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海下科技研究所海下音傳實驗室
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水下通訊研究

水下通訊研究

    水下聲學是應用的科學,本實驗室為了將基礎之聲學物理研究應用於實際之需求上,研究方向亦包含了聲波通訊研究,並特別聚焦在水下通道(脈衝響應)之特性研究上,研究各種通道內之通訊成效。 

 

1.水平聲波通道特性與解調技術發展

首先,本實驗室使用中央氣象局媽祖計畫(MACHO, MArine Cable Hosted Observatory)佈放在頭城外海45公里遠之水下麥克風,針對該觀測站附近海域進行水下通道時空變異性估測與水下資料傳輸成效分析研究,實驗資料分析與數值模擬均顯示該觀測站附近之地形變化差異度大,加上水文之變化,使得水下通道特性有明顯的差異,其中跨越峽谷地形之通訊測線將因地形及水文影響而使訊號產生忽強忽弱之現象,影響通訊成效。針對移動式水下聲學系統在此海域之通訊應用,本實驗室利用合成孔徑通訊(synthetic aperture communications, SACs)概念分析通訊成效,結果顯示SAC方式可克服訊雜比不穩定之狀況,但需搭配有效的訊號設計,否則將會大大降低資料傳輸率。 11為對實驗資料進行SAC處理前後之訊號響應函數,原響應函數之主瓣/旁瓣比極低(藍線),經過SCA處理後可大幅提升(紅線),顯示SAC方式可有效消除訊號交互干擾。

 

 11對實驗資料進行SAC處理前(藍線)(紅線)之訊號響應函數比較

 

2.海面波浪對垂直通訊之影響

除台灣東北海域之水下通道特性研究外,本實驗室亦研究海面波浪對於垂直通訊通道之影響,由於聲波入射海面波浪時將因波浪之起伏而有反射波聚焦與發散之現象,此現象導致垂直通道有劇烈的變化,並且海面反射到達波將存在有明顯的都卜勒現象,造成通訊解調與等化上的困難。 12為實驗資料之時頻譜圖((a))與脈衝響應時變圖((b)),由圖中可明顯見到海面反射波造成通訊訊號在頻域上之干擾,本實驗室以理論推導說明此現象,而後接續建立簡化海面波浪模型,並以聲線法模擬聲波訊號受海面反射後之干擾情形,獲得了干涉訊號之時頻譜圖以及脈衝響應變化證實了本研究中所提出之干涉作用理論。

 

 12實驗量測資料之(a)時頻譜圖與(b)脈衝響應時變圖。

 

最後,本研究提出以被動式相位共軛法處理此通道內之訊號,可大幅降低其接收訊號變動性,並使都卜勒現象趨於穩定,證明被動式相位共軛處理有效降低通訊訊號受海面作用產生之都卜勒作用,將可提升通訊成效。

 

3.水下聲波通訊數據機發展

除了學術論文發表外,本實驗室自104年度起獲科技部補助,與三捷科技股份有限公司合作執行兩年期之產學合作計畫,針對台灣東部海域開發適用於深水海域之中程通訊用(2-6 km)水下數據機,並應用於對海床錨錠式探測系統之控制、定位、及重要資料傳輸。此計畫之執行主要分為水下數據機軟硬體建置與水下通訊通道特性掌握與匹配兩部份,在軟硬體開發部分,使用15 19 kHz 的載波頻率來進行通訊訊號傳遞,整合水下聲電換能器(Transducer) 與水下麥克風(Hydrophone)用來做發射與接受系統, 13為水下數據機之系統模組架構,系統中使用微控制器控制發射端與接收端之控制與處理( 14所示),而水下數據機系統之電子電路由本計畫與三捷科技共同開發。其次,本實驗室亦聚焦進行水下端技術發展,亦即物理實體層(Physical Layer)部分之掌握與匹配,包括水下訊號強度(SNR)預估、音頻選擇、調變及訊號處理方式選擇、等化系統演算、水下換能器校正、匹配、以及水下數據機測試等。期能透過此計畫幫助台灣水下技術之發展與水下通訊網路之實現,同時幫助台灣產業界能夠掌握水下數據機之關鍵技術。

 

 13水下數據機電路系統模組

 

 14、發射端MCU以及接收端MCU工作流程示意圖