水声通信系统使用传统的声压水听器接收信号, 无法获得水质点的振速信息。该文研制了直径为38 mm、高为46 mm的同振型矢量水听器, 可以同步共点地获取水质点的声压信息与振速信息, 解决水声通信系统对8~13 kHz的信号获取不全面问题。矢量水听器内部采用专门设计的一种共用惯性质量块的一体化三维加速度传感器, 空间3个轴向的灵敏度均大于328.0 pC/g(g=9.8 m/s2)。采用PZT-5压电陶瓷圆环作为矢量水听器的声压通道, 研制了具有x、y、z通道和声压p通道的矢量水听器样机, 并在水池中对矢量水听器样机进行测试。测试结果表明, 10 kHz处x、y、z通道的声压灵敏度级均大于-172 dB(0 dB参考值1 V/μPa), 且具有良好的余弦指向性; 声压通道灵敏度级达到-198 dB, 可以用于水声通信中8~13 kHz信号的获取。

结合实测的激光致声信号时频域特性,提出了一种基于频域能量检测器的新型水下脉冲激光声信号检测方法,并分析了不同频率激光声信号的衰减特性。针对远距离条件下高频信号衰减严重的问题,在频域能量检测器的前端添加了预补偿滤波器。蒙特卡罗仿真结果表明,带预补偿滤波器的频域能量检测器可以有效提高远距离下激光声信号的检测性能。

水下通信是无线传输的一个关键研究领域,而声音信号是目前水下通信的最佳候选者。正交频分复用(OFDM)技术有助于在水声(UWA)信道上进行数据高速率传输。文章提出了一种在UWA信道中的基于分数傅里叶变换(FRFT)的OFDM系统, 并且在不同子载波数量、调制方案以及多普勒频率条件下将其与传统OFDM系统进行了性能对比和评估。研究结果表明, 尽管FRFT的计算顺序与快速傅里叶变换(FFT)相同, 但在所有多径场景下, 基于FRFT的OFDM系统的性能都优于传统OFDM系统, 且满足UWA信道对系统复杂度低和功耗小的需求。

针对开放式海洋环境通信特点,分析海气信道下行传输激光致声机理,提出基频可调激光跳频水下声通信方法,探讨激光跳频信号帧结构与信号传输特征。通过前导码间隔识别激光重频变化规律,研究水下传输的噪声信号与致声信号的频谱特性及分离方法,构建实验测量系统。实验结果表明,选择合适的下行光路光学结构可获得不同的致声能量效率。采用基频可调的ASK编码激光跳频通信能保证通信信息传输的安全性。在空海开放信道及弱信号环境下可满足数字信息的有效传送,为海洋通信提供新的技术途径。

为研究空中平台与水下目标之间的激光声通信技术，提出了一种热膨胀机制下采用高重复频率激光进行水声通信的方法(重复频率法)。理论推导了高重复频率激光产生窄带声信号的过程，并通过实验测量进行了验证。利用高重复频率激光产生了频移键控(n-FSK)和多频移键控(n-MFSK)两种频移键控信号，结合现有激光器的技术指标，针对不同调制信号的水下通信距离、占用带宽、传输速率进行了分析计算，并与现有的方法(长脉冲法)进行了比较。结果表明，n-MFSK调制的传输速率比n-FSK调制的更快，频带利用率更高，但水下通信距离不及n-FSK调制；同为n-FSK调制，重复频率法的水下通信距离为1000 m，比长脉冲法高40%，通信性能优于长脉冲法。