CN113556177A - 跨介质的空中至水下激光致声通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信领域和水声学领域，具体涉及一种跨介质的空中至水下激光致声通信方法及装置，通过数字信息编码控制激光器发射激光脉冲的时间间隔及能量大小，从而激发不同频率及不同特性的激光信号，脉冲激光信号经过空气传输使得激光能量在到达水面之后以光击穿的方式与水介质实现相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播，通过水下任意位置的水听器进行声波信号的接收，从而实现从空中到水下的信号传输，进而进行信息的传输从而实现水声通信。

Description

跨介质的空中至水下激光致声通信方法及装置

技术领域：

本发明涉及光通信领域和水声学领域，具体涉及一种跨介质的空中至水下激光致声通信方法及装置。

背景技术：

海洋水下目标探测在未来战争中和国民经济生产中的地位日益突出，如海战中进行实时信息交换、通信联络、指挥控制以及在海洋资源开发时对某一海域的水文数据进行采集，对海洋渔业资源进行监管，对海洋矿产资源进行勘探等，采用合适的空中-水下探测及通信技术是实现上述目标的关键与前提。由于海水对电磁波吸收很大(包括光波)，因此难以在海洋介质中作为远程探测工具。然而，声波在水下有着良好的传播性能，频率范围在1Hz到50kHz之间的声波在水中的衰减系数约为10^-4dB/m到10^-2dB/m，因此在海水中声波是“信息”的理想载体。

发明内容：

本发明针对传统空中—海洋通信信号损耗大、安全性较差、通信困难性大等问题，提供一种跨介质的空中至水下激光致声通信方法及装置。

本发明通过以下措施达到：

一种跨介质的空中至水下激光致声通信方法，其特征在于，通过数字信息编码控制激光器发射激光脉冲的时间间隔及能量大小，从而激发不同频率及不同特性的激光信号，脉冲激光信号经过空气传输使得激光能量在到达水面之后以光击穿的方式与水介质实现相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播，通过水下任意位置的水听器进行声波信号的接收，从而实现从空中到水下的信号传输，进而进行信息的传输从而实现水声通信；其中，发送数据的前端加入表明数据幅值及时隙类型的编码组成通信帧；接收系统通过对码元信息的识别判断数据的幅值及时隙类型从而判断脉冲所代表的实际数据，完成通信的数据解码并送输出电路显示。

本发明所述跨介质的空中至水下激光致声通信方法具体为：

步骤1：数字信号编码处理模块通过串口获取工控机待传递的数据信息并进行分帧编码，确定每帧的幅值类型和时隙类型；

步骤2：数字信号编码处理模块输出的数据帧编码经驱动电路加载于Nd：YAG固体脉冲激光器驱动模块，输出脉冲幅值能量大小不同及时间间隔不同的脉冲激光，获得不同幅值类型PAM信号输出及不同时隙类型PPM信号输出；

步骤3：激光脉冲信号经过大气信道到达水面，以光击穿的方式与水介质实现相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播；

步骤4：声波信号经过水声信道进行传播，由水听器接收声信号并由声电转换模块转换为电信号，经预处理放大滤波电路后输出到数字信号解码处理模块；

步骤5：数字信号解码处理模块通过检测帧编码确定脉冲幅值类型及时隙类型，从而获得其码元信息，完成数据解码并输出显示。

本发明所述步骤1及步骤2中，数据帧编码的幅值调制是以其脉冲能量幅值大小表征一帧的数据幅值类型，定义其脉冲能量幅值为E，与不同能量幅值类型的关系组成函数库；定义能量幅值类库的规则为在PAM调制方式中至少选择一个，数据对应一个字节为8bit；对应地，以1个字节8bit为单位组帧；PAM4调制每次发送2bit数据，PAM8调制每次发送3bit数据，PAM16调制每次发送4bit数据。

本发明所述步骤1及步骤2中数据帧编码的时隙结构是以其脉冲间隔表征一帧的数据时隙类型，定义其脉冲间隔时间为△T，与时隙类型的关系组成函数库；定义时隙类库的规则为在PPM调制方式中至少选择一个，数据对应一个字节为8bit；对应地，以1个字节8bit为单位组帧；4PPM调制每次发送2bit数据，16PPM调制每次发送4bit数据，256PPM调制每次发送8bit数据。

本发明所述步骤2中获得不同幅值类型PAM信号输出及不同时隙类型PPM信号输出具体为：首先是对数字化信号进行PAM调制从而调整脉冲信号幅值，同时对其进行PPM调制调整脉冲信号频率，在进行信号调频时需要对原始调制信号进行积分处理，并对积分后的信号分别取正弦、余弦，并给出正交调制条件，通过对脉冲信号的调幅及调频从而实现信号调制：

其中设f₀为信号载频；a(t)与

分别代表脉冲信号的幅值调制信息与相位调制信息，采用式(1.1)表示信号函数：

对脉冲信号进行数字化处理可得：

其中，T_s表示数字化信号角频率；2πf₀＝ω₀，将式(1.2)展开得：

S(t)＝I(t)ω₀t+Q(t)sinω₀t (1.3),

假设v_Ω(t)表示数字化调制信号；A表示光源影响参量；ω_c表示信号截止频率；m_a表示信号调幅指数并且满足m_a∈[0,1]，对信号进行调幅的计算公式如下：

S(t)＝A(1+m_av_Ω(t))cosω_ct (1.6),

若m_a＞1，说明已调幅的信号包络可能出现严重失真，无法恢复原始调制信号波形，则信号的正交调制需满足如下条件：

I(t)＝A(1+m_av_Ω(t))(1.7),

Q(t)＝0(1.8),

将式(1.6)进行傅里叶变换可得：

其中，v_Ω(ω)表示调制信号的频谱。

假设k_f为信号调频指数，对其进行信号调频的计算公式如下：

将式(1.10)展开可得：

其中，

由上述计算可知，在进行信号调频时需要对原始调制信号进行积分处理，并对积分后的信号分别取正弦、余弦，此时需要满足以下条件才能实现对信号的正交调制：

I(t)＝cosφ (1.12)

Q(t)＝sinφ (1.13)

由上述分析及计算，得到调制信号的计算公式如下：

本发明所述步骤4及步骤5中，声波信号的接收及解码，采用能量计及计时器判断，接收及解码的分步骤如下：

步骤5-1：声电转换、放大滤波模块对水声信号进行处理后，由能量计对脉冲能量大小进行检测，计时器对脉冲时间间隔进行计数；

步骤5-2：由信号解码处理模块检测能量计测得的脉冲能量大小E为50mJ、75mJ、100mJ，则判定为不同幅值类型每帧开始，分别按照各幅值类型的比特编码规则进行脉冲能量大小的判断；

步骤5-3：由信号解码处理模块检测两脉冲间隔△T为100ms、150ms、200ms，则判定为不同时隙类型每帧开始，分别按照各时隙类型的比特编码规则进行脉冲时间间隔的判断；

步骤5-4：实现对每种PAM及PPM调制类型各帧数据信息的解码还原。

本发明还提出了一种执行上述跨介质的空中至水下激光致声通信方法的装置，其特征在于，设有发射机构和接收机构，所述发射机构包括依次连接的信号编码处理模块、激光激发及扫描控制模块以及激光器，所述接收机构包括依次连接的水听器、声电转换模块、预处理放大滤波模块及信号解码处理模块；

所述信号编码处理模块实现数据信息的字节编码、脉冲幅值与时隙的编码处理及幅值与时隙帧间的组合；

所述激光激发及扫描控制模块实现脉冲信号的触发及激光脉冲时间间隔与能量大小的编码输出；

所述激光器受控于编码输出信号，实现激光脉冲的发射；

所述水听器完成激光声信号的接收；

所述声电转换模块将声信号转化为电信号；

所述预处理放大滤波模块对电信号进行放大滤波处理；

所述信号解码处理模块对返回的各帧信息进行解码处理；

所述发射系统及接收系统通过空气中激光激发超声波与水下致发声波相结合进行通信；

控制脉冲信号发射频率及能量的工控机输出端经信号编码处理模块和激光激发扫描控制模块与激光器的输入端相连，激光器的输出端经扫描镜及振镜系统后依次通过空气信道和水声信道后与水听器建立无线通信，水听器的输出端经声电转换模块和预处理放大滤波模块连接信号解码处理模块的输入端，信号解码处理模块的输出端与工控机相连。

本发明中激光器为Nd：YAG固体脉冲激光器，脉冲重复频率为1-10Hz，脉冲宽度为10ns，单脉冲能量最大值为100mJ；所述水听器为压电陶瓷(PZT)水听器，带宽为1MHz。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)激光器输出随机变化的脉冲调制信号，且信号呈现无规律状态，能够有效降低数据丢失或被破译的概率。

(2)采用脉冲宽度为10ns的激光脉冲，其激光的波长属于红外波段，在通信中肉眼无法进行识别，有利于信号的保密传输；同时该波长的激光脉冲的激光致声转换效率较好，能够有效地提高通信质量。(3)大气信道中激光作为载波，可利用机载平台向水中发射远距离激光脉冲，然后通过光声能量转换，转换为声波信号在水下传输，突破了空气-水物理界面的限制，大幅度降低了信号损耗，实现远程跨空中-水下通信。(4)水下信道中，水听器可放置于水下可探测范围内的任何位置，具有机动灵活的特点。(5)针对空中-水下通信环境的特点，保障通信双方之间的通信安全性，提高通信双方的通讯质量，克服环境干扰下存在的通信困难。

附图说明：

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明方法流程图。

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的说明，但不是对本发明的限定。

图1示出了一种跨介质的空中-水下激光致声通信系统，包括发射系统及接收系统，所述发射系统包括依次连接的信号编码处理模块、激光激发及扫描控制模块以及激光器，所述接收系统包括依次连接的水听器、声电转换模块、预处理放大滤波模块及信号解码处理模块；

所述信号编码处理模块实现数据信息的字节编码、脉冲幅值与时隙的编码处理及幅值与时隙帧间的组合；

所述激光激发及扫描控制模块实现脉冲信号的触发及激光脉冲时间间隔与能量大小的编码输出；

所述激光器受控于编码输出信号，实现激光脉冲的发射；

所述水听器完成激光声信号的接收；

所述声电转换模块将声信号转化为电信号；

所述预处理放大滤波模块对电信号进行放大滤波处理；

所述信号解码处理模块对返回的各帧信息进行解码处理；

所述发射系统及接收系统通过空气中激光激发超声波与水下致发声波相结合进行通信。

本发明工作原理：通过数字信息编码控制激光器发射激光脉冲的时间间隔及能量大小从而激发不同频率及不同特性的激光信号，特定的激光脉冲经过空气传输使得激光能量在到达水面之后以光击穿的方式与水介质实现相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播，通过水下任意位置的水听器进行声波信号的接收，从而实现从空中到水下的信号传输，进而进行信息的传输从而实现水声通信。其中，发送数据的前端加入表明数据幅值及时隙类型的编码组成通信帧；接收系统通过对码元信息的识别判断数据的幅值及时隙类型从而判断脉冲所代表的实际数据，完成通信的数据解码并送输出电路显示。

图2示出了一种跨介质的空中-水下激光致声通信方法，包括如下步骤：

(1)数字信号编码处理模块通过串口获取工控机待传递的数据信息并进行分帧编码，确定每帧的幅值类型和时隙类型；

(2)数字信号编码处理模块输出的数据帧编码经驱动电路加载于Nd：YAG固体脉冲激光器驱动模块，输出脉冲幅值能量大小不同及时间间隔不同的脉冲激光，获得不同幅值类型PAM信号输出及不同时隙类型PPM信号输出；

(3)激光脉冲信号经过大气信道到达水面，以光击穿的方式与水介质实现相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播；

(4)声波信号经过水声信道进行传播，由水听器接收声信号并由声电转换模块转换为电信号，经预处理放大滤波电路后输出到数字信号解码处理模块；

(5)数字信号解码处理模块通过检测帧编码确定脉冲幅值类型及时隙类型，从而获得其码元信息，完成数据解码并输出显示。

在步骤(1)、(2)中，数据帧编码的幅值调制是以其脉冲能量幅值大小表征一帧的数据幅值类型，定义其脉冲能量幅值为E，与不同能量幅值类型的关系组成函数库；定义能量幅值类库的规则为在PAM调制方式中至少选择一个，数据对应一个字节为8bit；

对应地，以1个字节8bit为单位组帧；PAM4调制每次发送2bit数据，PAM8调制每次发送3bit数据，PAM16调制每次发送4bit数据。在步骤(1)、(2)中，数据帧编码的时隙结构是以其脉冲间隔表征一帧的数据时隙类型，定义其脉冲间隔时间为△T，与时隙类型的关系组成函数库；定义时隙类库的规则为在PPM调制方式中至少选择一个，数据对应一个字节为8bit；

对应地，以1个字节8bit为单位组帧；4PPM调制每次发送2bit数据，16PPM调制每次发送4bit数据，256PPM调制每次发送8bit数据。在步骤(2)中，对输入信号进行数字化处理和展开；首先是对数字化信号进行PAM调制从而调整脉冲信号幅值，同时对其进行PPM调制调整脉冲信号频率，在进行信号调频时需要对原始调制信号进行积分处理，并对积分后的信号分别取正弦、余弦，并给出正交调制条件，通过对脉冲信号的调幅及调频从而实现信号调制。

设f₀为信号载频；a(t)与

分别代表脉冲信号的幅值调制信息与相位调制信息，一般采用式(1.1)表示信号函数：

对脉冲信号进行数字化处理可得：

其中，T_s表示数字化信号角频率；2πf₀＝ω₀，将式(1.2)展开得：

S(t)＝I(t)ω₀t+Q(t)sinω₀t (1.3),

假设v_Ω(t)表示数字化调制信号；A表示光源影响参量；ω_c表示信号截止频率；m_a表示信号调幅指数并且满足m_a∈[0,1]，对信号进行调幅的计算公式如下：

S(t)＝A(1+m_av_Ω(t))cosω_ct (1.6),

若m_a＞1，说明已调幅的信号包络可能出现严重失真，无法恢复原始调制信号波形，则信号的正交调制需满足如下条件：

I(t)＝A(1+m_av_Ω(t)) (1.7),

Q(t)＝0 (1.8),

将式(1.6)进行傅里叶变换可得：

其中，v_Ω(ω)表示调制信号的频谱。

假设k_f为信号调频指数，对其进行信号调频的计算公式如下：

将式(1.10)展开可得：

其中，

由上述计算可知，在进行信号调频时需要对原始调制信号进行积分处理，并对积分后的信号分别取正弦、余弦，此时需要满足以下条件才能实现对信号的正交调制：

I(t)＝cosφ (1.12)

Q(t)＝sinφ (1.13)

由上述分析及计算，得到调制信号的计算公式如下：

在步骤(4)、(5)中，声波信号的接收及解码，采用能量计及计时器判断。接收及解码的分步骤如下：

(1)声电转换、放大滤波模块对水声信号进行处理后，由能量计对脉冲能量大小进行检测，计时器对脉冲时间间隔进行计数；

(2)由信号解码处理模块检测能量计测得的脉冲能量大小E为50mJ、75mJ、100mJ，则判定为不同幅值类型每帧开始，分别按照各幅值类型的比特编码规则进行脉冲能量大小的判断；

(3)由信号解码处理模块检测两脉冲间隔△T为100ms、150ms、200ms，则判定为不同时隙类型每帧开始，分别按照各时隙类型的比特编码规则进行脉冲时间间隔的判断；

(4)实现对每种PAM及PPM调制类型各帧数据信息的解码还原。

以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种跨介质的空中至水下激光致声通信方法，其特征在于，通过数字信息编码控制激光器发射激光脉冲的时间间隔及能量大小，从而激发不同频率及不同特性的激光信号，脉冲激光信号经过空气传输使得激光能量在到达水面之后以光击穿的方式与水介质实现相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播，通过水下任意位置的水听器进行声波信号的接收，从而实现从空中到水下的信号传输，进而进行信息的传输从而实现水声通信；其中，发送数据的前端加入表明数据幅值及时隙类型的编码组成通信帧；接收系统通过对码元信息的识别判断数据的幅值及时隙类型从而判断脉冲所代表的实际数据，完成通信的数据解码并送输出电路显示。

2.根据权利要求1所述的一种跨介质的空中至水下激光致声通信方法，其特征在于，所述跨介质的空中至水下激光致声通信方法具体为：

步骤1：数字信号编码处理模块通过串口获取工控机待传递的数据信息并进行分帧编码，确定每帧的幅值类型和时隙类型；

步骤2：数字信号编码处理模块输出的数据帧编码经驱动电路加载于Nd：YAG固体脉冲激光器驱动模块，输出脉冲幅值能量大小不同及时间间隔不同的脉冲激光，获得不同幅值类型PAM信号输出及不同时隙类型PPM信号输出；

步骤3：激光脉冲信号经过大气信道到达水面，以光击穿的方式与水介质实现相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播；

步骤4：声波信号经过水声信道进行传播，由水听器接收声信号并由声电转换模块转换为电信号，经预处理放大滤波电路后输出到数字信号解码处理模块；

步骤5：数字信号解码处理模块通过检测帧编码确定脉冲幅值类型及时隙类型，从而获得其码元信息，完成数据解码并输出显示。

3.根据权利要求2所述的一种跨介质的空中至水下激光致声通信方法，其特征在于，所述步骤1及步骤2中，数据帧编码的幅值调制是以其脉冲能量幅值大小表征一帧的数据幅值类型，定义其脉冲能量幅值为E，与不同能量幅值类型的关系组成函数库；定义能量幅值类库的规则为在PAM调制方式中至少选择一个，数据对应一个字节为8bit；对应地，以1个字节8bit为单位组帧；PAM4调制每次发送2bit数据，PAM8调制每次发送3bit数据，PAM16调制每次发送4bit数据。

4.根据权利要求2所述的一种跨介质的空中至水下激光致声通信方法，其特征在于，所述步骤1及步骤2中数据帧编码的时隙结构是以其脉冲间隔表征一帧的数据时隙类型，定义其脉冲间隔时间为△T，与时隙类型的关系组成函数库；定义时隙类库的规则为在PPM调制方式中至少选择一个，数据对应一个字节为8bit；对应地，以1个字节8bit为单位组帧；4PPM调制每次发送2bit数据，16PPM调制每次发送4bit数据，256PPM调制每次发送8bit数据。

5.根据权利要求2所述的一种跨介质的空中至水下激光致声通信方法，其特征在于，所述步骤2中获得不同幅值类型PAM信号输出及不同时隙类型PPM信号输出具体为：首先是对数字化信号进行PAM调制从而调整脉冲信号幅值，同时对其进行PPM调制调整脉冲信号频率，在进行信号调频时需要对原始调制信号进行积分处理，并对积分后的信号分别取正弦、余弦，并给出正交调制条件，通过对脉冲信号的调幅及调频从而实现信号调制；

设f₀为信号载频；a(t)与

分别代表脉冲信号的幅值调制信息与相位调制信息，一般采用式(1.1)表示信号函数：

对脉冲信号进行数字化处理可得：

其中，T_s表示数字化信号角频率；2πf₀＝ω₀，将式(1.2)展开得：

S(t)＝I(t)ω₀t+Q(t)sinω₀t (1.3),

假设v_Ω(t)表示数字化调制信号；A表示光源影响参量；ω_c表示信号截止频率；m_a表示信号调幅指数并且满足m_a∈[0,1]，对信号进行调幅的计算公式如下：

S(t)＝A(1+m_av_Ω(t))cosω_ct (1.6),

若m_a＞1，说明已调幅的信号包络可能出现严重失真，无法恢复原始调制信号波形，则信号的正交调制需满足如下条件：

I(t)＝A(1+m_av_Ω(t)) (1.7),

Q(t)＝0 (1.8),

将式(1.6)进行傅里叶变换可得：

其中，v_Ω(ω)表示调制信号的频谱，

假设k_f为信号调频指数，对其进行信号调频的计算公式如下：

将式(1.10)展开可得：

其中，

由上述计算可知，在进行信号调频时需要对原始调制信号进行积分处理，并对积分后的信号分别取正弦、余弦，此时需要满足以下条件才能实现对信号的正交调制：

I(t)＝cosφ (1.12)

Q(t)＝sinφ (1.13)

由上述分析及计算，得到调制信号的计算公式如下：

6.根据权利要求1所述的一种跨介质的空中至水下激光致声通信方法，其特征在于，所述步骤4及步骤5中，声波信号的接收及解码，采用能量计及计时器判断，接收及解码的分步骤如下：

步骤5-1：声电转换、放大滤波模块对水声信号进行处理后，由能量计对脉冲能量大小进行检测，计时器对脉冲时间间隔进行计数；

步骤5-2：由信号解码处理模块检测能量计测得的脉冲能量大小E为50mJ、75mJ、100mJ，则判定为不同幅值类型每帧开始，分别按照各幅值类型的比特编码规则进行脉冲能量大小的判断；

步骤5-3：由信号解码处理模块检测两脉冲间隔△T为100ms、150ms、200ms，则判定为不同时隙类型每帧开始，分别按照各时隙类型的比特编码规则进行脉冲时间间隔的判断；

步骤5-4：实现对每种PAM及PPM调制类型各帧数据信息的解码还原。

7.一种执行如权利要求1-5中任意一项所述跨介质的空中至水下激光致声通信方法的装置，其特征在于，设有发射机构和接收机构，所述发射机构包括依次连接的信号编码处理模块、激光激发及扫描控制模块以及激光器，所述接收机构包括依次连接的水听器、声电转换模块、预处理放大滤波模块及信号解码处理模块；

所述信号编码处理模块实现数据信息的字节编码、脉冲幅值与时隙的编码处理及幅值与时隙帧间的组合；

所述激光激发及扫描控制模块实现脉冲信号的触发及激光脉冲时间间隔与能量大小的编码输出；

所述激光器受控于编码输出信号，实现激光脉冲的发射；

所述水听器完成激光声信号的接收；

所述声电转换模块将声信号转化为电信号；

所述预处理放大滤波模块对电信号进行放大滤波处理；

所述信号解码处理模块对返回的各帧信息进行解码处理；

所述发射系统及接收系统通过空气中激光激发超声波与水下致发声波相结合进行通信；

控制脉冲信号发射频率及能量的工控机输出端经信号编码处理模块和激光激发扫描控制模块与激光器的输入端相连，激光器的输出端经扫描镜及振镜系统后依次通过空气信道和水声信道后与水听器建立无线通信，水听器的输出端经声电转换模块和预处理放大滤波模块连接信号解码处理模块的输入端，信号解码处理模块的输出端与工控机相连。

8.根据权利要求1所述的一种跨介质的空中至水下激光致声通信装置，其特征在于，激光器为Nd：YAG固体脉冲激光器，脉冲重复频率为1-10Hz，脉冲宽度为10ns，单脉冲能量最大值为100mJ；所述水听器为压电陶瓷(PZT)水听器，带宽为1MHz。

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