【文献精读】【通信】Theoretical Model and Experiments of Focused Phased Array for Cross-Medium Communication

文章地址：Theoretical Model and Experiments of Focused Phased Array for Cross-Medium Communication in Misaligned Transmitter/Receiver Scenarios

渣翻：《发射机跨水-空介质通信聚焦相控阵的理论模型与实验》

文章目录：

????????0. Abstract & Index Terms

????????1.INTRODUCTION

????????2.CROSS-MEDIUM FOCUSED PHASED ARRAY MODELING

????????A.Single Source

????????1)Underwater

????????2)Water-Air Interface

????????3)Air

????????B.Multi Sources

????????C.Sensitivity Analysis

????????3.SIMULATION OF CMFPA MODEL

????????4.EXPERIMENT SETUP

????????5.CMFPA MODEL VERIFICATION

????????A.Single Source

????????B.Multiple Sources

6.SISO AND MISO COMMUNICATION EXPERIMENTS

????????A.Varying Transducer Depth

????????B.Varying Deviation Distance

?????????7.CONCLUSION

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0. Abstract & Index Terms

文章主要涉及跨水-空介质的直接通信。?

首先作者们总结并分析了三种不同的跨介质通信系统，激光诱导声学（LIA）系统、视线（LOS）光链路和平移声学射频（TARF）系统。

然后作者们着重提出了一种跨介质聚焦相控阵（CMFPA）模型，通过多输入单输出（MISO）系统，可以提高跨介质通信质量。

关键词：声学、阵列、跨介质通信、毫米波。

本文术语：

LIA：激光诱导声学

LOS：视线光链路

TARF：平移声学射频

CMFPA：跨介质聚焦相控阵

1.INTRODUCTION

作者们先是总结了三种不同的跨介质通信系统，激光诱导声学LIA（laser-induced acoustic），视线光链路LOS（line-of-sight），平移声学射频TARF(translational acoustic radio frequency）；

a.激光诱导声学LIA系统中，水-空界面上方的激光发射器发出激光，加热水表面，将热能转化为声能，从而实现跨介质通信；问题在于，性能不太稳定，重复性差。

b.视线光链路LOS系统中，水-空界面两侧都有激光发射/接受器，激光穿透介质面，从而实现跨介质通信；问题在于，对水-空介质情况、发射接收器状态非常敏感。

c.平移声学射频TARF系统中，水-空界面下方的换能器发送声波冲击水-空界面，引起微小的振动，水面上的雷达能探测到这些微小的振动（微米级）；问题在于振幅太小了不显著，以及对雷达、换能器对准的要求高（不对准SNR低）。

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那么一个问题来了：在真实海洋环境中，发射/接收机其实挺难对准的。

（如下图Fig.1，发射/接收机没对准的典型情况，一个是单纯没对准，一个是水下潜器工作完要回去对准时不好对准）

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作者们就提出了一种跨介质聚焦相控阵（CMFPA）模型，来提高错位场景下的通信质量。

（如下图Fig.2）

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作者们做的主要工作：

1）作者使用了多个大功率水下源，如Fig.2。

其一，“多个大功率”可以提高空-水界面探测处（detecting area）的振幅强度；其二，“多个”可以使用时延的波束成型（beam-forming）得个角度可以使探测处变动。

2）作者在自由表面动力学和水面张力条件下仿真模拟了一下，（仿真结果笔者没看懂，原文It reveals that the interference phenomenon of water surface waves with two underwater speakers exists under the water surface tension condition, and disappears under the water surface tension condition. 好像是水面水波的振幅由于传播损失、反射损失和水面张力而随距离迅速衰减，这个符合先前提出的理论？）此外，经合适设计的阵列本身也能提高/扩大通信时界面处的振幅和探测区域。

3）在消声水池做了实验，结果表明阵控的MISO系统相较于SISO能够提高检测点的波幅，并在收发机不严格对准时能够进行通信。

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作者们的贡献：

1）推导了发射机/接收机错位时TARF系统的第一个理论CMFPA模型。

2）在自由表面动力学和水面张力条件下，模拟了不同构型的CMFPA引起的水面波的振动。

3）通过消声水池实验验证了CMFPA模型；与SISO系统相比，MISO系统具有良好的跨介质通信性能。

2.CROSS-MEDIUM FOCUSED PHASED ARRAY MODELING

本部分提出并分析了CMFPA模型。

A.Single Source

单个声源的模型如Fig.3，分为水下Underwater、水-空界面Water-Air Interface、空中Air几个部分

1)Underwater

水下声压公式

功率放大器增益为Gtx，方向性为DI，传感器对不同频率的修正系数Df，传播距离为r，P为源功率，ρ为水密度，c为水中声速，波束宽度为Θ，α为衰减系数

2)Water-Air Interface

界面处的波由两个波叠加成：一个是直接到达的声波，另一个是附近点受声波撞击后振动产

生的表面波。

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声波部分，由声波引起的水面微振幅波可以用线性小振幅波理论来模拟，

声波引起部分的振幅公式

pi是入射的声压，ω是微波的角频率；

ω由下式表征（这里引用了 Z. Lieshan, “Study on optical heterodyne detection technique of acoustic wave induced surface micro-waves,” Ph.D. dissertation, Instrum. Sci. Technol., Harbin Inst. Technol., Harbin, China, 2017.）

σ为水面张力系数，g为重力的加速度，ρ为水的密度，k为微振幅表面波的波数

（笔者注：这里的A(t)后边要用）

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表面波部分

由声波引起水表面的声学感应波（表面波）

在第i点处的声学感应波（表面波）为（如Fig.3(b)）

假设点i是坐标原点，并且（x2 + y2）^0.5是原点与其他点之间的距离。ω表示声信号的角频率，k表示波束。

考虑声波会激励探测区域内的所有点产生声学感应波（表面波），需对（4）式作叠加求和，并考虑噪声，有

（这里的δ后边要用）

3)Air

雷达向水面发送连续调频波（FMCW）来检测振动。

雷达接收到反射信号分为两个主要部分，一个是从由源引起的水面振动区域反射回来的波，另一个是从非振动区域的环境波反射回来的波。

但我们可以知道，垂直发送并反射的雷达信号应最早到达，其相位表示了当前的采样点。

λradar为雷达传输信号的波长，h为雷达与水面高度。

通过对时变相位信号φ(t)进行滤波和解调，可以得到原始的传输声信号。

B.Multi Sources

多个声源可利用时延的波束形成（beam-forming）

使用4元圆阵，布放如Fig.4

四个源传输信号的相位表示如下

从每个源传输的信号的时延为

来自单源（以A源（0,-d,-z）为例）的检测点信号可以表示为

其中δ和A(t)都是前面单源中得到的；

经叠加得到检测点总的信号

那么我们再代入到反射雷达的相位中就有

C.Sensitivity Analysis

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如何算探测到信号？

雷达垂直发射/接收（直接路径）后，接收到的信号强度过了检测阈，算作可以接收到。

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在忽略了水-空界面处的其他点的振动后，雷达接收到的相位可以表示为

或者（声源数为N）

3.SIMULATION OF CMFPA MODEL

这部分是不同情况下对CMFPA模型的仿真

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A.Simulation Under Free Surface Dynamics Conditions

在自由表面动力学条件下，对水-空界面进行仿真模拟

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B.Simulation Under Water Surface Tension Conditions

在水面张力条件下，对水-空界面进行仿真模拟的模拟

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C.Varying the Number of Arrays

改变阵元数的情况下，对水-空界面进行仿真模拟

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D.Varying the Distance Between Arrays

改变阵元间距离的情况下，对水-空界面进行仿真模拟

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E.Varying the Time Delay of the Signal Sent by the Acoustic Source

改变由声源发送信号的时延的情况下，对水-空界面进行仿真模拟

4.EXPERIMENT SETUP

作者们于消声水池进行了跨介质通信实验，装置如Fig.10，主要涉及水下发射系统和空中接收系统。

水下发射系统由个人计算机（PC）、声卡、功率放大器和水下发射机组成。PC产生的电信号经功放发送到水下发射机；水下发射器产生声信号，向水面传播，进而产生水面波。

空中接收系统由PC、捕获卡和毫米波雷达组成。雷达发送FMCW信号来检测水面波的振动，然后将采集到的数据收集到采集卡（Capture card），由采集卡发送到PC上进行信号处理。

5.CMFPA MODEL VERIFICATION

这部分将仿真结果与相应的实验结果作比较，为的是验证CMFPA模型（包括单源和多源）。

A.Single Source

SISO系统中，比较了仿真的水面振幅和实验的水面振幅；

结果如Fig.12，可以看到仿真和实验还是比较吻合的

B.Multiple Sources

MISO系统中，探测点布局如Fig.13，于空-水界面每隔20mm设置一个探测点，在每个探测点比较仿真的水面振幅和实验的水面振幅；

结果如Fig.14，可以看到仿真和实验还是比较吻合的

6.SISO AND MISO COMMUNICATION EXPERIMENTS

SISO系统在真实海洋环境中存在SNR低的问题；在MISO系统中，CMFPA可以用来增强水面波的振幅.

MISO系统中每个水下扬声器的功率是SISO系统的一半，也就是说，每次实验的MISO和SISO的总功率是不变的。

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A.Varying Transducer Depth

改变传感器深度进行实验

Fig.16是不同深度下的SNR

结论是MISO系统的 SNR优于SISO系统

B.Varying Deviation Distance

改变探测点偏差距离进行实验

Fig.17(a)是在MISO系统归一化信噪比和LFM峰值，

Fig.17(b)是在SISO系统归一化信噪比和LFM峰值，

Fig.17(c)是MISO和SISO系统的信噪比。

Fig.17(d)是MISO和SISO系统的LFM峰值。

结论仍然是MISO系统的SNR优于SISO系统

7.CONCLUSION

提出了跨介质通信的CMFPA模型，仿真并验证了CMFPA模型，分析了MISO相对于SISO的优势。

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