水声信道的建模与仿真

对水声信道的建模与仿真进行了分析,首先介绍了基于波动方程的建模技术。接着分析了水声信道的主要特性,阐述了射线传播理论,并在此基础上介绍了声线跨度模型和基于该模型的本征声线的搜索算法。最后,采用MATLAB对水声信道模型进行了仿真。     

基于NS2的水声通信信道的扩展与仿真

研究水下信道通信优化问题,由于水下传感器网络在海洋数据采集有广泛的应用。水声信道具有高延迟、低带宽等复杂特点,影响信道通信质量。传统信道模型对网络仿真的效果比较差。为解决上述问题,对水声信道进行了建模,考虑了实际环境中各类噪声以及水温、盐度等因素对声信号传播的影响,并结合NS2进行了水声通信信道的扩展,最后在水声通信信道的基础上建立了一个多节点环境,对水声信道模型与实际水下环境的相似程度采用上述模型进行了仿真。仿真结果验证了信道模型的合理性,并反映出了水下环境中网络通信效果良好。     

水声通信保密同步技术研究与仿真验证

本文研究了典型密码同步技术，给出了水声通信密码同步设计，开展了水声通信仿真验证设计，区分典型深海、典型浅海、平稳信道、变化信道等场景有无加密模块进行对比仿真。由仿真结果可知，当密码同步采用8比特长度时，在深海和浅海条件下，有无加密模块对水声通信系统性能的影响区别不大。在平稳信道下，添加加密模块虽会提高系统误码率，但对系统性能影响较小。在变化信道下，加密模块对系统误码率的影响增大，直到误比特率低于10-2时才能达到与经典水声通信系统相近的误码率性能。研究结果对于开展水声加密技术研究与工程实现具有参考价值。     

Aqua-Sim水声信道仿真平台扩展研究

水声信道计算机仿真平台作为海洋网络研究的关键部分已受到广泛关注。由于水声信道具有复杂多变的特性,水声信道的普适性计算机仿真平台研究具有一定难度。本文针对现有水声信道仿真研究存在的问题,对Aqua-Sim水声信道仿真平台进行改进。将海水温度、盐度、纬度和深度等海域环境特征作为仿真平台水下声速和背景噪声计算参数,在仿真实验搭建过程中通过动态参数接口灵活搭建符合实验要求的仿真环境。仿真实验表明,改进后的Aqua-Sim平台仿真效果更加逼近实际海水信道环境。     

多水下机器人水声网络仿真框架设计

为了满足多水下机器人系统的仿真需求,根据水声信道和水声通信机模型,设计了一个基于局域网的水声网络通信协议仿真框架。该框架能够为分布式交互的水下机器人网络提供一个共享的虚拟水声信道,模拟通信协议在多个水下机器人节点上的运行情况。最后给出的是一个典型网络拓扑下ALOHA协议的仿真结果。     

水声对抗仿真系统研究的新思路及其应用

结合水声对抗系统的建设,我们进行了水声对抗仿真系统的研究。根据先期研制声诱饵仿真系统的经验教训,紧扣仿真的实质,提出了水声对抗仿真系统研究中采用的一些新思路,其中包括仿真合成环境、信号处理异地化以及信道变化律等。文章详细描述了它们的内容和应用思路,并分析了它们的合理性。     

水声网络MAC层随机接入协议和握手协议研究

水声网络MAC协议决定了节点共享水声信道资源的方式,它直接影响到水声信道的利用率和网络的整体性能。本文基于OPNET平台,对随机接入型MAC协议和握手协议进行对比,并分析传输范围、网络拓扑结构和数据包的大小等因素对协议性能的影响。仿真结果表明,握手协议在情况复杂的水声环境中的性能优于随机接入协议。     

水声信道的多模型模拟和试验

水声信道是一个时变的多径信道，且在不同的时间由于海面的状况不同而不同。为较好地实现水声通信．必须对各种水声信道进行较好地了解，研究出适合水下通信，尤其是水下实时通信的较为实际的模型，增加水下声通信的可靠性和水声实时通信的可懂率。该文在前期研究的基础上，将多模型方法应用于水下声信道的研究，并得出了相应的实验方法。     

基于神经网络方法的水声信号预测

由于海洋环境的复杂性和水声信道复杂的时变、空变特性，使得舰船辐射噪声是一种非平稳、非高斯过程。如能提前预测敌方舰船的辐射噪声，并有效地对敌进行水下对抗，先敌使用武器攻击，是克敌制胜的前提，也是我海军目前各型潜艇和水面舰艇急需解决的关键技术。文章根据水声信号的特点建立了预测模型和网络结构参数的设计。并分别采用BP神经网络和RBF神经网络对仿真信号和实际舰船水声信号进行预测。结果表明，利用神经网络预测水声信号达到了一定的效果，为今后进一步开展水声信号预测研究奠定了基础。     

水声通信网络信道仿真研究

根据海洋环境下水声信道的特性,提出一个面向水声通信网络信道的仿真框架,其中包括传播延迟、接收功率、背景噪声、干扰噪声、信噪比与误码率等若干模型,并以一个典型的水声网络仿真场景为例,给出了部分仿真试验结果.     

A Novel Matlab-Based Underwater Acoustic Channel Simulator

An accurate modeling of the UAC （underwater acoustic channel） can facilitate the development of an efficient architecture for an UAM （underwater acoustic modem）. The performance comparison of different architectures can be performed rapidly and at a low cost in a simulation environment, compared to testing the modems in sea water. This article presents the development and utilization of an underwater acoustic channel simulator. The simulator can be used by a communications engineer in characterizing the time variability of the physical channel＇s parameters or by a hardware engineer in designing an underwater acoustic modem. This tool is programmed in Matlab and is based on the algorithms Bounce and Bellhop. The input parameters of these algorithms must be saved in text files after a specific template and are cumbersome to process manually. To streamline the modeling of an UAC and the simulation of various communication algorithms the simulator automatically creates the input files based on key parameters entered by the user, hiding the algorithmic dependent ones and allows a quick visualization of the simulation results with a few routines specially created. The use of this simulator is emphasized with results obtained from the design of a low-power UAM for long-term monitoring activities.     

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。     

水声环境特征参数并行预报方法研究

随着水声装备的快速发展,其性能发挥与海洋环境的耦合越来越紧密,如何为水声传感器提供长时间、大范围、精细化水声环境参数信息,对优化水声传感器设计,充分发挥其探测性能,实现海洋环境与传感器性能发挥的最佳匹配具有重要意义。利用MPI并行编程环境开发了水声环境特征参数并行预报程序,实现了水声环境特征参数的快速预报,针对并行程序存在的任务负载不均衡问题,分析了造成负载分配不均衡的原因,给出了性能优化的策略和方法。测试结果表明,优化后的并行程序,负载均衡问题得到了有效改善,计算时间大幅缩短,大大提升了水声环境参数预报能力。     

六角形阵快速傅立叶变换波束形成算法

在六角形阵阵元数较多时,传统的频域相移求和波束形成方法要求的运算量很大.为此提出一种采用六角形快速傅立叶变换HFFT(Hexagonal Fast Fourier Transform)的波束形成算法.使用六角形傅立叶变换HDFT(Hexagonal Discrete Fourier Transform)完成六角形阵的波束形成,由于HDFT存在快速算法HFFT,因此能够显著降低波束形成的运算量.首先在各个通道上做FFT,将信号变换到频域,然后转角重排,再对各个阵元上相同的频点做HFFT,得到频域常规波束形成输出.理论分析表明,对于窄带信号的六角形阵波束形成,所提出的算法所需的计算量比传统的相移求和方法降低了95%以上.仿真和试验结果表明,提出的算法在不影响阵列处理性能的同时,显著降低了波束形成所需的计算量,易于工程实现.     

水下声无线传感器网络通信性能研究

在基于水下网络节点均匀分布的前提下,通过结合传输衰减和射线模型仿真水下通信信道,推导得出水下传感器网络路由中端到端平均误码率（BER)和网络节点分布密度之间的关系式。并且通过Monte Carlo仿真方法,单跳链路之间采用MFSK通信方式,仿真了网络通信性能与节点分布密度的关系。通过仿真结果,可以预测水下网络在特定网络拓扑结构中网络整体的通信能力;而且能够在预先给定要达到的网络通信能力的约束下,得到最优的网络分布密度;这将为水下网络节点布放的同时衡量网络通信性能提供很好的参考价值。     

盲分离与时频分析融合的多源信道均衡

针对多信源条件下强多途干扰严重的水声信道,提出一种盲分离与时频分析融合的多源信道均衡技术。该方法首先应用盲分离技术将多源接收信号进行有效分离,对分离后的信号进行时频分析运算,然后采用Radon变换加解线调方法估计出信号的主要参数,通过重构声源信号最终完成信号的复原。通过对计算机仿真数据和海试数据的处理,验证了该方法的可行性和有效性。     

Seafloor map generation for autonomous underwater vehicle navigation

Elevation map generation is an essential component of any autonomous underwater vehicle designed to navigate close to the seafloor because elevation maps are used for obstacle avoidance, path planning and self localization. We present an algorithm for the reconstruction of elevation maps of the seafloor from side-scan sonar backscatter images and sparse bathymetric points co-registered within the image. Given the trajectory for the underwater vehicle, the reconstruction is corrected for the attitude of the side-scan sonar during the image generation process. To perform reconstruction, an arbitrary but computable scattering model is assumed for the seafloor backscatter. The algorithm uses the sparse bathymetric data to generate an initial estimate for the elevation map which is then iteratively refined to fit the backscatter image by minimizing a global error functional. Concurrently, the parameters of the scattering model are determined on a coarse grid in the image by fitting the assumed scattering model to the backscatter data. The reconstruction is corrected for the movement of the sensor by initially doing local reconstructions in sensor coordinates and then transforming the local reconstructions to a global coordinate system using vehicle attitude and performing the reconstruction again. We demonstrate the effectiveness of our algorithm on synthetic and real data sets. Our algorithm is shown to decrease the average elevation error when compared to real bathymetry from 4.6 meters for the initial surface estimate to 1.6 meters for the final surface estimate from a survey taken of the Juan de Fuca Ridge.