水下机器人通信系统构设与实现

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1、水下机器人通信系统构设与实现第一章绪论1.1课题背景及研究意义随着科学技术和经济的飞速发展，资源已经成为人类向前发展的巨大障碍。人口增长，导致自然资源的需求越来越大，陆地自然资源的开发已经趋于瓶颈并且正在消耗殆尽，而受限于现在的科学技术水平，人类还不能利用太空资源，因此，世界各国都把目光转向了海洋。海洋总体积为14亿平方公里，表面积为地球的71％，是一个名副其实的巨大资源库，包括丰富的石油资源2800亿吨，矿产资源6000亿吨，天然气资源140亿立方米，核弹头原料铀40亿吨等。对比陆地资源可以更加清晰地看出海洋含有的丰富资

2、源，比如海洋中的锰为陆地存储量的68倍，铜为陆地存储量的22倍，锂为陆地存储量的274倍，核武器原料铀高达陆地存储量的2000倍。海洋中的生物资源、能源、水资源和金属等资源，能对我国的经济和社会发展产生长远的影响和巨大的支撑作用[1-4]。因此，洋底的探测具有极强的吸引力、挑战性。但是海洋环境恶劣危险，人类的潜水深度有限，不能直接完成海底资源的探测任务。水下机器人强度高、抗高水压、可操控，能够完成深水海域的探测和分析任务，并将探测数据返回到陆地PC上，已逐渐成为人类进行海洋资源开发的主要工具[5~7]。水下机器人是一种具有

3、视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置。对于机器人的遥控和操作通过水下通信来实现[8-9]。水下通信中的有缆通信有其明显的缺陷。首先缆绳的长度有限，水下机器人的活动范围会受到极大的限制；其次是缆绳会对其他的海洋活动造成影响；并且缆绳本身的要求比较高，耐低温、耐腐蚀、强度高、韧性强等缺陷都极大的限制了有缆通信的应用。对于水下无缆通信，由于海水是电良导体，电磁波的传播衰减大到1400f1/2dB/km（f以千赫兹计），因此，2000MHz的电磁能量传播100米损失能够达

4、到200000dB。所以，电磁波不适合水下机器人的信息传输[10]。而声波信号能在水中传播几十公里的距离，因此利用声波进行信号传输成为水下机器人通信的最佳选择[11-12]。1.2水下机器人通信的基本原理水下机器人通信的研究就是水声通信的研究[13]。水声通信是将声波作为传输信号的载波，在海水介质中实现信息的传输。水声通信系统的工作分为三个部分：一是信源编码，将文字、语音、图像等信息转化为数字化的信息；二是信道编码，在原始的比特信息中加入一些冗余比特，并交换比特数字信息的位置，使其成为适合信道传输的信息；三是调制发射，将数

5、字信息通过调制后，成为适合信道传输的模拟信息，然后通过换能器，转换为声信号进行传输。接收端通过水听器接收声信号，通过解码解调等过程后，恢复原始的文字、语音等信息。图1水声通信系统方框图。声音由振动产生，海水中也一样。空气中，人类通过，嘴巴和耳朵实现声音信号的传输和接收，传输介质为空气。海洋中对应的传输介质变成海水，声信号的发送和接收则通过水声换能器实现。水声换能器是声波信号和电信号的转换设备。声波信号在水中的传播受到海水信道的影响，不同强度、频率的声波信号具有不同的传输距离。图1是一个完整的水声通信系统的方框图，水声信道是

6、一个典型的时变-空变-频变信道，水声接收机接收到的信号是一个经过不同路径、不同幅度衰减、不同频率衰减的信号的叠加。1.3水下声通信的研究现状及发展动态水声通信的发展始于1914年研制并应用于英国海军巡洋舰上的水声电报系统，它是现代水下无线通信系统的雏形[14]。但是第一个具有实际意义的水下通信系统是在第二次世界大战中，于1945年美国为潜艇间的通信而设计的水下[15]。水下采用单边带调制技术（SSB），工作频率为8k-11kHz，能够实现几公里以内的水声信号传输。SSB是一种模拟调制技术，在此后的一段很长的时间内，水声通信

7、的发展方向主要为模拟单边带调制和幅度调制。但是模拟系统的功率利用率低，需要打功率的发射机支持。模拟通信系统不能减轻水声信道的衰落所引起的畸变。模拟调制技术限制了模拟通信系统的发展。第二章正交频分复用的基本原理无线通信是一门复杂的综合性高新技术，无线通信也是经历了模拟的数字的发展过程。现代通信技术已经发展到第四代：蜂窝结构的第一代移动通信；为支持语音和低速数据业务而设计的第二代移动通信；IMT-2000第三代移动通信；数据率高达50Mbps的第四代移动通信技术。更高的传输速率、频谱利用率和传输质量是第四代移动通信的要求，同时

8、要求系统能够更好的抵抗多径干扰、ISI和ICI。第四代移动通信选择抗多径衰落等性能优越的OFDM技术作为其核心技术。2.1正交频分复用的基本原理传统的频分复用是将并行传输数据调制到频带内并行的子载波上进行传输，各个子载波之间存在一定的保护频带以防止载波间干扰，各个子载波独立的传输调制信号，然后再将子信道