CN110311736B - 一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法及其应用，包括：基于实际环境，预设大角度无衍射弯曲声信道的信道轨迹；基于几何声线传播理论和信道轨迹，确定发射端换能器阵列的起始相位分布；基于起始相位分布，控制发射端换能器阵列产生信道轨迹。本发明将大角度无衍射弯曲声信道用于实际信息传输，其中通过预设信道轨迹实现大角度弯曲无衍射声信道，因而具有传播路径可调的特性。其次，起始相位分布基于信道轨迹采用几何方法得到，因此兼容现有通信编码技术。另外，基于实际环境预设无衍射弯曲声信道的信道轨迹，避免障碍物声散射的影响；同时，无衍射弯曲声信道具有自修复特性，保证了信息传输的安全及完整性，适用于复杂环境声通信。

Description

一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法及其应用

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法及其应用

背景技术

随着人类海洋活动日益频繁，无论在军事领域还是商用领域都对水下通信产生了巨大的需求。由于海水具有良好的导电性及不可忽略的粘滞损耗(存在大量颗粒杂质或海洋生物)，以无线电波或光波作为载体的通信方式由于衰减较大，在海水中通信距离非常有限，远不能满足当前海洋活动的需求。以低频声波作为信息载体的通信方式，可在海洋中实现上百公里信息传递，是目前实现水下远距离无线通信的主要方法。该种通信方式的工作原理是将文字、语音、图像等信息，通过信源编码进行数字化处理转化成电信号，然后利用发射换能器将电信号转换为声信号进行发射、经海洋信道传输，最后在接收端接收信息并进行处理分析。

虽然，低频声波可在海洋中远距离传输信息，但是海洋作为一种声波传输信道，是一个时变随机信道，具有很多不可控因素，例如带宽限制、多路径信道以及多普勒频移效应。因此，水声通信的发展远远滞后于地面通信。其中，水声通信采用的信道对于信息传输的完整性和安全性方面起着至关重要的作用，传统水声通信采用的信道多为直线型信道。但这种基于直线型信道的水下通信方式将不可避免地受到复杂海洋中大型障碍物散射或反射等的影响，在影响信息传输的完整性的同时，容易被对方声呐系统锁定己方信号源方位，从而不利于实现文字、语言、图像等信息有效和安全的通信。

综上所述，如何在复杂环境中实现对文字、语言、图像等信息抗干扰通信是目前声通信(特别是水下声通信)面临的一个重要问题，。

发明内容

本发明提供一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法及其应用，用以解决现有声通信采用直线型信道因易受复杂环境影响而导致信息丢失的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法，包括：

步骤1、基于各向同性传播介质的实际环境信息，预设大角度无衍射弯曲声信道的信道轨迹；

步骤2、基于几何声线传播理论和所述信道轨迹，确定发射端换能器阵列的起始相位分布；

步骤3、基于所述起始相位分布，控制所述发射端换能器阵列发射声波，产生所述信道轨迹。

本发明的有益效果是：本发明采用换能器阵列相移键控的方法，产生大角度弯曲型声通信信道，首先，这种弯曲型声通信的通信方式基于大角度弯曲无衍射声信道，其可通过预设信道轨迹实现，因而进行具有传播路径可调的特性。其次，发射端换能器阵列的起始相位分布是通过预设的信道轨迹采用几何方法得到，不涉及影响编码的相关因素，因此，具有兼容现有通信编码技术的特性。另外，该种弯曲型声信道的生成，因基于实际环境来预设无衍射弯曲声信道的信道轨迹，可避免大型障碍物的声散射影响；同时，因无衍射弯曲声信道自身的特性，当在其某个位置存在一个障碍物时，产生较小的散射现象，且在障碍物之后的信道不受影响，信息依然可以在该障碍物之后通过原信道轨迹传输而不产生发散，具有自修复特性，保证了信息传输的安全及完整性，因而更加适用于复杂环境声通信。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤3中，所述驱动所述发射端换能器阵列发射声波，具体为：

通过等振幅激励的方式驱动所述发射端换能器阵列发射声波。

本发明的进一步有益效果是：采用等振幅激励，易于基于相移键控方法控制发射端换能器产生预设的信道轨迹，准确度高，操作方便。

进一步，所述大角度无衍射弯曲声信道的完全角度大于10度。

本发明的进一步有益效果：虽然小角度也可进行水下传输，但小角度无衍射弯曲声信道仅能传播非常短的距离，之后会发散，与直线型信道的传播性能类似。本发明采用大角度的无衍射弯曲声信道，对路径的调节范围大，便于根据实际环境进行信道轨迹的调整，灵活方便，保证信息传播的安全性和完整性。

进一步，所述步骤2包括：

步骤2.1、基于所述信道轨迹上各点的切线，确定等相声波波阵面，其中，所述信道轨迹和所述等相声波波阵面位于同一坐标系且其纵轴为所述发射端换能器阵列的排列方向；

步骤2.2、基于相位分布理论、每条所述切线与所述坐标系横轴的夹角及所述等相声波波阵面上每条所述切线对应的点坐标，得到所述纵轴上以所述夹角为自变量的起始相位分布函数；

步骤2.3、基于所述发射端换能器阵列在所述纵轴上的位置信息，得到起始相位分布。

本发明的进一步有益效果是：本发明仅通过几何声线传播理论，得到起始相位分布，不涉及影响编码的相关因素，具有兼容现有的通信编码技术的特性。另外，起始相位分布仅与切线夹角有关，因此，起始相位分布由信道轨迹唯一确定，通过调节信道轨迹，来调节起始相位分布，得到实际需要的信道轨迹。灵活方便，且精确度高。

进一步，所述步骤2，采用MATLAB进行数值计算，确定所述起始相位分布。

进一步，所述步骤2.2包括：

每条所述切线与所述坐标系横轴的夹角θ及所述等相声波波阵面上每条所述切线对应的点B坐标，确定点B与点C之间的距离δ及点C的纵坐标ξ，其中，所述距离δ和所述纵坐标ξ分别为所述夹角θ的函数，所述点C为所述点B对应的所述切线与所述纵轴的交点；

基于相位分布理论及所述距离和所述纵坐标，得到所述纵轴上以所述夹角θ为自变量的起始相位分布函数。

进一步，所述起始相位分布函数为：

其中，k为声波波数，u为点B的横坐标，v为点B的纵坐标，所述夹角θ满足式：

f′(z)为所述信道轨迹f(z)的导数。

本发明还提供一种水下远距离无线通信方法，包括：

步骤1、基于实际水文环境信息，采用上述任一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法，在水下生成大角度无衍射弯曲声信道；

步骤2、基于所述大角度无衍射弯曲声信道，进行水下远距离无线信息传播。

本发明的有益效果是：由于海水具有良好导电性以及不可忽略的粘滞损耗，以无线电波或光波作为载体的文字、语言、图像等信息无法在海洋环境中有效传输。目前水下无线通信大多依赖于以声波为信息载体的直线传输。这种直线型传输的通信方式易受复杂海洋环境影响，不利于文字、语言、图像等信息的有效通信。本发明利用换能器阵列相移键控技术实现大角度弯曲无衍射声信道。这种基于曲线型信道的水下通信方式具有传播路径可调且兼容现有通信编码技术等优势。另外，声束在传播过程中不受海洋环境中大型障碍物声散射影响，且信道具有自恢复特性。因此，该方法适用于复杂海洋环境，可有效保证信息传输的安全性、完整性和准确性。

本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法和/或一种水下远距离无线通信方法。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法的流程框图；

图2为现有直线型信道和本发明一个实施例提供的大角度弯曲型信道的对比示意图；

图3为本发明一个实施例提供的一种声线传播示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种水下远距离无线通信方法的流程框图；

图5为本发明一个实施例提供的一种水下大角度弯曲无衍射声信道的仿真模拟结果和实验测试结果对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法100，如图1所示，包括：

步骤110、基于各向同性传播介质的实际环境信息，预设大角度无衍射弯曲声信道的信道轨迹；

步骤120、基于几何声线传播理论和信道轨迹，确定发射端换能器阵列的起始相位分布；

步骤130、基于起始相位分布，控制发射端换能器阵列发射声波，产生信道轨迹。

现代水声通信基本基于直线型信道，如图2中的(a)图所示。这种基于直线型信道的水下通信方式将不可避免地受到复杂海洋中大型障碍物散射或反射影响，如图2中的(b)图所示，受到障碍物(图中信道发散处圆点)影响后，其后的光发生大范围散射，且不可逆，该种影响容易被对方声呐系统锁定己方信号源方位，从而不利于实现文字、语言、图像等信息有效和安全的通信。

本实施例采用换能器阵列相移键控的方法，产生大角度弯曲型声通信信道，首先，这种弯曲型声通信的通信方式基于大角度弯曲无衍射声信道，其可通过预设信道轨迹实现，因而进行具有传播路径可调的特性。

其次，发射端换能器阵列的起始相位分布是通过预设的信道轨迹采用几何方法得到，不涉及影响编码的相关因素，因此，具有兼容现有的通信编码技术的特性。大角度弯曲无衍射声信道，如图2中的(c)图所示，具有传播路径可调且兼容现有的通信编码技术等特性。

另外，该种弯曲型声信道的生成，因基于实际环境来预设无衍射弯曲声信道的信道轨迹，可避免信道中大型障碍物声散射的影响；同时，因无衍射弯曲声信道自身的特性，当在其某个位置存在一个障碍物时，产生较小的散射现象，且在障碍物之后的信道不受影响，信息依然可以在该障碍物之后通过原信道轨迹传输而不产生发散，具有自修复特性，如图2中的d图所示，保证了信息传输的安全及完整性，因而更加适用于复杂环境声通信，本实施例的曲线型通信信道为现代通信提供了一种新的思路。

优选的，步骤130中，驱动发射端换能器阵列发射声波，具体为：

通过等振幅激励的方式驱动发射端换能器阵列发射声波。

采用等振幅激励，易于基于相移键控方法控制发射端换能器产生预设的信道轨迹，准确度高，操作方便。

优选的，大角度无衍射弯曲声信道的完全角度大于10度。

虽然小角度也可进行水下传输，但小角度无衍射弯曲声信道仅能传播非常短的距离，之后会发散，与直线型信道的传播性能类似。本发明采用大角度的无衍射弯曲声信道，对路径的调节范围大，便于根据实际环境进行信道轨迹的调整，灵活方便，保证信息传播的安全性和完整性。

优选的，步骤120包括：

步骤121、基于信道轨迹上各点的切线，确定等相声波波阵面，其中，信道轨迹和等相声波波阵面位于同一坐标系且其纵轴为发射端换能器阵列的排列方向；

步骤122、基于相位分布理论、每条切线与坐标系横轴的夹角及等相声波波阵面上每条切线对应的点坐标，得到纵轴上以夹角为自变量的起始相位分布函数；

步骤123、基于发射端换能器阵列在纵轴上的位置信息，得到起始相位分布。

本实施例仅通过几何声线传播理论，得到起始相位分布，不涉及影响编码的相关因素，具有兼容现有的通信编码技术的特性。另外，起始相位分布仅与切线夹角有关，因此，起始相位分布由信道轨迹唯一确定，通过调节信道轨迹，来调节起始相位分布，得到实际需要的信道轨迹。灵活方便，且精确度高。

优选的，步骤120，采用MATLAB进行数值计算，确定起始相位分布。方便快捷，计算精确度高。

优选的，步骤122包括：

每条切线与坐标系横轴的夹角θ及等相声波波阵面上每条切线对应的点B坐标，确定点B与点C之间的距离δ及点C的纵坐标ξ，其中，距离δ和纵坐标ξ分别为夹角θ的函数，点C为点B对应的切线与纵轴的交点；

基于相位分布理论及距离和纵坐标，得到纵轴上以夹角θ为自变量的起始相位分布函数。

优选的，起始相位分布函数为：

其中，k为声波波数，u为点B的横坐标，v为点B的纵坐标，夹角θ满足式：

f′(z)为信道轨迹f(z)的导数。

基于上述分析，利用换能器阵列相移键控技术可实现大角度弯曲无衍射声信道。基于曲线型信道的通信方式，其传输路径灵活可调且不受环境中大型障碍物声散射影响，且声信道具有自恢复特性。

理论上，根据几何声线传播理论可知，在各向同性介质中，声线沿着声波阵面法线方向传播。因此，例如，设定声信道传播路径(即信道轨迹)，如图3中实线曲线轨迹x＝f(z)所示，依次做出信道轨迹上各点切线，可得到与设定声信道传播路径所对应的声波波阵面，如图3中虚线曲线轨迹v＝g(u)所示。由声波波阵面分布，可以精确推导出x轴上的相位分布，具体推导过程如下：

首先，如图3所示，假设信道轨迹坐标系(x-o-z)(二维坐标系，o为坐标原点)与声波波阵面坐标系(u-o-v)(二维坐标系，o为坐标原点)相重合，且信道轨迹满足函数x＝f(z)，声信道轨迹上任意一点A(z,x)的斜率可表示为

其中，θ为A点切线与水平线的夹角，如图3所示。

如前所述，利用几何声线传播理论，可以得到A点在声波波阵面上对应点B(u,v)的斜率满足如下关系式：

令δ表示从点B到x轴上投影点C的距离，ξ表示从投影点C到坐标

原点O的距离，如图3所示。根据三角形ΔBCD的边角关系可得：

已知声波波阵面上B点到x轴上投影点C的距离δ以及投影点C到坐标原点O的距离ξ，可直接得到x轴上相位分布为

其中，k为声波波数。

联立上述各式得

从该式中可看到，空间x轴上相位分布可由声信道传播轨迹唯一确定。因此，依据上述理论分析，结合真实传输环境的需要，可以预先设定无衍射声信道的传播轨迹。进而根据该式，获得发射端换能器起始相位分布。

实施例二

一种水下远距离无线通信方法200，如图4所示，包括：

步骤210、基于实际水文环境信息，采用实施例一任一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法，在水下生成大角度无衍射弯曲声信道；

步骤220、基于大角度无衍射弯曲声信道，进行水下远距离无线信息传播。

依据几何声线传播原理，从理论上详细分析水下大角度无衍射弯曲声信道的传播机制。在预设声信道传播轨迹下，利用MATLAB数值软件计算了发射端相控阵换能器阵列的离散起始相位分布，并在COMSOLMULTIPHYSICSTM 5.3a有限元软件中的声压频域模块进行全波模拟，如图4中的(a)图所示。从图4中的(a)图，可以看到，仿真模拟声信道轨迹与预设声信道传播轨迹(虚线曲线)相吻合。

为了进一步验证本实施例方案的可行性，利用64元相控阵换能器阵列(Apex S4-2)、256通道Verasonics Vantage驱动系统以及精密声学测试系统(Precision AcousticsUMS3)，在实验中测得了水下大角度弯曲无衍射声信道的声场分布。

具体实验配置及流程：首先，将64元相控阵换能器阵列(Apex S4-2)放入精密声学系统(Precision Acoustics UMS3)水箱内。其次，由具有256通道的Verasonics Vantage系统控制超声发射电路对相控阵换能器阵列进行匹配激励，发射超声信号。超声信号在水中传播并被直径为0.5mm的针型水听器探测，再由示波器(Agilent Technologies DSO-X-3034A)进行数据采样。随后，利用精密声学采集系统(Precision Acoustics UMS3)对采样数据做进一步分析处理。最后，移动水听器探测空间不同位置处声压，由此实验测得水下大角度弯曲无衍射声信道的声场分布，如图4中的(b)图所示，经过反复多次测量，证明实验结果与理论分析和仿真结果相一致，实验结果有力地验证了本实施例专利的可实施性。

由于海水具有良好导电性以及不可忽略的粘滞损耗，以无线电波或光波作为载体的文字、语言、图像等信息无法在海洋环境中有效传输。目前水下无线通信大多依赖于以声波为信息载体的直线传输。这种直线型传输的通信方式易受复杂海洋环境影响，不利于文字、语言、图像等信息的有效通信。另外，通过数值模拟表明，与现有直线型水下通信方式相比，本实施例利用换能器阵列相移键控技术实现大角度弯曲无衍射声信道。这种基于曲线型信道的水下通信方式具有传播路径可调且兼容现有通信编码技术等优势。另外，声束在传播过程中不受海洋环境中大型障碍物声散射影响，且信道具有自恢复特性。因此，该方法适用于复杂海洋环境，可有效保证信息传输的安全性、完整性和准确性。

实施例三

一种存储介质，存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述任一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法和/或一种水下远距离无线通信方法。

相关技术方案同实施例一和实施例二，在此不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法，其特征在于，包括：

步骤1、基于各向同性传播介质的实际环境信息，预设大角度无衍射弯曲声信道的信道轨迹；

步骤2、基于几何声线传播理论和所述信道轨迹，确定发射端换能器阵列的起始相位分布；

步骤3、基于所述起始相位分布，控制所述发射端换能器阵列发射声波，产生所述信道轨迹；

所述步骤2包括：

步骤2.1、基于所述信道轨迹上各点的切线，确定等相声波波阵面，其中，所述信道轨迹和所述等相声波波阵面位于同一坐标系且其纵轴为所述发射端换能器阵列的排列方向；

步骤2.2、基于相位分布理论、每条所述切线与所述坐标系横轴的夹角及所述等相声波波阵面上每条所述切线对应的点坐标，得到所述纵轴上以所述夹角为自变量的起始相位分布函数；

步骤2.3、基于所述发射端换能器阵列在所述纵轴上的位置信息，得到起始相位分布。

2.根据权利要求1所述的一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法，其特征在于，所述步骤3中，所述控制所述发射端换能器阵列发射声波，具体为：

通过等振幅激励的方式，驱动所述发射端换能器阵列发射声波。

3.根据权利要求1所述的一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法，其特征在于，所述大角度无衍射弯曲声信道的完全角度大于等于10度。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法，其特征在于，所述步骤2中，采用MATLAB进行数值计算，确定所述起始相位分布。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法，其特征在于，所述步骤2.2包括：

每条所述切线与所述坐标系横轴的夹角θ及所述等相声波波阵面上每条所述切线对应的点B坐标，确定点B与点C之间的距离δ及点C的纵坐标ξ，其中，所述距离δ和所述纵坐标ξ分别为所述夹角θ的函数，所述点C为所述点B对应的所述切线与所述纵轴的交点；

基于相位分布理论及所述距离和所述纵坐标，得到所述纵轴上以所述夹角θ为自变量的起始相位分布函数。

6.根据权利要求5所述的一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法，其特征在于，所述起始相位分布函数表示为：

ξ＝v-u tan(θ)；

其中，k为声波波数，u为点B的横坐标，v为点B的纵坐标，所述夹角θ满足式：

f′(z)为所述信道轨迹f(z)的导数。

7.一种水下远距离无线通信方法，其特征在于，包括：

步骤1、基于实际水文环境信息，采用如权利要求1至6任一项所述的大角度无衍射弯曲声信道的生成方法，生成水下大角度无衍射弯曲声信道；

步骤2、基于所述大角度无衍射弯曲声信道，进行水下远距离无线信息传播。

8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述如权利要求1至6任一项所述的一种大角度无衍射弯曲声信道的生成方法和/或如权利要求7所述的一种水下远距离无线通信方法。

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