1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 研究目的及意义

在人们迄今所熟知的各种能量形式中，水中以声波传播性能为最佳，声场是水中传播最远的物理场。在混浊水中，无论是光波还是电磁波，它们的传播衰减都非常大，在海水中的传播距离十分有限。最新研究发展的蓝绿激光技术已取得了相当的进展，但因其造价昂贵，且作用距离小，不适用于大规模、长距离的水下通信，相比之下，声波在水中的传播性能就好得多。因此， 声波在人类水下活动如水下目标探测、通讯、导航等方面得到了广泛的应用。1996 年5月以前国际上建立了联合国大陆架界限委员会，该委员会认为要用五种设备 测量才能认可为划界提供的图件和资料，其中三种的设备是采用声纳系统，由此 可见水中声学技术的重要性。

由于有缆的水下通信存在很多的弊病，在远距离、恶劣海况和特殊海域中很难开展工作，而电缆的“纠缠”和“重量”等问题更限制了水下潜器的机动灵活性。因此，水下通信要摆脱这种“脐带”的束缚，必需向无缆的以水声通信方式的方向发展。

早在欧美发达国家就已经将水声通信技术应用于军事和民用两方面，甚至随着计算机技术的发展，在国外一些机构组织研究中已经将计算机技术彻底融入至水声通信技术中并形成了水声通信网络化。水声技术作为海洋开发的重要技术之一，对于海洋的研究及开发有着不可忽视的重要影响。利用水声通信技术可以有效对海底各种信息的传输及数据进行精准分析，对于海洋资源的开发及运用都起到了很重要的影响。通过水声通信技术可以有规律的了解到海洋的全天候的变化和信息资料的收集，作为海洋系统之一水声通信技术的建立和水声通信网络的完善，可以为不同海洋开发客户资源提供全面的检测。甚至能够精准测出环境对海洋资源的影响和自然灾害的发生。在我国在水声通信网络计划方面还处于初级研究阶段，相信在不久的将来，同样可以结合各种先进技术，建立完善的水声通信体系。

1.2 国内外研究现状

英国伯明翰大学在60年代初就设立了“伯明翰声通信（BASS)研究组”，进行了水声通信体制的研究和水声通信装备的开发研制。近年来，英国的拉夫堡理工大学、美国的MIT、东北大学、WHOL、应用物理实验室（APL)、海军研究办公室（ONR)、日本冲绳电气公司等相继对水声通信技术展开了研究，并取 得了突出的成果。

从90年代以来，（1991年，IEEE海洋声数据遥测专刊上发表了一系列文章）国内外在水声数据高速率传输技术方面取得了迅速的发展。目前已实现的较有代表性的成果如表1所示：

表1商用水声通信设备

研制公司	应用领域	通用信道	调制方式	码间干扰补偿	载频	传输速率（kbit/s）
a本OKI电气公司	水下机器人通信/遥控	60米浅水信道	16-QAM	线性均衡（LMS算法）	1MHZ	500
日本海洋科学技术中心（JAMSTEC）	图像传输	垂直信道6500米	4-DPSK	线性均衡（LMS算法）	20KHZ	16
IFREMER/ORCA	图像传输	垂直距离2000米	2-DPSK	无	53KHZ	19.2
ENST（英）IFREMR	数字语音传输	测试水池	4-DPSK	判决反馈均衡（LMS算法）	30KHZ	6
Micrilor公司	水声遥测	1000米浅海信道	2-DPSK	直接序列谱	100KHZ	0.6
Woods Hole海洋研究所	水生遥测	冰层下浅水信道	QPSK	判决反馈均衡（RLS算法）	15KHZ	5
Woods Hole海洋研究所 Datasonics公司	水声遥测	水平和垂直信道	16*4-FSK	无	15KHZ	1.2

此外，俄罗斯海军能以6bit/s的速率在2-lOkHz带宽内利用伪随机编码，反 卷积信道均衡，实现潜艇间文字传输。条件为低速率，其主要优点为沿水平方向、 大作用距离、极低误码率和高隐蔽性。

国内中科院声学所和哈尔滨工程大学、西北工业大学等单位进行了水声信道 高速率数据传输的研究。中科院声学所进行了声信号在浅海中传播问题的研究，海洋声信道自适应匹配实验研究，多途信道中卷积码的统计以及在理想负跃层浅海中脉冲波形的理论分析，并釆用了信号设计、差错校正码和窄波束阵列三项技术，进行了水下通讯研究，在存在多途干扰的条件下，在100米水池实 验获得较好的结果。中科院声学所还进行了水下信息压缩和声通讯技术研究。研究了卷积码和Viterbi译码的性能，釆用MFSK对发射信号进行调制，用FFT方法对信号进行检测。

哈尔滨工程大学在信号编码上，设计了跳频、多频、多频与调相混合、自适 应DCT压缩、矢量量化以及人工神经网络压缩等方法。在解码上，釆用自适应 测频、高速谱分解、变换域自适应均衡等技术以及纠错码、精密图像同步、卷积码编码、维特比解码等技术，实现水平中、长距离传输。哈工大还发展Pattern (波形参数）时延差编码技术，在松花湖水库进行水试，水深为40-60m，传输速率为350bit/s，误码率为10'作用距离比传统技术提高30%。

2. 研究的基本内容与方案

水声通信系统的设计，是围绕着抗干扰，特别是抗多途干扰而展开的。在信息传输过程中，由于信道和设备内部存在各种噪声以及信道特征对信号所产生的各种线性和非线性畸变，不可避免地会产生错码。为了可靠地传输信息，在通信过程中的每一过程都必须与干扰作斗争。根据不同的干扰特点，选择抗干扰能力 强的编（解）码方法；釆用各种抑制干扰的技术；采用分集的办法来抗衰落；釆用均衡技术抵消信道缺陷引起的畸变；釆用自适应技术来适应信道特性的变化以及增加发射功率等。水声通信技术的发展过程，就是不断地与这些干扰相抗争的 过程，随着人们对水声信道的不断深入了解，随着现代高速数字计算技术的出现 和发展，在水声通信领域中抗干扰研究已取得突破性进展。

在克服多途干扰的声传输系统设计上大体可分为两类：一类为发射信号的设计，选择信号的调制、解调方法，如mfsk、dpsk等；另一类为在发射器和接收器中信号处理结构上的设计，如选择阵列处理、采用均衡技术等。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。确定方案，完成开题报告。

第4－5周：熟悉掌握基本理论，完成英文资料的翻译，熟悉开发环境。

第6－9周：编程实现各算法，并进行仿真调试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]daniel b, kilfoyle and arthur b, baggeroer, "the state of the art in underwater acoustic telemetry," ieee j.oceanic. eng, vol.25(1):4-24,2000.

[2]arthur b.baggeror, "acoustic telemetry-an overview," ieee j. oceanic.eng,vol.9(4):229-235,1984.

[3]艾宇惠，水声数字通信研究，哈尔滨工业大学博士论文，1997.