水下声传感器网络 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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美肖扬 著

图书标签:

• 水下声学
• 传感器网络
• 无线通信
• 数据采集
• 信号处理
• 海洋工程
• 水下定位
• 网络协议
• 能量管理
• 海洋监测

店铺： 墨林阁图书专营店

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118079203

商品编码：29434166294

包装：精装

出版时间：2012-12-01

基本信息

书名：水下声传感器网络

定价：88.00元

作者：(美)肖扬

出版社：国防工业出版社

出版日期：2012-12-01

ISBN：9787118079203

字数：

页码：

版次：1

装帧：精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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肖扬等编著的《水下声传感器网络》研究水下声通信的基础问题，汇集了水下传感器网络领域的**进展，是世界范围内传感器网络领域杰出研究人员的集体结晶。本书包含12章共分5个部分，涵盖了水下传感器网络的各个方面，如关键研究问题、分簇问题、拓扑控制、路由协议，容错机制、时间同步、介质访问控制、软件和硬件问题、信道建模等，实际上书中所包含的内容远不止这些。我相信本书对有兴趣研究、开发、设计和应用水下传感器网络的研究人员、从业人员和学生是一份颇有价值的参考资料。

内容提要

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肖扬等编著的《水下声传感器网络》一书深入讨论了水下信道特征以及水下通信技术的相关内容，系统总结了水下声传感器网络(UW-ASNs)领域公认的发展难题，有针对性地提出了实现水下网络高效数据通信的有效方案。
　　《水下声传感器网络》对二维和三维传感器网络的结构进行了讨论，结合UW-ASNs领域的研究热点，详细阐述了水下传感器网络与陆地传感器网络问的显著区别；针对延迟不敏感和延迟敏感应用背景下的分布式路由协议进行了研究；提出了一种以信道利用率为表征的声场模型，实现了水下通信数据包大小的*设置。此外，本书还开展了如下研究： 针对水下环境特性，提出了有效的传感器通信协议。
　　研究了三维稀疏网络和密集网络的拓扑控制问题。
　　提出了新颖的分布式MAC协议，结合闭环分布式算法对*传输功率和*码长进行设置。
　　《水下声传感器网络》涉及路由、容错、时间同步、*分簇、介质访问控制、软硬件以及信道建模等内容，讨论了设计高效能多层协议的必要性，并对高性能信道访问与路由策略、高可靠性信息传递以及水下声传感器数据流控制等问题，提出了独到的见解。

目录

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章 水下传感器网络通信协议设计关键问题研究第2章 水下声传感器网络的佳分簇第3章 三维水下无线传感器网络的拓扑控制第4章 水下传感器网络的多路径虚拟汇聚节点结构第5章 ad-hoc网络和传感器网络容错性研究第6章 传感器网络及水下传感器网络中的时间同步第7章 水下网络MAC协议设计第8章 分布式拓扑水下声网络的动态A与基于MACA的协议第9章 水下传感器网络的MAC层0章 软件驱动水下传感器网络1章 具有智能、安全水声通信能力的低成本水下传感器节点的HW/SW协同设计2章 水下声传感器网络的通信建模

作者介绍

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文摘

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序言

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《深海秘语：水下声学感知与智能应用》 前言 浩瀚的海洋，覆盖了地球表面的绝大部分，其深邃的腹地至今仍笼罩着神秘的面纱。然而，隐藏在这片蔚蓝之下的是一个充满活力的世界，一个通过声音进行交流、探索和生存的独特生态系统。从鲸群的低沉吟唱到微小生物的细碎呢喃，声音是连接这片寂静水域的生命脉搏，是揭示其奥秘的关键钥匙。 随着人类对海洋资源开发、环境保护以及科学研究的日益深入，传统的水下探测方式已显现出其局限性。卫星遥感受限于穿透力，潜水器耗时耗力且成本高昂，而声学探测，凭借其在水介质中传播效率高、穿透性强以及信息丰富的特点，逐渐成为研究海洋环境、监控海洋活动、保障海洋安全不可或缺的关键技术。 正是在这样的背景下，《深海秘语：水下声学感知与智能应用》应运而生。本书并非仅仅聚焦于某一特定的设备或网络，而是致力于为读者呈现一个更为宏大和深入的视角，探讨如何构建智能化的水下声学感知体系，以及如何将这些感知到的信息转化为具有实际应用价值的智能解决方案。我们将深入剖析水下声学感知的原理，探索构建高效、鲁棒的水下声学网络的挑战与策略，并重点阐述如何 leveraging（利用）先进的人工智能技术，赋予这些感知网络“智慧”，使其能够理解、分析并响应复杂的水下声学信息。 本书的写作旨在为海洋科学研究者、水下工程技术人员、信息安全专家以及对海洋科技感兴趣的广大读者提供一个全面、深入的学习平台。我们希望通过系统的梳理和细致的讲解，帮助读者构建对水下声学感知技术及其智能化应用的深刻理解，并激发更多创新性的研究和应用。 第一章：水下声学环境的独特性与挑战 海洋，作为地球上最广阔的介质，其声学环境与陆地环境存在本质的区别。深入理解这些独特性，是进行有效水下声学感知的前提。 声波在水中的传播特性： 水的密度、温度、盐度和压力等因素都会显著影响声波的传播速度和衰减率。我们将详细分析这些参数如何相互作用，形成复杂多变的声场。例如，温度梯度产生的声波折射会形成“声学盲区”，而深度变化引起的压力影响则会改变声速剖面。 水下噪声源分析： 水下噪声是影响声学信号获取和分析的首要障碍。本书将详细分类和解析各种类型的自然噪声和人为噪声。自然噪声包括：海洋生物发声（如鲸、海豚、鱼类的鸣叫和咔哒声），海洋底部的海浪拍打、海底地质活动产生的低频噪声。人为噪声则更为复杂，包括：船舶航行（发动机、螺旋桨）、声纳探测、海底钻探、水下施工、石油天然气勘探等活动产生的声辐射。这些噪声源在频率、强度和时域分布上各不相同，对不同的声学应用构成不同程度的干扰。 水下声学信号的衰减与失真： 声波在水中传播过程中会经历吸收、散射和多途传播等现象，导致信号强度衰减、频率成分改变以及信号形状失真。我们将深入探讨不同频率下声波的吸收机制，分析海底、海面以及水体内部的散射效应，并阐述多途传播如何导致信号的干涉和拖尾，为后续的信号处理带来巨大挑战。 水下通信的特殊性： 与空气中无线电波的便捷不同，声波在水下的传输速率较低，带宽有限，且易受干扰。这使得传统的水下通信方式面临瓶颈。本书将重点关注在这些严苛条件下，如何实现可靠的水下声学通信，为水下节点的协作与信息交换奠定基础。 环境因素对感知系统的影响： 海流、海底地形、水体浑浊度等环境因素同样会对水下声学传感器的部署、数据采集和信号处理产生影响。例如，强海流可能导致传感器位置偏移，复杂的地形会引起声波的衍射和反射，浑浊的水体则会增加声波的衰减。 第二章：水下声学传感器的原理与技术 精确、可靠的水下声学传感器是构建任何声学感知系统的基石。本章将深入剖析各类传感器的核心工作原理，并探讨其在不同应用场景下的优势与局限。 压电传感器： 作为最常用的水下声学换能器，压电传感器利用压电效应将声压转化为电信号，或将电信号转化为声波。我们将详细介绍其材料选择、结构设计、灵敏度与指向性等关键参数。 电磁式传感器： 利用导线在磁场中切割磁感线产生电流的原理，这类传感器在特定频率范围内具有较高的灵敏度，特别适用于低频声学探测。 光纤传感器： 利用光纤的折射率随外界压力变化而改变的特性，光纤传感器在抗电磁干扰、高灵敏度等方面具有独特优势，尤其适用于海洋环境监测和军事应用。 生物声学传感器： 借鉴生物体（如鱼类侧线、哺乳动物的听觉系统）的声学感知机制，研究开发具有仿生特性的新型传感器，以期在特定场景下实现更高的感知效率和选择性。 阵列传感器的优势： 单一传感器存在方向性差、信息量有限等缺点。因此，声学阵列（包括线阵、圆阵、面阵等）的应用至关重要。我们将深入探讨阵列信号处理的基本原理，如波束形成（Beamforming），如何通过组合多个传感器的信号来提高系统的方向辨别能力、抑制噪声以及实现声源定位。 传感器的部署策略： 传感器的有效部署是获取高质量数据的前提。我们将讨论固定式、拖曳式、自主水下机器人（AUV）搭载式等不同部署方式的优劣，以及如何根据监测需求和环境条件选择最优的部署方案。 传感器的校准与维护： 传感器在长期水下工作后，其性能会受到环境因素的影响，需要定期的校准和维护。本章将介绍相关的校准方法和维护注意事项。 第三章：水下声学网络中的通信与协作 构建一个能够实现节点间信息共享和协同工作的网络，是发挥水下声学感知系统整体效能的关键。本章将重点关注水下声学通信的挑战与解决方案，以及网络节点间的协同机制。 水下声学通信的协议设计： 由于声波传输的低速率和高延迟特性，传统的无线通信协议并不适用。我们将深入探讨为水下环境设计的各种通信协议，包括MAC层（如TDMA, CSMA/CA的改进）、网络层（如基于多跳路由的AODV, DSR的变种）和传输层（如ARQ, FEC等纠错机制）。 多路径效应与干扰管理： 水下复杂的多路径传播会严重影响通信质量。本书将讨论如何通过信号处理技术（如均衡技术）和网络层面的协作（如选择性中继）来减轻多路径效应的影响。同时，也将探讨如何设计有效的干扰避免和对抗机制。 能量约束下的网络设计： 水下节点的能量供给是其续航能力的关键瓶颈。我们将分析能量消耗模型，并探讨低功耗通信协议、休眠机制以及能量感知路由等策略，以延长网络寿命。 节点的定位与同步： 在进行精确定位和协同探测时，网络中各节点的准确位置信息和时间同步至关重要。本章将介绍水下节点的三维定位技术（如声学定位、利用GPS与声学结合的混合定位）以及时间同步的挑战与解决方案。 异构网络的挑战与融合： 实际的水下声学网络往往包含不同类型、不同功能的传感器和节点，形成异构网络。我们将讨论如何实现异构节点间的兼容性、数据格式的统一以及信息的有效融合。 水下声学网络的拓扑管理： 网络的拓扑结构（如星型、链型、网状）对网络的性能有重要影响。我们将分析不同拓扑结构在水下环境下的适用性，并探讨动态拓扑的构建与管理策略。 第四章：水下声学信号处理与信息提取 从嘈杂的水下声学数据中提取有价值的信息，是智能化应用的基础。本章将系统介绍水下声学信号处理的核心技术。 降噪技术： 各种降噪算法，如谱减法、维纳滤波、独立成分分析（ICA）、小波变换等，将如何应用于去除水下噪声，提升信号的信噪比。 信号检测与识别： 如何在低信噪比环境下有效地检测和识别目标声信号，如船舶、潜艇、海洋生物等。我们将介绍匹配滤波、阈值检测、以及基于机器学习的检测方法。 声源定位技术： 精确确定声源在水下的位置是许多应用的核心。本书将详细讲解基于时差（TDOA）、幅差（DOA）以及多传感器协同定位等经典和现代的定位算法。 目标分类与识别： 区分不同类型的声源，是进行态势感知和信息分析的关键。我们将介绍基于声学特征（如频谱、时域特征）以及机器学习（如支持向量机、深度学习）的目标分类方法。 信道估计与均衡： 针对水下复杂信道引起的信号失真，本章将探讨各种信道估计和均衡技术，以恢复原始信号的完整性。 多传感器数据融合： 如何结合多个传感器获取的数据，通过分布式或集中式的方法，提高声源定位、目标识别等任务的准确性和鲁棒性。 第五章：人工智能在水下声学感知中的应用 人工智能（AI）的飞速发展，为水下声学感知系统的智能化升级提供了前所未有的机遇。本章将聚焦AI技术如何赋能水下声学应用。 机器学习在信号处理中的应用： 降噪与增强： 利用深度学习模型（如U-Net, GAN）自动学习噪声特征，实现更精细的降噪。 目标检测与识别： 训练卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）等模型，以高精度识别和分类水下声学目标，如识别不同型号的舰船、区分海洋哺乳动物种类。 异常事件检测： 利用无监督学习或半监督学习方法，检测水下异常声学事件，如非法入侵、设备故障等。 深度学习在声学成像与场景理解中的应用： 声学成像增强： 通过深度学习模型提高低分辨率声学图像的质量，或从低信噪比数据中重建更清晰的图像。 水下环境态势感知： 利用AI模型对声学数据进行综合分析，理解水下场景中的活动，如海洋生物的聚集区域、船舶的航行路径、潜在的危险区域等。 强化学习在网络优化与自主决策中的应用： 自适应通信协议： 利用强化学习动态调整通信参数（如传输功率、数据速率），以适应不断变化的水下声学信道。 智能路径规划： 为自主水下机器人（AUV）设计智能的声学探测路径，最大化信息获取效率，同时规避危险。 协同探测策略： 利用强化学习训练多个节点，使其能够自主协商并执行最优的协同探测任务。 自然语言处理（NLP）在声学信息分析中的应用（类比）： 虽然水下声学并非直接的自然语言，但我们可以类比NLP的思路，对复杂的生物发声序列进行模式识别和意义挖掘，甚至尝试破译海洋生物的“语言”。 AI模型的可解释性与鲁棒性： 探讨如何提高AI模型在水下声学应用中的可解释性，以及如何使其在复杂多变的水下环境中保持鲁棒性。 第六章：水下声学感知系统的实际应用 水下声学感知技术已广泛应用于国民经济和国防安全的多个领域。本章将通过具体案例，展示其强大的实际应用价值。 海洋环境监测与研究： 生物声学研究： 监测海洋生物的分布、迁徙规律、种群数量变化，研究其行为模式和交流方式。 海洋地质勘探： 利用声学技术探测海底地质构造、沉积层厚度、寻找海底矿产资源。 水体质量监测： 通过分析水下声学特征，评估水体的物理、化学和生物参数。 气候变化研究： 监测海洋声学环境的变化，研究其与气候变化之间的关联。 水下目标探测与识别： 国防安全： 侦察监视敌方舰船、潜艇活动，进行水下态势感知。 搜救行动： 定位失事船只、飞机残骸，搜寻失踪人员。 反恐与安保： 监测港口、重要航道的水下安全，防止非法活动。 水下基础设施的监测与维护： 海底管道与电缆监测： 监测其完整性，及时发现泄漏或损坏。 海上石油平台与风力发电场的安全监测： 监测水下结构物的状态，防止意外事故。 水下考古： 探测和定位水下古遗址、沉船，辅助考古研究。 水下通信与导航： 水下机器人（AUV/ROV）的导航与通信： 实现自主导航、远程遥控以及数据回传。 水下基站与节点间的通信： 支持水下数据网络的构建。 第七章：未来展望与挑战 尽管水下声学感知技术已取得显著进展，但面向更广阔的海洋探索和更智能的应用，仍面临诸多挑战，同时也孕育着无限的机遇。 智能化水平的持续提升： 结合更先进的AI算法，实现对复杂水下声学信息的更深层次理解和更精准的预测。 低功耗与长续航技术： 研发更高效的能量采集和管理技术，实现水下传感器网络的长期自主运行。 鲁棒性与可靠性： 应对极端水下环境带来的严峻挑战，提高感知系统的鲁棒性和抗干扰能力。 多模态信息融合： 将声学感知与其他感知方式（如光学、磁力、化学）进行融合，构建更全面的水下信息感知体系。 海洋大数据分析与挖掘： 建立大规模的水下声学数据库，利用大数据技术挖掘潜在的海洋规律和知识。 标准化与互操作性： 推动水下声学技术和网络的标准化，促进不同系统之间的互联互通。 伦理与安全考量： 在应用过程中，需充分考虑数据隐私、信息安全以及对海洋生态环境的影响。 结语 《深海秘语：水下声学感知与智能应用》力图为读者呈现一幅关于水下声学感知技术发展的全景图。我们相信，随着技术的不断进步和应用的深入拓展，这片神秘的蓝色星球将向我们揭示更多令人惊叹的秘密。我们期待本书能激发您对水下世界的好奇心，并为您的探索与创新之旅提供有益的启迪。 致谢 （在此处可以根据实际情况添加致谢内容，感谢在本书撰写过程中给予帮助的个人或机构。） 参考文献 （在此处可以列出书中引用的相关文献，以供读者进一步参考。）

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容编排逻辑性强得惊人，完全不像有些技术书籍那样东拉西扯，而是遵循着从宏观到微观、从基础理论到前沿应用的严密递进关系。我花了整整一个下午的时间来梳理它的章节结构，发现作者构建了一个非常扎实的知识体系框架。特别是关于信号处理那一块，作者似乎对现有主流算法的优缺点了如指掌，不仅列举了它们的数学模型，还详细分析了在不同海洋环境噪音背景下的实际适用性差异，这一点对我目前正在进行的项目非常有指导意义。相比于市场上那些只是罗列公式的书籍，这本书的价值在于它提供了大量的“为什么”和“如何做”的思考路径。唯一美中不足的是，书中某些关键算法的伪代码部分，如果能配上更现代的编程语言示例，比如Python或MATLAB的函数实现，对于工程实践者来说，会更加便捷和实用，现在这样纯理论的描述，在转化为实际代码时还是需要做一些额外的转换工作。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计实在是太吸引人了，封面采用了深邃的蓝色调，仿佛真的能感受到深海的神秘与静谧。拿到手里，纸张的质感也相当不错，拿在手中分量十足，让人觉得这绝对是一本用心打磨的专业著作。内页的排版清晰流畅，图表和公式的绘制都非常规范，看得出来作者在学术严谨性上是下足了功夫的。我尤其欣赏它在理论阐述上的深入浅出，虽然主题听起来非常高深，但作者似乎总能找到一种恰当的比喻或实例，将复杂的概念娓娓道来，即便是初涉这个领域的人也能大致把握住核心的脉络。不过，我对其中关于某些新型材料在极端水压下表现的论述部分，感觉略显单薄，也许是受限于篇幅，但如果能再加入一些具体的实验数据佐证，那就更加完美了。整体而言，这本书的视觉体验和初步的阅读感受，给人一种非常权威和值得信赖的感觉，让人对接下来的深入阅读充满期待。

评分☆☆☆☆☆

从学术研究的视角来看，这本书最大的贡献在于它提供了一个系统性的批判性分析框架。它没有盲目推崇任何一种现有的技术路线，而是像一个冷静的裁判员，对各种主流技术进行了多维度、多指标的横向对比和纵向剖析。读到它对“环境不确定性”的建模方法进行评述时，我深感震撼，作者精准地指出了当前多数模型在面对非平稳、强随机性的海洋噪声时所存在的内在缺陷。这种“批判即是进步”的治学态度，让人受益匪浅。这本书更像是一份高级的学术综述，它不仅仅是知识的传递，更是一种思维方式的培养，它引导着读者去质疑、去深入、去寻找更健壮的解决方案。如果说有什么可以改进的地方，那就是附录部分可以加入一个标准化术语表，因为书中涉及的缩写和专业名词密度非常高，方便读者快速查阅和记忆。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书的初稿部分（我指的是那些关于部署和维护的章节），我产生了一种强烈的现场感，仿佛自己正站在波涛汹涌的海面上，指挥着水下设备的布放工作。作者描述的那些实际工程中的“陷阱”和“坑点”，真实得让人心惊，比如传感器阵列在不同深度温跃层附近如何发生声波折射导致的定位误差，这些细节在其他教科书中是绝对看不到的。这表明作者绝非纸上谈兵，而是拥有丰富的实战经验。这些经验性的总结，对于避免我们在实际项目中走弯路，具有不可估量的价值。不过，在关于能源效率和长效续航的讨论上，篇幅似乎分配得不够充分，考虑到水下设备的维护成本极其高昂，未来如果能增加一个专门的章节，详细分析一下低功耗通信协议的选择和能耗优化策略，那这本书的实用价值会再上一个台阶。

评分☆☆☆☆☆

我不得不说，这本书的作者在某些特定领域的知识储备深不可测，尤其是涉及到海洋声学与信息传输的耦合机制部分，其论述的深度和广度远超出了我的预期。我之前一直困惑于跨频率干扰抑制的理论瓶颈，而这本书中提出的一个基于非线性动力学模型的解决方案，让我茅塞顿开，这绝对是这本厚重著作中最闪耀的亮点之一。作者没有停留在传统的傅里叶分析层面，而是大胆地引入了时频分析的新视角，使得原本模糊不清的边界条件变得清晰可辨。这种敢于突破现有范式、勇于探索未知领域的学术精神，是这本书最宝贵的财富。当然，对于刚接触这门学科的读者来说，直接跳入这部分内容可能会感到吃力，因为它需要读者具备一定的泛函分析基础，或许在导论部分增加一个“预备知识”的简要回顾会更友好一些，让不同背景的读者都能顺利过渡。