一种空海跨介质直接双向通信方法

1.本发明涉及空海跨介质通信技术领域，具体而言，尤其涉及一种空海跨介质直接双向通信方法。


背景技术：

2.空海跨介质通信问题是海洋观测领域的关键问题，随着人们对海洋世界的不断探索，空海跨介质通信问题也变得日益重要。然而，在空中具有良好传输特性的无线电波在水下急剧衰减，在水下具有良好传输特性的声波无法突破海面传至空中，因此，若利用常用频段下的信号进行通信需要额外借助中继通信节点，从而产生诸多限制。
3.现有空海跨介质通信方法主要有三种：超长波通信、基于中继浮漂通信和基于auv的移动中继通信。超长波因其在空中与水下的低传输衰减特性及在水面的低反射特性而成为理想的空海双向通信媒介；然而，超长波通信系统天线尺寸巨大、易于暴露、难以部署、信息容量低，严重制约了其实际部署能力。近年来，支持无线与水声双模通信的海洋浮漂作为中继节点得到广泛部署，其工作原理如图1所示。进行通信的空海两终端需要在约定时间和位置将信号传入海面中继浮漂，由中继浮漂实现无线信号与声音信号之间的转化与发送，最后由无线通信节点和水声通信节点对各自信息进行接收。通信浮漂作为信息转发媒介高效地实现了观测数据传输及控制指令送达；然而，海洋浮漂中继节点可覆盖范围有限，易受风浪影响发生漂移，同时，不具备隐蔽性和灵活性，严重制约了其在军事、海洋观测等领域的应用。此外，基于auv的移动中继节点可潜入水下基于水声通信采集数据，之后浮上水面基于无线通信传输数据；然而，该方法在便捷性和工作效率等方面仍存在不足。


技术实现要素：

4.根据上述提出现有空海通信方法需要中继节点的技术问题，而提供一种空海跨介质直接双向通信方法。本发明利用了微波信号和声波信号在空气-水交界处的变化特征与传递信息之间的隐式对应关系，因此无需部署任何中继节点，能够克服已有空海跨介质通信方案中需要通信节点的不足。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种空海跨介质直接双向通信方法，包括：
7.空海下行传输阶段利用微波诱导的热声效应实现信息传输；
8.空海上行传输阶段利用声波激发的波动效应实现信息传输。
9.进一步地，空海下行传输阶段利用微波诱导的热声效应实现信息传输，包括：
10.无线通信节点发射调制后的高能量微波脉冲至海面；
11.基于热声效应使高能量脉冲在海面激发声信号并继续向海下传输；
12.水声通信节点通过捕获声信号解调下行信息。
13.进一步地，无线通信节点发射调制后的高能量微波脉冲至海面，包括：
14.编码器将空中原始信息编码为二进制数据流；
15.采用ook调制格式将编码数据流载入微波发射通讯节点，调制脉冲宽度设置1微秒，比特间隔设置为1毫秒；
16.发射天线根据调制信息向水面发射高能微波，编码数据流中的二进制单位“1”对应发射微波脉冲，编码数据流中二进制单位“0”对应不发射微波脉冲。
17.进一步地，水声通信节点通过捕获声信号解调下行信息，包括：
18.水下换能器根据单位时间内接收或没有接收声波的顺序判断发射二进制比特流的单元为“1”或“0”的顺序，进而对声信号完成解码。
19.进一步地，空海上行传输阶段利用声波激发的波动效应实现信息传输，包括：
20.水声通信节点发射调制后的声波信号至海面；
21.基于波动效应使声波在海面激发微弱水面波纹；
22.无线通信节点基于毫米波感知方法测量波纹信号解调上行信息。
23.进一步地，水声通信节点发射调制后的声波信号至海面，包括：
24.水下原始信息在频域编码为二进制数据流；
25.根据水下信噪比信息为子载波选择调制格式及发射功率，以提高水下信道的频带利用效率；
26.采用ofdm调制格式对子载波进行调制，已调信息转化为时域数据后载入水声换能器；水声换能器根据调制信息向海面发射调制声波。
27.进一步地，无线通信节点基于毫米波感知方法测量波纹信号解调上行信息，包括：
28.毫米波雷达向海面定向发射探测毫米波；
29.水下声波传达海面后激发波动效应，海面根据携带信息产生不同模式的波纹，对雷达探测波产生影响；
30.受不同模式波纹影响下的探测波在海面发生反射，被毫米波雷达接收；
31.对雷达回波进行去噪和滤波后使用随机共振方法放大微弱信号并提取相位信息；
32.接收器根据相位变化信息执行ofdm解调，从报头中提取信道信息和子载波调制信息，最后解码有效载荷。
33.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
34.1、本发明提出一种基于热声效应和波动效应的空海跨介质直接双向通信方法，该方法克服了现有空海通信方法需要中继节点的不足，解决了无中继条件下直接进行跨介质空海双向通信的技术难题。
35.2、本发明在空海通信过程中，本发明利用了微波信号和声波信号在空气-水交界处的变化特征与传递信息之间的隐式对应关系，因此无需部署任何中继节点，能够克服已有空海跨介质通信方案中需要通信节点的不足。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为利用中继浮漂进行空海跨介质通信原理。
38.图2为本发明空海跨介质直接双向通信方法工作流程图。
39.图3为实施例中空中指挥auv进行水下信息采集和回传的流程图。
具体实施方式
40.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
41.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
42.本发明公开了一种基于热声效应和波动效应的空海跨介质直接双向通信方法，包括：
43.s1、利用微波诱导的热声效应实现空中无线通信节点对海下水声通信节点的信息下行传输。具体包括：
44.s101、无线通信节点发射调制后的高能量微波脉冲至海面；
45.s102、基于热声效应，高能量脉冲将在海面激发声信号并继续向海下传输；
46.s103、水声通信节点通过捕获声信号解调下行信息。
47.s2、利用声波激发的波动效应实现海下水声通信节点对空中无线通信节点的信息上行传输。具体包括：
48.s201、水声通信节点发射调制后的声波信号至海面；
49.s202、基于波动效应，声波将在海面激发微弱水面波纹；
50.s203、无线通信节点基于毫米波感知方法测量波纹信号解调上行信息。
51.具体来说，本发明工作流程图如图2所示，整体上分为信息下行传输阶段和信息上行传输阶段两个阶段。信息下行传输阶段，空中源信息调制到由无线通信节点发射的高能量微波脉冲上，当微波脉冲传入水中，在一定范围内的水会发生热声效应，进而向水下辐射声波，在水下放置声波换能装置，通过接收的声波解码微波信号携带的源信息。信息上行传输阶段，水声通信节点发射由水下源信息调制的声波，声波传递到水面后会根据携带信息激发波动效应，产生不同模式的微弱波纹，无线通信节点利用毫米波雷达捕捉微弱波纹产生的相位变化，最后通过相位信息解码发射声信号携带的水下源信息。
52.具体来说，本发明中天线定向发射微波诱导热声效应传输信息的过程如下：
53.1)编码器将空中原始信息编码为二进制数据流。
54.2)采用ook调制格式将编码数据流载入微波发射通讯节点，调制脉冲宽度设置1微秒，比特间隔设置为1毫秒，以防止水下声波发生重叠。
55.3)发射天线根据调制信息向水面发射高能微波，编码数据流中的二进制单位“1”对应发射微波脉冲，会在水面产生热声效应进而激发声波；编码数据流中二进制单位“0”对应不发射微波脉冲，从而不会激发声波。
56.4)水下换能器根据单位时间内接收或没有接收声波的顺序判断发射二进制比特流的单元为“1”或“0”的顺序，进而对声信号完成解码。
57.进一步地，换能器发射声信号激发波动效应的过程如下：
58.1)水下原始信息在频域编码为二进制数据流；
59.2)根据水下信噪比信息为子载波选择调制格式及发射功率，以提高水下信道的频带利用效率；
60.3)采用ofdm调制格式对子载波进行调制，已调信息转化为时域数据后载入水声换能器；
61.4)水声换能器根据调制信息向海面发射调制声波，声波传达海面后，基于波动效应激发不同模式的波纹。
62.更进一步地，毫米波雷达感知波纹实现信号解码的过程如下：
63.1)毫米波雷达向海面定向发射探测毫米波；
64.2)水下声波传达海面后激发波动效应，海面根据携带信息产生不同模式的波纹，对雷达探测波产生影响；
65.3)受不同模式波纹影响下的探测波在海面发生反射，被毫米波雷达接收；
66.4)对雷达回波进行去噪和滤波后使用随机共振方法放大微弱信号并提取相位信息；
67.5)接收器根据相位变化信息执行ofdm解调，从报头中提取信道信息和子载波调制信息，最后解码有效载荷。
68.下面通过具体的应用实例，对本发明的方案做进一步说明。
69.实施例1
70.本实施例用于进行空中指挥auv进行水下信息采集和回传。系统配置如下：
71.1.高能量微波脉冲信号源；
72.2.3发4收4ghz宽带的77ghz毫米波雷达；
73.3.水声换能器；
74.4.编码调制器；
75.5.解调解码器；
76.6.auv。
77.空中指挥auv进行水下信息采集和回传任务：空中对水下auv发送信息采集指令，水下auv根据指令进行信息采集任务并将数据回传给空中接收设备。
78.本实施例空中指挥auv进行水下信息采集和回传任务流程如图3所示。空中指挥auv进行水下信息采集和回传任务的过程如下：
79.1)将待传指令输入编码调制器，以ook的调制格式将指令信息调制到微波载波上，调制脉冲宽度设置1微秒，比特间隔设置为1毫秒；
80.2)微波发射天线根据已调信息向海面定向发射高能微波脉冲，基于热声效应，微波信息经空气-水界面转化为声波信息，继续向水下传递；
81.3)水声换能器接收声波信息，由解调解码器对传输信号进行解调解码，将数据采集指令发送给auv；
82.4)auv根据采集指令执行水下信息采集任务，收集回传数据；
83.5)水下待传数据由编码调制器进行编码并进行传输优化，将编码数据采用ofdm的调制格式调制到水声换能器发出的声载波上；
84.6)基于波动效应，水面会根据声波携带的信息产生不同模式的波纹，毫米波雷达发出探测毫米波，对波纹的相位变化进行感知；
85.7)雷达回波经过去噪、滤波和增强后提取相位信息，解调解码器根据相位信息对水下回传数据执行ofdm解调，最终对接收信号进行解码。
86.对上述实施例的分析表明，本发明所提出的通信方法能够在无中继条件下使用常用频段的信号载波完成空海信息传输，能够摆脱中继节点的限制，实现一种便捷的空海跨介质直接双向通信方法。
87.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
88.在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
89.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
90.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
91.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
92.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
93.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围。