交互式海底地震仪中水声通信关键技术研究

  布放海底地震仪（Ocean Bottom Seismograph, OBS）进行海底天然地震观测是开展海底深部结构探测、海洋资源勘探和灾害防御等相关研究的重要手段。为了提高OBS数据质量与回收率，在OBS的研发过程中提出了“交互式”的概念。交互式OBS中的水声通信技术涵盖了仪器回收、定位、信息回传等功能，其设计的重点难点在保证通信系统的稳定性。本文对水声通信、声学定位算法展开了研究，并设计和测试了一套满足交互式OBS水声信号处理的硬件平台。

  海洋环境十分复杂，水声信道传播损失大、海洋环境噪音高、多径效应严重。本文结合水声信道特点与OBS应用需求，采用两种通信体制并存的方案——直接序列扩频频移键控体制用于传输重要指令，差分相移键控体制进行高速信息回传。同时为了抵抗多径干扰与噪音的影响，本文详细介绍了扩频系统与信道均衡的原理，并进行了仿真与实现。

  在水声信号收发机的软硬件设计方面，本文使用STM32作为主控与信号处理芯片，设计并实现了适合微弱水声信号的检测与调理的增益可调水声信号接收机，通过实验测试验证了接收机的功能；在发射端，研究了换能器的等效电路，实现了功率放大器与换能器的阻抗匹配。

  本文还进行了软件、硬件、算法联调测试。在室内实验中，扩频频移键控体制在通信速率为50bps时误码率几乎为0%；使用通信速率为500bps的差分相移键控体制传输地震波波形，均衡后相距30m处的误码率为1.81%。实验过程中，实现了一种依靠谱峰搜索的二次同步方法，有效降低了丢帧率。

  OBS海底定位对保障数据质量与仪器安全回收有着重要意义，因此本文在最后给出了利用换能器阵列进行波达方向估计的方法。通过仿真实现了在均匀线阵和圆阵下波束成形、Capon、多重信号分类三种估计算法，并对比了三种算法性能，其中信号分类算法有着较高的分辨力和估计表现，为OBS海底定位的实现提供了理论基础。

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