CN114826433B - 一种激光致声水下通信调制方法及装置、系统、电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光致声水下通信调制方法及装置、系统、电子设备，该方法包括：获取待发送码字；对所述待发送码字进行序列扩频变换；利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息；根据所述时延信息，生成激发指示信号，以使得激光器根据所述激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，其中所述激光脉冲信号在水下转化为声信号，从而实现激光致声水下通信调制。该方法通过对待发送码字进行序列扩频变换，可以获得扩频增益，使得抗干扰能力增强，并且信号频谱被展宽，可大大减小多途衰落；利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息，能够有效对抗多途干扰，可靠地传输信息，并且节省系统功耗。

Description

一种激光致声水下通信调制方法及装置、系统、电子设备

技术领域

本申请涉及通信系统和信号处理领域，尤其涉及一种激光致声水下通信调制方法及装置、系统、电子设备。

背景技术

当光束照射到介质时，介质会将吸收的光能转变为热能，由热能引起了介质的温度变化，继而导致了介质的热胀冷缩，由此带来的介质内部的应力改变直接产生了声波。这就是光声效应。当激光入射到液体后，液体介质在吸收光能后被瞬间加热，温度升高后受热膨胀，若此时吸收的激光能量不足以引起液体状态改变时，液体会向外辐射产生压力波，由此产生声波信号。激光入水产生声信号的物理作用过程的示意如图1所示。

激光致声按照激光与水作用时的能量密度差异，可以将这种能量转换机制分为热膨胀、汽化和光击穿三大机制。热膨胀机制由液体吸收激光能量引起，但不改变液体状态，产生的声波重复性较好，更适于做通信应用。

激光入射水面的示意如图2所示。在热膨胀机制下，激光垂直入射时，对于位于角度θ和距离r的接收点，此时产生的声信号频谱可以表示为

T为水面透射系数，β为水体膨胀系数，P₀为激光脉冲功率，C_p为水比热容，μ为水对激光吸收系数，c为水下声速，a为光斑半径，G(ω)为激光脉冲频谱。

通过增大激光光斑半径，可以得到一个适合于水下远距离传输的低频窄带信号，总的有效时长大约在ms级左右。使用激光致声信号进行水下通信，相比于传统的换能器声源，具有如下优势：激光声源可以放置在空中，机动灵活；激光声源移动方便，便于覆盖全球的开阔水域；声信号的产生来自于非接触的激发方式，可以适应各种高温高压等恶劣环境；激光在液体中产生的光声源与传播介质始终耦合，不存在阻抗失配的状态等。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

激光致声具有一系列不确定性：激光在空中传播会受到干扰；声信号易受环境改变的影响；水质和温度容易改变对激光的吸收，进而影响声信号波形特征；不同接收点处的声信号也存在差异。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种激光致声水下通信调制方法及装置、系统、电子设备，以解决相关技术中存在的激光致声存在不确定性的技术问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种激光致声水下通信调制方法，包括：

获取待发送码字；

对所述待发送码字进行序列扩频变换；

利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息；

根据所述时延信息，生成激发指示信号，以使得激光器根据所述激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，其中所述激光脉冲信号在水下转化为声信号，从而实现激光致声水下通信调制。

进一步地，对所述待发送码字进行序列扩频变换，包括：

利用伪随机序列生成技术，生成一串伪随机码；

对所述待发送码字和所述伪随机码进行模2加法，实现序列扩频变换。

进一步地，利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息，包括：

分别设置-1码字和+1码字的编码时延差；

根据所述编码时延差，将扩频后的待发送码字映射为时延信息。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种激光致声水下通信调制装置，包括：

获取模块，用于获取待发送码字；

序列扩频变换模块，用于对所述待发送码字进行序列扩频变换；

映射模块，用于利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息；

生成模块，用于根据所述时延信息，生成激发指示信号，以使得激光器根据所述激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，其中所述激光脉冲信号在水下转化为声信号，从而实现激光致声水下通信调制。

进一步地，对所述待发送码字进行序列扩频变换，包括：

利用伪随机序列生成技术，生成一串伪随机码；

对所述待发送码字和所述伪随机码进行模2加法，实现序列扩频变换。

进一步地，利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息，包括：

分别设置-1码字和+1码字的编码时延差；

根据所述编码时延差，将扩频后的待发送码字映射为时延信息。

根据本申请实施例的第三方面，提供一种激光致声水下通信调制系统，包括：

通信调制模块，用于获取待发送码字，对所述待发送码字进行序列扩频变换，利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延，根据所述时延，生成激发指示信号；

激光器，用于接收所述激发指示信号，根据所述激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，其中所述激光脉冲信号在水下转化为声信号，从而实现激光致声水下通信调制。

进一步地，利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息，包括：

分别设置-1码字和+1码字的编码时延差；

根据所述编码时延差，将扩频后的待发送码字映射为时延信息。

根据本申请实施例的第四方面，提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。

根据本申请实施例的第五方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请对待发送码字进行序列扩频变换，可以获得扩频增益，使得抗干扰能力增强，并且信号频谱被展宽，可大大减小多途衰落；利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息，能够有效对抗多途干扰，可靠地传输信息，并且节省系统功耗；利用激光器根据激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，激光声源机动灵活，可以快速移动声源位置来覆盖开阔的水域，激光器不需要与液体接触，声信号的产生来自于非接触的激发方式，可以适应各种高温高压等恶劣环境，激光在液体中产生的光声源与传播介质始终耦合，不存在阻抗失配的状态。

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，并不能限制本申请。

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，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是现有技术中激光入水产生声信号的物理作用过程的示意图。

图2是现有技术中激光入射水面的示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种激光致声水下通信调制方法的流程图。

图4是根据一示例性实施例示出的步骤S12的流程图。

图5是根据一示例性实施例示出的对待发送码字进行序列扩频变换的示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的步骤S13的流程图。

图7是根据一示例性实施例示出的时延差编码规则的示意图。

图8是根据一示例性实施例示出的根据时延信息生成激发指示信号的示意图。

图9是根据一示例性实施例示出的激光器发射激光脉冲信号的示意图。

图10是根据一示例性实施例示出的时延差编码的示意图。

图11是根据一示例性实施例示出的一种激光致声水下通信调制装置的框图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图3是根据一示例性实施例示出的一种激光致声水下通信调制方法的流程图，如图3所示，该方法应用于通信调制模块中，可以包括以下步骤：

步骤S11：获取待发送码字；

步骤S12：对所述待发送码字进行序列扩频变换；

步骤S13：利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息；

步骤S14：根据所述时延信息，生成激发指示信号，以使得激光器根据所述激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，其中所述激光脉冲信号在水下转化为声信号，从而实现激光致声水下通信调制。

由上述实施例可知，本申请对待发送码字进行序列扩频变换，可以获得扩频增益，使得抗干扰能力增强，并且信号频谱被展宽，可大大减小多途衰落；利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息，能够有效对抗多途干扰，可靠地传输信息，并且节省系统功耗；利用激光器根据激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，激光声源机动灵活，可以快速移动声源位置来覆盖开阔的水域，激光器不需要与液体接触，声信号的产生来自于非接触的激发方式，可以适应各种高温高压等恶劣环境，激光在液体中产生的光声源与传播介质始终耦合，不存在阻抗失配的状态。

在步骤S11的具体实施中，获取待发送码字；

具体地，待发送码字a(t)的码元速率为R_a，码元宽度为T_a＝1/R_a，表达式为：

其中，a_n为±1的二进制待发送码字码元，g_a(t)为脉宽为T_a的矩形脉冲。

在步骤S12的具体实施中，对所述待发送码字进行序列扩频变换；

具体地，扩频通信技术广泛应用于军事通信、导航以及测绘等多个领域，其具有的优良特点使其成为了水声通信中的热点：占据较宽的带宽，功率谱密度低，抗干扰性强，误码率低，良好的隐蔽性，保密性强，较强的抗噪音和抗多径衰落等。直接序列扩频(DirectSequence Spread Spectrum,DS-SS)中,直接利用信息数据与伪随机码(PN码)模2加，在牺牲通信速率的同时换取了抗干扰的增益。如图4所示，此步骤可以包括以下子步骤：

步骤S21：利用伪随机序列生成技术，生成一串伪随机码；

具体地，利用伪随机序列生成技术，生成一串伪随机码c(t)，c(t)的速率为R_c，表达式为：

其中，c_n为±1的二进制伪随机码码元，g_c(t)为脉宽为T_c的矩形脉冲，T_c＝1/R_c为伪随机码的码片宽度。

伪随机序列作为一种扩频码被广泛使用，其具有如下特征：码的数量足够多；工程上易于加工、产生、控制及复制；拥有非常尖锐的自相关函数，并且互相关函数值接近零；具备足够长度的码元周期和一定的复杂度。通过伪随机序列实现扩频技术，可以扩展传输信号带宽，从而提高系统抗干扰的能力。

在具体实施中，任意伪随机序列生成技术均可。最常用的伪随机序列有m序列，Gold序列和M序列。一般来说，m序列具备更好的二值相关特性，而Gold序列和M序列具备更多的可用序列数量。

步骤S22：对所述待发送码字和所述伪随机码进行模2加法，实现序列扩频变换；

具体地，序列扩频变换后的信号d(t)为：

其中，当a_n＝c_n时，d_n＝+1；否则d_n＝-1。

在一实施例中，如图5所示，有待发送码字为“-1，+1，+1，-1”，伪随机码字长度为3，为“-1，+1，+1”，伪随机码的速率为待发送码字速率的三倍，通过将待发送码字和伪随机码进行模2加后，可得到扩频后的码字为“+1，-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1，+1，-1，-1”。

具体地，尽管通信速率由于伪随机码的加入而下降，但通信接收端可以获取更大的解调增益，增强了通信系统的可靠性。

在步骤S13的具体实施中，利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息；

具体地，由于激光致声信号在不同环境下的特征具有不稳定性，信号可控性较差，难以直接使用传统的调制手段进行应用。但在激光入射的线性机制下，液体热膨胀效应所产生的声信号重复性能好，即具有较强的相关性，契合PDS通信体制中对Pattern信号的基本要求。因此，可以采用Pattern时延差编码进行时延差编码，如图6所示，此步骤可以包括以下子步骤：

步骤S31：分别设置-1码字和+1码字的编码时延差；

具体地，对于时长为T₀的单位码元，一般设置-1码字的编码时延差为设置+1码字的编码时延差为/>由于Pattern信号持续时间远远小于单位码元，这种编码方式可以使Pattern信号均匀出现在码元的首部或者尾部，最大化地增大两个码字之间的编码时间间隔，以降低接收时的判决误码率。

步骤S32：根据所述编码时延差，将扩频后的待发送码字映射为时延信息。

具体地，将扩频后的-1码字映射为时延信息τ₁，+1码字映射为时延信息τ₂。时延信息代表着Pattern信号在单元码元中的时间位置信息，这种编码方式可以使Pattern信号均匀出现在码元的首部或者尾部，最大化地增大两个码字之间的编码时间间隔，以降低接收时的判决误码率。

在一实施例中，如图7所示，使用二进制调制，一个码元长度为40ms，而码字“-1”和“+1”的编码时延差分别为10ms和30ms，通过“-1”和“+1”不同的编码时延差，即可将扩频后的待发送码字映射为时延信息。

在步骤S14的具体实施中，根据所述时延信息，生成激发指示信号，以使得激光器根据所述激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，其中所述激光脉冲信号在水下转化为声信号，从而实现激光致声水下通信调制。

具体地，如图8所示，每一个时延信息将会生成一个激发指示信号，时延信息τ₁和τ₂代表着激发指示信号在时长为T₀的时间单元中的时间位置信息。激发指示信号的持续时间远远小于时长为T₀的时间单元。

具体地，如图9所示，通信调制模块发射μs级的短方波信号代表激发指示信号，而激光器需要实时根据激发指示信号发射激光脉冲信号。激光脉冲信号在水下转化成的声信号为Pattern信号，Pattern时延差编码(Pattern Time Delay Shift Coding，PDS)将信息编码技术和信道编码技术相结合，信息并非调制在码元波形中，而是调制于Pattern码出现在码元窗的时延差信息中。PDS使用不同时长对码元进行分割，能够有效对抗多途干扰，可靠地传输信息，并且节省系统功耗。在时延差编码通信中，以T₀为固定时长将时间分为多个片段，此片段称为码元。在每个码元内，Pattern信号出现在τ_di的时延位置，不同的τ_di代表着不同的信息。图10给出了调制了L个Pattern信号的时延差编码示意图。Pattern时延差编码波形信号可以表示为

式中，p(t)表示Pattern信号波形，其脉宽为T_p，τ_di表示每个码元内的延时，T₀为码元长度。当码元宽度T₀一定时，通信速率与每个码元携带的比特信息数有关，每个码元所携带的信息量N越大，则通信速率越高，而此时编码量化间隔就越小，这就对系统的时延估计精度要求越高。

在具体实施中，通信调制模块与激光器的连接，若为调试或实验需要，可以使用RS485标准中的差分信号进行通信，以支持百米级的相连；若最终集成为一个系统，可直接使用单端信号进行通信，增强便利性。在实现时对激光器的控制接口简单，比如单端/差分信号连接，仅需给个激发指示信号即可。通信调制模块可以使用FPGA器件或者单片机作为物理实现设备，其精准的时延控制可以保障时延差编码通信的可靠性，同时其较快的处理速度可以提供较强的交互实时性。

与前述的激光致声水下通信调制方法的实施例相对应，本申请还提供了激光致声水下通信调制装置的实施例。

图11是根据一示例性实施例示出的一种激光致声水下通信调制装置框图。参照图11，该装置应用于通信调制模块中，可包括：

获取模块21，用于获取待发送码字；

序列扩频变换模块22，用于对所述待发送码字进行序列扩频变换；

映射模块23，用于利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息；

生成模块24，用于根据所述时延信息，生成激发指示信号，以使得激光器根据所述激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，其中所述激光脉冲信号在水下转化为声信号，从而实现激光致声水下通信调制。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本申请方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

相应的，本申请还提供一种激光致声水下通信调制系统，可以包括：

通信调制模块，用于获取待发送码字，对所述待发送码字进行序列扩频变换，利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延，根据所述时延，生成激发指示信号；

激光器，用于接收所述激发指示信号，根据所述激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，其中所述激光脉冲信号在水下转化为声信号，从而实现激光致声水下通信调制。

具体地，该系统中各个元件执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

相应的，本申请还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的激光致声水下通信调制方法。

相应的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如上述的激光致声水下通信调制方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请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。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种激光致声水下通信调制方法，其特征在于，包括：

获取待发送码字；

对所述待发送码字进行序列扩频变换，包括：利用伪随机序列生成技术，生成一串伪随机码；对所述待发送码字和所述伪随机码进行模2加法，实现序列扩频变换；

利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息，包括：分别设置-1码字和+1码字的编码时延差；根据所述编码时延差，将扩频后的待发送码字映射为时延信息，其中对于时长为T₀的单位码元，设置-1码字的编码时延差为设置+1码字的编码时延差为/>

根据所述时延信息，生成激发指示信号，以使得激光器根据所述激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，其中所述激光脉冲信号在水下转化为声信号，从而实现激光致声水下通信调制。

2.一种激光致声水下通信调制装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取待发送码字；

序列扩频变换模块，用于对所述待发送码字进行序列扩频变换，包括：利用伪随机序列生成技术，生成一串伪随机码；对所述待发送码字和所述伪随机码进行模2加法，实现序列扩频变换；

映射模块，用于利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延信息，包括：分别设置-1码字和+1码字的编码时延差；根据所述编码时延差，将扩频后的待发送码字映射为时延信息，其中对于时长为T₀的单位码元，设置-1码字的编码时延差为设置+1码字的编码时延差为/>

生成模块，用于根据所述时延信息，生成激发指示信号，以使得激光器根据所述激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，其中所述激光脉冲信号在水下转化为声信号，从而实现激光致声水下通信调制。

3.一种激光致声水下通信调制系统，其特征在于，包括：

通信调制模块，用于获取待发送码字，对所述待发送码字进行序列扩频变换，利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延，根据所述时延，生成激发指示信号；

激光器，用于接收所述激发指示信号，根据所述激发指示信号发射对应的激光脉冲信号，其中所述激光脉冲信号在水下转化为声信号，从而实现激光致声水下通信调制；

其中，对所述待发送码字进行序列扩频变换，包括：

利用伪随机序列生成技术，生成一串伪随机码；对所述待发送码字和所述伪随机码进行模2加法，实现序列扩频变换；

其中，利用时延差编码规则，将扩频后的待发送码字映射为时延，包括：

分别设置-1码字和+1码字的编码时延差；根据所述编码时延差，将扩频后的待发送码字映射为时延信息，其中对于时长为T0的单位码元，设置-1码字的编码时延差为设置+1码字的编码时延差为/>

4.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1所述的方法。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。