CN105577323A - 一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法，基于奇点声学原理，结合声场漩涡传播特性，水下信息编码装置与信息传输主体系统相连接，水下信息编码装置由声漩涡产生部件与信息编码控制部件构成，声漩涡产生部件与信息编码控制部件相连接，信息编码控制部件根据信息传输主体系统要求，接收到需要在水下传出的信息，将信息按照声场漩涡的漩涡拓扑数进行编码，然后信息编码控制部件根据编码后的声漩涡拓扑数时间序列，控制声漩涡产生部件产生和发射声漩涡，实现水下传输信息编码。

Description

一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法

技术领域

本发明属于传输信息编码方法，涉及一种水下传输信息编码方法，特别是一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法，主要应用于水下通讯、环境感知、水下导航、河流监测、水下定位、水下测绘、环境监测、海洋科考、海洋预报、资源勘探、水下机器人、物联网、过程分析等领域中的水下传输信息编码。

背景技术

地球表面大部分面积被水资源覆盖，地表水体构成了水圈，包括湿地、海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川、积雪、地下水和大气中的悬浮水，人们在水下进行的活动愈发频繁和丰富，水下信息传输技术发挥着至关重要作用。在水下信息传输系统中，水下传输信息编码方法是核心，涉及到具体信息传输方法和传输性能，水下传输信息编码方法可广泛应用在水下通讯、环境感知、水下导航、河流监测、水下定位、水下测绘、环境监测、海洋科考、海洋预报、资源勘探、水下机器人、物联网、过程分析等领域中，并且推动相关领域发展。

由于声场在水中传播的损耗小和便于实现，水下信息传输系统广泛采用声场作为信息载体，水下声通信成为水下无线通信的主要手段。在先技术中存在一种水下传输信息编码方法，参见美国授权专利(UnitedStatesPatent)，专利名称：Underwatercommunicationapparatusandcommunicationmethod，专利号为US6125080，专利日期为2000年09月26日，发明人为MenasheSonnenschein、DovWulich，和ElazarSonnenschein。此在先技术虽然具有一定的优点，但是仍然存在本质不足：1)基于声波频率维度编码技术，采用调制解调技术构建水下信息通信，系统结构复杂、构建不灵活；2)使用声场频率和强度参数实现水下信息传输，由于水下环境影响和声探测器频率特性限制，使得本技术信息传输距离受到影响、传输精度受限、抗干扰性弱、方向性不强；3)采用的频率编码和普通声场进行传输，信息传输保密性不高，并且系统不易于集成，影响功能扩充和应用范围。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题提出了一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法，具体步骤如下：

步骤(1)：信息传输主体系统生成所需编码的目标信息，并将目标信息传送给设置在水面下的信息编码控制部件；

步骤(2)：信息编码控制部件接收由信息传输主体系统发送的目标信息，并根据预先设定的编码规则对目标信息进行编码，信息编码控制部件将目标信息和声场漩涡的漩涡拓扑数进行信息关联，生成编码信息，并将编码信息发送给位于水面下的声漩涡产生部件；

步骤(3)：信息编码控制部件与声漩涡产生部件连接，声漩涡产生部件接收由信息编码控制部件发送的编码信息；

步骤(4)：信息编码控制部件根据编码后生成的声漩涡拓扑数时间序列，控制声漩涡产生部件产生和发射声漩涡，声漩涡传播过程中形成漩涡覆盖区域和漩涡奇点传播轨迹线，信息编码控制部件控制声漩涡产生部件向特定方位将信息发射出去，实现水下传输信息编码。

上述方案基于奇点声学原理，结合声场漩涡传播特性，信息传输主体系统与位于水下的信息编码控制部件相连接，信息编码控制部件与声漩涡产生部件相连接；信息传输主体系统通过从外界接收生成需要编码的目标信息，编码控制部件根据信息传输主体系统要求，接收到需要在水下传出的目标信息，将目标信息按照声场漩涡的漩涡拓扑数进行编码，然后信息编码控制部件根据编码后的声漩涡拓扑数时间序列，控制声漩涡产生部件产生和发射声漩涡，实现水下传输信息编码。

作为优选，所述的信息传输主体系统为水面航行器、水下航行器、信息传输网络、水下检测系统的一种。

作为优选，所述的信息编码控制部件为计算机信息编码控制部件、嵌入式信息编码控制部件、声网终端信息编码控制部件、光网终端信息编码控制部件、电磁波终端声网终端的一种。

作为优选，所述的声漩涡产生部件为压电陶瓷声漩涡产生部件、复合材料声漩涡产生部件、柔性材料声漩涡产生部件的一种。

作为优选，所述的步骤(3)中目标信息采用英文字母表述，目标信息按照编码规则为每个英文字母对应一个特定的声漩涡拓扑数。

作为优选，所述的步骤(4)中设置多个声漩涡产生部件。设置多个声漩涡产生部件可以实现信息的并行传输，增加信息传输流量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)在先技术基于声波频率维度编码技术，采用调制解调技术构建水下信息通信，系统结构复杂、构建不灵活。本发明基于奇点声学原理，结合声场漩涡传播特性，信息编码控制部件接收到需要在水下传出的信息，将信息按照声场漩涡的漩涡拓扑数进行编码，然后信息编码控制部件根据编码后的声漩涡拓扑数时间序列，控制声漩涡产生部件产生和发射声漩涡，实现水下传输信息编码，具有基于声漩涡、系统简单、易于实现、构建灵活等特点；

2)在先专利中使用声场频率和强度参数实现水下信息传输，由于水下环境影响和声探测器频率特性限制，使得本技术信息传输距离受到影响、传输精度受限、抗干扰性弱、方向性不强。本发明基于奇点声学，在声漩涡拓扑数维度上进行编码，声探测器检测声强度和相位后分析得到声漩涡拓扑数维度信息，并且声漩涡传播过程中，奇点轨迹位置精确，所以，本发明具有信息传输距离远、传输精度高、抗干扰性强、方向性强等特点；

3)在先技术采用的频率编码和普通声场进行传输，信息传输保密性不高，并且系统不易于集成，影响功能扩充和应用范围。本发明采用奇点声场传输，拓扑数上编码，在未知漩涡特性下，无法进行加码，并且拓扑数为一维序列表述，具有保密性高、易于编码、编码灵活、易于集成、功能扩充、应用范围广等特点。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示为本发明实施例的一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法的结构示意图，一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法，具体步骤如下：

步骤(1)：信息传输主体系统1生成所需编码的目标信息，并将目标信息传送给设置在水面下的信息编码控制部件2；

步骤(2)：信息编码控制部件2接收由信息传输主体系统1发送的目标信息，并根据预先设定的编码规则对目标信息进行编码，信息编码控制部件2将目标信息和声场漩涡的漩涡拓扑数进行信息关联，生成编码信息，并将编码信息发送给位于水面下的声漩涡产生部件3；

步骤(3)：信息编码控制部件2与声漩涡产生部件3连接，声漩涡产生部件3接收由信息编码控制部件2发送的编码信息；

步骤(4)：信息编码控制部件2根据编码后生成的声漩涡拓扑数时间序列，控制声漩涡产生部件3产生和发射声漩涡4，声漩涡4传播过程中形成漩涡覆盖区域402和漩涡奇点传播轨迹线401，信息编码控制部件2控制声漩涡产生部件3向特定方位5将信息发射出去，实现水下传输信息编码。

其中，信息传输主体系统11为小型水面航行器；信息编码控制部件2为嵌入式信息编码控制部件2；声漩涡产生部件3为压电陶瓷声漩涡产生部件。

本发明实施例中声漩涡产生部件3制备、声场检测技术、电子电路实现、机械结构部件实现技术、信息加密解密技术等均为成熟技术。

本发明实施例中，目标信息采用英文字母表述，目标信息的编码规则为每个英文字母对应一个特定的声漩涡拓扑数，即，字母在英文字母表中的序号与声漩涡拓扑数相同，信息编码控制部件2将需要传出的目标信息在声场漩涡拓扑数维度上实现编码，即形成英文字母序号与声漩涡拓扑数的对应关系；不同声漩涡4可通过声漩涡拓扑数加以区分，而信息编码控制部件2可控制声漩涡产生部件3产生不同拓扑数的声漩涡4，从而将目标信息(英文字母组合)通过不同拓扑数的声漩涡4进行编码、传输。

本发明实施例的发明点在于基于奇点声学原理，充分发挥声场漩涡传播特性，声漩涡产生部件3与信息编码控制部件2相连接，信息编码控制部件2根据信息传输主体系统1要求，接收到需要在水下传出的目标信息，将目标信息(英文字母序号)编码成声场漩涡的漩涡拓扑数，然后信息编码控制部件2根据编码后的声漩涡拓扑数时间序列，控制声漩涡产生部件3产生和发射声漩涡4，实现水下传输目标信息编码，给出一种基于声漩涡、系统简单、易于实现、构建灵活、信息传输距离远、传输精度高、抗干扰性强、方向性强、保密性高、易于编码、编码灵活、易于集成、功能扩充、应用范围广的一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法。

本实施例在30米水库水体中，将英文字母A到E五个字母按照声漩涡拓扑数为1到5进行顺序编码，信息编码控制部件2向声漩涡产生部件3发出指令，控制声漩涡产生部件3在水下发射由A到E五个字母构成的字母串，例如ABCDEBCADCE...等等，在水下用相阵声学探测器(相阵声学探测器可以是阵列声纳系统或者声换能器阵列，阵列中每个声学换能器探测声场强度，通过阵列的排布和声场传播特性，可以检测到声场波前相位相对分布，可以采用现有相阵声纳，也可以采用声换能器构建阵列实现)进行接收分析出声漩涡拓扑数序列，得到12345231435...等等拓扑数序列，经过解码就是ABCDEBCADCE...等字母串，成功实现了基于漩涡声场的水下传输信息编码方法。

漩涡的拓扑数就是指声场波前相位分布呈现exp(imφ)函数形式分布，式中，i是虚数单位，φ是方位角变量，m是拓扑数，表明相位旋转变化的频率，是声旋涡特性参数，不直接表现为声场强度和相位数值，具有很高的保密性，具有可编码特性，拓扑数可以和所需编码信息进行对映，对映关系就是编码法则，编码法则可以是连续规律，也可以是离散对映关系。本实施例中，编码法则就是离散对映关系，即12345231435…分别对映ABCDEBCADCE…

采用基于漩涡声场的水下传输信息编码方法具有基于声漩涡、系统简单、易于实现、构建灵活、信息传输距离远、传输精度高、抗干扰性强、方向性强、保密性高、易于编码、编码灵活、易于集成、功能扩充、应用范围广等特点。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤(1)：信息传输主体系统生成所需编码的目标信息，并将目标信息传送给设置在水面下的信息编码控制部件；

步骤(2)：信息编码控制部件接收由信息传输主体系统发送的目标信息，并根据预先设定的编码规则对目标信息进行编码，信息编码控制部件将目标信息和声场漩涡的漩涡拓扑数进行信息关联，生成编码信息，并将编码信息发送给位于水面下的声漩涡产生部件；

步骤(3)：信息编码控制部件与声漩涡产生部件连接，声漩涡产生部件接收由信息编码控制部件发送的编码信息；

步骤(4)：信息编码控制部件根据编码后生成的声漩涡拓扑数时间序列，控制声漩涡产生部件产生和发射声漩涡，声漩涡传播过程中形成漩涡覆盖区域和漩涡奇点传播轨迹线，信息编码控制部件控制声漩涡产生部件向特定方位将信息发射出去，实现水下传输信息编码。

2.根据权利要求1所述的一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法，其特征在于，所述的信息传输主体系统为水面航行器、水下航行器、信息传输网络、水下检测系统的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法，其特征在于，所述的信息编码控制部件为计算机信息编码控制部件、嵌入式信息编码控制部件、声网终端信息编码控制部件、光网终端信息编码控制部件、电磁波终端声网终端的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法，其特征在于，所述的声漩涡产生部件为压电陶瓷声漩涡产生部件、复合材料声漩涡产生部件、柔性材料声漩涡产生部件的一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法，其特征在于，所述的步骤(3)中目标信息采用英文字母表述，目标信息按照编码规则为每个英文字母对应一个特定的声漩涡拓扑数。

6.根据权利要求1所述的一种基于漩涡声场的水下传输信息编码方法，其特征在于，所述的步骤(4)中设置多个声漩涡产生部件。设置多个声漩涡产生部件可以实现信息的并行传输，增加信息传输流量。