CN114900220A - 跨介质通信的方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了跨介质通信的方法、装置及系统，该方法包括：在第一传输介质中以射频信号作为载波携带待发送信息向无源中继传输信号；无源中继接收来自第一介质的射频信号，并基于电磁波‑声波转换效应，比如：压电效应和基于电动力学法在金属中产生声波的电磁致声方法，产生在第二传输介质中可高效传播的调制声波信号，用于在第二介质中传输；第二传输介质中对接收到的声波调制信号进行解调得到第一传输介质发送的信息，实现跨介质通信。与现有跨介质通信技术相比，本发明由于采用无源中继，以及基于电磁波‑声波转换效应产生声波信号。因此，具有更高的传输速率和信噪比，以及成本低、使用灵活且安全可靠的优势。
Description
技术领域
本发明实施例涉及跨介质通信领域，并且更具体地，涉及跨介质通信的方法、装置和系统。
背景技术
随着通信技术的发展，未来希望可以实现全域通信覆盖。目前空中已经基本实现了全域通信覆盖，但在一些存在跨介质(例如气体介质到液体介质)的领域通信仍面临巨大挑战。究其原因是不同介质对不同形式传输载波(比如电磁波、声波等)的吸收、衰减和散射差异较大，比如：液体介质海水对传统空中通信的微波信号具有较大的衰减，使得无法进行常规的通信信号传输；而气体中声信号衰减大，使得气体介质中难以传输远距离传输声信号。
目前气体和液体介质的跨介质通信无论在民用还是军用方面都有较大的需求，比如：海底资源发掘、水下和水上平台通信等。针对气体和液体跨介质通信的需求，发展的主要通信的技术包括光通信、低频射频通信和声通信。光通信可以实现中距离超高速传输，但因光波波长短，信号易被阻断，且对收发角度要求严苛；低频射频通信因其衰减大，故传输距离短。因此，当前水下长距离通信主要依靠声通信。
水下声通信所用声信号因其是高频机械波(通常在几十KHz范围)难以在空气中传播；因此，气体和液体之间的跨介质通信无法依靠单一的声通信解决。针对这一问题，现有解决方案是基于水面有源浮标作为中继站，中继站接收来自水上的调制电磁波信号，将调制的电磁波信号通过有源激发电路转换为相应调制的声信号向水下传输。该方法利用气体介质中对电磁波衰减小，液体介质中对声波衰减小的优势实现了跨介质通信。但该方法因为需要有源中继进行调制解调和二次分发信息，系统较为复杂、成本较高且灵活性差，尤其是容易被追踪干扰且需要考虑功耗和供能的问题。为此，气体和液体跨介质通信时，如何解决有源中继的上述问题变得至关重要。
光声(热声)效应是指利用高功率脉冲电磁波激发吸收体产生声波信号；当利用高功率脉冲微波直接对海水面进行激发时(AIP Advances 11,025029(2021)，IEEETrans.Microwave Theory Tech.65,3369(2017))，由于海水对微波具有较强吸收进而被热声激励产生声波信号(热声信号)，热声信号向水下传输实现气体和液体跨介质通信(水上和水下跨介质通信)，但是该方法电磁-声能量转换效率较低，而且热声效应产生的声波(热声信号)是一个宽带高频信号(主要频率分量大于500KHz)，无法根据需要输出特定频率范围的声波信号，而水下通信的最佳频率通常小于100KHz，频率过高也存在衰减而传输距离受限。为解决热声效应直接激发海水面时电磁-声能量转换效率极低的问题，Ji等人(IEEECommunications Magazine,59,1(2021))提出了基于无源中继提高基于激光激发的光-声转换效率的方法，通过海面的无源中继增强光学吸收提高光-声转换效率，提高水下声信号的传输距离。但是基于无源中继结合光声效应的水上和水下跨介质通信产生的声波(光声信号)仍然是一个宽带高频信号(主要频率分量大于500KHz)，无法根据需要输出特定频率范围的声波信号；同时用于产生光声效应的激光波长小(通常在μm量级)，为保证足够高的能量密度使得光斑较小，如采用上述无源中继增加光-声转换效应，激光与中继站接收匹配难度较大。此外，基于光声和热声效应的水上和水下跨介质通信编码形式单一，只能通过产生声波信号的有无(即On-Off Keying:OOK)进行信息传输，导致系统信噪比较低，且无法使用更高传输速率(比如：相位调制形式的模拟调制，以及诸如频移键控(Frequency-ShiftKeying:FSK)之类的数字调制)的调制方式。
因此，如何实现安全、低成本、高速且灵活的跨介质通信至关重要。
发明内容
基于现有技术中存在的上述问题，本发明实施例提供跨介质通信的方法、装置和系统，能够实现安全、低成本、高速且灵活的实现跨介质通信。
本发明专利提供了一种跨介质通信的方法，其特征在于：无源中继从第一介质接收带调制的射频信号，其中所述带调制的射频信号携带待发送信息；无源中继首先通过检波对射频信号进行解调得到基带信号，然后通过电磁波-声波转换效应将所述基带信号转换为声波信号，并传输到第二介质中；其中，所述第一介质比第二介质更适于电磁波传输但更不适于声波传输，所述第二介质比第一介质更适于声波传输但更不适于电磁波传输。
一方面，本发明提出了一种跨介质通信的方法，在第一传输介质中以射频信号为载体进行信息传输，将所传递的信息调制到射频载波上进行远距离无线传输；利用两种介质分界面上的无源中继站，接收带调制的射频信号，将该信号进行解调后得到用于产生第二传输介质中所需传输的激励信号。中继站基于电磁波-声波转换效应(比如：压电效应和基于电动力学法在金属中产生声波的电磁致声方法)产生在第二传输介质中可高效传播的调制声波信号，用于在第二介质中传输。第二传输介质中对接收到的声波调制信号进行解调得到第一传输介质发送的信息，实现跨介质通信。
另一方面，本发明提出了一种跨介质通信的装置，包括：收发器；至少一个处理器，与该收发器相连；该收发器位于第一传输介质中，被配置为向无源中继站发送携带待发送信息的射频信号。无源中继接收来自第一传输介质的射频信号，并对其进行解调，得到用于产生第二传输介质中所需传输的激励信号。该激励信号基于电磁波-声波转换效应(比如：压电效应和基于电动力学法在金属中产生声波的电磁致声方法)激励无源中继站产生声波信号向第二传输介质传输第一传输介质发送的待发送信息。
另一方面，本发明提出了一种跨介质通信的装置，包括：收发器；至少一个处理器，与该收发器相连；该收发器位于第二传输介质中，被配置为接收无源中继站发送的待发送信息。第二传输介质中接收器对接收到的声波调制信号进行解调得到第一传输介质发送的待发送信息，实现跨介质通信。
另一方面，本发明提供了一种跨介质通信的系统，包括上述任意一种装置。
本发明专利相比上述有源浮标作为中继站实现水上和水下通信相比，采用无源中继站实现了高速、高效的跨介质通信。系统成本低、零功耗、安全性高、保密性好，使用灵活无需回收，可以根据设定时间而自降解。
本发明专利相比上述直接利用脉冲微波或激光直接激发水面或无源中继，利用光声效应产生声波实现水上和水下通信相比，有如下创新点：
1)本发明所用无源中继进行跨介质通信时，第一传输介质中射频信号到第二传输介质中声波信号之间的转换并不是基于光声效应，而是基于更高转换效率的电磁波-声波转换效应(比如：压电效应和基于电动力学法在金属中产生声波的电磁致声方法)；
2)本发明专利无源中继上产生的声波信号频率和调制方式可根据第一介质中射频信号任意调控，可满足不同环境下的跨介质通信频率需求；
3)本发明专利可直接将第一介质中射频信号的任意调制形式(比如：数字调制和模拟调制)通过无源中继转换到第二介质中，具有更高的传输速率、信噪比等。
附图说明
为更清楚说明本发明实施例的技术方案，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是根据本发明实施例一的无源跨介质通信的方法示意图。
图2为本发明实施例二提供的无源跨介质通信的方法流程图。
图3为本发明实施例三提供的无源跨介质通信的方法示意图。
图4为本发明实施例四提供的无源跨介质通信的方法示意图。
图5为本发明实施例七提供的无源跨介质通信装置。
具体实施方式
针对现有技术中存在的跨介质通信时，利用有源中继进行调制解调和二次分发信息的方法，系统较为复杂、成本较高且灵活性差，尤其是容易被追踪干扰且需要考虑功耗和供能等问题；以及基于光声和热声效应的水上和水下跨介质通信时转换效率低，系统信噪比低，传输速率低以及声波频率不可控等问题。本发明提出了一种跨介质通信方法，无源中继从第一介质接收射频信号，其中，该射频信号被调制为携带有需要传播的待发送信息。无源中继接收来自第一介质的待发送信息，并对其进行解调，得到用于产生第二介质中所需传输声波信号的激励信号。该激励信号基于电磁波-声波转换效应(比如：压电效应和基于电动力学法在金属中产生声波的电磁致声方法)激励无源中继站产生声波信号向第二介质传输第一介质发送的关联信号，产生的声波在第二介质中传输，该声波携带有第一介质发送的关联信号信息。第二传输介质中接收器对接收到的声波信号进行解调得到第一传输介质发送的待发送信息，实现跨介质通信。
具体而言本发明专利分别在第一传输介质中(比如气体)，选取衰减小，传播距离远的载波形式(比如气体中选取射频)；在第二传输介质中(比如液体)，选取衰减小，传播距离远的另外一种载波形式(比如液体中选取声波)实现跨介质通信。在两种介质分界面提出了一种无源中继站，该无源中继站无需电源、电池或发电设备供电，可以接收第一传输介质中的调制信号，并将其进行解调后用于产生第二传输介质所需的调制信号。中继站产生在第二传输介质中可高效传播的调制信号，用于在第二介质中传输。第二传输介质中对接收到的调制信号进行解调得到第一传输介质发送的信息。
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作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。
本申请的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。实施例一
图1是根据本发明实施例一的无源跨介质通信的方法示意图。
步骤110，发送端通过第一介质向无源中继发射携带待发送信息的射频信号。
应注意，本发明实施例中，在第一介质中向无源中继发射携带待发送信息的射频信号，该信号的发射机频率从低频射频信号(小于300MHz)，到微波频段(300MHz到300GHz)，以及太赫兹波段(0.1THz到10THz)。携带的待发送信息通过模拟调制(比如：相位调制和幅度调制等)和数字调制(比如：频移键控(Frequency-shift keying:FSK)、相移键控(PhaseShift Keying:PSK)、正交相移键控(Quad-Phase Shift Keyed)和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing：OFDM)等)的方式以基带信号形式加载于射频载波上，用于传输信息。
步骤120，无源中继接收来自第一介质发射的射频信号，并通过检波对射频信号进行解调得到基带信号，然后通过电磁波-声波转换效应将该基带信号转换为声波信号，并传输到第二介质中。
本领域技术人员应知，无源即无需电源、电池或发电设备(如太阳能电池等)供电。因此，本发明的无源中继中的无源的含义与本领域常规无源设备中无源的概念相同。
应注意，基于电磁波-声波转换效应转换后的声波信号仍携带待发送信息。来自于第一介质的射频信号包括载波和调制信号(即基带信号)，调制信号是我们需要传输的待发送信息。无源中继对于接收到的射频信号经过检波，得到射频信号携带的基带信号，该基带信号可以不失真的基于电磁波-声波转换效应转换为声波信号，至此实现了调制信号(即需传输的待发送信息)由电磁波向机械波的转换。
优选的，无源中继位于第一介质和第二介质分界面上。在另一个实施例中，无源中继也可位于第一介质内但可以向第二介质发送信息，包括但不限于无源中继的信号发送部件位于第二介质内。在另一个实施例中，无源中继也可位于第二介质内但可以从第一介质接收信息，包括但不限于无源中继的信号接收部件位于第一介质内。
在一个实施例中，电磁波-声波转换效应可以为压电效应或基于电动力学法在金属中产生声波的电磁致声方法。需要说明的时，压电效应和电磁致声效应仅是为便于说明无源中继功能而举出的两个具体示例，本申请并不限于压电效应和电磁致声效应，也可以为其他方式的电磁波到声波的转换方法。
应注意，本发明的第一介质和第二介质可以是任何可传输电磁波或声波的介质，只要第一介质比第二介质更适于电磁波传输、第二介质比第一介质更适于声波传输即可。在一个实施例中，可选的，本发明的第一介质可以为气体(包括真空)或其他声波难以远距离传输的介质；第二介质可以为液体或其他电磁波难以远距离传输的介质。
优选的，无源中继选用可降解材料。
步骤130，接收端在第二介质中接收携带待发送信息的声波信号，解调得到待发送信息，实现第一介质到第二介质的无源跨介质通信。
由于采用无源中继，以及基于电磁波-声波转换效应产生声波信号。因此，具有更高的传输速率和信噪比，以及成本低、使用灵活且安全可靠的优势。应注意，本发明实施例中，两种介质分界面上的无源中继站，首先接收来自第一介质的携带待发送信息的射频信号，并对该射频信号进行检波得到基带信号，用于激励产生第二介质中所需传输声波信号。该激励信号基于电磁波-声波转换效应(比如：压电效应和基于电动力学法在金属中产生声波的电磁致声方法)激励无源中继站产生声波信号向第二介质传输；该声波信号携带有第一介质发送给中继站的待发送信息。第二传输介质中接收器对接收到的关联声波信号进行解调得到第一传输介质发送的待发送信息，实现跨介质通信。该方法第一和第二介质中分别采用两种形式的载波进行信号传输，分别利用两种形式载波在两种介质中的传输优势实现了高速、高效的跨介质通信。同时，无源中继站还具有低成本、使用灵活且安全可靠的优势。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的无源跨介质通信的方法流程图。在上述实施例一的基础上，本实施例中，电磁波-声波转换效应采用压电效应，相应的无源中继包括检波和压电转换，无源中继通过第一介质接收携带待发送信息的射频信号后，经过检波后,得到射频信号携带的调制信号，该调制信号不失真的基于压电效应转换为声波信号，得到携带有待发送信息的声波信息。如图2所示，该方法具体步骤如下：
步骤210，发送端通过第一介质向无源中继发射携带关联待发送信息的射频信号，具体包括以下三个步骤：首先对需要发射的待发送信息进行信号处理211，然后对该信息进行信号生成212和信号发射213。
步骤211：产生待发送信息(即调制信号或基带信号)；
步骤212：将步骤211产生的待发送信息以基带信号的形式调制至射频载波上进行信号生成，这里调制方式可以为模拟调制(比如：相位调制和幅度调制)和数字调制(比如：频移键控(Frequency-shift keying:FSK)、相移键控(Phase Shift Keying:PSK)、正交相移键控(Quad-Phase Shift Keyed：QPSK)、正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing：OFDM)或更高效调制方式)。调制后的信号包括射频载波信号和携带待发送信息的基带信号。
步骤213：向第一介质中发射步骤212生成的携带待发送信息的射频信号，这里信号发射可以通过喇叭天线和柔性天线。
步骤220，无源中继接收来自第一介质发射的射频信号，经过检波后,得到射频信号携带的调制信号，并基于压电转换效应将该射频信号携带的待发送信息转换为声波信号向第二介质传输。
步骤220具体包括：
步骤221接收来自第一介质中携带待发送信息的射频信号，这里射频信号接收可以通过喇叭天线和柔性天线实现。通过步骤222对步骤221接收到的射频信号进行信号检波，得到携带待发送信息的基带信号，该待发送信息由步骤211产生。可选的，信号检波可以为包络检波。被步骤222检波后恢复的基带信号通过步骤223，无失真的将该基带信号波形基于逆压电效应转换为声波信号，该声波信号携带所需传输的待发送信息。应注意，这里的第一介质和第二介质可以是任何可传输电磁波或声波的介质，只要第一介质比第二介质更适于电磁波传输、第二介质比第一介质更适于声波传输即可。
步骤230，接收端在第二介质中接收携带待发送信息的声波信号，解调得到待发送信息，实现第一介质到第二介质的无源跨介质通信。
步骤230具体包括：
步骤231通过压电转换器对步骤220产生的携带待发送信息的声波信号进行接收，并无失真的将该声波信号转换为电信号，该电信号携带所需传输的待发送信息。步骤232对步骤231转换得到的携带待发送信息的声信号进行放大和解码，得到第一介质中的待发送信息，实现第一介质到第二介质的跨介质通信。
由于采用无源中继，以及压电效应产生声波信号。因此，本发明具有更高的传输速率和信噪比，以及成本低、使用灵活且安全可靠的优势。应注意，本发明实施例中，两种介质分界面上的无源中继，首先接收来自第一介质的携带待发送信息的射频信号，并对该射频信号进行检波，得到携带待发送信息的基带信号，用于激励第二介质中产生所需传输的声波信号。该激励信号基于压电效应激励无源中继产生声波信号向第二介质传输；该声波信号携带有第一介质发送给中继的待发送信息。第二传输介质中接收器对接收到的携带待发送信息声波信号进行解调，得到第一传输介质发送的待发送信息，实现跨介质通信。该方法第一和第二介质中分别采用两种形式的载波进行信号传输，所述第一介质比第二介质更适于电磁波传输但更不适于声波传输，所述第二介质比第一介质更适于声波传输但更不适于电磁波传输。本发明分别利用两种形式载波在两种介质中的传输优势实现了高速、高效的跨介质通信。同时，无源中继站还具有低成本、使用灵活且安全可靠的优势。
实施例三
图3为本发明实施例三提供的无源跨介质通信的方法示意图。本实施例中，第一介质为气体，第二介质为液体。示例性地，第一介质为空气，第二介质为水，图3示出了本发明的一种可用应用场景——水上水下无源无线通信。如图3所示，该方法具体步骤如下：
空中处理器311向信号发生器312发送待发送信息，待发送信息通过发射天线313向空中发射。向水面无源中继发射携带待发送信息的射频信号。其中处理器311发送的携带待发送信息的调制信号优选为幅度和相位调制，FSK，相移键控(Phase Shift Keying:PSK)，正交相移键控(Quad-Phase Shift Keyed:QPSK)，和正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing：OFDM)。信号发生器312产生的射频信号频率为：0.1GHz到500GHz。发射天线313优选为喇叭天线、柔性天线。
水面无源中继通过接收天线314接收射频信号，并利用检波器315将其转换为携带待发送信息的电信号(基带信号)，该电信号通过压电转换器316转换为携带待发送信息的声信号，产生的声波频率优选为10KHz到1000KHz。此外，无源中继上信号接收天线314优选为喇叭天线、柔性天线。检波器315优选为包括检波器。压电转换器316材料优选为压电晶体，压电陶瓷和聚偏氟乙烯薄膜。
水下声学换能器317接收携带待发送信息的声信号，通过处理器318解调得到来自空中发射的待发送信息。优选的水下声学换能器317材料优选为压电晶体，压电陶瓷和聚偏氟乙烯薄膜，以及基于光学的声传感器。
实施例四
图4为本发明实施例四提供的无源跨介质通信的方法示意图。在需要绝对电磁屏蔽和保护的环境下，可以通过完整封闭的金属笼实现。本实施例是解决了上述情况下的跨介质无线通信。本实施例中，第一介质为气体，第二介质为高介电损耗介质，可以是铁。示例性地，第一介质为空气，第二介质为铁，空中处理器411向信号发生器412发送待发送信息，待发送信息通过发射天线413向空中发射。向水面无源中继发射携带待发送信息的射频信号。其中处理器411发送的携带待发送信息的调制信号优选为幅度和相位调制，FSK，相移键控(Phase Shift Keying:PSK)，正交相移键控(Quad-Phase Shift Keyed)，和正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing：OFDM)。信号发生器412产生的射频信号频率为：0.1GHz到500GHz。发射天线413优选为喇叭天线、柔性天线。
水面无源中继通过接收天线414接收射频信号，并利用检波器415将其转换为携带待发送信息的电信号(基带信号)，该电信号通过压电转换器416转换为携带待发送信息的声信号，产生的声波频率优选为10Hz到1000KHz。此外，无源中继上信号接收天线414优选为喇叭天线、柔性天线。检波器415优选为包括检波器。压电转换器416材料优选为压电晶体，压电陶瓷和聚偏氟乙烯薄膜。
铁介质内声学换能器417接收携带待发送信息的声信号，通过处理器418解调得到来自空中发射的待发送信息。优选的铁介质内声学换能器417材料优选为压电晶体，压电陶瓷和聚偏氟乙烯薄膜，以及基于光学的声传感器。
实施例五
在上述实施例一的基础上，本实施例中，电磁波-声波转换效应采用基于电动力学法在金属中产生声波的电磁致声，相应的无源中继包括，接收天线，检波器和电磁致声转换器。无源中继通过第一介质接收到携带待发送信息的射频信号后，经过检波得到射频信号携带的调制信号，并基于电磁致声效应将该射频信号携带的待发送信息转换为声波信号向第二介质传输。这里沿用实施例一和实施例二的步骤，不同之处仅在于将压电效应替换为电磁致声效应。同样可沿用实施例三和实施例四的步骤，不同之处仅在于将压电转换器316、416替换为电磁致声转换器。
由于采用无源中继，以及基于电磁波-声波转换效应产生声波信号。因此，具有更高的传输速率和信噪比，以及成本低、使用灵活且安全可靠的优势。应注意，本发明实施例中，两种介质分界面上的无源中继站，首先接收来自第一介质的携带待发送信息的射频信号，并对该射频信号进行解调，得到用于产生第二介质中所需传输声波信号的激励信号。该激励信号基于电磁致声方法激励无源中继站产生声波信号向第二介质传输；该声波信号携带有第一介质发送给中继站的待发送信息。第二传输介质中接收器对接收到的关联声波信号进行解调得到第一传输介质发送的待发送信息，实现跨介质通信。该方法第一和第二介质中分别采用两种形式的载波进行信号传输，分别利用两种形式载波在两种介质中的传输优势实现了高速、高效的跨介质通信。同时，无源中继站还具有低成本、使用灵活且安全可靠的优势。
实施例六
本发明实施例还提供了一种发送设备，该发送设备包括：第一收发器，用于产生带调制的射频信号并发送到第一介质，其中所述带调制的射频信号携带待发送信息；
第一收发器产生的射频信号被无源中继接收后，经过无源中继的检波得到携带待发送信息的基带信号，并进一步通过电磁波-声波转换效应激发无源中继产生声波信号，声波信号在第二介质中传输；
其中，第一介质比第二介质更适于电磁波传输，第二介质比第一介质更适于声波传输。
同时，本发明实施例还提供了一种无源中继，该无源中继包括：
射频信号接收器，用于从第一介质接收射频信号，其中所述射频信号携带待发送信息；
信号检波器，用于对接收到的射频信号进行解调，得到携带待发送信息的基带信号；
转换器，用于通过电磁波-声波转换效应将所述基带信号转换为声波信号，并传输到第二介质中；
其中，第一介质比第二介质更适于电磁波传输，第二介质比第一介质更适于声波传输。
优选的，该转换器包括压电转换器和电磁致声转换器。
同时，本发明实施例还提供了一种接收设备，该接收设备包括：
第二收发器，用于从第二介质接收声波信号；
该声波信号为无源中继从第一介质接收射频信号后，通过检波得到携带待发送信息的基带信号并通过电磁波-声波转换效应转换该调制信息得到的，其中所述射频信号携带待发送信息；
其中，第一介质比第二介质更适于电磁波传输，第二介质比第一介质更适于声波传输。
实施例七
图5为本发明实施例七提供的无源跨介质通信装置。在上述实施例一和实施例二的基础上，本实施例中，电磁波-声波转换效应采用转换器(包括基于压电效应和电磁致声效应的声学换能器，图5仅示出了压电转换器)，相应的无源中继包括检波器和转换器，无源中继通过第一介质接收到携带待发送信息的射频信号后，经过检波器检波后,得到射频信号携带的调制信号，该调制信号以不失真的基于电磁波-声波转换效应(包括压电效应和电磁致声效应)转换为声波信号，得到携带有待发送信息的声波信息。如图5所示，该方法具体步骤如下：
发送端510通过第一介质向无源中继发射携带关联待发送信息的射频信号，具体包括以下三个步骤：首先处理器511对需要发射的待发送信息进行信号处理，然后信号发生器512对携带待发送信号的基带信号加载于射频载波上进行信号生成，信号发射器513对信号发生器512产生的射频信号在第一介质中进行发射。
处理器511：产生待发送信息(即基带信号)；
信号发生器512：将511产生的待发送信息以基带信号的形式调制至射频载波上进行信号生成，这里调制方式可以为模拟调制(比如：相位调制和幅度调制)和数字调制(比如：频移键控(Frequency-shift keying:FSK)、相移键控(Phase Shift Keying:PSK)、正交相移键控(Quad-Phase Shift Keyed)、正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing：OFDM)或更高效调制方式)。调制后的信号包括射频载波信号和携带待发送信息的基带信号。
信号发射器513：向第一介质中发射信号发生器512生成的携带待发送信息的射频信号，这里信号发射可以通过喇叭天线和柔性天线。
无源中继520，无源中继通过射频信号接收器521接收来自第一介质发射的射频信号，经过信号检波器522进行信号检波后,得到射频信号携带的调制信号，并基于转换器523(例如可以是压电转换器或电磁致声转换器)将该射频信号携带的待发送信息转换为声波信号向第二介质传输。应注意，这里的第一介质和第二介质可以是任何可传输电磁波或声波的介质，只要第一介质比第二介质更适于电磁波传输、第二介质比第一介质更适于声波传输即可。可选的，本发明的第一介质可以为气体(包括真空)或其他声波难以远距离传输的介质；第二介质可以为液体或其他电磁波难以远距离传输的介质。在一个实施例中，射频信号接收器521为无源射频信号接收器，包括喇叭天线和柔性天线；信号检波器522为无源信号检波器，包括无源包络检波器。
接收端530通过压电转换器531对无源中继520产生的携带待发送信息的声波信号进行接收，并无失真的将该声波信号转换为电信号，该电信号携带所需传输的待发送信息。处理器532对压电转换器531转换得到的携带待发送信息的声信号进行放大和解码，得到第一介质中的待发送信息，实现第一介质到第二介质的跨介质通信。优选的，该超声转换器的材料为压电晶体、压电陶瓷或聚偏氟乙烯薄膜；或该超声转换器为基于光学的声传感器。
由于采用无源中继，以及基于电磁波-声波转换效应产生声波信号。因此，具有更高的传输速率和信噪比，以及成本低、使用灵活且安全可靠的优势。应注意，本发明实施例中，两种介质分界面上的无源中继站，首先接收来自第一介质的携带待发送信息的射频信号，并对该射频信号进行检波得到基带信号，用于激励产生第二介质中所需传输声波信号。该激励信号基于电磁波-声波转换效应(比如：压电效应和基于电动力学法在金属中产生声波的电磁致声方法)激励无源中继站产生声波信号向第二介质传输；该声波信号携带有第一介质发送给中继站的待发送信息。第二传输介质中接收器对接收到的关联声波信号进行解调得到第一传输介质发送的待发送信息，实现跨介质通信。该方法第一和第二介质中分别采用两种形式的载波进行信号传输，分别利用两种形式载波在两种介质中的传输优势实现了高速、高效的跨介质通信。同时，无源中继站还具有低成本、使用灵活且安全可靠的优势。
如本领域的技术人员将理解的，实施例的各方面可以体现为系统、装置、方法或程序产品。因此，实施例可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)或者组合软件和硬件方面的实施例的形式。
例如，所公开的实施例可以实现为包括定制的超大规模集成(“VLSI”)电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管或其他分立组件的现成半导体的硬件电路。所公开的实施例还可以在诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备中实现。作为另一示例，所公开的实施例可以包括可执行代码的一个或多个物理或逻辑块，该可执行代码可以例如被组织为对象、过程或函数。
此外，实施例可以采取体现在下文称为被代码的存储机器可读代码、计算机可读代码和/或程序代码的一个或多个计算机可读存储设备中的程序产品的形式。存储设备可以是有形的、非暂时的和/或非传输的。存储设备可能不包含信号。在某个实施例中，存储设备仅采用用于访问代码的信号。
可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是存储代码的存储设备。存储设备可以是，例如，但不限于电子、磁、光、电磁、红外、全息、微机械或半导体系统、装置或设备、或前述的任何合适的组合。
存储设备的更具体示例(非详尽列表)将包括下述：具有一条或多条电线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(“RAM”)、只读存储器(“ROM”)、可擦除可编程只读存储器(“EPROM”或闪存)、便携式光盘只读存储器(“CD-ROM”)、光学存储装置、磁性存储装置、或前述的任何合适的组合。在本文件的上下文中，计算机可读存储介质可以是任何有形介质，其能够包含或存储程序以供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用。
本说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，除非另有明确说明，否则在整个说明书中出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似语言可以但不一定全部指代相同的实施例，而是意指“一个或多个但不是所有实施例”。除非另有明确说明，否则术语“包括”、“包含”、“具有”及其变体意指“包括但不限于”。除非另有明确说明，否则列举的项目列表并不暗示任何或所有项目是互斥的。除非另有明确说明，否则术语“一(a)”、“一个(an)”和“该”也指“一个或多个”。
此外，所描述的实施例的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。在以下描述中，提供许多具体细节，诸如编程、软件模块、用户选择、网络事务、数据库查询、数据库结构、硬件模块、硬件电路、硬件芯片等的示例，以提供对实施例的彻底理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下，或者利用其他方法、组件、材料等来实践实施例。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作以避免使实施例的一些方面模糊。
下面参考根据实施例的方法、装置、系统和程序产品的示意性流程图和/或示意性框图来描述实施例的各方面。将会理解，示意性流程图和/或示意性框图的每个块以及示意性流程图和/或示意性框图中的块的组合能够通过代码实现。此代码能够被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令，创建用于实现在示意性流程图和/或示意性框图中指定的功能/操作的装置。
代码还可以存储在存储设备中，该存储设备能够指示计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式运行，使得存储在存储设备中的指令产生包括指令的制品，该指令实现在示意性流程图和/或示意性框图中指定的功能/操作。
代码还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的代码提供用于实现在示意性流程图和/或示意性块图中指定的功能/操作的过程。
附图中的示意性流程图和/或示意性框图图示根据各种实施例的装置、系统、方法和程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这方面，示意性流程图和/或示意性框图中的每个块可以表示代码的模块、片段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的代码的一个或多个可执行指令。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之内，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 (34)
1.一种跨介质通信的方法，其特征在于：
无源中继从第一介质接收带调制的射频信号，其中所述带调制的射频信号携带待发送信息；
无源中继首先通过检波对射频信号进行解调得到基带信号，然后通过电磁波-声波转换效应将所述基带信号转换为声波信号，并传输到第二介质中；
其中，所述第一介质比第二介质更适于电磁波传输，所述第二介质比第一介质更适于声波传输。
2.根据权利要求1所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述无源中继无需电源、电池或发电设备供电。
3.根据权利要求1所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述电磁波-声波转换效应包括压电效应和电磁致声效应。
4.根据权利要求3所述的跨介质通信的方法，其特征在于，
所述无源中继对接收到的射频信号进行信号检波，得到携带所述待发送信息的基带信号；
所述基带信号作用于压电转换器或电磁致声转换器；
所述压电转换器基于逆压电效应将所述基带信号转换为声波信号，或所述电磁致声转换器基于电磁致声效应将所述基带信号转换为声波信号。
5.根据权利要求1所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述射频信号的频率为0.1GHz到500GHz。
6.根据权利要求5所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述射频信号的频率优选为0.1GHz到300GHz。
7.根据权利要求3所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述检波包括包络检波。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述第一介质为气体，所述第二介质为液体或固体。
9.根据权利要求8所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述第一介质为空气，所述第二介质为水或金属。
10.根据权利要求8所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述第一介质可以为真空。
11.根据权利要求1所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述无源中继选用可降解材料。
12.一种跨介质通信的方法，其特征在于：
发送端产生带调制的射频信号并发送到第一介质，其中所述带调制的射频信号携带待发送信息；
所述射频信号被无源中继接收后，经过无源中继的检波得到携带待发送信息的基带信号，并进一步通过电磁波-声波转换效应激发无源中继产生声波信号，所述声波信号在第二介质中传输；
其中，所述第一介质比第二介质更适于电磁波传输，所述第二介质比第一介质更适于声波传输。
13.根据权利要求12所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述发送端产生待发送信息，并将所述待发送信息以基带信号的形式调制至射频载波上。
14.根据权利要求13所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述调制包括模拟调制和数字调制，其中，所述模拟调制包括相位调制和幅度调制，所述数字调制包括频移键控、相移键控、正交相移键控和正交频分复用。
15.根据权利要求13所述的跨介质通信的方法，其特征在于，调制后的所述射频信号包括射频载波信号和携带待发送信息的基带信号。
16.一种跨介质通信的方法，其特征在于：
接收端从第二介质接收声波信号；
所述声波信号为无源中继从第一介质接收射频信号后，通过检波得到携带待发送信息的基带信号并通过电磁波-声波转换效应转换该调制信息得到的，其中所述射频信号携带待发送信息；
其中，所述第一介质比第二介质更适于电磁波传输，所述第二介质比第一介质更适于声波传输。
17.根据权利要求16所述的跨介质通信的方法，其特征在于，
所述接收端接收所述声波信号，通过超声转换器将所述声波信号转换为电信号，其中所述电信号携带所述待发送信息；
对所述电信号进行放大和解码，得到所述待发送信息，实现第一介质到第二介质的跨介质通信。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述超声转换器的材料为压电晶体、压电陶瓷或聚偏氟乙烯薄膜；或所述超声转换器为基于光学的声传感器。
19.一种跨介质通信的方法，其特征在于：
发送端产生射频信号并发送到第一介质，其中所述射频信号携带待发送信息；
无源中继从第一介质接收所述射频信号，首先通过检波对射频信号进行解调，得到携带待发送信息的基带信号，并进一步通过电磁波-声波转换效应将所述射频信号转换为声波信号，并传输到第二介质中；
接收端从第二介质接收声波信号；
其中，所述第一介质比第二介质更适于电磁波传输，所述第二介质比第一介质更适于声波传输。
20.根据权利要求19所述的跨介质通信的方法，其特征在于，所述电磁波-声波转换效应包括压电效应和电磁致声效应。
21.一种无源中继，其特征在于，包括：
射频信号接收器，用于从第一介质接收射频信号，其中所述射频信号携带待发送信息；
信号检波器，用于对接收到的射频信号进行解调，得到携带待发送信息的基带信号；
转换器，用于通过电磁波-声波转换效应将所述基带信号转换为声波信号，并传输到第二介质中；
其中，所述第一介质比第二介质更适于电磁波传输，所述第二介质比第一介质更适于声波传输。
22.根据权利要求21所述的无源中继，其特征在于，所述转换器包括压电转换器和电磁致声转换器。
23.根据权利要求22所述的无源中继，其特征在于，所述转换器为压电转换器或电磁致声转换器；所述基带信号作用于压电转换器或电磁致声转换器；
所述压电转换器基于逆压电效应将所述基带信号转换为声波信号，或所述电磁致声转换器基于电磁致声效应将所述基带信号转换为声波信号。
24.根据权利要求21所述的无源中继，其特征在于，所述射频信号接收器为无源射频信号接收器，包括喇叭天线和柔性天线；所述信号检波器为无源信号检波器，包括无源包络检波器。
25.一种发送设备，其特征在于，包括：
第一收发器，用于产生带调制的射频信号并发送到第一介质，其中所述带调制的射频信号携带待发送信息；
所述射频信号被无源中继接收后，经过无源中继的检波得到携带待发送信息的基带信号，并进一步通过电磁波-声波转换效应激发无源中继产生声波信号，所述声波信号在第二介质中传输；
其中，所述第一介质比第二介质更适于电磁波传输，所述第二介质比第一介质更适于声波传输。
26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述第一收发器包括
第一处理器，用于产生待发送信息；
信号发生器，用于将所述待发送信息以基带信号的形式调制至射频载波上进行信号生成，
信号发射器，用于向第一介质中发射生成的携带所述待发送信息的射频信号。
27.一种接收设备，其特征在于，包括：
第二收发器，用于从第二介质接收声波信号；
所述声波信号为无源中继从第一介质接收射频信号后，通过检波得到携带待发送信息的基带信号并通过电磁波-声波转换效应转换该调制信息得到的，其中所述射频信号携带待发送信息；
其中，所述第一介质比第二介质更适于电磁波传输，所述第二介质比第一介质更适于声波传输。
28.根据权利要求27所述的设备，其特征在于，所述第二收发器包括
超声转换器，用于接收所述声波信号，并将所述声波信号转换为电信号；
第二处理器，用于对所述电信号进行放大和解码，得到所述待发送信息。
29.根据权利要求28所述的设备，其特征在于，所述超声转换器的材料为压电晶体、压电陶瓷或聚偏氟乙烯薄膜；或所述超声转换器为基于光学的声传感器。
30.一种跨介质通信的系统，其特征在于，包括发送端、中继设备和接收端；
所述发送端产生射频信号并发送到第一介质，其中所述射频信号携带待发送信息；
所述无源中继从第一介质接收所述射频信号，首先通过检波对射频信号进行解调，得到携带待发送信息的基带信号，并进一步通过电磁波-声波转换效应将所述射频信号转换为声波信号，并传输到第二介质中；
所述接收端从第二介质接收声波信号；
其中，所述第一介质比第二介质更适于电磁波传输，所述第二介质比第一介质更适于声波传输。
31.一种跨介质通信的系统，其特征在于，包括发送端、中继设备和接收端，所述发送端执行如权利要求12-15任意一项所述的方法，所述中继设备执行如权利要求1-11任意一项所述的方法，所述接收端执行如权利要求16-18任意一项所述的方法。
32.一种跨介质通信的系统，其特征在于，包括如权利要求25-26任意一项所述的发送设备，如权利要求21-24任意一项所述的无源中继，以及如权利要求27-28任意一项所述的接收设备。
33.一种电子设备，包括存储器和处理器；其中，
所述存储器用于存储一条或多条计算机指令，其中，所述一条或多条计算机指令被所述处理器执行以实现权利要求12-15任一项或权利要求16-18任一项所述的方法步骤。
34.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现权利要求12-15任一项或权利要求16-18任一项所述的方法步骤。
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2022
- 2022-05-06 CN CN202210488075.3A patent/CN114900220A/zh active Pending
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