PowerPoint プレゼンテーション

Size: px

Start display at page:

Download "PowerPoint プレゼンテーション"

あきとしかたいわ
4 years ago
Views:

1 海洋分野における電気電子技術 ~ 水中音響通信に関する研究紹介 ~ 2018 年 7 月 19 日平成 30 年度第 2 回北見工業大学研究交流会北見工業大学電気電子工学専攻集積システム研究室吉澤真吾学外公開用にスライド資料を改訂しました

2 無線通信が利用される空間陸上 ( スマートフォン, テレビ ) 海上 ( 船舶 ) 上空 ( 航空機, ドローン ) 宇宙 ( 人工衛星, 宇宙探査機 ) 海中!? 潜水艦有人探査機 AUV ( 自律型無人潜水機 ) ROV ( 遠隔操作型無人探査機 ) 無線通信技術としては最も難しい ROV (BlueROV2) 写真は水中ドローン社パンフレット ( 製造元 bulerobotic.com) より引用

3 水中無線通信技術電磁波可視光音波通信範囲 10 m 30 m 2 km 伝送レート 100 kbps 10 Mbps 10 kbps 指向性広狭広通信方向水平空中鉛直水平鉛直妨害要因吸収減衰 ( 海水が導体 ) 濁度太陽光反射による妨害ドップラーシフト ASV 電磁波可視光音波それぞれの長所短所に応じて使い分ける ROV

4 水中音響通信の研究浅海域 ( 港湾 ) での水中音響通信技術の開発周囲から反射した音波が干渉 ( マルチパス ) 送受信機の相対速度の影響 ( ドップラーシフト ) 移動直接波遅延波周波数が変化マルチパスドップラーシフト

5 試験装置開発ハイドロフォン,PC, AD/DA, 増幅器で構成変復調処理や通信性能測定などをソフトウェア上で行う搬送波周波数 30~60 khz, 伝送レート 50 kbps 通信距離最大 3 km ハイドロフォン PC アンプ (D/A) ハイドロフォンアンプコンピュータ音波送受 PC アンプ (A/D) ハイドロフォン

6 装置開発の歴史 2014 年 2015 年上期 2015 年下期 2016 年 ~ 6

7 ハイドロフォン水中の音圧変化を電圧に変化するセンサ原理はマイクロフォンと同じで圧電素子を用いる逆変換 ( 電圧から音圧 ) も可能水中音響通信はハイドロフォンで音波を送受し電気信号で変復調を行う金属ケースゴム ( 音響インピーダンス整合 ) 音圧電圧変換圧電素子ハイドロフォンの構造 Aquarian Audio H1a

8 試験ソフトウェアプログラミングに詳しくない人でも試験が行えるように GUI 化研究では信号処理部での通信方式やアルゴリズムを改良する 8

9 マルチパス対策 (1) 周波数領域等化遅延波による干渉成分を周波数領域での除算で取り除く送信信号をインパルス信号としたときの等化例 H 1 (f) DFT{h 1 (t)} h 1 (t) 既知 ( トレーニング ) 信号 h 2 (t) H 2 (f) f IDFT{H 2 (f)/h 1 (f)} = δ(t) t 直接波遅延波 DFT{h 2 (t)} 未知信号 f 直接波 ( インパルス信号 ) を復元 t マルチパス下の受信信号周波数領域で各周波数毎に除算し, 時間領域に戻す

10 長遅延波の干渉対策マルチパス対策 (2) 信号切り出し位置を変えることで遅延波干渉を軽減遅延波の到来時間は未知なので受信タイミングをブランチとしたレイク受信を行う長遅延波周波数領域等化干渉成分が残る h 1 (t) h 2 (t) t t 長遅延波周波数領域等化送信信号を復元可能 h 1 (t+t ) h 2 (t+t ) t t 信号切り出し位置を前方にシフト

Amplitude Amplitude 水中音響伝搬測定港湾試験 (1) 遅延プロファイル測定の様子水平方向通信なので岸壁からの反射が顕著に表れる 0.5 送波器 Link B Link A 送波器受波器 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.

11 Amplitude Amplitude 水中音響伝搬測定港湾試験 (1) 遅延プロファイル測定の様子水平方向通信なので岸壁からの反射が顕著に表れる 0.5 送波器 Link B Link A 送波器受波器 Time (s) Link A Time (s) Link B 遅延プロファイル ( 縦軸は振幅 )

Data Rate [kbps] 港湾試験 (2) 従来方式と提案方式を同一信号処理部に実装しての比較提案方式が実伝送レートで約 2~5 倍向上させることを確認提案方式 C (100 m) B (80 m) A (40 m) 12 10 OFDM OFDM & DSRake 8 S2C Transmitter

12 Data Rate [kbps] 港湾試験 (2) 従来方式と提案方式を同一信号処理部に実装しての比較提案方式が実伝送レートで約 2~5 倍向上させることを確認提案方式 C (100 m) B (80 m) A (40 m) OFDM OFDM & DSRake 8 S2C Transmitter (TX) Receiver (RX) RX 6 4 SS E (180 m) D (140 m) Okhotsk Tower (Mombetsu, Hokkaido) 2 0 A B C D E TX Location 送受波器配置図 ( 北海道紋別市オホーツクタワー周辺 ) 実伝送レートの比較 ( フレーム誤り率を基に算出 )

13 ドップラー対策 (1) 従来技術音響通信装置が一定速度で動くときのみ提案技術音響通信装置が不規則に動くときにも対応不規則運動反射波 Time A Time B 移動方向直接波移動方向反射波従来技術 ( ドップラー広がり対応 ) 提案技術 ( ドップラー変動対応 ) 13

14 頻度ドップラー対策 (2) ドップラーシフトはばらつきの影響大不均一移動速度やマルチパスによる影響ドップラーシフト補正量をブランチとしたレイク受信を行う海域試験で観測した 1 フレーム内のドップラーシフトばらつき例 Sampling Conversion Branch Selector 60 Ratio Δ 1 Receiver 40 Ratio Δ 2 Receiver Data 20 平均最頻値 Ratio Δ 3 Receiver ドップラーシフト量 [Hz] リサンプリングレートをブランチとする

CNR [db] Speed [km/h] BER BER BER ドップラー試験音響通信装置を船で蛇行運動しながら牽引提案法は安定した通信を実現 1 10-2 Baseline 送信機 0 1 10-2 0 1 10-2 20 40 60 80 100 120 Resampling (P=0) 20

15 CNR [db] Speed [km/h] BER BER BER ドップラー試験音響通信装置を船で蛇行運動しながら牽引提案法は安定した通信を実現 Baseline 送信機 Resampling (P=0) Resampling (P=5) 従来法提案法受信機通信誤り (BER) が Frame Number 15

16 音波伝搬モデリング音響通信性能をシミュレーションで推定するにはマルチパス ( 多重反射 ) やドップラーを正確にモデリングする必要がある高精度な音波伝搬モデリングを行い実測と比較評価送信 (TX) 受信 (RX) t インパルス入力送信信号送信ハイドロフォン特性 x(t) 音波伝搬モデリング伝送路 a(t) h(t) n(t) 通信シミュレーション雑音インパルス応答 h(t) 受信受信信号 y(t) t

17 Distance [m] h(t) [db] Distance [m] h(t) [db] 測定試験インパルス応答をシミュレーションと実測結果で比較一致する異なる箇所での要因を考察 x 間隔 0.2 ~18.4 m (0.2m 刻み ) Time [ms] シミュレーション結果反射波の到来時間差 20 m 送波受波 y Time [ms] 実測結果 17

18 x [m] x [m] 通信性能の解析音波伝搬モデリングを用いて送受信機位置を変えたときの通信性能を評価音場サイズ送信機受信機位置を指定実効伝送レート [kbps] TX Source Receiver 横方向壁面反射率 y [m] A 鏡像法による音線追跡 TX A A B 横方向壁面反射率 y [m]

BlueROV2 この部分に音響装置を収納する予定 ROV 組み立ておよび実地調査 SIX VOICE 社 ( 屋号 :

19 水中ドローン組み込み型装置開発低価格水中 ROV ( < 100 万円 ) 水中 ROV を用いた新規事業が立ち上がり中水中撮影海洋工事調査学術調査委託など自分で組み立てカスタマイズ可能 (DIY) 測位装置高精度カメラソナーなど BlueROV2 この部分に音響装置を収納する予定 ROV 組み立ておよび実地調査 SIX VOICE 社 ( 屋号 : 水中ドローン社 ) Facebook より引用 19

20 まとめ海洋分野における電気電子技術新規技術で新しい産業が生まれる余地あり普及には低コスト化が重要水中音響通信に関する研究水中音響通信におけるマルチパスドップラー対策音波伝搬モデリング水中ドローン組み込み型装置開発 20

本　文

本　文卒業論文水中音響通信の実伝搬測定に関する研究北見工業大学工学部電気電子工学科集積システム研究室加藤万誉 2016 年 2 月 24 日目次第 1 章はじめに... 2 1.1 研究背景と目的... 2 1.2 本論文の構成... 2 第 2 章水中音響伝搬特性の計測... 3 2.1 インパルス応答... 3 2.2 遅延プロファイル... 3 2.3 TSP と M 系列... 4 2.3.1