厦门大学海洋与地球学院

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厦门大学童峰教授团队在小型水下无人平台水声通信技术领域取得研究进展
COE COE 2022/8/3 1738 返回上页

近日,厦门大学海洋与地球学院、水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室童峰教授团队分别在遥感领域重要期刊Remote Sensing和通信与信号处理领域重要期刊EURASIP Journal on Advances in Signal Processing期刊上在线发表了题为“A low complexity underwater acoustic coherent communication system for small AUV”和“R&D of a low-complexity OFDM acoustic communication payload for Micro-AUV in confined space”的研究论文,报道了团队在小型水下无人平台水声通信技术领域取得的研究进展。

小型水下无人平台具有体积小、灵活性高、成本低、布放方便等优点,可广泛应用于水下应急救援、水下作业、水下环境监测、涉水休闲等领域。作为与小型水下无人平台之间联系的“纽带”,传统有缆连接方式中线缆在布放、作业、回收过程中容易出现缠绕、扯断等问题,导致种种不便。而水声通信技术以其“无线链路”的优势,可为母船/岸基与小型水下无人平台、无人平台之间提供指令和数据交互,大大增加了水下作业灵活性。然而,水声信道具有复杂的时-空-频变特性、强多径效应、高噪声等恶劣条件,对设备性能提出很高的要求;另一方面,小型平台在尺寸、算力、功耗、成本等方面都有严苛的限制,这使得专用水声通信机并不适用此类场景。研发小型水下无人平台水声通信技术需在上述两方面因素之间达到一种平衡。

针对这个问题,研究团队设计了一种基于差分二进制相移键控水声通信的技术方案。该方案采用直接延迟调整简化多普勒补偿,并与最小均方误差自适应均衡、信道编码结合,实现高效、低复杂度多普勒和多径补偿(图1);通过仿真数值模拟、方案硬件实现和湖试海试实验,验证了方案在小型水下无人平台上实现相干水声通信的有效性。

 

图1、小型水下无人平台高效、低复杂度相干水声通信技术方案

 

在水池、管道、洞穴、水库等受限水域中,应急救援、水下作业、环境监测等小型水下无人平台应用场景往往需要高速率水声通信链路以高效获取水下状态,而此类受限水域中严重多径干扰对高效、低复杂度水声通信系统提出了巨大的挑战。

面向受限水域小型水下无人平台应用,研究团队采用时域、频域联合差分调制正交频分复用(OFDM)技术方案,避免了复杂度高的信道估计、均衡处理,并设计了可适应严重多径的同步捕获方案;在此基础上,基于嵌入式处理器设计实现了一种小尺寸、低系统开销、适装性好的水声通信载荷(图2),在受限水域进行的实验中实现了通信速率为1.96 kbps 的水声通信。该研究为此类场景下的小型水下无人平台提供了一种高效、低复杂度的OFDM水声通信解决方案。

图2、面向受限水域小型水下无人平台应用的OFDM水声通信载荷

 

上述论文第一作者均为厦门大学海洋与地球学院博士生江伟华,通讯作者均为童峰教授,合作作者包括中国科学院上海光机所周田华研究员和香港科技大学张福民教授。研究工作得到了国家重点研发计划项目(No. 2018YFE00110000)、国家基金重点项目(No. 62031011)以及上海市科委项目(No. 21DZ1205500)等的联合资助。

相关论文:

1、Jiang W., Yang X., Tong F.*, Yang J., Zhou T., 2022. A low complexity underwater acoustic coherent communication system for small AUV. Remote sensing, 2022, 14(14), 1-15.

2、Jiang W., Tao Q., Yao J., Tong F.*, Zhang F., 2022. R&D of a low-complexity OFDM acoustic communication payload for Micro-AUV in confined space. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 2022, 64, 1-10.

 

 

供稿:童峰

编辑:苏颖

审核:刘志宇

审核发布:唐腾凤




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