远程低频水声通信系统的流噪声分析及其与误码率的相关性研究

The low-frequency underwater acoustic communications are one of the significant means to realize the long-distance wireless communications underwater. Extensive applications have reached to oceanographic survey and research, environmental monitoring, military services, et al. However, flow noise has severely restricted the transmission distance of low-frequency underwater acoustic communications. This project studies the flow noise adopting the methods of theoretical analysis, numerical modeling, and water tank experiments. It derives and simulates the flow field around hydrophones and studies the probability density function, power spectral density of flow noise under different shapes of hydrophones with various motion parameters. It aims to unveil the mechanism between the flow noise and the bit error rate in underwater acoustic communications. The project will mainly focus on 1) the flow noise under different shapes of hydrophone with various motion parameters based on Lighthill acoustic analogy theory and large eddy simulation and, 2) the correlation between the flow noise and the bit error rate in single-carrier low-frequency underwater acoustic communications based on the statistic theory, 3) the experiments in anechoic water tank to verify the results. The results of this project can provide the theoretic basis in terms of noise for the improvement of long-distance and low frequency underwater acoustic communications performance.

低频水声通信是实现远距离水下无线通信的一种重要方式，在海洋科考、环境监测及军事等领域应用广泛。流噪声是制约低频水声通信传输距离的重要因素之一。本项目以流噪声为研究对象，采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法，通过对水听器周围的流场模拟分析，研究水听器外形参数、运动参数下水听器流噪声概率密度函数、功率谱密度等特征，揭示流噪声对水声通信误码率的影响机理。研究内容包括：1.基于声学类比理论和大涡模拟方法，研究水听器不同外形参数、运动参数下的流噪声；2.基于统计学理论，选取具有代表性的单载波低频水声通信系统，研究流噪声与低频水声通信误码率相关性；3.开展消声水池实验，验证基于流场仿真的流噪声信号的正确性及水声通信误码率的理论和仿真结果。本项目的研究成果可为提升远程低频水声通信性能提供噪声方面的理论基础。

当前，水下系统的多样化和尖端化发展趋势迫切要求水声远距离通信性能有更大的提升。但是即便声波这种目前已知的可以在水中传播信息的最有效载体，依然面临巨大挑战。在远距离水声通信的研究中，水下噪声不可忽视。以往的流噪声及其对水声通信影响的研究主要以充油的拖曳线列阵声呐为研究对象，目前还缺乏对低频水声通信系统中小尺度的单个裸露水听器流噪声的研究。鉴于此，本项目通过分析水听器周围的流场，采用计算流体力学大涡模拟法数值模拟不可压缩粘性流流动，并借鉴较为成熟的声学类比理论开展低频水声通信系统水听器流噪声研究。.项目研究内容包括：（1）基于声学类比理论和大涡模拟方法，研究水听器不同外形参数、运动参数下的流噪声；（2）基于统计学理论，选取具有代表性的单载波低频水声通信系统，研究流噪声与低频水声通信误码率相关性；（3）开展消声水池实验，验证基于流场仿真的流噪声信号的正确性及水声通信误码率的理论和仿真结果。.项目重要结果和关键数据如下：（1）水听器流噪声产生机理及预报方法研究：进行基于大涡模拟的流场仿真，结果显示水听器后方形成的涡并伴有涡脱落是产生流噪声的主要因素之一；基于FW-H声学模型进行流噪声计算，结果表明水听器流噪声与来流速度、水听器外形参数和水听器运动姿态有关。（2）水听器流噪声对水声通信误比特率影响的研究：数值模拟与消声水池实验结果表明，流噪声对低频率载波影响较大。流噪声能量主要集中在500Hz以内。对比MMSE均衡器，自适应DFE均衡器对抗流噪声的性能提升很多。（3）在浙江大学舟山校区的消声水池开展多次水听器拖曳实验，结果表明采用大涡模拟和声学类比法进行流噪声的预测有较高的可靠性。.本项目的研究成果可运用到各类水听器上，为水声通信机提供低流噪声的水听器，提高水声通信的距离和质量。在海洋科考、环境监测等海洋工程中应用，能够为海洋战略开发赋能，加强海洋环境监测和势态感知能力，具有重要的工程价值和意义。