовым шумом и амплитудой 0,2 м/с. Линейное перемещение приемника относительно передатчика изменяется в процессе моделирования от -1,2 до 1,2 м/с. Рассчитанное по формуле (1) значение коэффициента поглощения на километр для центральной частоты канала (56 кГц) и типичных для Черного моря условий [3] (pH = 8, температура +10°C, соленость 17%о) равно 9,47 дБ/км. Для сферического распространения волны (коэффициент распространения k = 2) и длины канала 200 м затухание в канале равно 47,92 дБ, что соотносится с результатами моделирования, представленными на рис. 2. При этом движение элементов канала и многолучевое распространение приводят к флуктуации затухания в переделах ±4 дБ. На рис. 3, а и 4 представлены импульсная характеристика канала и ее эволюция во времени в течение моделирования. Как видно из рис. 3, а, значимая часть ИХ канала составляет порядка 70 мс и содержит пять выраженных пиков, которые соответствуют отраженным (один или несколько раз) от дна и поверхности воды лучам. При этом в процессе моделирования пики ИХ смещаются на время до 10 мс из-за движения элементов канала (см. рис. 4). Важно отметить, что в силу особенностей геометрии канала длительность ненулевой части импульсной характеристики зависит от глубины водоема, глубин погружения приемника и передатчика, а также длины канала. В частности, по мере увеличения длины канала длительность ненулевой части ИХ будет уменьшаться. Для приведенных выше параметров канала, но при длине канала 1 км, значимая часть импульсной характеристики составит порядка 40 мс, что показано на рис. 3, b. Этот эффект называется mode stripping. Таким образом, при передаче на короткие расстояния проблема многолучевости более выражена в сравнении с передачей на средние и дальние расстояния. 41 С.В. Душин, В. С. Алешин, С.С. Шаврин, М.П. Фархадов, И.Ю. Куров ш S 50 і і і 42-1 0 10 20 30 40 50 60 Время [с] Рис. 2. Флуктуации затухания в канале Fig. 2. Channel attenuation fluctuations хЮ'3 Импульсная характеристика (200м) - 1 і a ЫІ -г

Скачать электронную версию публикации