CN114070419B - 基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统及方法 - Google Patents

基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提出一种基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统及方法，系统包括至少一个核心接收单元，与所述核心接收单元连接的发射阵元；所述发射阵元，用于实时采集水中的声信号，并将所述声信号经处理转换为预设的发射信号，发送所述发射信号至所述核心接收单元；所述核心接收单元，用于接收所述发射阵元发送的发射信号，根据所述发射信号获取译码电信号，并保存所述译码电信号中的信号数据。本公开通过接收水中的声信号，将声信号转换为其它无线信号进行传输，避免声信号传播速率低，传播时延高的问题，提高了数据传输速率并降低了成本。

Description

基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统及方法
技术领域
本公开涉及水下探测及水下通信技术领域，尤其涉及一种基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统及方法。
背景技术
传统技术上，人们为了实现水下目标探测，通常将按照一定几何形状规律排列的声呐阵布放在水中，利用波束形成技术实现对水下目标的探测、定位和跟踪。按照声呐阵基元的空间排列方式可将声呐阵分为线阵、平面阵和球阵等。实际应用中，声呐阵单元采用水下平台装载或者单独在水下固定方式工作，这种声呐阵列一旦设计完成，就无法改变阵列形状和基元间距，无法根据实际情况灵活调整探测参数。为了提高探测距离及探测性能，最直接的方法是增大声呐基阵的孔径，降低探测频率，传统声呐阵受限于平台条件或者水下环境条件制约，无法将基元间距进行扩展，进一步提升其探测性能会变得非常困难。
近年来，随着水下成像探测技术、无线传感器网络系统以及自主式水下机器人（AUV）的快速发展和日益普及，水下声学通信技术固有的传输速率低、通信带宽窄、可适用载波频率低以及传输时延高等缺点已经无法满足高传输速率、低时延和高带宽的中短距离实时通信的需求，水下电磁波通信技术成为具有吸引力和可行性的替代方案。同时，相较于声学通信，水下电磁波无线通信更具成本效益，相较于高能耗且较昂贵的声学收发器，水下电磁波通信技术可实现体积相对较小且低成本的水下收发器，更适用于搭建长时间工作、低功耗的探测阵。
发明内容
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此本公开提出一种中短距离下基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统及方法，通过接收水中的声信号，将声信号转换为其它无线信号进行传输，避免声信号传播速率低，传播时延高的问题，提高了数据传输速率并降低了成本。
本公开第一方面，提出一种基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统，系统包括：至少一个核心接收单元，与所述核心接收单元连接的发射阵元；
所述发射阵元，用于实时采集水中的声信号，并将所述声信号经处理转换为预设的发射信号，发送所述发射信号至所述核心接收单元；
所述核心接收单元，用于接收所述发射阵元发送的发射信号，根据所述发射信号获取译码电信号，并保存所述译码电信号中的信号数据。
可选的，所述发射阵元，还包括：集成在所述发射阵元中的水听器信源、与所述水听器信源相连的编码线路、与所述编码线路相连的调制线路、与所述调制线路相连的发射模块；
所述水听器信源，用于实时采集水中的声信号并对所述声信号进行转换，确定转换后的信号为初始电信号，发送所述初始电信号至所述编码线路；
所述编码线路，用于接收所述初始电信号并对所述初始电信号进行编码，确定编码后的信号为编码电信号，发送所述编码电信号至所述调制电路；
所述调制电路，用于接收所述编码电信号并对所述编码电信号进行调制，确定调制后的信号为调制电信号，发送所述调制电信号至所述发射模块；
所述发射模块，用于接收所述解调电信号并对所述调制电信号进行转换，确定转换后的信号为发射信号，发送所述发射信号至所述核心接收单元。
其中，所述发射信号，包括以下的至少一种：
激光信号；
电磁波信号。
可选的，所述核心接收单元，还包括：集成在所述核心接收单元中的接收模块，与所述接收模块相连的解调电路，与所述解调电路相连的译码线路，与所述译码线路相连的数据与通信单元，集成在所述数据与通信单元中的对外发射模块；
所述接收模块，用于接收所述发射阵元发送的发射信号并对所述发射信号进行转换，确定转换后的信号为接收电信号，发送所述接收电信号至所述解调线路；
所述解调线路，用于接收所述接收模块发送的接收电信号并对所述接收电信号进行解调，确定转换后的信号为解调电信号，发送所述解调电信号至所述译码线路；
所述译码线路，用于接收所述解调线路发送的电信号并对所述解调电信号进行译码，确定译码后的信号为译码电信号，发送所述译码电信号至所述数据与通信单元
所述数据与通信单元，用于接收所述译码线路发送的译码电信号，并对所述译码电信号中的信号数据进行保存；
所述对外发射模块，对所述译码电信号进行转换，确定转换后的信号为对外发送信号，发送所述对外发送信号至位于水面的接收设备。
其中，所述对外发送信号，包括以下的至少一种
激光信号；
声信号。
可选的，所述系统还包括：爆炸螺栓；所述系统在待布放状态下，所述核心接收单元位于探测阵的几何中心，所述爆炸螺栓用于连接所述核心接收单元与各个发射阵元。
可选的，所述系统还包括：重物锚与螺旋桨；所述系统在布放状态下，所述核心接收单元通过重物锚固定于预设的工作水层深度，所述发射阵元依靠自身的螺旋桨与所述核心接收单元分离并以所述核心接收单元的中心点作为原点按照预设的形状排列。
本公开第二方面，提出一种中短距离下基于高速无线通信的水下任意形状探测阵方法，所述方法，包括：
实时采集水中的声信号，并将所述声信号经处理转换为预设的发射信号，令发射阵元发送所述发射信号至所述核心接收单元；
接收所述发射阵元发送的发射信号，并在将所述发射信号经处理为译码电信号后，保存所述译码电信号中的信号数据。
本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
通过接收水中的声信号，将声信号转换为其它无线信号进行传输，避免声信号传播速率低，传播时延高的问题，提高了数据传输速率并降低了成本。
探测阵具有体积小易于运输组装、可工作于水层不同位置以及探测阵形状、探测阵阵元间距可变的特点，同时采用基于水下无线通信方式保证阵元严格同步并提高数据传输速率和降低时延。
附图说明
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的一种基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统的结构图；
图2为本公开实施例提供的一种基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统的结构图；
图3为本公开实施例提供的一种基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统的结构图；
图4为本公开实施例提供的一种基于高速无线通信的水下任意形状探测阵方法的流程图；
图5是根据一示例性实施例示出的一种探测阵未进行布放时的结构图；
图6是根据一示例性实施例示出的一种探测阵进行布放时的结构图；
图7是根据一示例性实施例示出的发射阵元的系统框架；
图8是根据一示例性实施例示出的核心接收单元的系统框架。
具体实施方式
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
下面参考附图描述本公开实施例的中短距离下基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统、方法。
图1为本公开实施例提供的一种中短距离下基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统的结构图。
如图1所示，本公开实施例提供的中短距离下基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统，包括：至少一个核心接收单元120，与所述核心接收单元连接的发射阵元110。
所述发射阵元110，用于实时采集水中的声信号，并将所述声信号经处理转换为预设的发射信号，发送所述发射信号至所述核心接收单元120。
所述核心接收单元120，用于接收所述发射阵元110发送的发射信号，并在将所述发射信号经处理为译码电信号后，保存所述译码电信号中的信号数据。
可选的，所述系统还包括：爆炸螺栓;所述系统在待布放状态下，所述核心接收单元120位于探测阵的几何中心，所述核心接收单元120与各个发射阵元110之间通过爆炸螺栓连接。
可选的，所述系统还包括：重物锚与螺旋桨；所述系统在布放状态下，所述核心接收单元120通过重物锚固定于预设的工作水层深度，所述发射阵元110依靠自身的螺旋桨与所述核心接收单元120分离并以所述核心接收单元120的中心点作为原点按照预设的形状排列。
本公开实施例提供的中短距离下基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统，通过接收水中的声信号，将声信号转换为其它无线信号进行传输，避免声信号传播速率低，传播时延高的问题，提高了数据传输速率并降低了成本。
如图2所示，本公开实施例中，所述发射阵元110，还包括：集成在所述发射阵元中的水听器信源111、与所述水听器信源相连的编码线路112、与所述编码线路相连的调制线路113、与所述调制线路相连的发射模块114。
所述水听器信源111，用于实时采集水中的声信号并对所述声信号进行转换，确定转换后的信号为初始电信号，发送所述初始电信号至所述编码线路112。
其中，水听器是将声信号转换成电信号的换能器，用来接收水中的声信号，称为接收换能器，也常称为水听器。水听器广泛用于水中通信、探洲、目标定位、跟踪等，是声纳的重要部件，水下的探测、识别、通信，以及海洋环境监测和海洋资源的开发，都离不开水听器。本公开对水听器设备不作具体限制，此处水听器可为光纤水听器。
所述编码线路112，用于接收所述初始电信号并对所述初始电信号进行编码，确定编码后的信号为编码电信号，发送所述编码电信号至所述调制电路113。
其中，编码线路主要对接收到的电信号进行编码，编码方式有ASCII、MBCS、GBK等，本公开不对编码方式作具体限制，此处对信号编码以此增强信号的抗干扰能力。
所述调制电路113，用于接收所述编码电信号并对所述编码电信号进行调制，确定调制后的信号为调制电信号，发送所述调制电信号至所述发射模块114；
其中，调制电路对接收到的信号进行调制，通常需要将原始信号变换成频带适合信道传输的高频信号，也是提升系统的带宽利用率的一种措施。调制种类很多，分类方法也不一致，比如按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制，本公开对调制类型不作具体限制。
所述发射模块114，用于接收所述调制电信号并对所述调制电信号进行转换，确定转换后的信号为发射信号，发送所述发射信号至所述核心接收单元120。
可选的，所述发射信号，包括以下的至少一种：
激光信号；
电磁波信号。
其中，所述发射模块对接收到的信号进行转换。采用激光作为通信载波时，发射模块114中的激光光源实现电信号到光信号的转换，并产生预设的发射角以便于核心接收单元120接收；采用电磁波作为通信载波时，由发射模块114中的发射天线发射数据至核心接收单元120。
本公开示例性实施例通过接收水中的声信号，将声信号转换为其它无线信号，并通过编码和调制等操作进行传输，避免声信号传播速率低，传播时延高的问题，提高了数据传输速率并降低了成本。
如图3所示，本公开实施例中，所述核心接收单元120，还包括：集成在所述核心接收单元中的接收模块121，与所述接收模块相连的解调电路122，与所述解调电路相连的译码线路123，与所述译码线路相连的数据与通信单元124，集成在所述数据与通信单元124中的对外发射模块125。
所述接收模块121，用于接收所述发射阵元110发送的发射信号并对所述发射信号进行转换，确定转换后的信号为接收电信号，发送所述接收电信号至所述解调线路122；
在一种可能的实施例中，发射信号为激光信号时，接收模块121中的多个光电探测器分别接收对应发射阵元110发送的激光信号，并将激光信号转换为电信号。
其中，光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。本公开对对光电探测器的类型不作具体限制。
在另一种可能的实施例中，发射信号为电磁波时，接收模块121中的接收天线分别接收对应发射阵元110发射的电磁波信号。
其中，接收天线把接收到的电磁波的电场分量转换为电信号，并进行后续分析，此处对天线的类型不作具体限制。
所述解调线路122，用于接收所述接收模块121发送的接收电信号并对所述接收电信号进行解调，确定转换后的信号为解调电信号，发送所述解调电信号至所述译码线路123。
其中，解调线路122对接收到的信号进行解调，解调为调制的逆过程，接收端恢复信号中传送的消息并加以利用，解调方式有正弦波幅度解调、正弦波角度解调和共振解调技术三种方式，本公开对解调方式不作具体限制。
所述译码线路123，用于接收所述解调线路122发送的电信号并对所述解调电信号进行译码，确定译码后的信号为译码电信号，发送所述译码电信号至所述数据与通信单元124 。
其中，译码线路123对接收到的信号进行译码，译码为编码的逆过程，以表示获得信号中的数据。
所述数据与通信单元124，用于接收所述译码线路123发送的译码电信号，并对所述译码电信号中的信号数据进行保存。
所述对外发射模块125，对所述译码电信号进行转换，确定转换后的信号为对外发送信号，发送所述对外发送信号至位于水面的接收设备。
可选的，所述对外发送信号，包括以下的至少一种
激光信号；
声信号。
一种可能的实施例中，数据经对外发射模块通过激光发送到位于水面的接收设备；
另一种可能的实施例中，数据通过水声信号发送到位于水面的接收单元。
本公开示例性实施例通过接收发射阵元发送的发射信号，并对其进行转换、解调和译码，实现了数据的保存，并且同样实现了对数据的无线传输，最终可以将数据传输到位于岸基的计算机中，以实现高数据传输率、低时延的工作需求。
图4是根据一示例性实施例示出的一种基于高速无线通信的水下任意形状探测阵方法的流程图。如图4所示，所述方法用于探测阵方法中，包括以下步骤：
步骤401，实时采集水中的声信号，并将所述声信号经处理转换为预设的发射信号，令发射阵元发送所述发射信号至所述核心接收单元；
步骤402，接收所述发射阵元发送的发射信号，并在将所述发射信号经处理为译码电信号后，保存所述译码电信号中的信号数据。
关于上述实施例中的基于高速无线通信的水下任意形状探测阵方法，其中各个步骤执行操作的具体方式已经在有关该基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统的实施例中进行了详细描述，此处不再赘述。
图5是根据一示例性实施例示出的一种探测阵未进行布放时的结构图。
探测阵由核心接收单元1和多个发射阵元2组成。未进行布放时，探测阵的初始几何布局可以理解为边长为奇数（≥3）个发射单元2边长总和的正方体，核心接收单元1处于探测阵形状的几何中心位置，与各个发射阵元2之间通过爆炸螺栓连接。整体尺寸较小，且外部无线缆连接，便于搬运和运输。
图6是根据一示例性实施例示出的一种探测阵进行布放时的结构图；
当探测阵进行水下布放开展探测时，分布形状俯视图如图6所示，发射阵元2依靠爆炸螺栓及自身的螺旋桨远离核心接收单元1，并与其几乎保持在同一水平面，两者之间通过无线通信信道3进行数据的传输，由于电磁波或激光信号在水中的传播速度快，发射单元2与核心接收单元1两者之间的距离属于中短距离范围内，加之电磁波或激光信息承载能力强，可以保证各阵元严格同步、数据传输率高和时延低的工作需求。
图7是根据一示例性实施例示出的发射阵元的系统框架。
发射阵元2的系统框架如图7所示，其组成部分包括水听器信源4、编码线路5、调制电路6和发射模块7。水听器信源4探测到水中的声信号；编码线路5对信源信号进行编码，以此增强信号的抗干扰能力；通过调制电路6对信号进行调制，提升系统的带宽利用率；经编码、调制后的电信号加载到发射模块7。采用激光作为通信载波时，发射模块7中的激光光源实现电信号到光信号的转换，并产生一定发射角的光束在通信信道3中进行传输；采用电磁波作为通信载波时，由发射模块7中的发射天线发射数据并在通信信道3中传输。
图8是根据一示例性实施例示出的核心接收单元的系统框架。
由发射阵元2发射的信号被核心接收单元1接收，其系统框架如图8所示。当激光作为通信载波时，接收模块8中的多个光电探测器分别接收对应发射阵元2发射的激光信号，将光信号转换为电信号；当电磁波作为载波时，接收模块8中的接收天线分别接收对应发射阵元2发射的电磁波信号。接收到的信号经解调电路9和译码线路10之后输出到具有多路输入的数据与通信单元11，数据与通信单元11实现对输入的数据进行保存和处理等操作，并可以通过激光通信或水声通信链路12将数据发送到位于水面的接收设备，同样实现对数据的无线传输，最终可以将数据传输到位于岸基的计算机中。
以上实施例仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的专利范围。凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或变换，或直接、间接运用在其它相关的技术领域，均同理应包括在本发明的专利应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种基于高速无线通信的水下任意形状探测阵系统，系统包括：至少一个核心接收单元，与所述核心接收单元连接的发射阵元；
所述发射阵元，用于实时采集水中的声信号，并将所述声信号经处理转换为预设的发射信号，发送所述发射信号至所述核心接收单元；
所述核心接收单元，用于接收所述发射阵元发送的发射信号，根据所述发射信号获取译码电信号，并保存所述译码电信号中的信号数据；
其中，所述发射阵元，还包括：集成在所述发射阵元中的水听器信源、与所述水听器信源相连的编码线路、与所述编码线路相连的调制电路、与所述调制电路相连的发射模块；
所述水听器信源，用于实时采集水中的声信号并对所述声信号进行转换，确定转换后的信号为初始电信号，发送所述初始电信号至所述编码线路；
所述编码线路，用于接收所述初始电信号并对所述初始电信号进行编码，确定编码后的信号为编码电信号，发送所述编码电信号至所述调制电路；
所述调制电路，用于接收所述编码电信号并对所述编码电信号进行调制，确定调制后的信号为调制电信号，发送所述调制电信号至所述发射模块；
所述发射模块，用于接收所述调制电信号并对所述调制电信号进行转换，确定转换后的信号为发射信号，发送所述发射信号至所述核心接收单元；
所述核心接收单元，还包括：集成在所述核心接收单元中的接收模块，与所述接收模块相连的解调电路，与所述解调电路相连的译码线路，与所述译码线路相连的数据与通信单元，集成在所述数据与通信单元中的对外发射模块；
所述接收模块，用于接收所述发射阵元发送的发射信号并对所述发射信号进行转换，确定转换后的信号为接收电信号，发送所述接收电信号至所述解调电路；
所述解调电路，用于接收所述接收模块发送的接收电信号并对所述接收电信号进行解调，确定转换后的信号为解调电信号，发送所述解调电信号至所述译码线路；
所述译码线路，用于接收所述解调电路发送的电信号并对所述解调电信号进行译码，确定译码后的信号为译码电信号，发送所述译码电信号至所述数据与通信单元；
所述数据与通信单元，用于接收所述译码线路发送的译码电信号，并对所述译码电信号中的信号数据进行保存；
所述对外发射模块，对所述译码电信号进行转换，确定转换后的信号为对外发送信号，发送所述对外发送信号至位于水面的接收设备；
所述系统还包括：爆炸螺栓，所述系统在待布放状态下，所述核心接收单元位于探测阵的几何中心，所述爆炸螺栓用于连接所述核心接收单元与各个发射阵元；
重物锚与螺旋桨；所述系统在布放状态下，所述核心接收单元通过重物锚固定于预设的工作水层深度，所述发射阵元依靠自身的螺旋桨与所述核心接收单元分离并以所述核心接收单元的中心点作为原点按照预设的形状排列。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射信号，包括以下的至少一种：
激光信号；
电磁波信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述对外发送信号，包括以下的至少一种：
激光信号；
声信号。
4.一种基于高速无线通信的水下任意形状探测阵方法，其特征在于，所述方法，包括：
实时采集水中的声信号，并将所述声信号经处理转换为预设的发射信号，令发射阵元发送所述发射信号至核心接收单元；
接收所述发射阵元发送的发射信号，并在将所述发射信号经处理为译码电信号后，保存所述译码电信号中的信号数据；
其中，所述实时采集水中的声信号，并将所述声信号经处理转换为预设的发射信号，令发射阵元发送所述发射信号至核心接收单元，包括：
实时采集水中的声信号并对所述声信号进行转换，确定转换后的信号为初始电信号；
对所述初始电信号进行编码，确定编码后的信号为编码电信号；
对所述编码电信号进行调制，确定调制后的信号为调制电信号；
对所述调制电信号进行转换，确定转换后的信号为发射信号，
所述接收所述发射阵元发送的发射信号，并在将所述发射信号经处理为译码电信号后，保存所述译码电信号中的信号数据，包括：
接收所述发射阵元发送的发射信号并对所述发射信号进行转换，确定转换后的信号为接收电信号；
对所述接收电信号进行解调，确定转换后的信号为解调电信号；
对所述解调电信号进行译码，确定译码后的信号为译码电信号；
对所述译码电信号中的信号数据进行保存，
对所述译码电信号进行转换，确定转换后的信号为对外发送信号，发送所述对外发送信号至位于水面的接收设备；
将所述核心接收单元放置于探测阵的几何中心，并使用爆炸螺栓连接所述核心接收单元与所述发射阵元；
通过重物锚将所述核心接收单元固定于预设的工作水层深度，使用所述发射阵元自身的螺旋桨将所述发射阵元与所述核心接收单元分离，并以所述核心接收单元的中心点作为原点按照预设的形状排列。
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