CN114844575B - 一种水空跨介质无线双向通信方法 - Google Patents

一种水空跨介质无线双向通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种水空跨介质无线双向通信方法，用于解决现有通信方式无法很好地同时实现水空跨介质无线双向通信的技术问题。本发明包括上行通信链路与下行通信链路，上行通信链路采用毫米波雷达探测技术实现，下行通信链路采用激光致声技术实现，上行通信链路和下行通信链路通过计算机系统相连接，上行通信链路与下行通信链路完成对话反馈，实现水下设备与空中设备的无线双向通信。本发明上行通信链路通过使用毫米波雷达对水下声波产生的水面波纹振动进行探测并解析实现水对空跨介质无线通信工作，下行通信链路通过激光致声技术实现空对水跨介质无线通信工作，完成水空跨介质无线双向通信。

Description

一种水空跨介质无线双向通信方法
技术领域
本发明涉及跨介质通信的技术领域，尤其涉及一种水空跨介质无线双向通信方法。
背景技术
地球上70％的面积被海洋覆盖，利用海洋资源，保护海洋环境，发展海洋技术是人类发展过程中必不可少的部分，其中无线水下通信技术近几年飞速发展，在海洋生物学、油田监测、水污染研究、安全监视、海战等领域发挥了重要作用。随着技术的发展及人们对探索海洋需求的增加，水空跨介质通信技术成为发展所需，由于无线电波在水下环境中的高吸收衰减系数，声波已成为水下通信的首选。而声波信号在穿越水面的过程中绝大部分能量被衰减，空中设备无法通过声学链路获得水下无线信息，水空跨介质通信成为一大发展难题。
尽管水下通信的研究工作有很多，但只有少数研究集中在水空跨介质双向通信。到目前为止，在空中和水下设备之间建立通信连接的唯一可行方法是在水面部署能够沟通空中与水下设备传递数据的浮动设备。但浮动设备严重限制了工作条件，也会带来很多安全问题。基于目前技术的空缺与不足，本发明提出一种水空跨介质无线双向通信系统。
申请号为202011024918.1的发明专利公开了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，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。该发明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。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。但是，该专利仅提出了空对水单向通信链路的方法实现，并未提出水对空方向通信的有效解决方法；其次，该专利所提出的脉位调制PPM信号调制方法在实际应用场景下会因水听器在水中的位置不同对激光能量大小存在很大可能的误判，从而对信号错误解码。
发明内容
针对现有通信方式无法很好地同时实现水空跨介质无线双向通信的技术问题，本发明提出一种水空跨介质无线双向通信方法，同时实现了水空跨介质无线双向通信，达到水下设备与空中设备的无线全双工通信的要求。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种水空跨介质无线双向通信系统，包括上行通信链路与下行通信链路，上行通信链路采用毫米波雷达探测技术实现，下行通信链路采用激光致声技术实现，上行通信链路和下行通信链路通过计算机系统相连接，上行通信链路与下行通信链路完成对话反馈，实现水下设备与空中设备的无线双向通信。
所述上行通信链路包括依次连接的扬声器调制器、水下扬声器、毫米波雷达系统和硬件处理电路，扬声器调制器与第二计算机系统相连接；在水域中，第二计算机系统控制扬声器调制器将需要通信的内容转化为调制信号，水下扬声器在水中产生已调制的声波，声波以压力波的形式传播至水面，因压力作用造成水面振动，水面振动的频率与声波的频率相同；在空气域中，毫米波雷达系统中的发射天线不断向水面发射毫米级的电磁波，电磁波经水面反射并携带了水面波纹振动特征，回波被毫米波雷达系统中的接收天线接收后传递至硬件处理电路中，硬件处理电路处理毫米波接收到的回波信号；所述硬件处理电路对接收信号进行滤波，对发射信号与接收信号做减法运算得到差频信号，其次对差频信号进行ADC采样，将其由模拟信号转化为数字信号提供给第一计算机系统进行通信内容的破译；所述第一计算机系统接收到差频信号的ADC采样值后对其进行信号解调，得到水下设备向空中设备传递的通信内容，第一计算机系统收到水下设备的信息后，对接收到的水下设备通信内容进行对话式回复，开启下行通信过程。
所述下行通信链路包括激光器调制器、激光器、光学透镜、水下水听器和放大器，激光器调制器与第一计算机系统相连接，第一计算机系统与硬件处理电路相连接，放大器与第二计算机系统相连接；所述第一计算机系统控制激光器调制器将回复内容调制为二进制编码，激光器发出经过调制的脉冲激光，激光脉冲经光学透镜扩束和聚焦后在水中聚焦，在焦点处水体会发生非线性击穿形成激光等离子体空泡，空泡膨胀后最终衰减为声波，水听器检测到激光致声的声波后将其转化为电学信号，经放大器放大后传递至第二计算机系统，第二计算机系统对接收到的声波时序图进行滤波和解调得到空中设备对水下设备的通信信息；所述第二计算机系统对接收到的下行通信内容进行回复，控制扬声器调制器将对回复信息进行调制，开启上行通信过程。
所述光学透镜为扩束聚焦系统，包括光学透镜第一扩束透镜、第一聚焦透镜、反射镜、第二扩束透镜和第二聚焦透镜，第一扩束透镜和第一聚焦透镜的中心设置在激光器发出脉冲激光的水平线上，第二扩束透镜和第二聚焦透镜的中心依次设置在反射镜反射的光路上。
一种水空跨介质无线双向通信系统的通信方法，其步骤如下：
步骤一：上行通信链路通过毫米波雷达探测水下声波引起的水面波纹振动，基于三个频率的FSK信号调制方式对水下声波进行调制，使水下扬声器产生经调制的声波信号；
步骤二：上行通信链路的毫米波雷达系统向水面发射连续的FMCW并接收经水面反射的信号，经处理后计算水面-雷达距离；
步骤三：毫米波雷达系统连续发射多次扫频信号，得到单位探测周期内的相位-时间信号，通过信号处理得到水下声波频率，解析水下声波携带的信息；
步骤四：第一计算机系统按照基于三个频率的FSK信号调制方式对毫米波雷达系统采集的信号进行解调后得到水下设备传递的信息，为对水下设备的通信内容进行应答，开启下行通信过程，控制激光器调制器对激光脉冲进行调制，根据脉冲激光的有无生成带有通信内容的二进制编码；
步骤五：水下水听器检测到激光致声产生的水下声波信号并将其转化为模拟电学信号，经放大器放大并进行ADC采样转化为数字信号后传至第二计算机系统进行解调；
步骤六：第二计算机系统接收到空中设备传递的通信内容后，若有内容需要回复，则返回到步骤一继续开启上行通信链路，从而完成水-空跨介质无线双向通信。
所述计算水面-雷达距离的方法为：
混频器计算得到毫米波雷达系统的发射信号与接收信号的差频信号，对差频信号进行滤波、ADC采样后得到基带信号；对基带信号进行傅里叶变换，得到差频信号的频谱图；
通过距离单元选择得到差频信号频谱图中分量最大的频率值，水面-雷达距离与差频信号频谱图中分量最大的频率值成正比，即
Figure GDA0004036860140000031
其中，T为FMCW扫频周期，c为光速，B为FMCW带宽，Δf为差频信号频谱图最大分量对应的频率，d1为水面-雷达的大刻度距离值；
根据差频信号的频谱图中的频率Δf对应的峰值虚部与实部比值的反正切值获得差频信号的相位，水面-雷达间的精密距离取决于差频信号的相位值，具体关系为
Figure GDA0004036860140000032
其中，λ为毫米波波长，Δφ为差频信号的相位，d2为水面-雷达的小刻度距离值，则水面-雷达距离为d＝d1+d2。
所述毫米波雷达系统选择77-81GHz的FMCW，FMCW扫频周期为1ms，每次扫频得到一个差频信号，即得到一次水面-雷达距离；所述步骤三中计算得出差频信号频谱峰值对应的相位值，多次FMCW发射作为一个探测周期，单位探测周期中获得的多个随时间变化的差频信号频谱峰值所对应的相位值，将相位值进行反正切运算得到对应的弧度值，从而得到与水面-雷达距离呈正比的相位弧度随时间的变化曲线；所述步骤三中采用自回归模型消除水面大波浪带来的干扰；所述自回归模型得到的相位弧度-时间信号存在相位纠缠，需要进行相位解缠绕。
所述自回归模型的实现方法为：记录波浪发生的开始时间为ts，波浪结束的时间为te，根据开始时间ts和结束时间te将信号分为三部分，有波浪之前的信号段为前向信号记为Sb(k)、有波浪时的信号段记为Sd(k)、波浪平复之后的信号段为后向信号记为Sa(k)，前向信号Sb(k)的采样数记为Nb，波浪信号Sd(k)的采样数记为Nd，后向信号Sa(k)的采样数记为Na；自回归模型的计算公式如下：
Figure GDA0004036860140000041
Figure GDA0004036860140000042
Figure GDA0004036860140000043
Figure GDA0004036860140000044
其中，
Figure GDA0004036860140000045
为修复后的有波浪时的相位信号，μ(k)、
Figure GDA0004036860140000046
μ(k)、A、B、C、R均为自回归模型的中间函数及中间量，k为信号所对应的采样序列值；
所述相位解缠绕的计算方法为：若当前相位弧度值与前一项相位弧度值之差大于π，则将当前相位弧度值减去2π，若当前相位弧度值与前一项相位弧度值之差小于-π，则将当前相位弧度值加上2π，以此消除相位缠绕的影响。
所述毫米波雷达系统中集成有天线阵列，形成多接收多发送雷达探测系统；通过不同接收天线间的相位差以及排布距离计算出水面波纹相对于毫米波雷达轴向方向的夹角
Figure GDA0004036860140000051
其中，θ为水面波纹相对于雷达天线轴向方向的偏移角，
Figure GDA0004036860140000052
为两接收天线接收到的信号相位差，d为两接收天线的距离，λ为FMCW波长，从而可以实现对水面波纹的定位及跟踪；
在下行通信链路中激光产生的声波频率范围为5kHz-80kHz；在上行通信链路中扬声器发出的声波频率在100-300Hz，对水听器检测到的声波信息进行高通滤波，去除上行通信链路中声波的影响。
所述基于三个频率的FSK信号调制方式选用84Hz、184Hz、284Hz作为信号的调制频率；所述步骤一中基于三个频率的FSK信号调制方式中的信号编码单元包括起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，起始位中包含84Hz和184Hz两种频率，84Hz代表“0”，184Hz代表“1”，由4位二进制编码组成，为“1011”；数据位中包含84Hz、184Hz和284Hz三种频率，84Hz代表“0”，184Hz与284Hz均代表“1”，当数据位中出现184Hz频率信号时则由5位二进制编码组成，“00001”至“11010”分别表示字母“a”至字母“z”，当数据位中出现284Hz频率信号时则由4位二进制编码组成，“0000”至“1001”分别表示十进制中的“0”至“9”；奇偶校验位中包含84Hz和184Hz两种频率，84Hz代表“0”，184Hz代表“1”，由1位二进制编码组成，“0”表示数据位中“1”的个数为偶数，“1”表示数据位中“1”的个数为奇数；停止位包含84Hz和184Hz两种频率，84Hz代表“0”，184Hz代表“1”，由4位二进制编码组成，为“1101”；
所述步骤四中基于三个频率的FSK信号调制方式中的信号编码单元由20个码元组成，包括起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，其中前8位为起始位，接下来的8位为数据位，1位奇偶校验位以及最后的3位停止位；8位起始位设置为“10101111”，8位数据位传输一个ASCII码，奇偶校验位则根据二进制ASCII码中“1”的个数确认，奇数则为“1”，偶数则为“0”，最后的停止位为3位“0”；
所述第二计算机系统对来自水下水听器的数字信号进行阈值比较，将低于阈值的信号识别为“0”，高于阈值的信号识别为“1”，从而得到声波携带的二进制编码序列，得到脉冲激光携带的通信内容。
与现有技术相比，本发明的有益效果：整体解决水空跨介质双向通信的问题。对于水对空上行通信通过毫米波雷达技术检测水下声波产生的水面微振幅波动实现，本发明提出一种三频率FSK信号调制方式，与以往2FSK调制方式相比，三频率FSK信号调制方式在保证码元正常传输的前提下，提高了通信编码的有效利用率，缩短了通信编码单元的传递时间；对于空对水下行通信通过激光致声技术实现，根据激光脉冲的有无将其表示为二进制编码，该调制方式规避了因水下扬声器位置不同导致信号破译错误的风险，具有较好的抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明通信系统的结构示意图。
图2为本发明上行通信中声波调制编码示意图，其中，(a)为字母“a”的二进制编码示意图，(b)为数字“1”的二进制编码示意图。
图3为本发明下行通信中激光脉冲调制字母“a”的二进制编码示意图。
图4为本发明上行通信链路FMCW探测原理示意图。
图5为本发明上行通信链路的信号处理流程图。
图6为本发明下行通信链路的信号解调流程图。
图7为本发明水面波纹还原图。
图8为本发明水面波纹振动频谱图，其中，(a)为声源频率为84Hz时的水面波纹振动频率图，(b)为声源频率为184Hz时的水面波纹振动频率图，(c)为声源频率为284Hz时的水面波纹振动频率图。
图9为本发明下行通信链路的实验例结果图。
图中，1为毫米波雷达系统，2为硬件处理电路，3为第一计算机系统，4为激光器调制器，5为激光器，6为脉冲激光，7为第一扩束透镜，8为第一聚焦透镜，9为反射镜，10为第二扩束透镜，11为第二聚焦透镜，12为空泡，13为激光致声产生的声波，14为水下水听器，15为放大器，16为第二计算机系统，17为扬声器调制器，18为水下扬声器，19为声波，20为毫米波。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提出了一种水空跨介质无线双向通信系统，包括上行通信链路与下行通信链路，上行通信链路与下行通信链路通过计算机系统相连接，完成对话反馈，旨在实现水下设备与空中设备的无线双向通信。上行通信链路采用毫米波雷达探测技术实现，上行通信链路包括依次连接的扬声器调制器17、水下扬声器18、毫米波雷达系统1和硬件处理电路2，通过使用毫米波雷达对水下声波产生的水面波纹振动进行探测并解析完成上行通信链路的实现。在水域中，第二计算机系统16控制扬声器调制器17将需要通信的内容转化为调制信号，水下扬声器18在水中产生已调制的声波19，声波19以压力波的形式传播至水面，因压力作用造成水面振动，水面振动的频率与声波的频率相同。在空气域中，毫米波雷达系统1中的发射天线不断向水面发射毫米级的电磁波20，电磁波20经水面反射并携带了水面波纹振动特征，回波被毫米波雷达系统1中的接收天线接收后传递至硬件处理电路2中，硬件处理电路2用于处理毫米波接收到的回波信号，首先对接收信号进行滤波，对发射信号与接收信号做减法运算得到差频信号，差频信号的频率与相位正比于雷达到水面的距离因此具有重要价值，其次对差频信号进行ADC采样，将其由模拟信号转化为数字信号提供给计算机系统进行通信内容的破译。第一计算机系统3接收到差频信号的ADC采样值后对其进行信号解调，得到水下设备向空中设备传递的通信内容，上行通信链路完成。第一计算机系统3收到水下设备的信息后，若有信息需要回复则控制激光器调制器4，将回复信息调制到脉冲激光序列中，之后通过下行通信链路向水下设备传递回复内容。
下行通信链路采用激光致声技术实现，下行通信链路包括激光器调制器4、激光器5、光学透镜、水下水听器14和放大器15，第一计算机系统3控制激光器调制器4将回复内容调制为二进制编码，激光器5发出经过调制的脉冲激光6，激光脉冲6经第一扩束透镜7扩束、第一凸透镜8传输后入射至反射镜9，经反射镜9反射后入射至第二扩束透镜10再次扩束，最终经第二聚焦透镜11在水中聚焦。因激光聚焦点的能量密度远大于水的击穿阈值，因此在焦点处水体会发生非线性击穿形成激光等离子体空泡12，空泡12膨胀后最终衰减为声波13，得以在水中较好传播。水听器14检测到激光致声的声波13后将其转化为电学信号，经放大器放大后传递至第二计算机系统16，第二计算机系统16对接收到的声波时序图进行滤波，解调，得到空中设备对水下设备的通信信息，下行通信链路完成。第二计算机系统16与上行通信系统的扬声器调制器17相连接，控制扬声器调制器17将对空回复信息进行调制，开启上行通信过程，从而完成水空跨介质无线双向通信系统的功能实现。
所述光学透镜包括第一扩束透镜7、第一聚焦透镜8、反射镜9、第二扩束透镜10和第二聚焦透镜11，第一扩束透镜7和第一聚焦透镜8的中心设置在激光器5发出脉冲激光6的水平线上，第二扩束透镜10和第二聚焦透镜11的中心依次设置在反射镜9反射的光路上。第一扩束透镜7、第一聚焦透镜8、第二扩束透镜10和第二聚焦透镜11共同组成扩束聚焦系统，一是保证了激光的聚焦效果，二是通过调整扩束聚焦系统中的透镜位置可以控制激光焦距，使激光在水下特定位置聚焦。激光脉冲6经第一扩束透镜7扩束、第一凸透镜8传输后入射至反射镜9，经反射镜9反射后入射至第二扩束透镜10再次扩束，最终经第二聚焦透镜11在水中聚焦。反射镜9的作用是改变光路方向，使激光向水面传播，在实用场景下激光器可以呈水平方向安装，安装方便。
实施例2
一种水空跨介质无线双向通信方法，其步骤如下：
步骤一：上行通信链路通过毫米波雷达探测水下声波引起的水面波纹振动实现，基于三个频率的FSK信号调制方式对水下声信号进行调制，使水下扬声器产生经调制的声波信号。
首先第二计算机系统16将通信内容进行编码，输入到可编程的扬声器调制器17中形成调制信号，调制信号的设计方式取决于毫米波雷达检测水面微小振动的原理：水下声波作为一种压力波传播至水面时，会引起与声信号同频率的水面微小振动，毫米波雷达通过检测水面微小振动的频率从而获得水下声信号频率。由水声学原理可知，低频声波在水中衰减较小，又因毫米波技术对水下声信号的解析过程需要进行复杂的2D-FFT计算，导致解析速率及通信速率较低。为提高有效信息的传递速度，且同时考虑到上述因素，本发明提出一种基于三个频率的FSK信号调制方式，选用84Hz、184Hz、284Hz作为信号的调制频率，经实验发现，三种频率的声波在水中的传播损耗较小，容易区分且避免了50Hz工频及其谐波影响，适合用于通信工作。
基于三个频率的FSK信号调制方式中的信号编码单元包括起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。起始位中包含84Hz和184Hz两种频率，84Hz代表“0”，184Hz代表“1”，由4位二进制编码组成，为“1011”；数据位中包含84Hz、184Hz和284Hz三种频率，84Hz代表“0”，184Hz与284Hz均代表“1”，但两者含义不同：数据位表示的含义包括26位英文字母及10位数字，当数据位中出现184Hz频率信号时则由5位二进制编码组成，“00001”至“11010”分别表示字母“a”至字母“z”；当数据位中出现284Hz频率信号时则由4位二进制编码组成，“0000”至“1001”分别表示十进制中的“0”至“9”；奇偶校验位中包含84Hz和184Hz两种频率，84Hz代表“0”，184Hz代表“1”，由1位二进制编码组成，“0”表示数据位中“1”的个数为偶数，“1””表示数据位中“1”的个数为奇数。停止位包含84Hz和184Hz两种频率，84Hz代表“0”，184Hz代表“1”，由4位二进制编码组成，为“1101”。如图2(a)所示为字母“a”对应的信号编码单元，图2(b)所示为数字“1”对应的信号编码单元。
第二计算机系统16按照以上规则将通信内容调制到信号中，控制扬声器调制器17产生相应频率的时序信号，使水下扬声器18发出经调制的声波19信息，声波作为一种机械波在水中通过压力波的形式传播，因压力作用声波入射水面的瞬间能够引起水面的上下振动，振动频率与声波频率相同。根据水声学原理及水下声信号传播规律，水下声波引起水面波纹振动的幅值约在毫米及以下量级。
步骤二：上行通信链路的毫米波雷达系统1向水面发射连续频率调制波(FMCW)并接收经水面反射的信号，经处理后计算水面-雷达距离。
毫米波雷达系统1对水面波纹的探测原理为基于毫米波FMCW的精准测距技术，即FMCW对水面实现微米及以下量级的测距，从而检测出由水下声信号产生的水面波纹振动，其原理如图4所示。毫米波雷达系统1中的发射天线不断发射毫米波FMCW20，FMCW是一种频率随时间线性变化的电磁波，被发射出的FMCW经水面反射后被毫米波雷达系统1的接收天线接收，此时毫米波雷达系统1正在发射的信号与接收信号之间存在频率差，该频率差正比于FMCW在水面-雷达之间传播的时间，即水面-雷达间的距离。之后接收信号与发射信号传输至硬件处理电路2，硬件处理电路2经过内部集成的混频器计算得到发射信号与接收信号的差频信号，差频信号的频率、相位分别是发射信号与接收信号的频率差、相位差。对差频信号进行滤波，ADC采样后得到基带信号传输至第一计算机系统3。
进一步地，对差频信号ADC采样值进行傅里叶变换，得到差频信号的频谱图，FMCW的频率随时间线性变化，因此毫米波FMCW20在水面-雷达间的传播时间与差频信号的频率成正比，即水面-雷达间的距离与差频信号的频率成正比。但在实际探测过程中，除水面以外会有周围其他干扰物体存在，使差频信号频谱图中有多个频谱峰值，每个频率峰值对应一个目标物与雷达板的距离，因此需要对其进行距离单元选择。当毫米波FMCW20在传播过程中遇到水面时，水面作为毫米波传播过程中遇到的最大面积目标物，能够将毫米波信号中大部分能量反射回来作为接收信号，被雷达系统中的接收天线接收，因此在差频信号中能量最大的频率分量即为所需要的水面距离信息，即在差频信号频谱图中找出峰值最大的频率。
因此，通过距离单元选择得到差频信号频谱图中分量最大的频率值，水面-雷达距离与差频信号频谱图中分量最大的频率值成正比，具体关系为
Figure GDA0004036860140000091
其中，T为FMCW扫频周期，c为光速，B为FMCW带宽，Δf为差频信号频谱图最大分量对应的频率，d1为水面-雷达的大刻度距离值。进一步地，根据差频信号频谱图中频率Δf对应的峰值虚部与实部比值的反正切值获得差频信号的相位，水面-雷达间的精密距离取决于差频信号的相位值，具体关系为
Figure GDA0004036860140000092
其中，λ为毫米波波长，Δφ为差频信号的相位，d2为水面-雷达的小刻度距离值，则水面-雷达距离为d＝d1+d2。多次得到距离值，求距离值的变化频率即振动频率。
步骤三：毫米波雷达系统1连续发射多次扫频信号，得到单位探测周期内的相位-时间信号，通过信号处理得到水下声波频率，解析水下声波携带的信息。
因水面波纹振幅在毫米及以下量级，则能够反映水面微波振动的振幅信息只需通过差频信号的相位值来获得。第一计算机系统3计算得出差频信号频谱峰值对应的相位值，多次FMCW发射作为一个探测周期，单位探测周期中获得的多个随时间变化的差频信号频谱峰值所对应的相位值，将相位值进行反正切运算得到对应的弧度值，因此得到与水面-雷达距离呈正比的相位弧度随时间的变化曲线。
毫米波雷达系统1选择77-81GHz的FMCW，FMCW扫频周期为1ms，每次扫频得到一个差频信号，即得到一次水面-雷达精准距离值，实例中连续发射2048次扫频信号作为一个探测周期，单位探测周期内得到的2048个采样周期时间内的相位弧度-时间信号。
进一步地，因水面大波浪起伏变化会与水面微波振动进行叠加从而引起干扰，使相位弧度-时间信号更加密集，严重影响水面微波振动信息的获取，因此采用自回归模型消除水面大波浪带来的干扰。无波浪或波浪影响较小时均视为无波浪情况，记录波浪发生的开始时间为ts，波浪结束的时间为te，根据开始时间ts和结束时间te将信号分为三部分，有波浪之前的信号段为前向信号记为Sb(k)、有波浪时的信号段记为Sd(k)、波浪平复之后的信号段为后向信号记为Sa(k)，前向信号Sb(k)的采样数记为Nb，波浪信号Sd(k)的采样数记为Nd，后向信号Sa(k)的采样数记为Na，通过利用前向恢复与后向恢复消除水面波浪干扰，使信号更好地反映出水面微波振动的形态。
自回归模型具体计算公式如下：
Figure GDA0004036860140000101
Figure GDA0004036860140000102
Figure GDA0004036860140000103
Figure GDA0004036860140000111
其中，
Figure GDA0004036860140000112
为修复后的有波浪时的相位信号，μ(k)、
Figure GDA0004036860140000113
μ(k)、A、B、C、R均为自回归数学模型的中间函数及中间量，方便模型描述，k为信号所对应的采样序列值。
进一步地，通过自回归模型消除水面大波浪带来的干扰后得到的相位弧度-时间信号仍存在相位纠缠的现象。相位弧度通过反正切计算得到，而计算机中的反正切函数值域为[-π，π]，则实际相位在[π，2π]时对应的反正切结果为[-π，0]，因此当相位弧度在π附近时，求得的反正切函数值会发生从π跳跃到-π，幅值为2π的跳变，造成相位缠绕，不符合实际水面运动情况。因此需进行相位解缠绕计算：若当前相位弧度值与前一项相位弧度值之差大于π，则将当前相位弧度值减去2π，若当前相位弧度值与前一项相位弧度值之差小于-π，则将当前相位弧度值加上2π，以此消除相位缠绕的影响。
进一步地，对相位解缠绕后的相位弧度-时间信号进行数字低通滤波处理还原水面微波振动，最终能够真实反映出水面微波振动的变化情况，如图7所示，由图7可得水面随时间的高低起伏形态，水面波纹振动情况得以还原。对其再次进行傅里叶变换得到水面振动频谱，如图8(a)、(b)、(c)分别为84Hz、184Hz、284Hz频率声波条件下通过毫米波雷达技术得到的水面波纹振动频谱图，由图8可知通过毫米波雷达技术能够准确获得水下声波的频率值，完全满足后期编码通信的要求。整体数据处理过程如图5所示。不断重复此过程得到声波频率随时间的变化情况，根据声波频率时序图可对水下声波传递的信息进行破译，从而得到水下设备对空中设备传递的信息，实现水对空无线跨介质通信。
进一步地，毫米波雷达系统1的FMCW波长决定了雷达的探测精度，越小的水面波纹振幅需要越高频雷达波探测。毫米波雷达的探测周期决定了能探测到水下声波的最大频率，单位探测周期越短，能探测到的水下声波的频率越高。毫米波雷达天线的增益越大，可探测到的水面-雷达距离越大，即空中设备的工作高度范围越大。
进一步地，毫米波雷达系统1中集成有天线阵列，形成多接收多发送雷达探测系统，因不同接收天线的排布位置不同，则探测到的结果有微小差异，体现在不同接收天线接收到的信号相位不同。通过不同接收天线间的相位差以及排布距离可以计算出水面波纹相对于毫米波雷达轴向方向的夹角，具体关系为
Figure GDA0004036860140000121
其中，θ为水面波纹相对于雷达天线轴向方向的偏移角，
Figure GDA0004036860140000122
为两接收天线接收到的信号相位差，d为两接收天线的距离，λ为FMCW波长，从而可以实现对水面波纹的定位及跟踪，因此能够定位水下设备的位置保证空中设备与水下设备的顺利交互。
步骤四：第一计算机系统3按照步骤一中的调制方式对毫米波雷达采集的信号进行解调后得到水下设备传递的信息，如需对信息进行回应，需开启下行通信链路的工作，回应内容均为英文。控制激光器调制器对激光脉冲进行调制，本发明在下行通信链路中根据脉冲激光的有无生成带有通信内容的二进制编码将信号赋予具体含义。
首先，第一计算机系统3将需要回复的内容调制到激光脉冲中，约定激光脉冲的发射频率为100Hz，当在整周期时刻接收到激光脉冲时表示二进制编码中的“1”，当没有接收到激光脉冲时表示二进制编码中的“0”。信号编码单元由20个码元组成，包括起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。其中前8位为起始位，接下来的8位为数据位，1位奇偶校验位以及最后的3位停止位。8位起始位设置为“10101111”，接下来的8位数据位传输一个ASCII码，需要将其转化为二进制进行实际的传输，奇偶校验位则根据二进制ASCII码中“1”的个数确认，奇数则为“1”，偶数则为“0”，最后的停止位为3位“0”。以传输字符“a”为例，生成的信号编码单元为“10101111011000011000”，如图3所示。
进一步地，第一计算机系统3生成信号编码单元后控制可编程激光器调制器4使激光器5产生经调制的激光脉冲6，激光脉冲6经第一扩束透镜7扩束，第一凸透镜8传输后入射至反射镜9，经反射镜9反射后入射至扩束透镜10再次扩束，最终经聚焦透镜11在水中聚焦。因激光聚焦点的能量密度远大于水的击穿阈值，因此在焦点处水体会发生非线性击穿形成激光等离子体空泡12，空气泡12不断膨胀最终衰减为声波13。所述的激光器5的波长为1064nm，扩束的目的为使聚焦点面积更小，能量密度更大，产生的声波更接近于点声源。
步骤五：水下水听器14检测到激光致声产生的水下声波信号并将其转化为模拟电学信号，经放大器15放大并进行ADC采样转化为数字信号后传至第二计算机系统16进行解调。
经实验得出在下行通信链路中激光产生的声波13频率范围约为5kHz-80kHz。同时在上行通信链路中扬声器发出的声波19频率在100-300Hz，故第二计算机系统16对水听器14检测到的声波13信息进行高通滤波，目的为去除上行通信链路中声波19的影响。实施例中水下水听器14检测结果如图9所示，上图为水下水听器14检测到的声波信号，下图为调制器4对激光器5的调制信号，可看出水下水听器能够很好地接收到脉冲激光引发的水下声波。
第二计算机系统16对来自水下水听器14的数字信号进行阈值比较，将低于阈值的信号识别为“0”，高于阈值的信号识别为“1”，从而得到声波13携带的二进制编码序列，因此得到脉冲激光6携带的通信内容，从而实现了空对水下行跨介质无线通信，信号处理过程如图6所示。
步骤六：第二计算机系统16接收到空中设备传递的通信内容后，若有内容需要回复，则返回到步骤一继续开启上行通信链路，从而完成水-空跨介质无线双向通信，上行通信与下行通信没有绝对的先后顺序且甚至可以同时进行，实现空中设备与水下设备跨介质无线信息交流。
本发明上行通信链路通过使用毫米波雷达对水下声波产生的水面波纹振动进行探测并解析实现水对空跨介质无线通信工作，创新性地提出了基于三频率的FSK信号调制方式，提高了编码利用率及通信速率；下行通信链路通过激光致声技术实现空对水跨介质无线通信工作；上行通信与下行通信通过计算机系统连接，用于通信应答及信号编码，完成水空跨介质无线双向通信系统的功能实现。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水空跨介质无线双向通信方法，其特征在于，通信系统包括上行通信链路与下行通信链路，上行通信链路采用毫米波雷达探测技术实现，下行通信链路采用激光致声技术实现，上行通信链路和下行通信链路通过计算机系统相连接，上行通信链路与下行通信链路完成对话反馈，实现水下设备与空中设备的无线双向通信；其步骤如下：
步骤一：上行通信链路通过毫米波雷达探测水下声波引起的水面波纹振动，基于三个频率的FSK信号调制方式对水下声波进行调制，使水下扬声器产生经调制的声波信号；
步骤二：上行通信链路的毫米波雷达系统向水面发射连续的FMCW并接收经水面反射的信号，经处理后计算水面-雷达距离；
所述计算水面-雷达距离的方法为：
混频器计算得到毫米波雷达系统的发射信号与接收信号的差频信号，对差频信号进行滤波、ADC采样后得到基带信号；对基带信号进行傅里叶变换，得到差频信号的频谱图；
通过距离单元选择得到差频信号频谱图中分量最大的频率值，水面-雷达距离与差频信号频谱图中分量最大的频率值成正比，即
Figure FDA0004036860130000011
其中，T为FMCW扫频周期，c为光速，B为FMCW带宽，Δf为差频信号频谱图最大分量对应的频率，d1为水面-雷达的大刻度距离值；
根据差频信号的频谱图中的频率Δf对应的峰值虚部与实部比值的反正切值获得差频信号的相位，水面-雷达间的精密距离取决于差频信号的相位值，具体关系为
Figure FDA0004036860130000012
其中，λ为毫米波波长，Δφ为差频信号的相位，d2为水面-雷达的小刻度距离值，则水面-雷达距离为d＝d1+d2；
步骤三：毫米波雷达系统连续发射多次扫频信号，得到单位探测周期内的相位-时间信号，通过信号处理得到水下声波频率，解析水下声波携带的信息；
步骤四：第一计算机系统按照基于三个频率的FSK信号调制方式对毫米波雷达系统采集的信号进行解调后得到水下设备传递的信息，为对水下设备的通信内容进行应答，开启下行通信过程，控制激光器调制器对激光脉冲进行调制，根据脉冲激光的有无生成带有通信内容的二进制编码；
步骤五：水下水听器检测到激光致声产生的水下声波信号并将其转化为模拟电学信号，经放大器放大并进行ADC采样转化为数字信号后传至第二计算机系统进行解调；
步骤六：第二计算机系统接收到空中设备传递的通信内容后，若有内容需要回复，则返回到步骤一继续开启上行通信链路，从而完成水-空跨介质无线双向通信。
2.根据权利要求1所述的水空跨介质无线双向通信方法，其特征在于，所述上行通信链路包括依次连接的扬声器调制器(17)、水下扬声器(18)、毫米波雷达系统(1)和硬件处理电路(2)，扬声器调制器(17)与第二计算机系统(16)相连接；在水域中，第二计算机系统(16)控制扬声器调制器(17)将需要通信的内容转化为调制信号，水下扬声器(18)在水中产生已调制的声波，声波以压力波的形式传播至水面，因压力作用造成水面振动，水面振动的频率与声波的频率相同；在空气域中，毫米波雷达系统(1)中的发射天线不断向水面发射毫米级的电磁波，电磁波经水面反射并携带了水面波纹振动特征，回波被毫米波雷达系统(1)中的接收天线接收后传递至硬件处理电路(2)中，硬件处理电路(2)处理毫米波接收到的回波信号；所述硬件处理电路(2)对接收信号进行滤波，对发射信号与接收信号做减法运算得到差频信号，其次对差频信号进行ADC采样，将其由模拟信号转化为数字信号提供给第一计算机系统(3)进行通信内容的破译；所述第一计算机系统(3)接收到差频信号的ADC采样值后对其进行信号解调，得到水下设备向空中设备传递的通信内容，第一计算机系统(3)收到水下设备的信息后，对接收到的水下设备通信内容进行对话式回复，开启下行通信过程。
3.根据权利要求2所述的水空跨介质无线双向通信方法，其特征在于，所述下行通信链路包括激光器调制器(4)、激光器(5)、光学透镜、水下水听器(14)和放大器(15)，激光器调制器(4)与第一计算机系统(3)相连接，第一计算机系统(3)与硬件处理电路(2)相连接，放大器(15)与第二计算机系统(16)相连接；所述第一计算机系统(3)控制激光器调制器(4)将回复内容调制为二进制编码，激光器(5)发出经过调制的脉冲激光，激光脉冲经光学透镜扩束和聚焦后在水中聚焦，在焦点处水体会发生非线性击穿形成激光等离子体空泡，空泡膨胀后最终衰减为声波，水听器(14)检测到激光致声的声波后将其转化为电学信号，经放大器放大后传递至第二计算机系统(16)，第二计算机系统(16)对接收到的声波时序图进行滤波和解调得到空中设备对水下设备的通信信息；所述第二计算机系统(16)对接收到的下行通信内容进行回复，控制扬声器调制器(17)将对回复信息进行调制，开启上行通信过程。
4.根据权利要求3所述的水空跨介质无线双向通信方法，其特征在于，所述光学透镜为扩束聚焦系统，包括光学透镜第一扩束透镜(7)、第一聚焦透镜(8)、反射镜(9)、第二扩束透镜(10)和第二聚焦透镜(11)，第一扩束透镜(7)和第一聚焦透镜(8)的中心设置在激光器(5)发出脉冲激光的水平线上，第二扩束透镜(10)和第二聚焦透镜(11)的中心依次设置在反射镜(9)反射的光路上。
5.根据权利要求1所述的水空跨介质无线双向通信方法，其特征在于，所述毫米波雷达系统选择77-81GHz的FMCW，FMCW扫频周期为1ms，每次扫频得到一个差频信号，即得到一次水面-雷达距离；所述步骤三中计算得出差频信号频谱峰值对应的相位值，多次FMCW发射作为一个探测周期，单位探测周期中获得的多个随时间变化的差频信号频谱峰值所对应的相位值，将相位值进行反正切运算得到对应的弧度值，从而得到与水面-雷达距离呈正比的相位弧度随时间的变化曲线；所述步骤三中采用自回归模型消除水面大波浪带来的干扰；所述自回归模型得到的相位弧度-时间信号存在相位纠缠，需要进行相位解缠绕。
6.根据权利要求5所述的水空跨介质无线双向通信方法，其特征在于，所述自回归模型的实现方法为：记录波浪发生的开始时间为ts，波浪结束的时间为te，根据开始时间ts和结束时间te将信号分为三部分，有波浪之前的信号段为前向信号记为Sb(k)、有波浪时的信号段记为Sd(k)、波浪平复之后的信号段为后向信号记为Sa(k)，前向信号Sb(k)的采样数记为Nb，波浪信号Sd(k)的采样数记为Nd，后向信号Sa(k)的采样数记为Na；自回归模型的计算公式如下：
Figure FDA0004036860130000031
Figure FDA0004036860130000032
Figure FDA0004036860130000033
Figure FDA0004036860130000034
其中，
Figure FDA0004036860130000035
为修复后的有波浪时的相位信号，μ(k)、
Figure FDA0004036860130000036
μ(k)、A、B、C、R均为自回归模型的中间函数及中间量，k为信号所对应的采样序列值；
所述相位解缠绕的计算方法为：若当前相位弧度值与前一项相位弧度值之差大于π，则将当前相位弧度值减去2π，若当前相位弧度值与前一项相位弧度值之差小于-π，则将当前相位弧度值加上2π，以此消除相位缠绕的影响。
7.根据权利要求5或6所述的水空跨介质无线双向通信方法，其特征在于，所述毫米波雷达系统中集成有天线阵列，形成多接收多发送雷达探测系统；通过不同接收天线间的相位差以及排布距离计算出水面波纹相对于毫米波雷达轴向方向的夹角
Figure FDA0004036860130000041
其中，θ为水面波纹相对于雷达天线轴向方向的偏移角，
Figure FDA0004036860130000042
为两接收天线接收到的信号相位差，d为两接收天线的距离，λ为FMCW波长，从而可以实现对水面波纹的定位及跟踪；
在下行通信链路中激光产生的声波频率范围为5kHz-80kHz；在上行通信链路中扬声器发出的声波频率在100-300Hz，对水听器检测到的声波信息进行高通滤波，去除上行通信链路中声波的影响。
8.根据权利要求7所述的水空跨介质无线双向通信方法，其特征在于，所述基于三个频率的FSK信号调制方式选用84Hz、184Hz、284Hz作为信号的调制频率；所述步骤一中基于三个频率的FSK信号调制方式中的信号编码单元包括起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，起始位中包含84Hz和184Hz两种频率，84Hz代表“0”，184Hz代表“1”，由4位二进制编码组成，为“1011”；数据位中包含84Hz、184Hz和284Hz三种频率，84Hz代表“0”，184Hz与284Hz均代表“1”，当数据位中出现184Hz频率信号时则由5位二进制编码组成，“00001”至“11010”分别表示字母“a”至字母“z”，当数据位中出现284Hz频率信号时则由4位二进制编码组成，“0000”至“1001”分别表示十进制中的“0”至“9”；奇偶校验位中包含84Hz和184Hz两种频率，84Hz代表“0”，184Hz代表“1”，由1位二进制编码组成，“0”表示数据位中“1”的个数为偶数，“1”表示数据位中“1”的个数为奇数；停止位包含84Hz和184Hz两种频率，84Hz代表“0”，184Hz代表“1”，由4位二进制编码组成，为“1101”；
所述步骤四中基于三个频率的FSK信号调制方式中的信号编码单元由20个码元组成，包括起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，其中前8位为起始位，接下来的8位为数据位，1位奇偶校验位以及最后的3位停止位；8位起始位设置为“10101111”，8位数据位传输一个ASCII码，奇偶校验位则根据二进制ASCII码中“1”的个数确认，奇数则为“1”，偶数则为“0”，最后的停止位为3位“0”；
所述第二计算机系统对来自水下水听器的数字信号进行阈值比较，将低于阈值的信号识别为“0”，高于阈值的信号识别为“1”，从而得到声波携带的二进制编码序列，得到脉冲激光携带的通信内容。
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