CN112285699B - 一种水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，该系统在利用调频连续波雷达回波相位变化感知水面微弱振动进行跨介质通信的同时，根据回波强度进行水面目标的检测与跟踪；本发明包括用于水下发射已调制通信水声信号的水声换能器，以及空中探测水面目标的毫米波雷达系统。水声换能器发射的声波在水表面会产生微弱振动，利用雷达水面反射回波信号相位的微弱变化可以提取出声波携带的调制信号，经过调解处理可以得到相应通信信号。本发明在进行水下跨介质通信的同时，利用雷达在其它区域回波的强度对水面目标进行检测与跟踪，适用于雷达通信一体化领域。

Description

一种水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统

技术领域

本发明属于通信雷达一体化领域，尤其涉及一种水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统。

背景技术

海面区域广阔，面向海洋的通信与雷达系统一般都需要安装在平台空间有限的飞机或卫星上。雷达与通信一体化技术可以有效地节约平台占用空间。通信系统与雷达目标探测跟踪系统一体化技术是目前研究的热点。雷达通信一体化技术除了可以减小占用平台的宝贵空间，还可以减小电磁干扰，充分利用频率带宽。海洋作为未来新战场的重要空间，水下装备的通信与水面目标的检测与跟踪都对海洋作战具有重要意义。

水下装备与外部世界的无线通信是海洋技术领域中亟待解决的重要难题，也是海空联合作战的关键支撑。声波能在水面上激励出幅度为亚微米级的微幅波，对该微幅波的探测有望实现更为困难的水下装备对外界的单向通信。激光可以检测到携带有水下声源信息的微幅波振动信号。然而，由于激光波长极短，激光回光对水面波动极其敏感，水面极其微小（亚微米级）的毛细波动都会给激光探测带来巨大的相位噪声和缠绕，无法应用于实际海面。毫米波雷达可以通过检测到水下声波在水面激励的微振动信号进行跨介质通信，并具有较好的抗干扰能力。

海面目标的检测跟踪技术是海洋雷达的主要应用，在作战过程中具有战略意义。面向水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的海洋雷达通信一体化技术可以充分发挥各自的优势，相互弥补各自的不足，大大提高海洋整体作战的威力。目前雷达通信一体化技术主要均为空中雷达与空中通信一体化，本发明通过利用毫米波雷达对水面微幅波的检测实现水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的海洋雷达通信一体化技术。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，包括水下设备、水下换能器、毫米波雷达、数字信号处理模块和水面检测目标；其中，水下设备将信息通过水下换能器向水面发射声波产生水面微幅波振动，毫米波雷达发送电磁波并接收水面微幅波振动区域和水面检测目标的回波，毫米波雷达搭载数字信号处理模块处理接收的回波。

进一步地，在水下跨介质通信过程中，利用雷达回波中频信号的相位信息检测水面微幅波振动，采用高通滤波器滤除水面自然波动产生的低频相位变化信号，并联立多距离以及多通道的雷达回波消除水面自然波动带来的干扰；在水面目标检测跟踪过程中，利用雷达回波中频信号的幅度信息，采用周期检测与路径估计方法去除水面自然波动干扰，并联立多通道回波信号估计目标方位，消除虚假镜像目标。

进一步地，所述水下换能器根据水深、水面波动参数以及通信速率需求设置发射功率和调制方式；所述毫米波雷达根据水深、水面波动参数以及通信速率需求设置雷达载频、天线参数以及脉冲波形参数；脉冲波形参数包括脉冲周期和波形带宽。

进一步地，所述毫米波雷达采用雷达调频连续波（FMCW）体制；所述毫米波雷达采用恒虚警方法进行水面目标检测跟踪；所述水下换能器发射声波调制方式包括FSK、BPSK、QPSK、16QAM和OFDM。

进一步地，所述水下换能器对声波信号进行编码后朝水面发射；同时，毫米波雷达对着水面微幅波振动区域发射线性调频脉冲电磁波信号，并对接收的回波进行混频去调后得到中频信号，对中频信号进行数字采样后，利用数字信号处理模块对得到的中频数字信号进行距离维的快速傅里叶变换（FFT）处理得到回波信号在不同距离元的强度和相位，然后进行跨介质通信和目标检测与跟踪。

进一步地，所述跨介质通信包括以下子步骤：

（2.1.1）检测水面微幅波振动区域对应的距离元。当水面微幅波振动区域在雷达垂直正下方时，回波强度恒定最强的距离元对应于水面微幅波振动区域；当水面微幅波振动区域不在雷达垂直正下方时，通过声波频率检测得到微幅波振动信号所在距离元；

（2.1.2）得到该距离元雷达回波初始相位信号后，进行解缠绕处理，得到相位信号随时间变化的分布；

（2.1.3）采用高通滤波器滤除由于水面波动产生的低频相位变化信号，并联合其它通道以及其它距离元的雷达回波消除水面波动带来的干扰；

（2.1.4）提取步骤（2.1.3）处理后的微幅波振动信号；

（2.1.5）对微幅波振动信号进行解调，得到水下设备发出的通信信号。

进一步地，所述目标检测与跟踪包括以下子步骤：

（2.2.1）根据回波信号在不同距离维的强度分布，将距离元单元根据幅度从强至弱排序，初步选择若干个排位靠前的距离元单元作为目标的备选距离单元；

（2.2.2）对雷达各天线通道进行通道校准，保证各通道联合估角的准确性；

（2.2.3）分别对校正后的备选距离单元进行方位估计；

（2.2.4）联立估计的方位与距离元确定目标在水面位置。

进一步地，所述步骤（2.2.3）中方位估计采用波束形成或多重信号分类法。

进一步地，所述步骤（2.2.4）中，当水面存在较大波动时，利用水面波浪的周期性以及水面波动色散关系消除水面波动带来的目标误判。

进一步地，所述步骤（2.2.4）中，通过增加天线维度并联立多通道数据排除虚假镜像目标。

本发明的有益效果：不同于传统的在空域实现雷达通信一体化，本发明实现了跨介质的雷达通信一体化；在实现对水面目标的检测与跟踪的基础上，同时实现对水下设备的跨介质通信；利用基本的FMCW对水面微弱振动进行通信的同时，对水面目标进行检测与跟踪。本发明不需要对雷达波形进行特殊的调制来通信，该技术充分利用雷达回波中频信号的相位信息和幅度信息，直接利用回波相位中的微小变化进行通信，回波中频信号的相位用于检测水下声音导致微弱振动，回波强度用于目标检测，多通道回波信号联立用于方位估计。本发明通信调制方式灵活多样，目标检测和追踪方式多样。本发明不需要对雷达波形进行时分或者频分，减小了信号波形设计难度。本发明雷达系统受水下换能器调制方式影响较小，不需要针对不同调制方式进行较大改进。

附图说明

图1是系统示意图；

图2是系统具体实施信号处理流程框图；

图3是目标检测与跟踪示意图；

图4是虚假镜像目标侧视图；

图5是波动水面雷达回波的距离元时间图；

图6是波动水面雷达回波提取的第7距离元相位时间分布图；

图7是雷达回波相位信号高通滤波后得到的微幅波时间分布图；

图8是从雷达回波中提取的微幅波信号相干解调后得到的码元示意图。

具体实施方式

本发明提出一种水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，该系统可以安装在飞机或者卫星上实现对水下设备发射信息的采集以及对水面目标的检测与跟踪，可以用于海空联合作战的信息传递。

本发明一种水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统的总体示意图如图1所示，该系统包括需要传输信息的水下设备A10、用于发射声波信息的水下换能器A11、用于发射和接收电磁波信号的毫米波雷达A20、雷达回波数字信号处理模块A21、目标以及通信信号显示器A30和水面检测目标A40。其中，水下设备A10采集并且处理水下信息，并将需要传递的信息通过水下换能器A11发射声波使水面产生微幅波振动，同时毫米波雷达A20发射电磁波并接收水面微幅波振动区域和水面检测目标A40的回波，数字信号处理模块A21对毫米波雷达A20接收到的雷达回波进行处理，目标以及通信信号显示器A30连接数字信号处理模块A21，目标以及通信信号显示器A30显示数字信号处理后的通信信号以及目标位置。毫米波雷达A20、数字信号处理模块A21以及目标以及通信信号显示器A30可搭载在飞机或在卫星上，实现对水下的通信以及对水面目标的检测与跟踪。

图2给出了一种面向水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的海洋雷达通信一体化技术的具体处理流程图，主要包括参数设置S100、跨介质通信S200与目标检测与跟踪S300三部分，具体包括以下步骤：

步骤一：参数设置S100为根据水深、水面波动参数和通信速率需求设置水下换能器A11参数和毫米波雷达A20参数。

（1.1）水下换能器A11参数设置：根据实际应用水域的水深、水面波动参数以及通信速率的需求设计水下换能器A11的发射功率和调制方式。

水面波动状况影响回波相位信号中通信信号的信噪比，当水面波动较大时，信噪比变低，此时可选用对信噪比要求较低的FSK、BPSK通信方式，当水面波动较小时，可以选择通信速度较高的QPSK、16QAM、OFDM等调制方式。本发明中，水面波动状况可以根据先验海况知识进行估计。

当通信速率要求较高时，水下换能器A11需要尽可能大的发射功率，并选择较高通信速率的调制方式。

（1.2）毫米波雷达A20参数设置：根据实际应用水域的水深、水面波动参数以及通信速率的需求确定雷达载频、天线参数以及脉冲波形参数。本系统主要采用FMCW体制的毫米波雷达A20。

实际应用中应该根据检测能力与干扰影响选择合适的毫米波雷达载波频率，当水下换能器A11激发的水面微振动幅度较小时，选择较高的毫米波雷达载波频率；当水面波动较大时，降低毫米波雷达载波频率。

脉冲波形参数包括脉冲周期和波形带宽。雷达脉冲周期决定了水面波动导致的相位信息变化的采样间隔，当水面波动变化较快时，较小脉冲周期可以提高雷达相位采样速率，减小相位缠绕深度。发射波形带宽影响雷达回波单个距离环面积，在水面波动较大时，通过增加带宽来减小单个距离环对应水面雷达回波的干扰。

步骤二：水下换能器A11对通信信号进行编码，将编码后的声波朝水面发射；编码方式根据步骤一的设置进行选择。同时，毫米波雷达A20天线对着水面微幅波振动区域发射步骤一设置的线性调频脉冲电磁波信号；并对接收的回波进行混频去调后得到中频信号，利用数字信号处理模块A21进行数字采样，对得到的数字采样信号直接进行距离维的FFT处理得到接收信号（回波）在不同距离维的强度分布，然后可以同时进行跨介质通信S200和目标检测与跟踪S300两个部分，具体为：

（2.1）跨介质通信S200：

（2.1.1）检测水面微幅波振动区域对应的距离元。当水面微幅波振动区域在雷达垂直正下方时，回波强度恒定最强的距离元对应于水面微幅波振动区域；当水面微幅波振动区域不在雷达垂直正下方时，通过对各距离元回波相位时序信号进行FFT处理得到雷达回波信号频谱估计，选取具有最大声波载频能量的距离元作为微幅波振动信号所在距离元。图5~8给出在了有小波动水面对水下20cm扬声器发出声波BPSK调制的1 0 0信号的检测过程与结果；其中，雷达频率是77GHz，带宽是3.96GHz，脉冲周期是1μs，距离分辨率是3.8cm，水下声波频率是300Hz，功放功率是120w。图5给出了雷达回波在距离维进行FFT（解距离）后的结果，其中第7个距离元具有最强的雷达回波，表示该距离元对应雷达正下方水面的反射回波。该回波相位包含微幅波振动信息，可用于提取水下通信信号。

（2.1.2）得到该距离元回波初始相位信号后，进行解缠绕处理，得到相位信号随时间变化的分布，如图6所示；图6给出了包含微幅波振动距离元提取的相位时序图，相位的波动大小对应于水面波动大小，从图6中例子可以看到，水面存在约2cm的波动（1rad对应约的0.3mm的波动）。

（2.1.3）提取微幅波振动信号。通常水面波动信号相对微幅波信号频率较低，可以通过高通滤波器滤除。当水面波动较大，信噪比较低时，可以联合其它通道以及其它距离元的雷达回波信号，采用选择分集、反馈分集等空间分集技术去除水面波动带来的波动干扰、多径干扰等干扰，精确提取微幅波振动信号，实现最大信噪比通信。图7为高通滤波后提取的对应微幅波变化的微弱相位变化，其中变化幅度为3mrad表明水面上声波激励的微幅波振幅约为1μm。

（2.1.4）最后对步骤（2.1.3）得到的微幅波振动信号进行解调，得到通信信号。解调方式可根据水面波动干扰情况以及调制方式选择相干解调或者不相干解调。图8给出了利用同相正交环法（COSTA环）相干解调后的声波发射码元信息，可以看到，毫米波雷达成功实现通信速率为100b/s的无误码通信。

（2.2）目标检测与跟踪S300：

（2.2.1）采用恒虚警方法进行水面目标检测，根据接收的回波信号的距离维FFT强度分布，将距离元单元根据幅度从强至弱排序，初步选择若干个排位靠前的距离元单元作为目标的备选距离单元。

（2.2.2）对雷达各天线通道进行通道校准，来保证各通道联合估角的准确性。

（2.2.3）对校正后的雷达各备选距离单元进行方位估计。雷达方位估计技术可以是波束形成（BF）、多重信号分类法（MUSIC）等。

（2.2.4）联立估计的方位与距离元信息确定目标在水面位置。

如图3为目标检测与跟踪示意图，当水面存在较大波动时，如图3中波浪所示，水面波动将产生较强的雷达回波，可能被误判为目标：由于水面波浪带来的雷达虚拟目标具有一定的周期性，且波动周期和波长满足水面波动色散关系：ω ²=gk*tanh(kh)；其中，ω代表角频率，g是重力加速度，k代表波数，h代表水深；故当回波目标在时域发生周期变化且满足色散关系时，可以判断为水面波动。

一维天线阵会使目标的方位估计出现角度模糊，如图4所示在镜面对称方向出现虚假镜像目标；可以通过增加天线维度并联立多通道数据排除虚假镜像目标，或者根据先验信息进行辅助判断。

（2.2.5）最后对检测目标在不同时间的航迹进行实时跟踪。

Claims (9)

1.一种水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，其特征在于，包括水下设备、水下换能器、毫米波雷达和数字信号处理模块；其中，水下设备和水下换能器位于水下，毫米波雷达和数字信号处理模块位于水面上方，检测目标位于水面；水下设备将信息通过水下换能器向水面发射声波，声波在水面激励出微幅波振动，毫米波雷达发送电磁波并接收水面微幅波振动区域和水面检测目标的回波，数字信号处理模块处理毫米波雷达接收的回波；

所述毫米波雷达包含多个接收通道；对雷达回波信号进行距离维的快速傅里叶变换处理得到回波信号在不同距离元的强度和相位；在水下跨介质通信过程中，利用雷达回波中频信号的相位信息检测水面微幅波振动，采用高通滤波器滤除水面自然波动产生的低频相位变化信号，并联立多距离以及多通道的雷达回波消除水面自然波动带来的相位干扰；在水面目标检测跟踪过程中，利用雷达回波中频信号的幅度信息，采用周期检测与路径估计方法去除水面自然波动干扰，并联立多通道回波信号估计目标方位，消除虚假镜像目标。

2.如权利要求1所述水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，其特征在于，所述水下换能器根据水深、水面波动参数以及通信速率需求设置发射功率和调制方式；所述毫米波雷达根据水深、水面波动参数以及通信速率需求设置雷达载频、天线参数以及脉冲波形参数；脉冲波形参数包括脉冲周期和波形带宽。

3.如权利要求2所述水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，其特征在于，所述毫米波雷达采用线性调频连续波体制；所述毫米波雷达采用恒虚警方法进行水面目标检测跟踪；所述调制方式包括FSK、BPSK、QPSK、16QAM和OFDM。

4.如权利要求1所述水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，其特征在于，所述跨介质通信包括以下子步骤：

（2.1.1）检测水面微幅波振动区域对应的距离元，当水面微幅波振动区域在雷达垂直正下方时，回波强度恒定最强的距离元对应于水面微幅波振动区域；当水面微幅波振动区域不在雷达垂直正下方时，通过声波频率检测得到微幅波振动信号所在距离元；

（2.1.2）对步骤（2.1.1）得到的水面微幅波振动区域对应的距离元回波初始相位信号，进行解缠绕处理后，得到相位信号随时间变化的相位分布；

（2.1.3）通过高通滤波器滤除步骤（2.1.2）得到的相位分布中的水面波动信号，并联合其它通道以及其它距离元的雷达回波信号，采用空间分集技术进一步去除水面波动带来的干扰，提取微幅波振动信号，实现最大信噪比通信；

（2.1.4）对步骤（2.1.3）得到的微幅波振动信号进行解调，得到通信信号。

5.如权利要求4所述水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，其特征在于，所述空间分集技术包括选择分集和反馈分集。

6.如权利要求1所述水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，其特征在于，所述目标检测与跟踪包括以下子步骤：

（2.2.1）根据回波信号在不同距离维的强度分布，将距离元单元根据幅度从强至弱排序，初步选择若干个排位靠前的距离元单元作为目标的备选距离单元；

（2.2.2）对雷达各天线通道进行通道校准，保证各通道联合估角的准确性；

（2.2.3）分别对校正后的备选距离单元进行方位估计；

（2.2.4）联立估计的方位与距离元确定目标在水面位置。

7.如权利要求6所述水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，其特征在于，所述步骤（2.2.3）中方位估计采用波束形成或多重信号分类法。

8.如权利要求6所述水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，其特征在于，所述步骤（2.2.4）中，当水面存在较大波动时，利用水面波浪的周期性以及水面波动色散关系消除水面波动带来的目标误判。

9.如权利要求6所述水下跨介质通信以及水面目标检测跟踪的一体化系统，其特征在于，所述步骤（2.2.4）中，通过增加天线维度并联立多通道数据排除虚假镜像目标。

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