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基于OFDM水声通信技术建立近海对潜通信系统的研究

作　者: 范庆宝
导　师: 郭勇
学　校: 成都理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 水声通信 OFDM技术水声信道模型节点路由转发器对潜通信系统
分类号: TN929.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

现代军事技术的发展带来了海洋军事技术的发展，同样的，海洋军事技术的发展也带动了水下通信技术的快速发展。世界各军事大国为了加强其在海洋军事领域的控制权，力图在未来的海上军事斗争和资源争夺中获得主动权，都纷纷发展潜艇技术，潜艇技术的发展也必然导致对潜通信技术的发展。对潜通信系统是近年来各军事强国各国争相发展和研究的一种先进通信方式。因此，研究一种先进的对潜通信系统对提高我国海上军事能力具有重要意义，也是国防现代化的需求。世界主要军事强国，如美国、英国、法国等主要西方国家，还有俄罗斯等前苏联国家，对潜通信技术在军事上已得到了广泛的应用。我国目前的对潜通信技术主要还是采用浮标通信等老的方式，在安全性和可靠性方面都比较差，我国目前还没有建立起比较好的对潜通信方式，如甚低频和极低频远程通信等。为了弥补这一空白，充分利用现代水声研究的先进技术，发展一套先进的对潜通信系统是一个必然的发展趋势。针对这一现状，本文以水声信道为系统信号传输的载体媒介，利用声波来传输信号，设计了一种针对我国近海防御系统总体规划的潜通信系统。本文研究设计的近海对潜通信系统可以通过水下发射/接收系统、水下路由转发器来实现指挥控制中心与潜艇和水面舰艇之间的通信。为保障战术需求，通过对信号的加密保证了信号的安全接收而不会被敌方破解。在战争状态下，由于整个对潜通信系统的整体性，就算其中一两个发射/接收基站被敌方摧毁，也能通过水下密集的发射/接收基站和路由转发器来保障对潜通信的需要，达到确保可靠通信的目的。在现代战争中，二次攻击能力是保证战争平衡的有效工具，在二次攻击能力的实施上，潜艇扮演着核心的角色。在我国目前的潜艇技术水平还不够完善的情况下，潜艇无法通过第一岛链的范围而积极的发展战略纵深。因此，战略防御是整个军事战争的主要方向，基于此，可靠的近海对潜通信是保障潜艇实时通信的最主要手段，有了可靠的近海对潜通信系统，在二次攻击的实施上就可靠的多，真正达到了威慑的目的。“基于OFDM水声通信技术建立近海对潜通信系统的研究”主体包括四大部分：陆地指挥控制中心、近岸发射/接收基站、节点路由转发器、潜艇。本文主要进行了水下声通信系统的研究。主要任务是研究利用声波的传播来实现地面陆地指挥控制中心与潜艇之间的可靠通信。为了保障潜艇与指挥控制中心的可靠通信，潜艇与水下发射/接收基站或节点路由器之间的距离不能超过200Km。本文从系统研究的必要性、国内外相关研究动态的分析利用以及系统研究思路和系统实现方法等方面入手，对整个系统的设计做了详细的基础理论分析和研究，总体遵循了先进性、安全性、可靠性等准则。对对潜通信系统的各部分进行了充分的原理分析，主要从作战性能和可靠性方面考虑，完成了系统的发射接收部分的硬件设计，达到了研究的目的。主要的研究工作包括：水声技术理论的研究；水声信道模型的分析了计算；OFDM基本原理的应用和分析；对潜通信系统的总体设计；对潜通信系统的硬件部分设计；收发系统指令编码设计；节点路由转发器设计等。取得的主要研究成果有：1.根据近海对潜通信系统的设计要求，分析声波在水中的传播特性，目前，声波在水下的通信距离已经达到200Km以上，这为对潜通信系统的设计提供了可靠性依据。2．完成了水声信道模型的理论计算。通过对水声信道模型的分析，在物理模型、数学模型、噪声模型、混响模型方面的分析计算，为实现近海通信系统的实现提供了可行性依据。3．实现近海对潜通信系统的总体方案设计。近海对潜通信系统由四部分组成，包括陆地指挥中心、近岸发射/接收基站、路由节点转发站、潜艇。其中近岸发射/接收系统是本文研究的核心。本系统设计方案的创新性和先进性主要表现为：1．系统设计方案基于声波的传播,传播距离达到200Km，通过引入节点路由转发器大大增强了针对潜艇通信的距离，扩展了作战半径。也填补了我国在这一领域的技术空白。2．通过引入OFDM正交频分技术，大大提高了系统的抗干扰性能，达到了实时稳定通信的目的。同时，通过信道均衡技术解决了码间干扰的问题。3．应用现代数字信号处理及电子控制技术，完成了近海对潜通信系统的整体硬件设计，提高了我国近海防御的水平。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-20
  1.1 引言  11-14
  1.2 国内外发展现状  14-18
    1.2.1 国外发展现状  14-18
    1.2.2 国内发展现状  18
  1.3 论文的主要研究内容  18-19
  1.4 论文的组织结构  19-20
第2章水声通信技术理论基础  20-38
  2.1 概述  20-21
  2.2 水声技术基础  21-25
    2.2.1 水声信道的声速和吸收  21-24
    2.2.2 水的边界对水声信号传播的影响  24-25
  2.3 水声信道模型的理论基础  25-33
    2.3.1 波动方程  26-27
    2.3.2 波动方程的数值解  27-28
    2.3.3 简正波理论  28-30
    2.3.4 射线理论  30-31
    2.3.5 多途展开理论  31
    2.3.6 快速声场理论  31
    2.3.7 抛物线方程理论  31-33
  2.4 海洋水声信道模型  33-38
    2.4.1 物理模型  34-36
    2.4.2 数学模型  36
    2.4.3 噪声物理模型  36-37
    2.4.4 混响模型  37-38
第3章 OFDM 算法与实现  38-47
  3.1 概述  38
  3.2 OFDM 基本原理  38-43
    3.2.1 OFDM 算法理论  39
    3.2.2 基本结构模型  39-41
    3.2.3 OFDM 的 FFT 实现  41-43
  3.3 OFDM 系统特征  43-47
第4章近海对潜通信系统的总体设计  47-58
  4.1 概述  47
  4.2 近海对潜通信系统的总体方案设计  47-51
    4.2.1 陆地指挥控制中心  48-49
    4.2.2 近岸发射/接收系统  49-50
    4.2.3 路由节点转发器  50
    4.2.4 潜艇发射/接收系统  50-51
  4.3 发射功率  51-52
  4.4 调制方式  52-54
  4.5 数据加密  54
  4.6 信道编码  54-56
  4.7 收发数据同步设计  56-58
第5章对潜通信系统硬件设计  58-64
  5.1 概述  58
  5.2 近岸发射/接收系统设计  58-59
  5.3 匹配功率电路设计  59-60
  5.4 换能器设计  60
  5.5 节点路由器转发器设计  60-61
  5.6 潜艇发射/接收电路设计  61-64
结论  64-65
致谢  65-66
参考文献  66-68
攻读学位期间取得学术成果  68

基于OFDM水声通信技术建立近海对潜通信系统的研究

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