CN115086122B - 基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提供了一种基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法及系统，信号发射端和信号接收端均预先存储预设编码规则和给定对数非均匀高阶伪随机信号，其中，所述预设编码规则包括字符与二进制编码的映射关系；信号发射端获取待发送的通讯信息，对于所述通讯信息中的每个字符，依次执行：基于预设编码规则得到相应二进制编码；进而基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，得到所述字符相应的伪随机信号，发送至所述信号接收端；信号接收端获取伪随机信号，基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，解析得到某个字符对应的二进制编码；基于预设编码规则确定相应字符。本发明实现了基于勘探信号的井上与井下的双向通信。

Description

基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法及系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

井下通信联络系统是矿井安全生产的重要保障，一旦井下发生安全事故，紧急报警、人员撤离、搜寻救护目标等应急处理措施都要求能够准确、及时、高效地进行对地通信联络。井下通讯系统主要包括有线通信线路和无线通信线路。事故发生时，井下的各种通信设备和线缆会受到冲击导致有线通信线路易遭破坏，因此，应急无线通信在现代地下矿井工作环境中，尤其是在抢险救灾中具有不可替代的作用。

目前，井下应急无线定位与通信大多依赖于无线传感器网络，其是一种低成本，低功耗，自组网的通信技术，但是其通信距离较短，信号穿透能力会受高频特性影响，在矿难等极端情况下可能遭受损坏而无法工作，所以在矿难等极端情况时其可能无法满足矿井应急通信的需要。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法及系统。利用构造的对数非均匀高阶伪随机信号在煤层和岩层介质中携带和传输文字信息，实现井上与井下的双向通信，借此为救援人员和被困人员提供可靠的通信和定位功能。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法，信号发射端和信号接收端均预先存储预设编码规则和给定对数非均匀高阶伪随机信号，其中，所述预设编码规则包括字符与二进制编码的映射关系；所述方法包括：

信号发射端获取待发送的通讯信息，对于所述通讯信息中的每个字符，依次执行：基于预设编码规则得到相应二进制编码；基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，根据所述字符的二进制编码，得到所述字符相应的伪随机信号，发送至所述信号接收端；

信号接收端获取伪随机信号，基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，解析得到某个字符对应的二进制编码；基于预设编码规则确定相应字符。

进一步地，所述预设编码规则为：所述二进制编码位数为2n，包括n位静态二进制编码和n位动态二进制编码，其中，所述动态二进制编码与2ⁿ个字符一一对应。

进一步地，所述给定对数非均匀高阶伪随机信号包括静态频组和动态频组，所述静态频组和动态频组均为对数非均匀高阶伪随机信号；并且，所述静态频组中的频率与静态二进制编码对应，所述动态频组的频率与静态二进制编码对应，所述动态频组中的频率与所述静态频组的频率互相穿插。

进一步地，信号发射端基于预设编码规则得到相应二进制编码包括：

在所述预设编码规则中查找所述字符，若存在所述字符，获取相应二进制编码；若不存在所述字符，根据所述字符的读音，从所述预设编码规则中获取一个同音字符，获取所述同音字符相应的二进制编码。

进一步地，所述字符相应的伪随机信号确定方法为：

将给定对数非均匀高阶伪随机信号的动态频组中，与所述二进制编码中“0”所在位置的频率置为0。

进一步地，解析得到某个字符对应的二进制编码方法为：

根据给定对数非均匀高阶伪随机信号，确定待解析伪随机信号中对应的动态频组，将动态频组中非零频率所在位置的频率置为1，得到所述通讯信息中一个字符对应的二进制编码。

一个或多个实施例提供了一种基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯系统，地上和地下均设有信号处理装置，以及与所述信号处理装置分别连接的信号发射装置和信号接收装置；

所述信号处理装置预先存储预设编码规则和给定对数非均匀高阶伪随机信号，其中，所述预设编码规则包括字符与二进制编码的映射关系；被配置为：

获取待发送的通讯信息，对于所述通讯信息中的每个字符，依次执行：基于预设编码规则得到相应二进制编码；基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，根据所述字符的二进制编码，得到所述字符相应的伪随机信号；控制同侧信号发射装置生成并发送所述伪随机信号至对侧信号接收端；

获取同侧信号接收装置自对侧信号发射装置接收的伪随机信号，基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，解析得到某个字符对应的二进制编码；基于预设编码规则确定相应字符。

进一步地，所述系统中，地上和地下均还设有上位机，分别与同侧信号处理装置连接，用于接收待发送的通讯信息，并发送至所述信号处理装置，以及获取自所述信号处理装置接收的对侧通讯信息。

进一步地，所述上位机获取自所述信号处理装置接收的对侧通讯信息后进行语音播放。

进一步地，所述信号接收装置为两个互相垂直的接收线圈。

进一步地，地上还布设测线，沿所述测线布设多个测点；所述信号处理装置还被配置为：

获取所述两个接收线圈在各个测点上接收的信号，将幅值最大值所在位置作为近似估计井下人员所在位置。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明提供了一种新的对地应急无线通信系统，将勘探常用频率应用于对地通信，不仅能够避免因设备损坏导致的通信中断，而且由于信号穿透性好等优势，还可以为救援人员和被困人员提供可靠的通信和定位。

通过构建编码规则，实现了用于通讯的字符与二进制编码之间的一一对应，并且将二进制编码作为字符和伪随机信号之间的连接桥梁，使得能够将字符转换为伪随机信号进行发射和接收，实现了基于勘探信号的对地通信。

采用对数非均匀高阶伪随机信号作为通信信号，保证了信号的稳定性。并且，将对数非均匀高阶伪随机信号划分为静态频组和动态频组，将静态频组作为背景频率，采用穿插于静态频组中的动态频组来携带字符信息，保证了在携带字符信息的前提下控制发射信号的整体频率变化幅度，保证发射信号的稳定性，避免信号过高对硬件设备带来负担。

为弥补预设编码规则中字符数量的不足，当待发送内容中存在编码规则中未记录字符时，采用同音字符来替代，保证所有通信内容都能够被正常传输。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一个或多个实施例中基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯系统示意图；

图2为本发明一个或多个实施例中基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法流程图；

图3为本发明一个或多个实施例中对数非均匀高阶伪随机信号的信号编码方法示意图；

图4为本发明一个或多个实施例中基于对数非均匀高阶伪随机信号的字符编码方法示意图；

图5为本发明一个或多个实施例中字符及对应对数非均匀高阶伪随机信号的时频分析示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法，信号发射端和信号接收端均预先存储预设编码规则和给定对数非均匀高阶伪随机信号，其中，所述预设编码规则包括字符与二进制编码的映射关系；所述方法包括：

步骤1：信号发射端获取待发送的通讯信息，对于所述通讯信息中的每个字符，依次基于预设编码规则得到相应二进制编码；

所述预设编码规则为：所述二进制编码位数为2n，包括n位静态二进制编码和n位动态二进制编码，其中，所述动态二进制编码与2ⁿ个字符一一对应。本实施例中，n=10，即静态和动态二进制编码位数均为10，动态二进制编码对应1024个从《信息交换用汉字编码字符集》（GB2312-80）一级字库中选取的常用字符。

由于预设编码规则中仅存在常用字符的对应编码，而对于编码规则中不包含字符无法实现编码，因此会对通信内容带来限制。为弥补此缺陷，本实施例对于预设编码规则中不存在的字符，根据其读音，从所述预设编码规则中获取一个同音字符，采用所述同音字符的二进制编码作为所述字符的二进制编码。从而保证所有字符都能够进行正常传输。

步骤2：基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，根据所述字符的二进制编码，得到所述字符相应的伪随机信号，发送至所述信号接收端；

所述给定对数非均匀高阶伪随机信号包括静态频组和动态频组，所述静态频组与静态二进制编码相对应，所述动态频组与动态二进制编码相对应。根据所述字符的二进制编码，得到所述字符相应的伪随机信号包括：将所述动态频组中与所述字符的二进制编码中“0”对应位置的频率置为0。或者说，所述字符的二进制编码中的“0”和“1”，用来表示对数非均匀高阶伪随机信号中的不同频率的存在与否。从而每个字符都能对应唯一的伪随机信号波形。

所述静态频组作为背景频率，控制发射信号的整体频率变化幅度，以及穿透深度，保证发射信号的稳定性，避免信号过高对硬件设备带来负担，同时，还作为有效信号传输的标识，当接收到的信号存在静态频组时，认为是有效信号，进而进行解析。而动态频组中的频率与静态频组中的频率互相穿插，用于表示有效的通讯信息内容。其中，所述静态频组基于专利CN111505722B（专利名称：一种对数非均匀伪随机电磁勘探信号生成方法及系统）所提供的方法生成，例如静态频组包括1Hz，5Hz，10Hz，20Hz，40Hz，80Hz，160Hz，320Hz，640Hz，1280Hz；相应地，动态频组包括2Hz，4Hz，8Hz，16Hz，32Hz，64Hz，128Hz，256Hz，512Hz，1024Hz。

例如字符“的”，根据上述预设的编码规则，得到其对应的对数非均匀高阶伪随机信号的01编码，11111111110000000101，其中1111111111为静态二进制编码，与信号的静态频率相对应，0000000101代表动态二进制编码，与信号的动态频率相对应。同理，还能够得到字符“山”，“东”，“大”，“学”，“岩”，“土”，“中”，“心”的二进制编码，分别为“11111111110011011101”，“11111111110100010111”，“11111111110000001011”，“11111111110000111001”，“11111111110100111111”，“11111111110101101100”，“11111111110000001010”和“11111111110010001100”。

从而能够得到字符“的”对应的对数非均匀高阶伪随机信号：静态频组包括主频1Hz，5Hz，10Hz，20Hz，40Hz，80Hz，160Hz，320Hz，640Hz，1280Hz，动态频率中含有256、1024Hz。

为了保证伪随机信号中只存在正负电平，避免零电平的出现，本实施例还对所述静态频组和动态频组所包含频率的总数进行核查，具体地，对所述字符的二进制编码进行累加，若加和为奇数，则不做处理；若加和为偶数，则在所述字符相应的伪随机信号的动态频组最后补充一个频率，例如，字符“的”的二进制编码为“1111111110011011101”，加和为16（意味着得到的相应伪随机信号有16个频率），则在字符“的”伪随机信号的动态频率256、1024Hz最后补充2048Hz。

步骤3：信号接收端获取伪随机信号，基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，解析得到某个字符对应的二进制编码；

具体地，根据给定对数非均匀高阶伪随机信号，识别待解析伪随机信号中对应的静态频组；对于动态频组，将非零频率所在位置的频率置为1，得到所述通讯信息中一个字符对应的二进制编码。

步骤4：基于预设编码规则确定相应字符。

由于信号经由大地传播后，频谱图中的能量差异有可能不十分明显，某一频率成分的幅值可能会变大或者变小导致不容易在频谱图中区分，例如我们发射字符“我要食物”对应的信号，接收信号并识别信号动态和静态频率后得到编码，译出字符后发现某个字符语意不通，译出“的要食物”，这是由于字符“我”的编码“11111111110000010000”，发射的信号经由大地传播后可能发生上述情况，导致接收到的信号中动态频组中的1代表的64Hz未被区分识别到，将接收到的信号的编码输出“11111111110000000000”，输出字符变为“的”。

为了使得各频率成分的幅值之间差异更为明显，避免误识别，当所述步骤4获取的字符存在语义不通时，还对上一步获取的所述伪随机信号进行时频分析，基于得到的时频图来对结果进行推测。通过对比频谱图和时频图，确定错误编码所在位置，修正后，重新基于预设编码规则确定相应字符。例如，对照接收信号的频谱图，确认是64Hz处可能存疑，就可以将相应的编码0替换为1，再基于预设编码规则确认字符。

本实施例将勘探常用频率应用于对地通信，相较于传统的无线通信频率更低，信号穿透性更好，对于井下对地通信具有很好的效果，既能准确还原信号，又保证了信号传输的效率。

实施例二

基于实施例一提供的对地通讯方法，本实施例公开了一种基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯系统。如图1所示，地上和地下均设有上位机1、信号处理装置2、信号发射装置3和信号接收装置4，并且，所述信号处理装置2分别与所述信号发射装置3、信号接收装置通信4连接，所述信号处理装置2还与上位机1连接。

所述信号发射装置为接地电极，所述信号接收装置为两个接收线圈。所述两个接收线圈的线圈所在平面相互垂直。如图1所示，在空间直角坐标系中，两个接收线圈分别位于xOy和yOz平面上。上位机可以为电脑、智能手机等具备数据收发、分析功能的装置，在此不做限定。

以下通讯过程以同侧（地上或地下）信号发射装置、信号接收装置和信号处理装置为例进行阐述。

所述上位机1，用于输入待发送的通讯信息，以及接收对侧发送的通讯信息。

所述信号处理装置2，预先存储预设编码规则，及给定对数非均匀高阶伪随机信号。被配置为：（1）自上位机获取待发送的通讯信息，得到所述通讯信息中每个字符对应的伪随机信号，并向信号发射装置发送控制信号，控制所述信号发射装置生成各字符对应的伪随机信号发送至对侧信号接收装置；（2）获取信号接收装置自对侧信号发射装置接收的伪随机信号，并基于预设编码规则，解析得到对侧发送的通讯信息，并发送至上位机。

所述信号发射装置3，用于接收所述信号处理装置的控制信号，生成对数非均匀高阶伪随机信号。借由接地电极，向煤层或岩层介质发射含有不同频率成分的对数非均匀高阶伪随机信号，使信号在煤层或岩层介质中传播，利用信号所含有的不同频率成分进行信息传递。

所述信号接收装置4，用于接收对侧信号发射装置发送的伪随机信号，并传输至所述信号处理装置进行解析。

具体地，所述信号处理装置2中，得到所述通讯信息中每个字符对应的伪随机信号的过程具体包括：

步骤1：获取待发送的通讯信息，对于所述通讯信息中的每个字符，均根据预设编码规则，转换为所述字符的二进制编码。

步骤2：基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，根据所述字符的二进制编码，生成相应伪随机信号。

发送所述通讯信息中的一个字符对应的伪随机信号后，再执行下一个字符的处理，从而将所述通讯信息中字符按顺序依次发送至对侧。

所述信号处理装置2中，解析得到对侧发送的通讯信息具体包括：

步骤1：获取待解析伪随机信号，基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，解析得到某个字符的二进制编码。

步骤2：根据预设编码规则，得到所述二进制编码对应的字符。

作为一种具体的实施方式，所述信号处理装置还连接语音播放装置，用于将解析得到的字符按顺序依次播放。

实施例三

基于实施例二构建的对地通讯系统，本实施例提供了一种井下人员定位方法。

为实现井下人员的定位，还在井上地面布设测线，沿测线设置测点。利用两个接收线圈，沿测线和测点探测接收信号幅值极大值位置并以此确定井下被困人员位置。所述两个接收线圈的线圈所在平面相互垂直。如图1所示，在空间直角坐标系中，两个接收线圈分别位于xOy和yOz平面上。

具体地，基于所述两个接收线圈，沿测线在每个测点上分别进行信号接收，将信号幅值最大值所在位置，用于近似估计井下人员所在位置。

以上一个或多个实施例提出了一种基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法及系统，构造含有不同频率的对数非均匀高阶伪随机信号，根据预定的编码规则对待发送信息和信号编码后，借由接地发射电极与接收线圈来发射和接收对数非均匀高阶伪随机信号，根据预设的编码规则对信号解码后得到所发送字符，在煤层和岩层介质中携带和传输信息，实现井上与井下的对地双向通信，同时借助两个相互垂直的接收线圈对井下向井上发射信号的探测来实现对井下人员的定位，不仅能避免安全事故发生时因设备损坏导致的通信中断，为可以救援人员和被困人员提供可靠的通信和定位。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法，其特征在于，信号发射端和信号接收端均预先存储预设编码规则和给定对数非均匀高阶伪随机信号，其中，所述预设编码规则包括字符与二进制编码的映射关系；所述方法包括：

信号发射端获取待发送的通讯信息，对于所述通讯信息中的每个字符，依次执行：基于预设编码规则得到相应二进制编码；基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，根据所述字符的二进制编码，得到所述字符相应的伪随机信号，发送至所述信号接收端；

信号接收端获取伪随机信号，基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，解析得到某个字符对应的二进制编码；基于预设编码规则确定相应字符；

所述预设编码规则为：所述二进制编码位数为2n，包括n位静态二进制编码和n位动态二进制编码，其中，所述动态二进制编码与2ⁿ个字符一一对应；

所述给定对数非均匀高阶伪随机信号包括静态频组和动态频组，所述静态频组和动态频组均为对数非均匀高阶伪随机信号；并且，所述静态频组中的频率与静态二进制编码对应，所述动态频组的频率与静态二进制编码对应，所述动态频组中的频率与所述静态频组的频率互相穿插。

2.如权利要求1所述的基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法，其特征在于，信号发射端基于预设编码规则得到相应二进制编码包括：

在所述预设编码规则中查找所述字符，若存在所述字符，获取相应二进制编码；若不存在所述字符，根据所述字符的读音，从所述预设编码规则中获取一个同音字符，获取所述同音字符相应的二进制编码。

3.如权利要求1所述的基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法，其特征在于，所述字符相应的伪随机信号确定方法为：

将给定对数非均匀高阶伪随机信号的动态频组中，与所述二进制编码中“0”所在位置的频率置为0。

4.如权利要求2所述的基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯方法，其特征在于，解析得到某个字符对应的二进制编码方法为：

根据给定对数非均匀高阶伪随机信号，确定待解析伪随机信号中对应的动态频组，将动态频组中非零频率所在位置的频率置为1，得到所述通讯信息中一个字符对应的二进制编码。

5.一种基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯系统，其特征在于，地上和地下均设有信号处理装置，以及与所述信号处理装置分别连接的信号发射装置和信号接收装置；

所述信号处理装置预先存储预设编码规则和给定对数非均匀高阶伪随机信号，其中，所述预设编码规则包括字符与二进制编码的映射关系；被配置为：

获取待发送的通讯信息，对于所述通讯信息中的每个字符，依次执行：基于预设编码规则得到相应二进制编码；基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，根据所述字符的二进制编码，得到所述字符相应的伪随机信号；控制同侧信号发射装置生成并发送所述伪随机信号至对侧信号接收端；

获取同侧信号接收装置自对侧信号发射装置接收的伪随机信号，基于给定对数非均匀高阶伪随机信号，解析得到某个字符对应的二进制编码；基于预设编码规则确定相应字符；

所述预设编码规则为：所述二进制编码位数为2n，包括n位静态二进制编码和n位动态二进制编码，其中，所述动态二进制编码与2ⁿ个字符一一对应；

所述给定对数非均匀高阶伪随机信号包括静态频组和动态频组，所述静态频组和动态频组均为对数非均匀高阶伪随机信号；并且，所述静态频组中的频率与静态二进制编码对应，所述动态频组的频率与静态二进制编码对应，所述动态频组中的频率与所述静态频组的频率互相穿插。

6.如权利要求5所述的基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯系统，其特征在于，所述系统中，地上和地下均还设有上位机，分别与同侧信号处理装置连接，用于接收待发送的通讯信息，并发送至所述信号处理装置，以及获取自所述信号处理装置接收的对侧通讯信息。

7.如权利要求5所述的基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯系统，其特征在于，所述信号接收装置为两个接收线圈，所述两个接收线圈的线圈所在平面相互垂直。

8.如权利要求7所述的基于对数非均匀高阶伪随机信号的对地通讯系统，其特征在于，地上还布设测线，沿所述测线布设多个测点；所述信号处理装置还被配置为：

获取所述两个接收线圈在各个测点上接收的信号，将幅值最大值所在位置作为近似估计井下人员所在位置。

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