CN112821962B - 一种水下无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下无线通信系统，其包括单片机、多个图像采集器、第一图像转换单元、发射器、接收器、第二图像转换单元、信号检验单元以及反馈单元。图像采集器采集第一RGB图像。第一图像转换单元将第一RGB图像变换为第一灰度图像。发射器将声波信号发送至接收器。信号中包含彩色图像和用于校验的灰度图像，根据彩色图像与灰度图像的像素变化调整信号带宽，增强抗干扰性，提高通信质量。

Description

一种水下无线通信系统
技术领域
本发明属于通信传输技术，尤其涉及一种水下无线通信系统。
背景技术
CN201510165553.7公开了一种浅海水下通信装置。以较低功耗的代价实现水下装置和水面通讯转发系统的数据通讯，单芯不锈钢丝通讯介质的选择与安装模式可保障较长的使用寿命。水下传输距离与抗干扰性，对水下无线通信有着重要的意义。CN201110346209.X的那种非接触式水下通信装置，利用水声信号抗干扰。其发射元件包括至少两个天线，发射元件配置成使电场信号传播通过水。通信部分耦合于发射元件，通信部分包括至少一个传送器，通信部分用于传送发射元件的数字调制数据。该案的抗干扰能力有待进一步提高。根据以上，需要提供一种水下无线通信系统，用于进一步解决无线信号在水中传输距离和无线信号水下受到干扰的问题。
发明内容
本发明提供了一种水下无线通信系统，在保证水下无线信号传输距离的同时提高抗干扰性，提高通信质量。
一种水下无线通信系统，其特征在于包括，
一单片机；
图像采集器，用于采集第一RGB图像；
第一图像转换单元，用于将所述第一RGB图像变换为第一灰度图像；
一发射器，该发射器由编码单元、扩频调制单元、发射换能单元组成，编码单元将第一RGB图像、第一灰度图像转换成第一数字信号，扩频调制单元将第一数字信号调制成第一扩频信号，发射换能单元将第一扩频信号转换成第一声波信号，第一声波信号经水声通道衰减干扰后形成第二声波信号；
一接收器，接收器由接收换能单元、扩频解调单元、解码单元组成，接收换能单元将第二声波信号转换成第二扩频信号，扩频解调单元将第二扩频信号解调成第二数字信号，解码单元将第二数字信号转化成第二RGB图像I、第二灰度图像E；
第二图像转换单元，用于根据第二RGB图像I生成第三灰度图像U与二值图像F；
信号检验单元，用于根据第三灰度图像U、二值图像F与第二灰度图像E生成干扰参考值T，若T＞T0+△，发出提高扩频带宽的指令，若T＜T0－△，发出降低扩频带宽的指令，T0为预设的干扰基准值，△为阈值参数；
反馈单元，用于向扩频调制单元与扩频解调单元发送调整扩频带宽的指令。
在本发明中，第三灰度图像U、二值图像F与第二灰度图像E存储为图像矩阵，每一像素点的像素值为矩阵相应位置的元素值。
在本发明中，干扰参考值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
是指图像对应元素相乘，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
是指图像X全部元素的平均值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
是指图像X全部像素点的熵。
在本发明中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
，其中k是图像X中的最大像素值，pi表示图像X中像素值等于i的概率。
在本发明中，第三灰度图像U的任意像素值A =（R+G+B）/3，其中，R、G、B分别为第二RGB图像I任意像素的三个通道的像素值。
在本发明中，二值图像F的任意像素值
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，其中，Y=R+G+B ，R、G、B分别为第二RGB图像I任意像素的三个通道的像素值。
在本发明中，扩频带宽为T/T0。
在本发明中，若T＞T0+△，提高10%的扩频带宽，若T＜T0－△，降低10%的扩频带宽。
本发明的水下无线通信系统采用水声通道传输无线信号，保证水下无线信号传输距离。水声信号中包含彩色图像和用于校验的灰度图像，根据彩色图像与灰度图像的像素变化改变信号带宽，提高抗干扰性，提高通信质量。
附图说明
图1为本发明的水下无线通信系统的框图；
图2为图1的发射器与接收器的信号传输示意图；
图3为本发明的扩频调制发射换能的流程图；
图4为本发明的扩频解调接收换能的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示的本发明的水下无线通信系统，包括单片机、图像采集器、第一图像转换单元、发射器、接收器、第二图像转换单元、信号检验单元以及反馈单元。单片机通过GPIO引脚控制图像采集器、发射器等部件的工作。图像采集器例如是摄像机，用于采集第一RGB图像。单片机接收第一RGB图像后发送至第一图像转换单元，第一图像转换单元将第一RGB图像变换为第一灰度图像并返回给单片机。发射器将第一灰度图像和第一RGB图像调制成声波信号后发送至接收器。其中，发射器产生第一声波信号，第一声波信号经水声通道衰减干扰后形成第二声波信号，接收器获得该第二声波信号。本发明经水声通道传输无线信号，可以提供比无线电信号更大的信号传输距离。
根据香农公式，当信号的有效宽度为b，信号和噪声功率分别为S和N时，极限信息传输速率即信道容量c=b（1+S/N）。提高b，可以在S/N远小于1的条件下通信。本发明通过信号检验单元确定通信质量（S/N），反馈调节b。具体的，第二图像转换单元根据第二RGB图像I生成第三灰度图像U与二值图像F。信号检验单元根据第三灰度图像U、二值图像F与第二灰度图像E的像素质量，生成干扰参考值T。若T＞T0+△，发出提高扩频带宽的指令，若T＜T0－△，发出降低扩频带宽的指令，T0为预设的干扰基准值，△为阈值参数。反馈单元向发射器的扩频调制单元与接收器的扩频解调单元发送调整扩频带宽的指令。反馈单元可以是另一组信号发射装置，与之对应的，发射器具有信号接收装置。接收器采用有线方式与反馈单元连接。反馈信号的数据量很小，信号发射装置可以发送简单的二进制数字信号，以避免反馈信号受到干扰。在本实施例中，若T＞T0+△，提高10%的扩频带宽，若T＜T0－△，降低10%的扩频带宽。若T0－△≤T≤T0+△，保持当前的带宽保持不变。在另一实施方式中，需要调整扩频带宽时，调整后的带宽可以为T/T0。水声信号中包含彩色图像和用于校验的灰度图像，根据彩色图像与灰度图像的像素变化改变信号带宽，较高的带宽增强抗干扰性，提高通信质量。如果信号质量超过预期，可以适当减小带宽，降低对系统的要求和频段占用。
本发明的发射器与接收器的信号传输过程如图2所示。第一RGB图像、第一灰度图像信号输入至编码单元，进行信号编码，把第一RGB图像、第一灰度图像信号转换成第一数字信号，而后扩频调制单元产生一个扩频序列码，把第一数字信号调制在一个扩频序列码上，进行扩频调制。完成所有的信号调制后，发射换能单元将第一数字信号转换成第一声波信号，发射在水声通道中传输。接收器接收第二声波信号，在接收换能单元将第二声波信号转换成第二扩频信号，再由扩频解调单元产生的相同序列码扩频解调，第二扩频信号解调成第二数字信号，解码单元将第二数字信号转化成第二RGB图像I、第二灰度图像E。反馈单元请求等比例的扩频调制单元、扩频解调单元的参数，保证信号无障碍传输。
发射器由编码单元、扩频调制单元、发射换能单元组成。编码单元将第一RGB图像、第一灰度图像转换成第一数字信号，扩频调制单元将第一数字信号调制成第一扩频信号，发射换能单元将第一扩频信号转换成第一声波信号。扩频调制发射换能的流程如图3，由扩频调制单元处理过的第一数字信号进入发射换能单元后，经调制器调制，已调制的第一数字信号进入上变频器进行上变频后，判断第一数字信号频率是否提高，如是则在高频功率放大器里进行功率放大，如否则继续上变频；第一数字信号进入高频功率放大器后，判断是否功率放大，如是则在声波传感器里进行第一声波信号的转换，如否则继续高频功率放大；第一数字信号进入声波传感器后，判断是否第一数字信号转换成第一声波信号，如是则进入带通滤波器滤出其它信号频率，如否则继续信号的转换；第一声波信号进入带通滤波器后完成滤波结束工作流程。
接收器由接收换能单元、扩频解调单元、解码单元组成。接收换能单元将第二声波信号转换成第二扩频信号，扩频解调单元将第二扩频信号解调成第二数字信号，解码单元将第二数字信号转化成第二RGB图像I、第二灰度图像E。扩频解调接收换能的流程如图4所示，第二声波信号进入接收换能单元后，开始在扬声器里进行信号的转换，判断是否第二信号转换成第二数字信号，如是则第二数字信号进入低噪放大器，如否则继续进行信号的转换；第二数字信号进入低噪放大器，提高输出信噪比，再进入下变频器后，判断是否频率降低，如是则进入中频放大器，如否则继续下变频；第二数字信号进入中频放大器后，判断频率是否放大，如是则在扩频解调单元里解调信号，如否则继续在中频放大器放大信号；在解调器里完成解调后的第二数字信号进入滤波器后完成滤波结束工作流程。
图像U、F、E均为图像矩阵，矩阵行列数等于横纵像素点的数量。例如，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
的各个元素表示图像不同位置像素点的像素值。图像I为多行三列矩阵，如
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示按预设标准依次排列的三个像素点的RGB分别为17、28、39和44、120、125和87、128、128。RGB图像与灰度图像的数据量和数据格式不相同。由于信号干扰，经水声通道和滤波后的RGB图像和灰度图像的图像质量产生差异，差异采用熵描述。由于信号干扰不可避免，熵恒大于零。同时，直接对比RGB图像与灰度图像没有实际意义，为了保证数据的可比性，采用二值图作为比较基础。本发明中，干扰参考值定义为熵×权重。干扰参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE018
。
Figure DEST_PATH_IMAGE019
是指图像X全部像素点的熵
Figure DEST_PATH_IMAGE020
。k是图像X中的最大像素值，pi表示图像X中像素值等于i的概率。
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为图像权重比。
Figure 716305DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 633445DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 721837DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 117047DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。
Figure 993736DEST_PATH_IMAGE011
是指图像对应元素相乘，
Figure 816198DEST_PATH_IMAGE012
是指图像X全部元素的平均值。
本发明的第一、第二图像转换单元可以采用多重变换图像数据的方式，二值图像F的任意像素值
Figure 896281DEST_PATH_IMAGE015
，其中，Y=R+G+B ，R、G、B分别为第二RGB图像I任意像素的三个通道的像素值。在视觉图像上，灰度图像一般调整方式为Grey=0.299×R+0.587×G+0.114×B。本发明为了获得更为准确的数据，第三灰度图像U的任意像素值A=（R+G+B）/3。R、G、B分别为第二RGB图像I任意像素的三个通道的像素值。
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 (7)

1.一种水下无线通信系统，其特征在于包括，
一单片机；
图像采集器，用于采集第一RGB图像；
第一图像转换单元，用于将所述第一RGB图像变换为第一灰度图像；
一发射器，该发射器由编码单元、扩频调制单元、发射换能单元组成，编码单元将第一RGB图像、第一灰度图像转换成第一数字信号，扩频调制单元将第一数字信号调制成第一扩频信号，发射换能单元将第一扩频信号转换成第一声波信号，第一声波信号经水声通道衰减干扰后形成第二声波信号；
一接收器，接收器由接收换能单元、扩频解调单元、解码单元组成，接收换能单元将第二声波信号转换成第二扩频信号，扩频解调单元将第二扩频信号解调成第二数字信号，解码单元将第二数字信号转化成第二RGB图像I、第二灰度图像E；
第二图像转换单元，用于根据第二RGB图像I生成第三灰度图像U与二值图像F；
信号检验单元，用于根据第三灰度图像U、二值图像F与第二灰度图像E生成干扰参考值T，若T＞T0+△，发出提高扩频带宽的指令，若T＜T0－△，发出降低扩频带宽的指令，T0为预设的干扰基准值，△为阈值参数；
反馈单元，用于向扩频调制单元与扩频解调单元发送调整扩频带宽的指令。
2.根据权利要求1所述的水下无线通信系统，其特征在于，干扰参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
是指图像对应元素相乘，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是指图像X全部像素点的平均值，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
是指图像X全部像素点的熵。
3.根据权利要求2所述的水下无线通信系统，其特征在于，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，其中k是图像X中的最大像素值，pi表示图像X中像素值等于i的概率。
4.根据权利要求1所述的水下无线通信系统，其特征在于，第三灰度图像U的任意像素值A =（R+G+B）/3，其中，R、G、B分别为第二RGB图像I任意像素的三个通道的像素值。
5.根据权利要求1所述的水下无线通信系统，其特征在于，二值图像F的任意像素值
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，其中，Y=R+G+B ，R、G、B分别为第二RGB图像I任意像素的三个通道的像素值。
6.根据权利要求3所述的水下无线通信系统，其特征在于，扩频带宽为T/T0。
7.根据权利要求3所述的水下无线通信系统，其特征在于，若T＞T0+△，提高10%的扩频带宽，若T＜T0－△，降低10%的扩频带宽。
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