CN111238568B - 一种水下通信探测一体化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种水下通信探测一体化系统，用以针对水下应用场景，实现探测通信一体化，保证系统正常通信性能的同时，兼顾系统主动探测能力，有效利用信道，提高信号利用率。系统包括固定节点和移动节点，固定节点包括：主浮标节点，搭载有第一通信探测一体化设备，用于针对水下目标进行探测得到探测数据，以及水下数据通信；无线通信设备，用于广播第一目标特征信息或者向岸基数据中心发送第一目标特征信息，也可接收管控指令及通信信息；信号处理设备，用于从探测数据中提取目标频谱信息和第一目标特征信息；潜标搭载有被动监听阵列、第二通信探测一体化设备和第一CTD；移动节点包括：子浮标节点搭载有第三通信探测一体化设备，UUV搭载有第四通信探测一体化设备和第二CTD。

Description

一种水下通信探测一体化系统

技术领域

本发明涉及水下通信技术领域，尤其涉及一种水下通信探测一体化系统。

背景技术

通信探测一体化存在4种工作体制，分别为分时体制、分频体制、分波束体制以及全共享体制。分时体制在时间上将信号分为通信信号和探测信号，分频体制在频段上划分信号的通信功能与探测功能，分波束体制利用不同波束实现信号通信功能及探测功能，全共享体制即通信信号与探测信号共享同一发射波形。由于雷达具备大孔径、高带宽、传播迅速等特点，研制相对成熟的雷达通信一体化装备常采用分时体制、分频体制及分波束体制这3种工作体制,且在工程实现起来较容易。

水下通信探测装备受限于海洋声场环境特殊、水声信号传播速度慢、通信信号频带窄、以及水下装备小型化需求等因素，目前的水下组网技术只是单的探测组网或者单一的通信组网，不支持水下大范围区域组网通信探测一体化。

发明内容

本发明实施例提供一种水下通信探测一体化系统，用以针对水下应用场景，实现探测通信一体化，保证系统正常通信性能的同时，兼顾系统主动探测能力，有效利用信道，提高信号利用率。

第一方面，提供一种水下通信探测一体化系统，包括固定节点和移动节点，其中，所述固定节点包括主浮标节点和潜标，所述主浮标节点搭载有第一通信探测一体化设备、无线通信设备和信号处理设备；所述潜标搭载有被动监听阵列、第二通信探测一体化设备和第一温盐深仪CTD；所述移动节点包括子浮标节点和无人潜航器UUV，所述子浮标节点搭载有第三通信探测一体化设备，所述UUV搭载有第四通信探测一体化设备和第二CTD；其中：

所述第一通信探测一体化设备，用于根据探测参考信息，针对水下目标进行探测得到探测数据，所述探测参考信息为根据特定目标类型确定出的；根据通信节点距离和需传输的数据量确定通信参考信息；以及根据通信信号和探测信号，确定通信信号和探测信号组合方式及载波类型；

所述信号处理设备，用于解析所述探测数据，从所述探测数据中提取目标频谱信息和第一目标特征信息；根据提取的目标频谱信息确定目标类型；

所述无线通信设备，用于根据所述通信参考信息和确定出的目标类型广播第一目标特征信息，或者向数据交换中心发送提取的第一目标特征信息，也可接收管控指令及通信信息。

在一种实施方式中，所述目标类型包括可疑目标或者威胁目标；以及

所述无线通信设备，具体用于如果确定所述目标类型为可疑目标或者威胁目标时广播提取的目标频谱信息和第一目标特征信息；

所述移动节点或者潜标，用于在接收到所述无线通信设备广播的第一目标特征信息后，根据所述目标频谱信息确定探测区域内存在对应的目标对象时，针对目标对象进行探测获取目标对象的第二目标特征信息；通过其通信范围内的其他移动节点或者潜标以及其他移动节点或潜标通信范围内的移动节点逐级广播所述第二目标特征信息，直至提取的第二目标特征信息到达主浮标节点。

在一种实施方式中，所述信号处理设备，还用于采用数据融合算法对所述第一目标特征信息和第二目标特征信息进行融合处理，得到所述目标对象的融合特征信息；以及向数据交换中心发送所述融合特征信息。

在一种实施方式中，所述目标特征信息包括目标方位信息、目标距离信息和目标航向信息。

在一种实施方式中，所述探测参考信息包括以下至少一项：探测频段、信号类型、信号脉宽和数据时长。

在一种实施方式中，所述通信参考信息包括以下至少一项：通信频段、携带数据量大小和信号时长。

在一种实施方式中，本发明实施例提供的水下通信一体化系统，还包括：

能源设备，用于为所述固定节点或者移动节点提供能源。

在一种实施方式中，所述能源设备包括以下至少一种：太阳能电池板、小型蓄电池和波浪能发电设备。

在一种实施方式中，所述潜标，具体用于通过所述第二通信探测一体设备与所述主浮标节点或UUV通信；

所述子浮标节点，具体用于通过所述第三通信探测一体设备与通信范围内的其他移动节点或者主浮标节点通信；

所述UUV，具体用于通过所述第四通信探测一体设备与通信范围内的其他移动节点、潜标或者主浮标节点通信。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明所述的水下通信一体化系统，通过在固定节点和移动节点上搭载通信探测一体化设备实现探测通信信号的一体化处理，其中，通信探测设备可以根据探测的特定目标类型确定出探测参考信息，以及根据通信节点和需传输的数据量确定参考信息，并根据通信信号和探测信号，确定通信信号和探测信号的组合方式以及载波类型，从而可以针对具体探测目标进行精确探测，通信探测信号可通过管控指令调制，另外，根据从探测数据中提取的目标特征信息判断目标类型，并广播目标特征信息，以通知其他节点对目标持续进行跟踪或者向数据交换中心上报提取的目标类型，上述过程中，通过固定节点与移动节点相结合的组网方式，在探测数据的同时进行数据通信，既保证了系统正常通信性能，又能兼顾系统主动探测能力，有效利用信道，提高了信号利用率。

附图说明

图1为根据本发明实施例的水下通信一体化系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例提供的水下通信一体化系统进行水下目标立体监测的应用场景示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

需要说明的是，本发明实施例中的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。

在本文中提及的“多个或者若干个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明实施例中，基于浮标/潜标提供了一种水下通信探测一体化网络，适用于水下大范围区域检测，依靠搭载在浮标/潜标上的通信探测一体化设备，数据信号集合了探测功能与通信功能，可编译，可重构，可根据不同任务需求对传输信号进行编译与解析。具体实施时，浮标/潜标分别作为海上/水下网络节点，可以为所搭载的设备提供固定空间及能源保障。

如图1所示，其为本发明实施例提供的水下通信一体化系统的结构示意图，包括固定节点11和移动节点12，其中，固定节点11包括主浮标节点111和潜标112，所述主浮标节点111搭载有第一通信探测一体化设备、无线通信设备和信号处理设备；所述潜标112搭载有被动监听阵列、第二通信探测一体化设备和第一CTD(温盐深仪)；所述移动节点12包括子浮标节点121和UUV(无人潜航器)122，所述子浮标节点121搭载有第三通信探测一体化设备，所述UUV122搭载有第四通信探测一体化设备和第二CTD。

具体实施时，固定节点为系统网络主节点，包括锚固式中/大型浮标、潜标等，移动节点包括中/小型浮标、水面无人舰艇、水下UUV等。各个网络节点通过搭载通信探测一体化设备，实现任务海域水下目标探测及网络节点间数据通信，减小了网络节点挂载重量，提高了数据带宽和信号利用率。

具体实施时，锚固式中/大型浮标配有锚链系统，可作为水下通信探测一体化网络的网络中心节点，是水下网络各节点的数据交汇中心；同时作为水下半空间与水面信息交互中心节点，负责将水下信息回传给岸基数据基站，因此，除需搭载水下通信探测一体化设备外，还需搭载水面通信及信号处理设备；为保持长时期持续工作能力，浮标还需搭载能源系统，以保障各设备的正常运转。水下通信探测一体化网络至少须包含一个以上锚固式中/大型浮标。

潜标作为水下重要的固定节点，主要负责部署区域水下目标探测及区域环境信息感知。潜标包含能源舱、通信舱、设备舱等主要组成部件，可根据任务需求搭载通信探测一体机、被动水听器阵列、CTD等设备，并通过通信探测一体机与主节点浮标保持通信及数据交互。

中/小型浮标是网络的水面移动节点，主要负责部署区域水下浅层海域感知探测，是水下数据交互中继节点，配合主浮标节点进行通信转发。

UUV是网络水下移动节点，机动部署，一般部署在固定节点通信范围内，根据任务需求搭载水下探测设备，可对水下任务区域内非合作目标进行隐蔽跟踪侦探，并通过通信探测一体机将信息转发至其他各节点。

本发明实施例中，第一通信探测一体化设备，用于根据探测参考信息，针对水下目标进行探测得到探测数据，所述探测参考信息为根据特定目标类型确定出的；根据通信节点距离和需传输的数据量确定通信参考信息；以及根据通信信号和探测信号，确定通信信号和探测信号组合方式及载波类型；

所述信号处理设备，用于解析所述探测数据，从所述探测数据中提取目标频谱信息和第一目标特征信息；根据提取的目标频谱信息确定目标类型；

所述无线通信设备，用于根据所述通信参考信息和确定出的目标类型广播第一目标特征信息，或者向数据交换中心发送提取的第一目标特征信息，所述无线通信设备还可用于接收管控指令及通信信息。

其中，目标对象的第一目标特征信息可以包括目标对象的方位信息、移动速度信息、目标航信信息和目标距离信息等。

具体实施中，通信探测一体化信号的构建是水下探测一体化网络的基础，本发明实施例中，可根据系统部署海域特定目标侦测需求，对通信侦测一体化信号进行设计，包括信号的探测频段、通信频段、载波类型和组合方式等方面进行设备，该信号具有可编译性和可重构性，可以针对具体探测目标进行精确侦察探测。因此，本发明实施例中，探测通信一体化设备可以用于根据目标类型及探测距离等综合因素，确定探测参考信息，例如，信号探测频段、信号类型、信号脉宽和数据时长等；探测通信一体化设备还可以根据通信节点距离及数据量大小等因素，确定通信参考信息，例如，信号通信频段、携带数据量大小和信号时长等；另外，探测通信一体化设备还可以根据通信信号、探测信号具体特点，确定通信信号和探测信号的组合方式以及承载通信信号和/或探测信号的载波类型等等，其中通信信号和探测信号的组合方式包括单独的通信信号，还是单独的探测信号，通信信号和探测信号复用同一信号等。

具体实施时，第二通信探测一体化设备、第三通信探测一体化设备和第四通信探测一体化设备，与第一通信探测一体化设备功能相同，这里不再赘述。

所述潜标，还可以通过所述第二通信探测一体设备与所述主浮标节点或UUV通信；所述子浮标节点，还可以通过所述第三通信探测一体设备与通信范围内的其他移动节点或者主浮标节点通信；所述UUV，还可以通过所述第四通信探测一体设备与通信范围内的其他移动节点、潜标或者主浮标节点通信。

为了方便系统运作，具体实施时，通信探测一体化设备均有预制信号供各节点通信、探测使用。

具体实施时，信号处理设备可以根据预先存储的目标数据库中包含的黑白名单确定目标类型，具体地，如果根据从探测数据中提取的目标频谱信息确定目标对象存在于白名单中，确定目标对象为安全目标，如果根据从探测数据中提取的目标频谱信息确定目标对象存在于黑名单中，确定目标对象为威胁目标，如果据从探测数据中提取的目标频谱信息确定目标对象既不存在于白名单中也不存在于黑名单中，则确定目标对象为可疑目标。具体实施时，无线通信设备用于如果确定信号处理设备确定出目标类型为可疑目标或者威胁目标时广播提取的目标频谱信息和第一目标特征信息；所述移动节点或者潜标，用于在接收到所述无线通信设备广播的第一目标特征信息后，根据所述目标频谱信息确定探测区域内存在对应的目标对象时，针对目标对象进行探测获取目标对象的第二目标特征信息；通过其通信范围内的其他移动节点或者潜标以及其他移动节点或潜标通信范围内的移动节点逐级广播所述第二目标特征信息，直至提取的第二目标特征信息到达主浮标节点。其中，第二目标特征信息同样可以为目标方位信息、目标距离信息、目标航向信息和目标移动速度信息等等。

具体实施时，信号处理设备在确定出目标属于可威胁目标时，还可以及时向数据交换中心发送威胁告警信息。

具体实施时，固定节点在进行目标探测的同时还可以广播通信信息，移动节点定时广播通信信息，当移动节点接收到固定节点或其他移动节点发来的目标频谱信息和目标特征信息之后，转入持续广播通信状态，并对目标进行持续跟踪，直至目标驶出任务海域。

具体地，固定节点设备启动后，通信探测一体化设备发射探测信号自动进行水下目标全天候探测，对部署海域进行探测侦察，收集海域信息。具体实施时，通信探测一体化设备还可以通过无线通信设备或者通信探测一体化的通信信号将收集的探测数据发送给数据交换中心。移动节点平时可以不启动探测功能，若接收到固定节点或者其他移动节点发送的目标频谱信息和第一目标特征信息后，启动探测功能，根据目标频谱信息识别目标对象，并对目标进行持续跟踪探测，采集探测数据，通过自身搭载的通信探测一体化设备将采集的探测数据进行逐级广播，直至到达固定节点，由固定节点各移动节点上报的探测数据发送给数据交换中心进行进一步的分析监测。

具体实施时，固定节点在接收到各个移动节点逐级上报探测数据之后，结合自身采集的探测数据，采用数据融合算法对所述第一目标特征信息和第二目标特征信息进行融合处理，得到所述目标对象的融合特征信息；并向数据交换中心发送所述融合特征信息。

具体实施时，本发明实施例提供的水下通信一体化系统还包括能源设备，用于为所述固定节点和移动节点提供能源。其中，所述能源设备包括以下至少一种：太阳能电池板、小型蓄电池和波浪能发电设备。

为了更好地理解本发明，以下结合具体的实施例对本发明的实施过程进行说明。如图2所示，其为利用本发明实施例提供的水下通信一体化系统进行水下目标立体监测的应用场景示意图。

以非合作方水下潜艇目标驶入任务区域为例进行分析：

1)主动侦测

目标出现在某水下潜标探测能力覆盖区域，该潜标通过挂载的通信探测一体化设备侦测到水下目标信号，持续对目标进行主动侦测，等待数据分析结果；

2)处理判别

通过设备一体化处理软件对水下目标信号进行实时处理，经研判为非合作水下目标，启动通报程序；

3)信息通报

通过通信探测一体化设备，将发现的水下目标信息，包括位置、航向、距离等信息，以广播的形式向通信范围内区域发出通信信号；

4)隐蔽跟踪

潜标附近UUV接收到该通信信号，启动目标探测功能，向目标方向移动，与目标保持一定距离，并持续跟踪目标，不断广播目标实时动态信息，直至目标驶离任务海域，或接收到撤离指令。

当该UUV发出的通信信号被附近潜标、小浮标、UUV接收到后，接收节点立刻发出同样的广播信号，进行逐级传递，直至主浮标节点接收到该信息通报。

主浮标节点接收到目标情况通报后，经信号处理设备转换处理，将情报通过空中通信链路传送回岸基数据基站，并将情报传递给附近各子节点，形成对目标的水下全方位立体监控网络。

在另一实施例中，以我方作战力量接入水下通信网络为例，我方水下作战武装配备同一网络水下通信探测一体化设备，在驶入任务海域后，接收到该情报广播，对广播信号进行全方位分析，同时经水下通信探测一体化设备向附近广播我方通过信息，避免探测网络出现误判。经对情报信息的实时搜集分析，可远程对非合作方目标进行打击驱离。

本发明实施例提供的水下通信一体化系统，是传输信号既能保证正常的通信性能，又能兼顾主动探测水下目标的需要。水下通信探测组网技术，使各节点间数据互通，信息共享。

本发明实施例提供的通信探测一体化设备节省了设备占用空间，降低了系统能耗，另一方面，通信探测一体化的设备，既能保证正常的通信性能，又能兼顾主动探测能力，有效利用信道，提高了信号利用率，另外，通过本发明实施例提供的水下通信一体化系统，可以形成水下同你想你探测一体化网络，扩大了水下目标探测覆盖范围，固定节点与移动节点相结合的组网方式，提高了系统网络容错率，而且，移动节点机动灵活，可以根据不同的任务需求进行设备加装及改造，增加了系统网络探测能力。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (9)

1.一种水下通信一体化系统，其特征在于，包括固定节点和移动节点，其中，所述固定节点包括主浮标节点和潜标，所述主浮标节点搭载有第一通信探测一体化设备、无线通信设备和信号处理设备；所述潜标搭载有被动监听阵列、第二通信探测一体化设备和第一温盐深仪CTD；所述移动节点包括子浮标节点和无人潜航器UUV，所述子浮标节点搭载有第三通信探测一体化设备，所述UUV搭载有第四通信探测一体化设备和第二CTD；其中：

所述第一通信探测一体化设备，用于根据探测参考信息，针对水下目标进行探测得到探测数据，所述探测参考信息为根据特定目标确定出的；根据通信节点距离和需传输的数据量确定通信参考信息；以及根据通信信号和探测信号，确定通信信号和探测信号组合方式及载波类型；

所述信号处理设备，用于解析所述探测数据，从所述探测数据中提取目标频谱信息和第一目标特征信息；根据提取的目标频谱信息确定目标类型；

所述无线通信设备，用于根据所述通信参考信息和确定出的目标类型广播第一目标特征信息，或者向数据交换中心发送提取的第一目标特征信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标类型包括可疑目标或者威胁目标；以及

所述无线通信设备，具体用于如果确定所述目标类型为可疑目标或者威胁目标时广播提取的目标频谱信息和第一目标特征信息；

所述移动节点或者潜标，用于在接收到所述无线通信设备广播的第一目标特征信息后，根据所述目标频谱信息确定探测区域内存在对应的目标对象时，针对目标对象进行探测获取目标对象的第二目标特征信息；通过当前移动节点或者当前潜标通信范围内的其他移动节点或者其他潜标以及其他移动节点或其他潜标通信范围内的移动节点逐级广播所述第二目标特征信息，直至提取的第二目标特征信息到达主浮标节点。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述信号处理设备，还用于采用数据融合算法对所述第一目标特征信息和第二目标特征信息进行融合处理，得到所述目标对象的融合特征信息；以及向数据交换中心发送所述融合特征信息。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述目标特征信息包括目标方位信息、目标距离信息和目标航向信息。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测参考信息包括以下至少一项：探测频段、信号类型、信号脉宽和数据时长。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通信参考信息包括以下至少一项：通信频段、携带数据量大小和信号时长。

7.根据权利要求1～6任一权利要求所述的系统，其特征在于，还包括：

能源设备，用于为所述固定节点和移动节点提供能源。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述能源设备包括以下至少一种：太阳能电池板、小型蓄电池和波浪能发电设备。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述潜标，具体用于通过所述第二通信探测一体设备与所述主浮标节点或UUV通信；

所述子浮标节点，具体用于通过所述第三通信探测一体设备与通信范围内的其他移动节点或者主浮标节点通信；

所述UUV，具体用于通过所述第四通信探测一体设备与通信范围内的其他移动节点、潜标或者主浮标节点通信。

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