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浙大自主研制水声通信机成功实现14公里高速率通信

作者:杨劭坚 等 发布日期:2021-12-14 访问次数:254

近日,浙江大学瞿逢重教授团队自主研发的全平台适配水声通信机,在中国船舶第七〇五研究所组织的样机验收鉴定中,成功实现了14公里收发距离3.07kbps的相干高速率数据传输,传输成功率达到90%。

据悉,该试验实现了目前世界上同类水声通信机相同通信速率下可见报道的最远距离,标志着我国自主研发高速率远距离水声通信机突破了海外国家技术封锁,实现了技术超越。

浙大自研水声通信机在云南抚仙湖进行设备验收鉴定

水下无线通信技术是保障水下装备互联互通的重要技术。在占据地球约70%面积的海洋中,电磁波很难透过海水传播,水声通信是现在水下高速远距离无线通信的唯一解决方案。目前,拥有远距离水声通信机研制实力的国家均对我国设立了出口限制政策。

“我们国家的企业和研究机构只能购买国外水声通信机的低性能版本,在研制更远工作距离和更深工作深度的各类海洋科技装备时,就受制于人了。”瞿逢重教授表示,高速率远距离水声通信技术是我国重要的“卡脖子”技术之一,自主研制高速率远距离水声通信机迫在眉睫。

浙大水声通信机研发团队

瞿逢重自2006年开始投身水声通信理论研究,2011年加盟浙大海洋学院后,带领团队继续深耕在水声通信相关领域,累计发表国际高水平论文百余篇、授权国家发明专利数十项,打下深厚的水声通信理论和应用基础。 

全平台适配高速率远距离水声通信机研制

为应对海外发达国家针对我国的水声通信设备禁运和技术封锁,瞿逢重团队启动了国产化水声通信机研制工作。

研发团队经过多次方案论证和性能优化,于2017、2019、2020年分别推出了第一、二、三代原理样机,逐渐将所涉及的各项技术成熟化。后又经过多次原理样机的湖试和海试,不断完善通信算法和声呐硬件系统设计,于2021年4月和11月正式推出第一、二代产品化水声通信机,并在多家单位得到实际应用。

 浙大研制的中深海款(左)、浅海款(右)水声通信机

“与陆地5G移动通信在高速铁路上的应用场景类似,水下潜器应用场景中,通信收发端的相对位置移动会带来多普勒频移,严重影响通信设备的正确解码。”瞿逢重介绍,由于声速远小于电磁波速,且声波频率远低于电磁波频率,因此尽管水下潜器的运动速度远低于高铁的运动速度,但其对水声通信信号造成的多普勒频移却是巨大的。

“我们采用自主设计的抗多普勒频移水声通信算法,最大允许收发相对运动速度为18.8节,使得该水声通信机具备搭载在水下高速潜器上工作的能力,水下高速潜器的通信自此步入‘5G’时代。”

浙大自研通信机(右)与某国外同类产品(左)

在提高设备关键性能指标的同时,研发团队还努力将设备体积和重量缩小到最大程度,“第二代产品与矿泉水瓶大小相当,使其便于被蛙人携带,并适用于各类水下机器人、潜器、水下无线传感器节点等平台。”研发团队成员陆雪松介绍,设备还具备自适应工作模式切换、自适应调制方式切换、心跳包机制和数据重传机制等特色功能,对工作环境的适应性更强。“这是一款智能化程度高、全平台适配的便携式海洋无线网络通信设备。”

浙大水声通信机研发团队在舟山浅海海域海试

除本次抚仙湖湖试外,研发团队在该款水声通信机研制成功后还在水池、湖泊、海洋等各类不同工作环境下进行了试验。

得益于浙大舟山校区的近海优势,团队多次在舟山海域噪声嘈杂的复杂环境下对比自研设备与国外同类设备的实际性能。试验结果表明,在相同传输数据(图片或文本)、更低的发射功耗、更低的体积和重量下,浙大自主研发的水声通信机在相近通信速率时的通信距离达到4.5km,国外同类产品不到2.0km。 

深远海视频无线传输水声通信机研制

为了实现水声通信设备的全平台覆盖,解决深远海视频实时无线传输等海洋科学考察需求,浙大水声通信机研发团队还研制了高速率远距离MIMO水声通信的原理样机,并于2020年8月前往我国南海西沙群岛附近的深海海域,完成了高速率远距离MIMO水声通信的原理样机海试。

在船速4~6节的条件下,实现了通信距离6.2km,通信速率42.8kbps的分布式MIMO水声通信数据传输,达到了265.36kbps×km的通信速率距离乘积,为全世界可见报道最高的远距离水声通信指标。

浙大水声通信机研发团队在南海深海海域海试

 “美国海军研究实验室2019年发表在IEEE Journal of Oceanic Engineering期刊的论文数据显示,国际可见报道的远距离水声通信速率距离乘积指标均在200kbps×km以内,大多数不超过50kbps×km,”参与试验的浙大海洋学院直博生章旻昊介绍,浙大南海试验的取得的指标远高于其他机构的指标,对于深远海视频实时无线传输需求有着里程碑式的重要意义。

浙大自研MIMO水声通信原理样机的南海深海海试结果 


(文 杨劭坚/图 项目团队提供)