双向全双工空水跨介质无中继通信方法

1.本发明涉及双向全双工空水跨介质无中继通信方法，属于空水跨介质通信技术领域。


背景技术：

2.实验发现声波在复杂海洋环境中衰减小，传播距离可达几十公里，因此一直被用于水下通信，但是声波无法在空气中传播；而电磁波可以在空气中很好的传播，传播速度快，延时低；但是由于海洋的强导电性，电磁波在海洋中衰减大，传播距离短，最长只达到数十米，因此只能用于短距离跨介质通信。
3.当前使用最多并且最常见的空海跨介质通信方法为中继通信方法，它的空中节点使用电磁波/激光/磁等媒介作为信息载体，水下节点使用声/可见光等媒介传输信号，其空中节点与水下节点之间的通信依靠海面浮标，船舶等中继设备组合连接。
4.中继浮标在跨介质通信环路中具有至关重要的作用，但是使用中继浮标建立的跨介质通信信道，双向通信时间长，时延大，并且浮标易受环境、天气(风、雪、雨等)的影响，容易暴露，安全系数低；同时，在跨介质通信中海洋上需要多处浮标来建立强健的通信中继网络，维修成本高。
5.鉴于空海跨域通信的诸多问题，现有的跨域通信系统没有满足通信的便捷性、安全性和无中继性。


技术实现要素：

6.针对现有空水跨域通信需要借助中继浮标实现，时效性差并且通信效率低的问题，本发明提供一种双向全双工空水跨介质无中继通信方法。
7.本发明的一种双向全双工空水跨介质无中继通信方法，包括通信上行链路和通信下行链路；
8.在通信上行链路中，计算机一发送的上行调制音频信号采用功率放大器放大后，经发送换能器转换为上行声波信号，并释放到水声信道中；所述上行声波信号撞击水面，在水面产生与上行声波信号频率一致的微波振动；
9.采用毫米波雷达向水面发射调频连续波射频信号，经水面反射后得到携带了微波振动信息的回波信号，采用计算机二对回波信号进行处理，得到上行调制音频信号传递的信息，完成上行通信；
10.在通信下行链路中，通过计算机二将下行通信信号编码后得到下行编码信号，采用激光器向水面发射携带有下行编码信号的激光束，激光束穿透水面形成下行声波信号，并被接收换能器接收后转换为下行音频信号，下行音频信号经计算机一解码，得到下行通信信号的解码信号，完成下行通信。
11.根据本发明的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，在上行通信中，毫米波雷达在每次探测过程中向水面发送持续1.28s的调频连续波，每一次的调频连续波包括32帧
调频连续波射频信号，每帧调频连续波射频信号持续时间为40ms；每帧调频连续波射频信号包括128个线性调频信号，每个线性调频信号的扫频周期ts为160μs，共包括4096次扫频；所述线性调频信号的频率为77ghz-81ghz。
12.根据本发明的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，计算机二对回波信号进行处理的过程包括：
13.每次扫频获得的回波信号与调频连续波射频信号在混频器中混频，得到中频信号；
14.数据采集卡采集中频信号并进行数字化，得到以实虚部形式展现的数字化中频信号；
15.将每帧调频连续波射频信号包括的128个线性调频信号做快速傅立叶变换，得到线性调频信号的频谱图；
16.由数字化中频信号中提取得到中频信号频率和声致扰动点处水面与毫米波雷达的实际距离；
17.对频谱图用中频信号频率和实际距离进行坐标变换得到1.28s的时间与距离图；由时间与距离图确定能量最强的回波信号距离单元，并得到毫米波雷达与水面的距离门；提取距离门的相位，得到时间与相位图，所述时间与相位图中的相位发生卷绕；再对时间与相位图中的相位进行解卷绕处理得到水面相位变化信息；对水面相位变化信息包含的声致扰动和水扰动进行盲源信号分离，滤除水面杂波造成的水扰动，得到声致扰动的相位变化信息；对声致扰动的相位变化信息进行傅里叶变换，提取频点信息，得到上行调制音频信号传递的信息。
18.根据本发明的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，所述携带有下行编码信号的激光束为250khz以下的激光束。
19.根据本发明的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，通过空间域和数字域辅助模拟域的方式抑制与抵消全双工同步同频通信过程中换能器产生的自干扰信号。
20.根据本发明的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，在空间域上，在发送换能器和接收换能器之间设置声障板；发送换能器采用指向性发送换能器；接收换能器为矢量水听器。
21.根据本发明的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，在模拟域上，设置本地参考信号用于抑制与抵消两个换能器的自干扰信号；
22.所述本地参考信号利用时延和幅度固定的固定抽头调节相位，与自干扰信号相匹配，通过合路器将本地参考信号与自干扰信号叠加，实现对自干扰信号的抑制与抵消。
23.根据本发明的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，在数字域上，通过辅助链路将模拟域上的残余自干扰信号引入数字域，采用最小二乘算法进行估计和建模得到辅助抗干扰信号，将辅助抗干扰信号与残余自干扰信号相消，实现数字域的自干扰抑制与抵消。
24.根据本发明的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，所述激光器包括高发散角的激光器；
25.携带有下行编码信号的激光束的获得方法包括：
26.将调制器置于激光器谐振腔外的光路中，当激光器发射的激光束经过调制器时，调制器通过调制电压改变激光束的幅度、相位和频率，得到携带有下行编码信号的激光束；
27.携带有下行编码信号的激光束在水面的聚焦点的能量密度远远大于水的介电击穿阈值。
28.根据本发明的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，携带有下行编码信号的激光束在水面的聚焦点处产生等离子气泡，等离子气泡破裂后衰减为下行声波信号，被接收换能器接收。
29.本发明的有益效果：本发明方法在上行链路使用fmcw雷达测量水面微波振动获得水下传输信息，在下行链路使用激光致声技术实现数据传输，在水下通过一组换能器收发声波信号实现全双工通信。在上行链路使用换能器接发射声波信号，对水面振动解码后完成水-空跨介质通信；在下行链路采用激光引起水面击穿产生声波，由接收换能器(水听器)接收，完成空-水跨介质通信。
30.本发明方法通过测量水下声波引起的水面微波振动和空中激光引起的水下声波共同完成空水数据传输，实现了水下节点与水上节点跨空水介质双向全双工无中继通信，利用通信上下链路传输媒介的不同，载波频段不同，可在同一时刻收发信息；并且无需使用中继设备，提高了通信便捷性、通信效率以及海洋探测时效性等。
附图说明
31.图1是本发明所述双向全双工空水跨介质无中继通信方法的通信原理图；
32.图2是空间域与数字辅助模拟域自抑制干扰的简要流程图；
33.图3是通信上行链路对微波振动进行测量的简单通信模型；
34.图4是通信下行链路对激光致声进行测量的简易通信模型。
具体实施方式
35.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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
37.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
38.具体实施方式一、结合图1至图4所示，本发明提供了一种双向全双工空水跨介质无中继通信方法，包括通信上行链路和通信下行链路；
39.在通信上行链路中，计算机一发送的上行调制音频信号采用功率放大器放大后，经发送换能器转换为上行声波信号，并释放到水声信道中；所述上行声波信号撞击水面，在水面产生与上行声波信号频率一致的微波振动；
40.采用毫米波雷达向水面发射调频连续波射频信号，经水面反射后得到携带了微波振动信息的回波信号，所述回波信号被雷达接收天线接收；采用计算机二对回波信号进行处理，得到上行调制音频信号传递的信息，完成上行通信；
41.在通信下行链路中，通过计算机二将下行通信信号编码后得到下行编码信号，采用激光器向水面发射携带有下行编码信号的激光束，激光束穿透水面，强大的能量在水面
下方形成下行声波信号，被接收换能器接收后转换为下行音频信号，下行音频信号经计算机一解码和滤波，得到下行通信信号的解码信号，完成下行通信。
42.本实施方式中，计算机一中有调制音频信号，计算机一连接功率放大器，功率放大器连接置于水下的发送换能器，发送换能器将电信号转换为声波信号，声波信号被释放到水声信道中，撞击水面，水面产生振动，水面振动频率与发送换能器发出的声波频率一致；在空气中，固定在水面上的fmcw毫米波雷达接收水面反射信息后，送至计算机二中，对中频信号处理后，得到水下传递的信息。
43.下行链路使用激光致声技术。将激光器置于水面上方，通过计算机二将通信信息编码后发送到激光器中。
44.进一步，在上行通信中，毫米波雷达在每次探测过程中向水面发送持续1.28s的调频连续波，每一次的调频连续波包括32帧调频连续波射频信号，每帧调频连续波射频信号持续时间为40ms；每帧调频连续波射频信号包括128个线性调频信号，每个线性调频信号的扫频周期ts为160μs，共包括4096次扫频；所述线性调频信号的频率为77ghz-81ghz。
45.本实施方式中，计算机二对回波信号进行处理的过程包括：
46.每次扫频获得的回波信号与调频连续波射频信号在混频器中进行相干混频，得到关于水面目标位置的距离和速度的中频信号；
47.数据采集卡采集中频信号并进行数字化，得到以实虚部形式展现的数字化中频信号；
48.将每帧调频连续波射频信号包括的128个线性调频信号做快速傅立叶变换，得到线性调频信号的频谱图；
49.由数字化中频信号中提取得到中频信号频率和声致扰动点处水面与毫米波雷达的实际距离；
50.对频谱图用中频信号频率和实际距离进行坐标变换得到1.28s的时间与距离图；由时间与距离图确定能量最强的回波信号距离单元，并得到毫米波雷达与水面的距离门；提取距离门的相位，得到时间与相位图，所述时间与相位图中的相位发生卷绕；再对时间与相位图中的相位进行解卷绕处理得到水面相位变化信息；对水面相位变化信息包含的声致扰动和水扰动进行盲源信号分离，滤除水面杂波造成的水扰动，得到声致扰动的相位变化信息；对声致扰动的相位变化信息进行傅里叶变换，提取频点信息，得到上行调制音频信号传递的信息。
51.毫米波雷达的距离分辨率d
res
的计算公式为：
52.d
res
＝c/2bsweep，
53.其中c为光速，bsweep为扫频带宽。
54.速度分辨率v
res
的计算公式为：
[0055]vres
＝2π/n，
[0056]
其中n为一帧调频连续波射频信号传输的线性调频信号的个数，本实施方式中n＝128。
[0057]
毫米波雷达的接收波形与发送波形是相同的，结合图2所示，雷达与物体之间距离为d，毫米电磁波以光速传播，在接收信号与发射信号之间存在一个时延差又因为
频率是随着时间变化的，会产生一个频率差，利用得到的差频信号，进行滤波，采样，处理，再经过傅里叶变换后得到声致扰动频率信息。其中d为毫米波雷达与探测目标的距离，c为光速。
[0058]
毫米波雷达获得的中频信号携带多个声源、不同空间位置的干扰和噪声，在获取声波引起的扰动时，需要提前滤除水面杂波。本实施方式中采用盲源信号分离算法，针对不同场景下多个水下阵元/传感器工作的情况下，有效分离去噪，在多个干扰源中获得目标信号。
[0059]
作为示例，所述携带有下行编码信号的激光束为250khz以下的激光束。
[0060]
再进一步，结合图2所示，本实施方式通过空间域和数字域辅助模拟域的方式抑制与抵消全双工同步同频通信过程中换能器产生的自干扰信号。
[0061]
在空间域上，在发送换能器和接收换能器之间设置声障板；发送换能器采用指向性发送换能器；接收换能器为矢量水听器。
[0062]
在模拟域上，设置本地参考信号用于抑制与抵消两个换能器的自干扰信号；
[0063]
所述本地参考信号利用时延和幅度固定的固定抽头调节相位，与自干扰信号相匹配，通过合路器将本地参考信号与自干扰信号叠加，实现对自干扰信号的抑制与抵消。
[0064]
在数字域上，根据模拟域上的残余自干扰信号，提供更多数量的滤波器抽头，通过辅助链路将模拟域上的残余自干扰信号引入数字域，采用最小二乘算法进行估计和建模得到辅助抗干扰信号，将辅助抗干扰信号与残余自干扰信号相消，实现数字域的自干扰抑制与抵消。
[0065]
本实施方式中，所述激光器包括高发散角的激光器，可提供具有大覆盖面积的宽光束，以放宽严格对齐约束；
[0066]
携带有下行编码信号的激光束的获得方法包括：
[0067]
将调制器置于激光器谐振腔外的光路中，当激光器发射的激光束经过调制器时，调制器通过调制电压改变激光束的幅度、相位和频率，得到携带有下行编码信号的激光束；
[0068]
携带有下行编码信号的激光束打向水面，强大的激光能量在水面形成聚焦点，在水面的聚焦点的能量密度远远大于水的介电击穿阈值。
[0069]
本实施方式中，携带有下行编码信号的激光束在水面的聚焦点处产生等离子气泡，等离子气泡破裂后衰减为下行声波信号，被接收换能器接收。接收换能器接收的下行声波信号经采样后得到数字化信号，由计算机一进行解调。
[0070]
当水下向空中发出信息后，空中可有选择性地回复信息；可以选择单方面通信，即空中不与水下展开对话；也可以选择回复，完成空中与水下的跨介质对话。本发明方法使跨空水介质通信与在空气中使用电磁波通信无异，可以在极低时延内完成全双工通信，空水节点双方同时接收信息；反之，由空中发起对话，方法步骤相同。
[0071]
本发明方法采用频分技术实现全双工通信，上下链路使用不同频带，在水面上下使用不同传输载体，上行链路中射频信号是属于77ghz-81ghz的高频电磁波，下行链路所使用的所有类型激光能量都处在250khz以下，激光和射频信号分别占用不同频带；在水下使用声波进行信号传输；对于发射换能器对接收换能器产生的严重自干扰，通过收发换能器多域自抑制干扰消除方法可以很好的抑制与抵消自干扰信号。
[0072]
本发明方法的双向通信是有反馈的信息沟通，可提高通信的准确性，并且通信时
间短；
[0073]
本发明方法在双向的基础上升级为双工通信，可双方同时收发信息，大大提高了工作效率；其节约了信息传输时间，速率快，时延小，提高了信息交互效率，满足跨介质信息交互需求；
[0074]
本发明方法使用的激光致声在一定程度上了增加了通信的安全性，避免了使用浮标中继带来的一系列影响，增加了跨介质通信的可能性。
[0075]
本发明方法可以适用于众多场景，例如海洋资源探测、石油开发、渔业生产、蛙人通信、自然灾害预警、军事对抗等。
[0076]
本发明方法的跨介质通信方法在水面以上是天然的两个信道，水下声信道利用频分技术完成水下部分的全双工，水上水下无缝结合共同实现通信。
[0077]
下面通过两个具体实施例进行说明：
[0078]
具体实施例一：空中无人设备携带毫米波雷达、采集卡、激光器、激光调制器、计算机等装置执行空中传递信息任务，在水下工作的auv携带计算机、收发换能器、功率放大器等装置执行水下传递信息任务。
[0079]
在水下计算机一通过功放，向发送换能器输送调制好的信号，信号经过fsk调制(二进制数字频率调制)后，设置两个不同的频率f0，f1，f0代表二进制的“0”，f1代表二进制的“1”，换能器将音频信号转换为声波信号，声波在水下以机械波的形式传播，传播到水面时会引起水面振荡，且振荡频率与声波信号频率相同，声信号频率越低，引起的水面振幅越大，毫米波雷达向水面发送射频信号，经水面反射后携带了水面微波振动信息，回波信号被接收后与发射信号的一部分在混频器中取差，获得的中频信号在计算机二中显示。
[0080]
以每个线性调频信号106的adc采样速率获得256个采样点后，对数字化的信号进行fft，获取水下到空中传递的信息，上行链路的简易通信模型如图3所示。
[0081]
在空中，使用外调制，将激光的产生和调制分开，在激光形成以后加载调制信号，即将调制器置于激光谐振腔外的光路中，在调制器上加调制信号电压，使调制器的物理特性发生相应变化；激光经过调制器时，某些参量得到调制，从而改变激光的强度，频率等参数。调制后的激光发射到水面，在水面的聚焦点的能量密度远远大于水的介电击穿阈值，所以焦点处的水体会发生光击穿产生等离子气泡，气泡破裂后变为声波，并且激光能量越强，产生的声波频率越接近调制信号；在水下由接收换能器接收声波，经过计算机一收集音频信号后，对信号进行处理获得从空中到水下的通信信息，下行链路通信模型如图4所示。
[0082]
本实施例相较于利用中继设备进行双向通信的技术，大大提高了信息回传效率，保证了通信信息的实时性、准确性，有利于解决以往通信技术带来的的高时延、慢传输速率等问题；由于无人机续航能力短，作战半径有限，采用本发明方法进行空水通信可以大大缩短通信时间，快速下达任务指令，实现无人机最强使用价值；本实施例安全性能高，其无中继通信技术可以大大保护海下无人潜航器的安全，极大降低无人潜航器被发现的可能性，使其不需要浮出水面就可以完成与空中的对话，提高了无人艇的自我生存能力，增加了任务成功率；本实施例大大降低了被敌人或其它设备干扰的风险，增加了网络安全性。
[0083]
具体实施例二：基于本发明方法使用无人机设备与水下潜航器等配合，利用传感器探测地质、生物异常、环境异常变化；有的灾害来自地壳深处，例如地震、火山爆发、海啸等不易探测的灾害，当水下航行器发现海洋异常情况发生，可立即向空中工作无人机发送
警告信息，说明地点源头，达到在最短的时间内做出应急措施，减少人员、财务损失；由于有些灾害在空中比海洋下有更高的可预见性，空中无人设备可以向水下打出信息激光，告知水下工作设备警报信息，让水下其它工作设备做好安全防范。空中与水下也可以在通信后互相返回信息，增加交流，了解预警措施。
[0084]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

技术特征：
1.一种双向全双工空水跨介质无中继通信方法，其特征在于包括通信上行链路和通信下行链路；在通信上行链路中，计算机一发送的上行调制音频信号采用功率放大器放大后，经发送换能器转换为上行声波信号，并释放到水声信道中；所述上行声波信号撞击水面，在水面产生与上行声波信号频率一致的微波振动；采用毫米波雷达向水面发射调频连续波射频信号，经水面反射后得到携带了微波振动信息的回波信号，采用计算机二对回波信号进行处理，得到上行调制音频信号传递的信息，完成上行通信；在通信下行链路中，通过计算机二将下行通信信号编码后得到下行编码信号，采用激光器向水面发射携带有下行编码信号的激光束，激光束穿透水面形成下行声波信号，并被接收换能器接收后转换为下行音频信号，下行音频信号经计算机一解码，得到下行通信信号的解码信号，完成下行通信。2.根据权利要求1所述的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，其特征在于，在上行通信中，毫米波雷达在每次探测过程中向水面发送持续1.28s的调频连续波，每一次的调频连续波包括32帧调频连续波射频信号，每帧调频连续波射频信号持续时间为40ms；每帧调频连续波射频信号包括128个线性调频信号，每个线性调频信号的扫频周期ts为160μs，共包括4096次扫频；所述线性调频信号的频率为77ghz-81ghz。3.根据权利要求2所述的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，其特征在于，计算机二对回波信号进行处理的过程包括：每次扫频获得的回波信号与调频连续波射频信号在混频器中混频，得到中频信号；数据采集卡采集中频信号并进行数字化，得到以实虚部形式展现的数字化中频信号；将每帧调频连续波射频信号包括的128个线性调频信号做快速傅立叶变换，得到线性调频信号的频谱图；由数字化中频信号中提取得到中频信号频率和声致扰动点处水面与毫米波雷达的实际距离；对频谱图用中频信号频率和实际距离进行坐标变换得到1.28s的时间与距离图；由时间与距离图确定能量最强的回波信号距离单元，并得到毫米波雷达与水面的距离门；提取距离门的相位，得到时间与相位图，所述时间与相位图中的相位发生卷绕；再对时间与相位图中的相位进行解卷绕处理得到水面相位变化信息；对水面相位变化信息包含的声致扰动和水扰动进行盲源信号分离，滤除水面杂波造成的水扰动，得到声致扰动的相位变化信息；对声致扰动的相位变化信息进行傅里叶变换，提取频点信息，得到上行调制音频信号传递的信息。4.根据权利要求3所述的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，其特征在于，所述携带有下行编码信号的激光束为250khz以下的激光束。5.根据权利要求4所述的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，其特征在于，通过空间域和数字域辅助模拟域的方式抑制与抵消全双工同步同频通信过程中换能器产生的自干扰信号。6.根据权利要求5所述的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，其特征在于，在空间域上，在发送换能器和接收换能器之间设置声障板；发送换能器采用指向性发
送换能器；接收换能器为矢量水听器。7.根据权利要求6所述的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，其特征在于，在模拟域上，设置本地参考信号用于抑制与抵消两个换能器的自干扰信号；所述本地参考信号利用时延和幅度固定的固定抽头调节相位，与自干扰信号相匹配，通过合路器将本地参考信号与自干扰信号叠加，实现对自干扰信号的抑制与抵消。8.根据权利要求7所述的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，其特征在于，在数字域上，通过辅助链路将模拟域上的残余自干扰信号引入数字域，采用最小二乘算法进行估计和建模得到辅助抗干扰信号，将辅助抗干扰信号与残余自干扰信号相消，实现数字域的自干扰抑制与抵消。9.根据权利要求1所述的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，其特征在于，所述激光器包括高发散角的激光器；携带有下行编码信号的激光束的获得方法包括：将调制器置于激光器谐振腔外的光路中，当激光器发射的激光束经过调制器时，调制器通过调制电压改变激光束的幅度、相位和频率，得到携带有下行编码信号的激光束；携带有下行编码信号的激光束在水面的聚焦点的能量密度远远大于水的介电击穿阈值。10.根据权利要求9所述的双向全双工空水跨介质无中继通信方法，其特征在于，携带有下行编码信号的激光束在水面的聚焦点处产生等离子气泡，等离子气泡破裂后衰减为下行声波信号，被接收换能器接收。

技术总结
一种双向全双工空水跨介质无中继通信方法，属于空水跨介质通信技术领域。本发明为解决现有空水跨域通信需要借助中继浮标实现，时效性差并且通信效率低的问题。包括：在通信上行链路中，将上行调制音频信号放大后经发送换能器转换为并释放到水声信道中，在水面产生与上行声波信号频率一致的微波振动；采用毫米波雷达向水面发射调频连续波射频信号，并接收回波信号进行处理得到上行调制音频信号传递的信息；在通信下行链路中，将下行通信信号编码后得到下行编码信号，采用激光器向水面发射携带有下行编码信号的激光束，接收换能器接收信号后再进行解码，得到下行通信信号的解码信号。本发明用于双向全双工空水跨介质通信。本发明用于双向全双工空水跨介质通信。本发明用于双向全双工空水跨介质通信。


技术研发人员：商志刚 苗柏露 乔钢 刘凇佐 青昕
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/23