可远程遥控的水声信号发射装置

1.本发明涉及水声通信技术领域，特别涉及一种可远程遥控的水声信号发射装置。


背景技术：

2.水声通信是利用水声信号通道进行数据或控制信息的传输。自二战以来，水声通信已成为水下军事设备进行通信所必不可少的技术之一。1945年，美国研制出第一套运行良好的水下电话系统，它在8～11khz的频带中采用了单边带压缩载波调制,可以在几公里的距离上进行语音通信。随着通信领域技术的飞速发展,水声技术作为一门综合学科集成了数字信号处理、移动通信、软件无线电、计算机技术上所取得的所有新成果，而这些新技术的应用更促进了水声技术的飞速发展，由于海洋信号通道的复杂性，水声技术也是当代最复杂的技术之一，因此，水声技术也成为当前研究的一个热点领域。
3.水声信号发射机是主动声纳设备中非常重要的一部分，传统的水声信号发射机存在以下缺陷：体积大、调试难度大、必须现场控制从而限制了信号发射机的便利性、特别是难以应对船舶的漂移和多变的海洋信道等复杂环境导致信号质量不佳等等。
4.进一步来说，普通的无线通信方案难以应对海上通信环境的复杂性与多变性，船舶在海上航行时，海浪会导致船舶上下起伏与左右摇晃，影响船舶的相对高度，致使收、发天线之间角度变化。然而，天线增益又会随着角度不同而变化，造成接收信号强度随海况改变，甚至导致通信链路中断。目前如果要加强无线链路质量往往采用较大的无线增强功率或天线高度，这在海上作业时很难实现，且成本高昂。此外，由于海上通信环境恶劣，传统无线通信方案无法同时控制多个水声信号发射装置并保持无线链路的高质量和稳定性，传统单一的通信方案无法应对船舶的漂移和多变的海洋信号通道环境。
5.因此，本发明提供一种可远程遥控的水声信号发射装置，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种可远程遥控的水声信号发射装置，其包括远程控制端、发射端以及发射换能器。
7.远程控制端连接发射端，发射端连接发射换能器。远程控制端用于传输第一信号至发射端；发射端用于将第一信号转换成第二信号，并传输第二信号至发射换能器；发射换能器用于将第二信号转换成第三信号，并将第三信号发出。其中，发射端内嵌入有q-learning算法，发射端基于q-learning算法能够加强远程控制端与发射端之间的连接，并且还能够增强第二信号的发射。
8.在一些实施例中，所述第一信号是发射数字信号，所述第二信号是发射模拟信号，所述第三信号是发射声音信号。
9.在一些实施例中，所述发射端包括控制器、数模转换器以及可调功率放大器，所述数模转换器连接所述控制器，所述可调功率放大器连接所述数模转换器，其中，所述发射数字信号是先由所述数模转换器进行解码，将所述发射数字信号转换成发射模拟信号并将所
述发射模拟信号传输至所述可调功率放大器，所述可调功率放大器将所述发射模拟信号依照设定参数进行放大，再将放大后的发射模拟信号传输至所述发射换能器，所述发射换能器将发射模拟信号转换成发射声音信号，以在水下完成发射。
10.在一些实施例中，所述q-learning算法是嵌入于所述控制器内，所述q-learning算法包括下列公式：
[0011][0012][0013][0014]
其中，定义两个节点i和j之间的链路可靠性因子为p
i,j
，l
p
为信号传输功率损耗，pi和pj分别表示发射节点i和j的功率，λ表述传输波长，hi和hj分别表示节点i和j的天线高度。
[0015]
在一些实施例中，所述q-learning算法还包括下列公式：
[0016]
q(s,a)＝(1-α)q(s,a) α[γmaxq(s',a') r]
[0017]
reward＝β1·
r1 β2·
r2[0018]
其中，α为学习率，γ为权重因子，reward为奖励因子，r1和r2分别是连接发射船的可靠性因子和传输功率损耗的奖励值，β1和β2分别是r1和r2的权重因子，a表示每个发射装置的动作集合{a1，a2}，a1表示动作为热点发射，a2表示动作为局域网连接，s表示每个发射装置的状态集合{s1，s2，s3}，s1表示热点发射状态，s2表示局域网连接状态，s3表示同时热点发射和局域网连接状态。
[0019]
在一些实施例中，所述发射端还包括变压器，所述变压器连接所述可调功率放大器。
[0020]
在一些实施例中，所述发射端被密封箱包裹，所述密封箱的材料为高分子聚合物，所述控制器、所述数模转换器、所述可调功率放大器以及所述变压器均集成在所述密封箱中，所述密封箱设有外部接口，以外接电源。
[0021]
在一些实施例中，所述控制器是树莓派控制器。
[0022]
在一些实施例中，所述远程控制端是智能终端。
[0023]
在一些实施例中，所述远程控制端是通过无线链路与所述发射端建立连接。
[0024]
本发明一实施例提供的一种可远程遥控的水声信号发射装置，通过远程控制端、嵌入有q-learning算法的发射端以及发射换能器的搭配设置，可以实现远程操控水声信号发射装置，解决传统水声信号发射机需有线连接、无法远距离、只能单个作业和无法全天候工作的问题，并且可以保持无线链路的高质量和稳定性，能够应对船舶的漂移和多变的海洋信道等复杂环境。
[0025]
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书等内容中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0026]
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作一简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
[0027]
图1是本发明可远程遥控的水声信号发射装置的结构示意图；
[0028]
图2是密封盒及其内部元件的结构示意图；
[0029]
图3是本发明多个发射船之间的链路连接示意图。
[0030]
附图标记：
[0031]
10-水声信号发射装置；12-远程控制端；14-发射端；142-控制器；144-数模转换器；146-可调功率放大器；148-变压器；16-发射换能器；18-密封箱。
具体实施方式
[0032]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。
[0034]
请参阅图1，图1是本发明可远程遥控的水声信号发射装置10的结构示意图，图2是密封盒及其内部元件的结构示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明的一实施例提供一种可远程遥控的水声信号发射装置10。如图中所示，可远程遥控的水声信号发射装置10包括远程控制端12、发射端14以及发射换能器16。远程控制端12连接发射端14，发射端14连接发射换能器16。
[0035]
远程控制端12用于传输第一信号至发射端14；发射端14用于将第一信号转换成第二信号，并传输第二信号至发射换能器16；发射换能器16用于将第二信号转换成第三信号，并将第三信号发出。通过将信号多次转换，以形成适用于在水下传播的信号，可以有效保证信号的收发。其中，发射端14内嵌入有q-learning算法，发射端14基于q-learning算法能够加强远程控制端12与发射端14之间的连接，也就是减少海况对无线链路(远程控制端12与发射端14之间是通过无线链路进行连接)传输质量的影响。此外，发射端14基于q-learning
算法还能够增强第二信号的发射。
[0036]
在本实施例中，第一信号是发射数字信号，第二信号是发射模拟信号，第三信号是发射声音信号。发射端14包括控制器142、数模转换器144以及可调功率放大器146。数模转换器144连接控制器142，可调功率放大器146连接数模转换器144。发射数字信号是先由数模转换器144进行解码，数模转换器144用于将发射数字信号转换成发射模拟信号，再将发射模拟信号传输至可调功率放大器146；可调功率放大器146将发射模拟信号依照设定参数进行放大，再将放大后的发射模拟信号传输至发射换能器16；发射换能器16将发射模拟信号转换成发射声音信号，以在水下完成发射。其中，数模转换器144能够增强信号传输，降低电流噪声对发射数字信号的干扰，体积小巧，对信号优化效果好。
[0037]
本实施例是采用可调功率放大器146，摒弃传统水声信号发射机的固定功率放大器，并且可通过控制器142对功率放大器的放大倍数进行实时调节，使用灵活，放大效果好。
[0038]
所述远程控制端12是智能终端，如手机终端、电脑终端、智能手表等，只需进行较小适配即可，便于远程控制。所述控制器142可以是树莓派控制器142，利用树莓派自身计算性能，可将q-learning算法进行嵌入式实现，对信号发射进行增强，减少海况对无线链路传输质量的影响；并且，通过q-learning算法可实现最佳信号连接质量下的最佳发射功率，减少能量无谓的损耗，增加水声信号发射装置10的续航时间，无线链路传输质量越高，其对应的误码率越低，链路可靠性越高；另一方面，通过q-learning算法对无线连接进行优化，有助于远程控制端12与控制器142之间寻求到最优传输信号通道。具体的q-learning算法将在下方段落阐述说明。
[0039]
远程控制端12是通过无线链路与发射端14建立连接。举例来说，发射端14与远程控制端12可以有2种连接工作方式。第一种是树莓派(控制器142)自身发射热点信号，远程控制端12(如pc端、mobile端ios/android等)直接连接热点来登陆控制系统；另一种是树莓派接入经无线信号放大器放大的局域网，借助无线信号放大器能够增加控制距离，所有接入相同局域网的控制设备，都可以访问固定的ip地址来登录控制系统，也就是可以通过远程控制端12控制树莓派发射声音信号输出。此外，经过二次开发的树莓派可通过控制端的webui进行软关机，保护内部电路，区别于传统树莓派的直接断电关机，降低集成电路使用寿命。所述控制系统连接快捷，操作简单。还可接入无线信号增强器，使之可被接入相同局域网的控制端连接，以增加控制距离。
[0040]
所述的q-learning算法是嵌入于所述控制器142内，本案的q-learning算法针对于多个海上水声信号发射装置10通信的应用做了创新改进，具体来说，q-learning算法包括下列公式：
[0041][0042][0043]
[0044]
其中，定义两个节点i和j之间的链路可靠性因子为p
i,j
，l
p
为信号传输功率损耗，pi和pj分别表示发射节点i和j的功率，λ表示传输波长，hi和hj分别表示节点i和j的天线高度。
[0045]
q-learning算法中还包括下列公式：
[0046]
q(s,a)＝(1-α)q(s,a) α[γmaxq(s',a') r]
[0047]
reward＝β1·
r1 β2·
r2[0048]
其中，α为学习率，γ为权重因子，reward为奖励因子，r1和r2分别是连接发射船的可靠性因子和传输功率损耗的奖励值，β1和β2分别是两者的权重因子，可根据实际需要设置权重因子大小。a表示每个发射装置的动作集合{a1，a2}，a1表示动作为热点发射，a2表示动作为局域网连接，s表示每个发射装置的状态集合{s1，s2，s3}，s1表示热点发射状态，s2表示局域网连接状态，s3表示同时热点发射和局域网连接状态。综上，构成一个q值表，如下：
[0049]
q-talbea1a2s1q(s1,a1)q(s1,a2)s2q(s2,a1)q(s2,a2)s3q(s3,a1)q(s3,a2)
[0050]
假设海上有n个信号发射船，各信号船由于距离和船舶摇摆情况不同，其无线连接质量也有很大差异，以综合链路的可靠性因子和功率损耗为参考标准，链路可靠性因子越高，通信质量越高，reward奖励值越高；进行训练后，得到q值表，q值受当下状态和对未来估计的奖励值所影响。可根据实时海洋状况选择q值最大的路径进行传输，提高传输质量。
[0051]
举例来说，若在海上布置4个发射船n1、n2、n3、n4，各发射船的距离如图3所示，每个水声信号发射装置10的无线信号发射功率约为50mw，每个接收机的接收信号功率由于传输过程的衰减效应而不同，设每公里信号衰减的功率为p1，由于各天线发射功率相同，而天线接收灵敏度主要受海况情况影响，当海况较差受风浪影响较大时，可靠性因子p
i,j
为0.1，海况较好时为0.8，其余情况为0.2和0.6，设n1、n2的可靠性因子p
i,j
为0.8，n3为0.2，n4为0.1，以n1为起点，下一个节点可以选择n2或n3或n4，在本例中以链路稳定性为主，可设可靠性因子的权重因子β1为0.7，功率损耗的权重因子β2为0.3，统一设定可靠性因子的奖励值为其本身，功率损耗为其实际损耗的负值。
[0052]
根据可靠性因子
[0053]
reward＝β1·
r1 β2·
r2[0054]
求得陆上节点连接n1，reward(0,1)＝0.8
×
0.7-p1
×
0.3＝0.56-0.3p1
[0055]
n1连接n2，reward(1,2)＝0.8
×
0.7-1.6p1
×
0.3＝0.56-0.48p1
[0056]
n1连接n3，reward(1,3)＝0.2
×
0.7-2p1
×
0.3＝0.14-0.6p1
[0057]
n2连接n3，reward(2,3)＝0.2
×
0.7-1.1p1
×
0.3＝0.14-0.33p1
[0058]
n2连接n4，reward(2,4)＝0.1
×
0.7-3.5p1
×
0.3＝0.07-1.05p1
[0059]
n3连接n4，reward(3,4)＝0.1
×
0.7-2.5p1
×
0.3＝0.07-0.75p1
[0060]
……
[0061]
共有24种连接路径，此处不一一列举。
[0062]
之后，计算各个连接路径的奖励值之和进行比较，得到奖励值最高的一条路径，如
在海况和船距下，奖励值最高的连接路径为“陆上节点
→
n1
→
n2
→
n3
→
n4”，按照q函数可求得sum值：
[0063]
q(s,a)＝(1-α)q(s,a) α[γmaxq(s',a') r]
[0064]
其中α影响的是对主体下一步行动的期望，α越大，对未来期望越高；
[0065]
当海况发生变化时，各船通信条件发生变化，通过q-learning算法进行改变链路，获得通信质量最高的连接路径，此算法在应用于多个发射船时，效果更为显著。
[0066]
在一些实施例中，所述发射端14还包括变压器148，所述变压器148连接所述可调功率放大器146，用于放大电压，且能够给发射换能器16供电。所述发射端14被密封箱18包裹，所述密封箱18的材料为高分子聚合物，所述控制器142、所述数模转换器144、所述可调功率放大器146以及所述变压器148均集成在所述密封箱18中，所述密封箱18设有外部接口，以外接电源。密封箱18能够防止海水腐蚀，有效保护内部电路；密封箱18的顶部有穿孔部件，可灵活部署在船体、礁石等地方。
[0067]
在一些实施例中，数模转换器144内集成了音频解码芯片(如芯片型号为pcm5122)，采用超低噪音稳压电源设计并通过磁珠共地互不干扰，进一步降低了系统电源的干扰，配合树莓派控制器142使用，保证了发射声音信号的高质量传输和稳定性，同时可调功率放大器146能够进一步增强发射声音信号的传输。采用可调功率放大器146来增强信号，较传统固定功率放大模块而言，该可调功率放大器146具备功率可调的功能，提高了信号发射功率的灵活性，不再需要人工现场调节功率大小。
[0068]
此外，控制器142还可实现对整个发射端14的软关机，由于水声信号发射装置10的使用场景多处于海上作业，难以在故障时及时更换地配件，因此通过软关机来提高水声信号发射装置10的稳健性。目前常见的关机方法如：利用电脑远程登陆发射装置系统后台，通过命令行输入指令实现关机，该方法依赖于电脑的远程访问；又如直接关闭发射装置的供电电源，这个方法很容易导致系统文件损坏，从而导致发射装置失能。在本实施例中，通过配置树莓派gpio口来实现水声信号发射装置10的软关机以及开机操作，只需要通过控制信号控制改变树莓派gpio口，即可完成水声信号发射装置10的启动与关闭，此方法不需要进行硬件上的改动，可以减少因系统关机不当导致的文件丢失，提高水声信号发射装置10的稳定性。软关机过程如下：首先暂停发射声音信号的发射，然后对发射换能器16、变压器148、功率放大器等进行逐一断电，最后关闭树莓派控制器142以及物理断电，极大的保护了发射电路，延长元器件使用寿命。
[0069]
综上所述，本发明一实施例提供的一种可远程遥控的水声信号发射装置10，通过远程控制端12、嵌入有q-learning算法的发射端14以及发射换能器16的搭配设置，可以实现远程操控水声信号发射装置10，解决传统水声信号发射机需有线连接、无法远距离、只能单个作业和无法全天候工作的问题，并且可以保持无线链路的高质量和稳定性，能够应对船舶的漂移和多变的海洋信道等复杂环境。
[0070]
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
[0071]
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。