基于Duffing振子的水下电流场通信技术研究

【摘要】：随着人类社会的发展,海洋对国家发展的重要价值受到越来越多的关注。中国拥有约470万平方公里的领海海域和接近2万公里的大陆海岸线,不仅含有丰富的水下资源,同时也带来诸多海洋安全问题,而水下无线通信技术是进行水下环境探索、开发和保护的必要技术之一。目前水下无线通信技术大致有水下光通信、水声通信、电磁波通信和电流场通信几种方式,其中电流场通信因为其灵活性高、受环境因素影响较小等优势而备受关注。电流场通信的原理是发射端在传输介质中激发变化的电场,而接收端利用电偶极板来感应电场的变化进而获取信息。然而接收端接收到的电压强度非常微弱,因此为提升通信距离,本文计划应用Duffing系统来对低信噪比数字调制信号进行接收与解调。Duffing振子系统本身具有非常优秀的检测特定频率小信号的能力以及带外信号滤除能力,而在水下通信中,高频噪声容易被海水吸收,因此背景噪声相对较为干净,而这种环境适合使用对参数敏感的Duffing振子系统。本文在分析水下电流场通信特点的基础上,利用计算机对Holmes型Duffing振子方程的动力学特性和参数敏感特性作了较为全面的仿真分析,着重讨论了该系统对于高斯白噪声的抵抗能力,并且针对该振子输出信号的特点,提出基于相图分割思想的矩形域分割法,相较于其他方法计算量更小且判别速度更快。本文构建了以Duffing方程为核心的低信噪比数字信号接收解调的系统结构,对该解调结构的性能作了简单分析,验证了其接收检测低信噪比信号的优异能力。同时本文提出使用BP(Back-Propagation)神经网络构成判决器,利用神经网络对信号特征的学习特性来对矩形域分割器输出信号作二值判决,并通过计算机仿真证实了这种方法的优势。