CN108777598A - 一种跨冰层介质通信方法 - Google Patents

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Abstract

一种跨冰层介质通信方法，属于通信领域。本发明跨冰层介质通信采用声波为载体，通信链路包含发射端和接收端，发射端的发射换能器放置于冰层下的水中，接收端的接收天线放置在冰面上，接收天线与冰面紧密耦合；发射换能器发射出的声信号，通过水介质的传播之后，耦合至冰层介质，产生地震波；接收端通过接收天线采集到振动信息，搭建起水下‑冰层‑冰上的声学通信链路。本发明无需将接收天线置于水面以下，即无需凿穿冰面即可搭建通信链路；此外分布式的天线(地震检波器)可实现空间分集，提高接收信号的信噪比，即提高通信链路的质量。

Description

一种跨冰层介质通信方法
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种跨冰层介质通信方法。
背景技术
近些年来，北极地区在各领域的开发价值逐渐增加，其正在成为世界各国新的战略高地。水声通信技术是实现海洋环境感知，进行海洋资源开发的重要手段。然而，北极地区常年被冰层覆盖，要搭建水下与冰上的通信链路，则必须跨越冰层介质。传统声学通信链路的搭建需要将天线(水听器)放置于水下，通过电缆连接至冰上基站。移动基站则需要多次凿穿冰面以放置电缆，在条件恶劣的极地地区，这无疑增加了工程的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种跨冰层介质通信方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)发射端，将发射换能器放置于冰层下的水中，发射换能器发射出的声信号，通过水介质的传播之后，耦合至冰层介质，产生地震波；
(2)接收端，以地震检波器为接收天线，将其放置于冰面上，通过在冰面上钻孔等方式使地震检波器与冰层紧密耦合，多个水平分布的地震检波器组成接收天线阵列；通过地震检波器可采集到振动信息，从而搭建起水下-冰层-冰上的声学通信链路。
水平分布的地震检波器阵列可得到与垂直分布的水听器阵列相当的空间分集增益，保证了通信链路的可靠性，在接收端均衡解码时，可采用多天线联合处理，获取空间分集增益。本发明的有益效果在于：
(1)本发明无需将接收天线置于水面以下，即无需凿穿冰面即可搭建通信链路；
(2)本发明中分布式的天线(地震检波器)可实现空间分集，提高接收信号的信噪比，即提高通信链路的质量。
说明书附图
图1为传统冰下水声通信示意图；
图2为本发明中的跨冰层介质声学通信示意图；
图3为地震检波器与冰层耦合剖面图；
图4为跨冰层介质声学通信试验布局；
图5为试验结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
本发明的目的是这样实现的：
(1)发射端，将发射换能器放置于冰层下的水中；
(2)接收端，以地震检波器为接收天线，将其放置于冰面上，并与冰面紧密耦合。多个地震检波器组成接收天线阵列。
在接收端均衡解码时，可采用多天线联合处理，获取空间分集增益。
1、跨介质通信方法具体实现：
如图1所示，传统的冰下水声通信将天线(水听器)放置于水下，需要凿穿冰面放置电缆。本发明中的跨冰层介质通信方法如图2所示，将天线(地震检波器)放置于冰层之上，通过在冰面上钻孔等方式使地震检波器与冰层紧密耦合，耦合剖面图如图3所示。
发射换能器发射出的声信号，通过水介质的传播之后，耦合至冰层介质，产生地震波，通过地震检波器可采集到振动信息，从而搭建起水下-冰层-冰上的声学通信链路。水平分布的地震检波器阵列可得到与垂直分布的水听器阵列相当的空间分集增益，保证了通信链路的可靠性。
2、跨介质通信试验
为了验证本发明的有效性能，发明人进行了验证性的试验：2018年1月在松花江上开展了跨冰层介质声学通信试验，试验区域水深约为6m，试验当天空气温度为-22℃，冰层厚度约为40cm，具体的试验布局如图4所示。试验中水平在冰面布放5个地震检波器，分别以G1、G2、G3、G4和G5表示。检波器的工作频带10～1000Hz，检波器布放间距为0.5m。声源为工作频带500～2000Hz的弯张换能器，与检波器的水平距离为100m，且被布放在水下2m位置。本次试验中使用500～1000Hz的通信频带。通信信号的参数如下：采样频率48kHz；载波频率750Hz；映射方式BPSK；符号率250symbols/s；试验过程中发送3000bits数据。
采用多通道判决反馈均衡器对5个地震检波器采集的数据进行处理，图5给出了各个检波器单通道数据以及融合多个检波器后数据的处理结果。(a)(b)(c)(d)(e)分别为采用G1、G2、G3、G4、G5单个检波器数据进行均衡处理后的星座图，输出信噪比分别为14.2dB，15.0dB,18.5dB,17.8dB，18.8dB，各检波器数据处理结果存在差异。(f)为采用5个检波器联合均衡处理后的星座图，输出信噪比为27dB，可见采用水平分布的地震检波器阵列能够得到很高的分集增益。这里，所有数据经过均衡处理后，解码误码率均为0，可见本发明中的跨介质通信方法具有高可靠性。

Claims (3)

1.一种跨冰层介质通信方法，其特征在于：跨冰层介质通信采用声波为载体，通信链路包含发射端和接收端；所述的发射端的发射换能器放置于冰层下的水中，所述的接收端的接收天线放置在冰面上，接收天线与冰面紧密耦合；发射换能器发射出的声信号，通过水介质的传播之后，耦合至冰层介质，产生地震波；接收端通过接收天线采集到振动信息，搭建起水下-冰层-冰上的声学通信链路。
2.根据权利要求1所述的一种跨冰层介质通信方法，其特征在于，所述的接收天线采用地震检波器，多个水平分布的地震检波器组成接收天线阵列。
3.根据权利要求2所述的一种跨冰层介质通信方法，其特征在于：所述的地震检波器通过在冰面上钻孔的方式实现与冰层紧密耦合。
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