מבוא

תקשורת תת-ימית נותרה אחד האתגרים התובעניים ביותר בהנדסה אלחוטית.התכונות הפיזיות של מים - צפיפות גבוהה, סליניטי, ⁇ טמפרטורה חלקיקים - כי עלייה מהירה של גלים אלקטרומגנטיים, בעוד אותות אקוסטיים, אם כי פחות מלוטשים, סובלים מאפקטים מרובים של אותות, רעש מתפתלי נשימה גבוהה, ורוחב פס מוגבל.עיצוב אנטנות יעילות (או מערכי תת-ימיים) הוא פחות מעצימה, כדי לאפשר ניטור יעיל של טכנולוגיות מתקדמות של אנרגיה יעילה על ידי מערכות הגנה לטווח אוויריבית, שיפור יעיל של מערכות הגנה לטווח הארוך, מערכות הגנה יעילה, ומאפשרת, מערכות הגנה לטווח הארוך, שיפור יעיל של מערכות הגנה לטווח הארוך, מערכות הגנה על ידי מערכות הגנה על ידי מערכות הגנה על ידי מערכות הגנה על פני מערכות הגנה לטווח בינוניות, שיפור יעיל.

ערוץ אקוסטי: אתגרים בסיסיים

בניגוד להפצת החלל החיצון, הערוץ האקוסי התת-ימי מציג סביבה עוינת ייחודית. גלי אקוסטיים נוסעים בערך 1500 מ'/sHz, חמישה הזמנות של גודל איטי יותר מאשר גלי רדיו, המוביל לעיכובים גדולים ולשינויי דופלר.הערוץ הוא גם מאוד חוזר: אותות משקפים את פני השטח, אמבי, מתחת לקצבים ביולוגיים, ויוצרים עשרות של כניסות מרובות פת"ח, אשר מטווח זהה לכדי מגבלות מהירות ומהירות של פחות, אפילו בטווח הארוך, עד ל-עשר אותות בטווח הקצר, עד ל-ה של מילימטרים, ואפקטים בטווח הארוך, עד ל-מטווח הארוך, אפילו יותר, עד ל-עשר מילימטרים של מילימטריים (עד 50 ק"מטווח רוחביים).

עקרונות עיצוב עבור ‪Anth Antenna Arrays‬

Array Geometry and Configuration

הסדר הגיאומטרי של אלמנטים רזולוציה מערך קובע באופן יסודי את תבנית ה-Beam של מערך, פתרון מרחבי וסובלנות לכישלונות אלמנט.תצורה משותפת כוללת קווירית, תכנון, מעגלית ומערךים מורכבים.מערךי קואר פופולריים במערכות ניאוארות נשואות בשל הפשטות והיכולות שלהן ליצור דבורים צרות במימד אחד.

« חיפוש וגרף Lobes

המרחק בין אלמנטים בודדים - מועדים לגלישה בין-יסודית - הוא פרמטר עיצוב קריטי. עבור מערך אחיד חללי, ספיגה חייבת להיות פחות או שווה לחצי אורך הגל של התדירות הגבוהה ביותר של עניין להימנע מלגורים (התאיות מרחביות מקודדות), אך ורק רכיבים מימיים גבוהים יותר, פועלים במסגרות מימיות של 10-50 k, משתמשים בספאקים בין 1.5 ל-77 סמ"מ, אם כי הם משתמשים לעתים קרובות במורכבות פיזית מוגברת של עיבוד גבוה או במורכבות של רוחב- 50 מעלות, אם כיבית.

המונחים: Fundamentals

(המידע הוא תהליך של החלת עיכובים או שינויים של זמן לסימנים מכל אלמנט מערך, כך שהם מתערבים באופן קונסטרוקטיבי בכיוון הרצוי.ה הטכניקה הפשוטה ביותר היא עיכוב - ו-Sum beamforming, שבו עיכובים נקבעים מגיאומטריה ומיושמים ב-Time domain-i-Fiteally-to-pation, שיפור משמעותי של ריצוף התדירות הוא שווה ערך להתאמה מתוחכמת יותר, כגון שיטות הפעלה מינימליות (MEEFerative) של שימוש ב-Dipicial (או תגובה) מאשר שימוש ב-Dipicial) של שימוש ב-Dematemation (Demateial) מאשר ב-Demifateial של שיטות טיפול תרופתי (Demateration) של שימוש ב-R.

חומר ויציבות סביבתית

רכיבים תת-ימיים חייבים לעמוד בלחץ קיצוני, קורוזיה, ביופוץ, ותנודות טמפרטורה. אלמנטים Transducer הם בדרך כלל מלוטשים בפוליאוריטאן או ניאוף לספק חסימת מים תוך שמירה על חומרים אקוסטיים של דיור עבור מסגרת המערך ומחברים כוללים אתגרים טיטניום, נירוסטה פלדה (31617), ופלסטיקים גבוהים באמצעות צינורות שמן או גזים הדרושים ל-160 מטר.

סוגים של Transducers ו Antenna Elements

הידרופונים

הידרופונים הם המרכיבים הנפוצים ביותר במערך אקוסטי תת-ימי.הם להמיר וריאציות לחץ אקוסטיות אותות חשמליים, בדרך כלל באמצעות קרמיקה אדזואלקטרית כגון עופרת zirconate titanate (PZT) הידרופוניות מודרניות יכולות להשיג רגישות של -170 dB 1 V / מיקרו עם רוחב פס רחב יותר מ -100 kViruls - 000 - 000 של חיישנים עם פחות קומפקטיים של קומפקטיים - 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 - 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

Dipole Antennas עבור אלקטרומגנטיות

למרות שיטות אקוסטיות שולטות, יישומים מסוימים דורשים תקשורת אלקטרומגנטית (EM) לטווח קצר או דרך-אוויר פערים.אנטנות dipole מגנטית (coHz) מעדיפים במי הים כי שדות מגנטיים חווים אטמורציה נמוכה יותר מאשר שדות חשמליים. ⁇ מגנטי טיפוסי פועל בטווח 1-100 k עם טווחים של 10-100 מטרים.

Resonant and Broadband Arrays

מערךים חוזרים נועדו לפעולה צר פס בתדירות אחת או כמה גוונים דיסקרטיים, השגת יעילות גבוהה על חשבון רוחב פס.הם משמשים בדרך כלל ב- Sonar Transponders ו-Mith אקוסטית מודמים.עם זאת, מערכות תקשורת מודרניות דורשות רוחב פס רחב יותר כדי לתמוך בנתוני גבוה יותר.Broadbands להשתמש באלמנטים חדורים או אלמנטים מרובים resoned staggered בתדירות (למשל, לדוגמה, 8-Freative) בזהירות, כדי לנהל חומרים בקרה לאחור.

קבלת אות: טכניקות והטבות

רגישות ו Noise Reduction

על ידי היגוי של מערך הראשי של המערך לכיוון המקור ו הצבת אפס לכיוון של מפריעים חזקים, מערך יכול להשיג הפחתה משמעותית ברעש עמוק. במים עמוקים, שדה הרעש המתפתל הוא יחסית איזוטרופי, כך מערך 10-element יכול לספק בערך 10B של רווח מרחבי. במים רדודים, הרעש הוא לעתים קרובות כיוון (למשל, פני השטח), המאפשר התאמה אמינה למסגרות תקשורת מתוחכמות של 15B של נוחות.

Multipath Mitigation באמצעות מגוון ספארי

ריבוי אנטוגציה היא הגורם העיקרי של התערבות בין-סימבול (ISI) בערוצים אקוסטיים מתחת למים.מערך אנטנה מעוצב היטב יכול להפריד נתיבי הגעה שונים על ידי זווית ההגעה שלהם (AoA) לדוגמה, מערך קו אנכי יכול להבחין בין קרן משטח ישיר מקודמת משטח ישיר לבין תבנית מחוסמת למטה.

הגדלת SNR וקיבולת

היתרון הבסיסי של מערך הוא תוספת קוהרנטית של אנרגיית אות מאלמנטים מרובים.עבור מערך N-element, כוח האות גדל כ- N2, בעוד כוח רעש (לא קשור) גדל רק ליניארי עם N, מניב רווח של 10 log10(N) dB. בפועל, פגמים והפיכה הדדית להפחית את הרווח הזה, אבל מערך 16-e בדרך כלל משיג 10-11 של פעילות זו, יכול להגדיל באופן ישיר יותר.

מחקרים ויישומים

מערכות תקשורת

צוללות מודרניות מסתמכות על מערך ליניארי כפול הן עבור זיהוי ותקשורת פסיביים.ערכים אלה יכולים להכיל מאות אלמנטים המתפתלים במרווחי זמן ארוכים למחצה, המאפשרים דבורים צרות מאוד (הפצה של תואר) לתקשורת צופה למעלה כלפי מעלה כדי לטבול או מטוסים.המערך חייב להיות מעוות בשקט כדי לחדור מעל 300 מטרים, הדורשות משחות שמן עמידים גמישים וחיבורים של צוללות.

רכבי תת-קרקעי אוטונומיים (AUVs)

(אוו) כמו כלי רכב של REMUS ו-Bluefin משתמשים במערך קטן או cylindrical עבור ניווט (מיקום אקוסטי) וטלמטורי נתונים.הגודל הפיזי של הרכב מגביל את המערך לסנטימטרים אחדים, אשר מגבילים את פתרון המרחבי של AUVperture (המצב של ריצוף) כדי להתגבר על זה, מהנדסים משתמשים בטכניקות ספירתיות סינתטיות: המערך מועבר דרך המים והמידע מהצלחות הן משולבות לכדי מיפוי יעיל של 1Vperturedrvreplereplereatives.

רשתות חיישן ים

observatories (למשל, Ocean Observatories Initiative) לפרוס מערך קו אנכי קבוע המושעה מ- buoys משטח.כל מערך עשוי להכיל 10-20 טלפונים לאורך 100 מטרים של עמודה מים, המחובר לחוף באמצעות סיבים אופטיים. ⁇ אלה מבצעים סימטריות כדי למדוד טמפרטורה ופרופילים נוכחיים, וגם לשרת כמו שערים עבור מעבורות מימיות: 9 ק"מ יכול תמיד להשיג רוחביות.

טכנולוגיות מתקדמות וכיוונים עתידיים

קרינת הסתגלות וקוגניציה

[המדן הקבוע אינו מספיק בערוצים התת-ימיים של תצורה מהירה של מנגנונים הסתגלותיים לעדכן את משקלם המבשרים על בסיס סטטיסטיקות אותות נכנסים, להגיב להזיז מקורות, שינוי שדות רעש, ומשתנים רב-אופטימיים. ⁇ קוגניטיביים הולכים צעד נוסף: הם חשים את הסביבה (באמצעות מערכי למידת מכונה כדי להבחין רעש הספינה מרעש ביולוגי) ולהתאים את התצורה שלהם - תדירות, אם הם מופיעים בדפוסי-F כפול, כמו למשל, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, מערך תקשורת כבדה: 1.

Machine Learning for Beamforming

רשתות עצביות עמוקות (DNNs) מוחלות על החלטות מרשימות, במיוחד בתרחישים עם רעש לא-Gaussian ותגובה אימפולסיבית מורכבת. במקום חישוב משקולות עיכוב - ו-sum במפורש, רשת עצבית convolutional ניתן ליישם על בסיס נתונים גדול של הקלטות הידרופוניות כדי להנעת וקטורים כי למקסם את התוצאות המוקדמות שלאחר NR.

אינטגרציה ו- AUV

המגמה לעבר מערכות קטנות יותר, זולות יותר AUVs דורשות miniaturization מערך ללא הקרבה ביצועים. Micro-electro-mechanical Systems (MEMS) hydrophones, המוטבע באמצעות מיקרו-מצ'ין סיליקון, מפותחים עם ממדים פחות מ 1 מ"מ. אלה ניתן לטבול בתקן סטנדרטי של 0.5 מעלות על העור של כלי הדם.

מערכות היברידיות / מערכות

שום אמצעי פיזי יחיד מכסה את כל צרכי התקשורת התת-ימיים. ⁇ בטווח הארוך, אך סובלים מעקביות ושיעורי נתונים נמוכים; מערך EM מציע גבוה יותר של להקות (עד מגה-הרץ) אבל לעבוד רק על פני מרחקים קצרים.מערךים היברידיים משלבים את שני סוגי האלמנטים באותה החבילה הפיזית, ומאפשרים מעבר חלק בין מצבי אקוסטי ו-EM. לדוגמה, שימוש רובוט תת-ימי עשוי להשתמש במערך מהיר של מחזורי של מחזורי (מטווח) עבור טווח אוטומטי של מחזורי תיבות של מחזורי תיבות של מחזורי טווח (מטווח) למשך 20 מטרים).

מסקנה

תכנון מערך האנטנה לתקשורת תת-ימית הוא מאמץ רב תחומי שמושך על אקוסטיקה, אלקטרומגנטים, חומרים מדע, עיבוד אותות ולמידה יותר ויותר של המכונה - האתגרים הייחודיים של הערוץ התת-ימי - אולטיפא, רעש, רוחב פס מוגבל, ולחץ מכני - דרישה זהירות של עצירות מסחר זה בגיאומטריה, אלמנט, ואלגוריתמים לעיבוד.ממנה מיליוני צוללות צבאיות לקונפורציות קוגניטיביות למערך מאובטח יותר של מערכות מחקר אוטונומיות, ימשיך להיות מערכי אקלים, תוך כדי יכולת התבוננות חיצונית, וחיזוקים יותר, תוך כדי שמירה על פני מגוון יעיל יותר, וחיזוקים, תוך כדי שמירה על פני מגוון רחב יותר, תוך כדי שמירה על פני מגוון רחב יותר, תוך כדי שמירה על פני מגוון יעיל יותר, ואלגוריתמים של מערכות בקרה אוטונומית יותר, ואלגוריתמים של מערכות בקרה מתקדמת יותר, ואלגוריתמים של מערכות בקרה מתקדמת יותר, ואלגוריתמים של מערכות בקרה מתקדמת יותר, ואלגוריתמים של מערכות בקרה מתקדמת יותר, תוך כדי שמירה על פני השטחית של מערכות בקרה אוטונומית, תוך כדי שמירה על פני השטחית של מערכות בקרה, ואלגוריתמים של מערכות בקרה, ואלגוריתמים של מערכות בקרה ובקרה.