CN115103003A - 一种点对多点的水声即时通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种点对多点的水声即时通信系统，包括收发换能器基阵主机和多个收发换能器基阵从机，收发换能器基阵主机包括多个具备收发功能的换能器阵元，各阵元分别用于沿着对应的空间指向收发信息，收发换能器基阵主机分别与各收发换能器基阵从机建立双向独占信道，收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机之间通过所建立的双向独占信道进行通信。本发明收发换能器基阵主机和从机之间建立多条彼此独立互不影响的双向独占信道，不需要进行轮询和握手等机制，省去了收发双方的通信等待时间，而且也不用基于固定分配式地平分信道资源，可以以最大程度上使用独享信道，有效提高通信的效率并提升系统的吞吐量。本发明广泛应用于通信技术领域。

Description

一种点对多点的水声即时通信系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种点对多点的水声即时通信系统。

背景技术

较之其它通信载体，声波在水中衰减相对较小，这一优点使其成为水下远程无线信息传输的主要手段。水声通信发源于军事应用，但随着海洋资源开发工程的进一步推进，水声通信技术得到了长远的发展。受限于当时的通信技术和有限的工程规模，早期的水声通信主要采用点对点的通信方式。但随着海洋开发等事业的发展，传统点对点水声通信体制难以满足需求。自主水下航行器(AUV)的集群化应用、大规模水下数据采集、大面积水下预警和环境监测等场景下的信息传输通常需要各个设备之间传递控制指令与数据信息，这就要求多节点之间有一个可靠的通信手段。

传统的点对多点通信的水下媒体接入控制(MAC)协议主要是基于竞争类和基于固定分配类两种。固定分配MAC协议是把共享信道分配给节点单独使用，基于竞争的MAC协议主要是通过节点间的竞争获得通信的使用权，当多个节点同时有信息传输任务时，每个节点只能使用部分信道资源或者要等到信道空闲时才能完全使用，降低了系统的通信效率。

发明内容

针对目前的水声通信技术的通信效率不高等技术问题，本发明的目的在于提供一种点对多点的水声即时通信系统，所述点对多点的水声即时通信系统包括：

收发换能器基阵主机；所述收发换能器基阵主机包括多个具备收发功能的换能器阵元，各所述阵元分别有各自的空间指向，各所述阵元分别用于沿着对应的空间指向收发信息；所述收发换能器基阵主机用于安装在相应的水下主机载体；

多个收发换能器基阵从机；各所述收发换能器基阵从机分别用于安装在相应的水下从机载体；

所述收发换能器基阵主机分别与各所述收发换能器基阵从机建立双向独占信道，所述收发换能器基阵主机与所述收发换能器基阵从机之间通过所建立的所述双向独占信道进行通信。

进一步地，所述收发换能器基阵主机分别与各所述收发换能器基阵从机建立双向独占信道，包括：

所述收发换能器基阵主机同时通过全部所述阵元发送目标探测信号；不同的所述阵元发送的所述目标探测信号在空间中互不重叠；

每个所述收发换能器基阵从机在接收到所述目标探测信号后，生成相应的目标确认信号，向所述目标探测信号发射方向的反方向返回所述目标确认信号；

所述收发换能器基阵主机在接收到所述目标确认信号后，在接收所述目标确认信号的所述阵元与发送所述目标确认信号的所述收发换能器基阵从机之间建立所述双向独占信道。

进一步地，所述在接收所述目标确认信号的所述阵元与发送所述目标确认信号的所述收发换能器基阵从机之间建立所述双向独占信道，包括：

所述收发换能器基阵主机通过接收所述目标确认信号的所述阵元，向发送所述目标确认信号的所述收发换能器基阵从机发送信道建立请求信号；

所述收发换能器基阵从机在接收到所述信道建立请求信号后，生成相应的信道建立确认信号，向所述信道建立请求信号发射方向的反方向返回所述信道建立确认信号；

所述收发换能器基阵主机通过所述阵元接收所述信道建立确认信号，记录接收所述信道建立确认信号的所述阵元与发送所述信道建立确认信号的所述收发换能器基阵从机之间的映射关系。

进一步地，所述收发换能器基阵主机分别与各所述收发换能器基阵从机建立双向独占信道，还包括：

所述收发换能器基阵主机在接收到所述目标确认信号后，根据所述目标确认信号，确定发送所述目标确认信号的所述收发换能器基阵从机的位置信息；

所述收发换能器基阵主机通过分析所述位置信息，获取各个收发换能器基阵从机到收发换能器基阵主机的角度信息；

所述收发换能器基阵主机根据各所述阵元的最大覆盖角度与各所述收发换能器基阵从机的位置信息，分别确定各所述阵元的最大覆盖角度内覆盖到的所述收发换能器基阵从机的数量；

当检测到任一个所述阵元的最大覆盖角度内，覆盖到超过一个所述收发换能器基阵从机时，所述收发换能器基阵主机调整自身布设角度，使得全部所述阵元的最大覆盖角度内覆盖到的所述收发换能器基阵从机的数量不超过一个。

进一步地，所述收发换能器基阵主机分别与各所述收发换能器基阵从机建立双向独占信道，还包括：

所述收发换能器基阵主机在接收到所述目标确认信号后，根据所述目标确认信号，确定发送所述目标确认信号的所述收发换能器基阵从机的位置信息；

所述收发换能器基阵主机通过分析所述位置信息，获取各个收发换能器基阵从机到收发换能器基阵主机的角度信息；

所述收发换能器基阵主机根据各所述阵元的最大覆盖角度与各所述收发换能器基阵从机的位置信息，分别确定覆盖到每个所述收发换能器基阵从机的所述阵元的数量；

当检测到任一个所述收发换能器基阵从机被超过一个所述阵元覆盖到时，所述收发换能器基阵主机调整覆盖该所述收发换能器基阵从机的所述阵元的工作状态，使得覆盖到每个所述收发换能器基阵从机的所述阵元的数量不超过一个。

进一步地，各所述阵元的最大覆盖角度均为

其中，n为所述阵元的总数量。

进一步地，所述收发换能器基阵主机与所述收发换能器基阵从机之间通过所建立的所述双向独占信道进行通信，包括：

所述收发换能器基阵从机对相应的所述双向独占信道进行监测；

所述收发换能器基阵主机获取控制指令信号，通过所述双向独占信道向相应的所述收发换能器基阵从机发送所述控制指令信号；在发送所述控制指令信号之后，所述收发换能器基阵主机上相应的阵元对发送所述控制指令信号所使用的所述双向独占信道进行监测；

所述收发换能器基阵从机接收所述控制指令信号，获取数据信息，通过所述双向独占信道向所述收发换能器基阵主机返回所述数据信息。

进一步地，所述收发换能器基阵主机与所述收发换能器基阵从机之间通过所建立的所述双向独占信道进行通信，还包括：

所述收发换能器基阵从机从所在的所述水下从机载体获取所述数据信息。

进一步地，所述收发换能器基阵主机与所述收发换能器基阵从机之间通过所建立的所述双向独占信道进行通信，还包括：

所述收发换能器基阵主机在接收到所述数据信息后，向所述水下主机载体发送所述数据信息。

进一步地，所述目标探测信号的数据帧包括检测前导码、同步前导码、角度请求信息、阵元索引和帧结束码；

所述目标确认信号的数据帧包括检测前导码、同步前导码、角度数据信息、从机索引和帧结束码；

所述信道建立请求信号的数据帧包括检测前导码、同步前导码、从机索引和帧结束码；

所述信道建立确认信号的数据帧包括检测前导码、同步前导码、阵元索引和帧结束码；

所述控制指令信号的数据帧包括检测前导码、同步前导码、指令信息和帧结束码；

所述数据信息的数据帧包括检测前导码、同步前导码、数据信息和帧结束码。

本发明的有益效果是：实施例中的点对多点的水声即时通信系统，该系统由一个可同时进行多向收发的收发换能器基阵主机和若干个收发换能器基阵从机组成，收发换能器基阵主机和从机通过发送目标探测应答信号和信道建立请求应答信号建立多条彼此独立互不影响的双向独占信道，当需要进行点对多点数据交换时，不需要进行轮询和握手等机制，发送方也可以经由独占信道立即将指令或数据信息发送出去，省去了收发双方的通信等待时间，而且也不用基于固定分配式地平分信道资源，可以以最大程度上使用独享信道，有效提高通信的效率并提升系统的吞吐量。

附图说明

图1为实施例中的收发换能器基阵主机的结构示意图；

图2为实施例中的点对多点的水声即时通信系统的工作原理示意图；

图3为实施例中的点对多点的水声即时通信系统的工作流程图；

图4为实施例中收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机之间进行通信的数据流示意图；

图5为实施例中目标探测信号、目标确认信号、信道建立请求信号、信道建立确认信号、控制指令信号和数据信息等信号的数据帧结构示意图。

具体实施方式

本实施例中，点对多点的水声即时通信系统包括收发换能器基阵主机和多个收发换能器基阵从机。其中，收发换能器基阵主机的结构如图1所示，收发换能器基阵主机共分为4层，各层相对上层偏转22.5度，每层包含4个阵元，因此本实施例中的收发换能器基阵主机由16个阵元组成。每个阵元水平面上正交排列。各阵元分别有各自的空间指向，每个阵元都可以沿着对应的空间指向接收和发送信号，使得安装于中心节点上的收发换能器基阵主机可以通过操作阵元实现360°指向性发送信息，并且可以实现信息在多个不同方位上的同时收发。

本实施例中，收发换能器基阵主机能够调整其中部分或者全部阵元的工作状态，例如通过内置电机等机构，控制其中的一个或者多个阵元运动，调整其中部分或者全部阵元的空间指向，从而改变收发换能器基阵主机的信号收发方向。

本实施例中，收发换能器基阵从机的结构可以与收发换能器基阵主机相同，即使用如图1所示的设备作为其中一个收发换能器基阵从机。对于一个收发换能器基阵从机来说，可以无需像收发换能器基阵主机那样实现360°指向性发送信息，因此一个收发换能器基阵从机可以只设置一个阵元，也就是一个收发换能器基阵从机可以只沿着一个固定的方向指向性发送信息。

在使用本实施例中的水声即时通信系统时，可以参照图2，对水声即时通信系统中的收发换能器基阵主机和各个收发换能器基阵从机进行布置。图2中，水声即时通信系统包括收发换能器基阵主机以及收发换能器基阵从机1、收发换能器基阵从机2、收发换能器基阵从机3和收发换能器基阵从机4等多个收发换能器基阵从机。参照图2，收发换能器基阵主机安装在水下主机载体上，收发换能器基阵从机1、收发换能器基阵从机2、收发换能器基阵从机3和收发换能器基阵从机4分别安装在水下从机载体1、水下从机载体2、水下从机载体3、和水下从机载体4等水下从机载体上。这些水下主机载体和水下从机载体分别在水体中的不同位置运行或者停留。具体地，水下主机载体和水下从机载体可以是无人水下自主航行器等移动节点，或者水下浮标等静态节点。

本实施例中，收发换能器基阵主机分别与各收发换能器基阵从机建立双向独占信道，收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机之间通过所建立的双向独占信道进行通信。例如，参照图2，收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机1之间建立双向独占信道1，收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机1之间通过双向独占信道1进行通信；收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机2之间建立双向独占信道2，收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机2之间通过双向独占信道2进行通信；收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机3之间建立双向独占信道3，收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机3之间通过双向独占信道3进行通信；收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机4之间建立双向独占信道4，收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机4之间通过双向独占信道4进行通信。

本实施例中，通过在收发换能器基阵主机与不同的收发换能器基阵从机之间分别建立各自的双向独占信道，收发换能器基阵主机与不同的收发换能器基阵从机之间的通信过程是相互独立、互不干扰的。例如，收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机1之间的通信过程，不会受收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机2之间的通信过程、收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机3之间的通信过程或者收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机4之间的通信过程干扰，而收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机1之间的通信过程，也不会干扰收发换能器基阵主机与其他收发换能器基阵从机之间的通信过程。

由于收发换能器基阵主机与不同收发换能器基阵从机之间的连接是独享而不是共享的，因此就无需使用基于竞争类和固定分配类的共享信道使用方法。这样，当收发换能器基阵主机要与收发换能器基阵从机进行通信时，可以通过与该收发换能器基阵从机之间的双向独占信道，直接发起与该收发换能器基阵从机之间的会话，依据双向独享信道，收发换能器基阵主机和从机间的通信无需轮询和信道预约，也无需多节点平分信道资源即可实现点对多点即时通信，可以有效提升通信效率，提高系统的吞吐量。

本实施例中的点对多点的水声即时通信系统可以充当基础单元，用于构建分布式水声通信网络系统，同时也可以被扩展为具备多层级结构的立体水声通信网络系统。

本实施例中，点对多点的水声即时通信系统的工作流程如图3所示。收发换能器基阵主机在分别与各收发换能器基阵从机建立双向独占信道时，具体可以执行以下步骤：

S1.收发换能器基阵主机同时通过全部阵元发送目标探测信号；不同的阵元发送的目标探测信号在空间中互不重叠；

S2.每个收发换能器基阵从机在接收到目标探测信号后，生成相应的目标确认信号，向目标探测信号发射方向的反方向返回目标确认信号；

S3.收发换能器基阵主机在接收到目标确认信号后，在接收目标确认信号的阵元与发送目标确认信号的收发换能器基阵从机之间建立双向独占信道。

在执行步骤S1-S3之前，收发换能器基阵主机和各个收发换能器基阵从机可以先进行初始化。

步骤S1中，收发换能器基阵主机同时通过全部阵元发送目标探测信号TDS，即每个阵元都按自己的空间指向发送目标探测信号TDS。不同的阵元发送的目标探测信号TDS在空间中互不重叠。每个阵元发送的目标探测信号TDS可能被一个或者多个收发换能器基阵从机接收到，也可能不被任何收发换能器基阵从机接收到。

步骤S2中，每个收发换能器基阵从机在接收到目标探测信号TDS后，生成相应的目标确认信号TAS。每个收发换能器基阵从机将生成的目标确认信号TAS向目标探测信号TDS发射方向的反方向发射回去，使得发射出目标探测信号TDS的那个阵元能够接收到收发换能器基阵从机返回的目标确认信号TAS。

步骤S3中，收发换能器基阵主机在接收到目标确认信号TAS后，在接收目标确认信号TAS的阵元与发送目标确认信号TAS的收发换能器基阵从机之间建立双向独占信道。

本实施例中，在执行步骤S3，即收发换能器基阵主机在接收目标确认信号TAS的阵元与发送目标确认信号TAS的收发换能器基阵从机之间建立双向独占信道时，具体执行以下步骤：

S301.收发换能器基阵主机通过接收目标确认信号TAS的阵元，向发送目标确认信号TAS的收发换能器基阵从机发送信道建立请求信号LRS；

S302.收发换能器基阵从机在接收到信道建立请求信号LRS后，生成相应的信道建立确认信号LAS，向信道建立请求信号LRS发射方向的反方向返回信道建立确认信号LAS；

S303.收发换能器基阵主机通过阵元接收信道建立确认信号LAS，记录接收信道建立确认信号LAS的阵元与发送信道建立确认信号LAS的收发换能器基阵从机之间的映射关系。

通过执行步骤S1-S2，可以通过收发换能器基阵主机发送的目标探测信号TDS与收发换能器基阵从机返回的目标确认信号TAS，确认是哪些收发换能器基阵从机能够接收到收发换能器基阵主机中的特定阵元发出的信号，从而初步建立收发换能器基阵从机与收发换能器基阵主机中的阵元之间的映射关系。通过执行步骤S301-S303作为步骤S3的具体步骤，可以在初步建立收发换能器基阵从机与收发换能器基阵主机中的阵元之间的映射关系的基础上，通过收发换能器基阵主机发送的信道建立请求信号LRS与收发换能器基阵从机返回的信道建立确认信号LAS，进一步确定收发换能器基阵从机与收发换能器基阵主机中的阵元之间的映射关系，并且在建立了映射关系的收发换能器基阵从机与收发换能器基阵主机中的阵元之间建立双向独占信道，使得每个收发换能器基阵从机都能与收发换能器基阵主机中的一个特定阵元通过双向独占信道进行通信。

本实施例中，收发换能器基阵主机还可以执行以下步骤：

S401.收发换能器基阵主机在接收到目标确认信号TAS后，根据目标确认信号TAS，确定发送目标确认信号TAS的收发换能器基阵从机的位置信息；

S402.收发换能器基阵主机通过分析位置信息，获取各个收发换能器基阵从机到收发换能器基阵主机的角度信息；

S403.收发换能器基阵主机根据各阵元的最大覆盖角度与各收发换能器基阵从机的位置信息，分别确定各阵元的最大覆盖角度内覆盖到的收发换能器基阵从机的数量；

S404.当检测到任一个阵元的最大覆盖角度内，覆盖到超过一个收发换能器基阵从机时，收发换能器基阵主机调整自身布设角度，使得全部阵元的最大覆盖角度内覆盖到的收发换能器基阵从机的数量不超过一个。

收发换能器基阵从机在生成目标确认信号TAS时，可以将自身的位置信息(包括在水体中的坐标，以及收发换能器基阵从机的信号收发角度)写入到目标确认信号TAS中，这样，步骤S401中，收发换能器基阵主机能够从目标确认信号TAS中，解析出发送目标确认信号TAS的那个收发换能器基阵从机的位置信息。

步骤S402中，收发换能器基阵主机获取各阵元的最大覆盖角度。在收发换能器基阵主机中设有n个阵元，且n个阵元的空间指向均匀分布的情况下，各个阵元的最大覆盖角度的大小均为

本实施例中的收发换能器基阵主机设有16个阵元，因此每个阵元的最大覆盖角度的大小均为22.5°。

步骤S403中，收发换能器基阵主机根据各阵元的最大覆盖角度与各收发换能器基阵从机的位置信息，分别确定各阵元的最大覆盖角度内覆盖到的收发换能器基阵从机的数量。对于其中一个阵元而言，其最大覆盖角度内可能覆盖到多个收发换能器基阵从机，也可能只覆盖到一个收发换能器基阵从机，还可能没有覆盖到任何收发换能器基阵从机。步骤S404中，对于其中任意一个阵元而言，如果这个阵元的最大覆盖角度内覆盖到超过一个收发换能器基阵从机，那么收发换能器基阵主机调整自身布设角度，使得全部阵元的最大覆盖角度内覆盖到的收发换能器基阵从机的数量不超过一个。

本实施例中，收发换能器基阵主机还可以执行以下步骤：

S501.收发换能器基阵主机在接收到目标确认信号TAS后，根据目标确认信号TAS，确定发送目标确认信号TAS的收发换能器基阵从机的位置信息；

S502.收发换能器基阵主机通过分析位置信息，获取各个收发换能器基阵从机到收发换能器基阵主机的角度信息；

S503.收发换能器基阵主机根据各阵元的最大覆盖角度与各收发换能器基阵从机的位置信息，分别确定覆盖到每个收发换能器基阵从机的阵元的数量；

S504.当检测到任一个收发换能器基阵从机被超过一个阵元覆盖到时，收发换能器基阵主机调整覆盖该收发换能器基阵从机的阵元的工作状态，使得覆盖到每个收发换能器基阵从机的阵元的数量不超过一个。

本实施例中，步骤S501的原理与步骤S401相同，步骤S502的原理与步骤S402相同。步骤S503中，收发换能器基阵主机能够决定覆盖到每个收发换能器基阵从机的阵元的数量，即每个收发换能器基阵从机分别能够被收发换能器基阵主机上的多少个阵元发射出的信号覆盖。步骤S504中，对于其中任意一个收发换能器基阵从机而言，如果这个收发换能器基阵从机被超过一个阵元发射出的信号覆盖，那么收发换能器基阵主机调整该阵元的空间指向，只保留其中一个阵元发射出的信号覆盖仍覆盖该收发换能器基阵从机，其他阵元发射出的信号覆盖不再覆盖该收发换能器基阵从机，使得全部阵元的最大覆盖角度内覆盖到的收发换能器基阵从机的数量不超过一个。

通过执行步骤S401-S404以及步骤S501-S504，可以使得收发换能器基阵主机调整信号发射源的位置和角度，使得每个阵元最多与一个收发换能器基阵从机建立双向独占信道，每个收发换能器基阵从机最多与一个阵元建立双向独占信道，避免不同的双向独占信道之间产生交叉或重叠，实现双向独占信道的独立性，降低不同的双向独占信道之间的相互干扰。

需要特别说明的是，如果收发换能器基阵从机是动态节点，收发换能器基阵主机可以根据与收发换能器基阵从机的通信距离和收发换能器基阵从机活动范围，动态维护收发换能器基阵主机中的阵元与收发换能器基阵从机之间的映射关系。

本实施例中，收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机之间通过所建立的双向独占信道进行通信时，具体可以执行以下步骤：

S601.收发换能器基阵从机对相应的双向独占信道进行监测；

S602.收发换能器基阵主机获取控制指令信号，通过双向独占信道向相应的收发换能器基阵从机发送控制指令信号；在发送控制指令信号之后，收发换能器基阵主机上相应的阵元对发送控制指令信号所使用的双向独占信道进行监测；

S603.收发换能器基阵从机接收控制指令信号，获取数据信息，通过双向独占信道向收发换能器基阵主机返回数据信息。

本实施例中，多节点即时通信阶段，收发换能器基阵主机与收发换能器基阵从机之间需要传递的信号包括控制指令信号CMD以及水下采集的数据信息DATA等等。这一字段的数据格式可以灵活设置，比如出于可靠性和保密性等方面的考虑，控制指令信号CMD可以使用基于扩频的数据格式；出于通信效率的考虑，从节点采集到的数据信息DATA可以使用基于OFDM的数据格式。

步骤S601中，位于中心的节点的收发换能器基阵主机一旦接收道来自上位机的具体需求，可以立即向目标节点上的收发换能器基阵从机同时或者依次发送控制指令信息。位于分节点上的收发换能器基阵从机时刻监测各自的双向独占信道，一旦检测到有信息传输过来就马上接收。

步骤S602中，收发换能器基阵主机获取或者生成控制指令信号CMD，通过双向独占信道向相应的收发换能器基阵从机发送控制指令信号CMD。在发送控制指令信号CMD之后，收发换能器基阵主机对发送控制指令信号CMD所使用的双向独占信道进行监测，等待收发换能器基阵从机响应控制指令信号CMD，通过相同的双向独占信道返回数据。

步骤S603中，收发换能器基阵从机接收控制指令信号CMD之后，可以马上切换到接收状态，随时准备接收来自收发换能器基阵从机的数据信息DATA，等待收发换能器基阵从机通过双向独占信道向收发换能器基阵主机返回数据信息DATA。

具体地，步骤S603中，收发换能器基阵从机可以将接收到的控制指令信号CMD发送给所在的从机载体，以控制从机载体执行控制指令信号CMD设定的任务。收发换能器基阵从机响应于控制指令信号CMD获取数据信息DATA，所获取到的数据信息DATA可能是控制指令信息的反馈，也可能是收发换能器基阵从机定时发送的从机载体采集到的数据。因为收发换能器基阵主机和从机构建的多条互不影响的独占信道，因此不存在信道竞争的情况，因此一旦有数据交换的需求，无需等待可以使用信道的全部资源立即将数据发送出去。

图4是一个点对多点的水声即时通信的具体实施例。收发换能器基阵主机根据中心节点上位机的具体需求，同时向4个收发换能器基阵从机发送控制指令信号CMD。4条指令信息基于各自的独享信道可以在同一个时间不同的信道进行传输，收发换能器基阵从机接收到来自中心节点的控制指令信号CMD后，基于具体的应用场景向中心节点回传反馈的数据信息DATA。收发换能器基阵主机同时接收到来自收发换能器基阵从机1和从机3的数据，传输给主机载体进行处理。随后依次收到来收发换能器基阵从机4和从机2的数据信息DATA。在接收来自收发换能器基阵从机2的数据的同时，收发换能器基阵主机接收到来自中心节点上位机向从机3的通信需求，立即操作其阵元向收发换能器基阵从机3传送新的控制指令信号CMD。随后再次与收发换能器基阵从机1建立通信，并在一段时间后依次接收到来自它们各自节点的数据信息DATA。

本实施例中，收发换能器基阵主机在接收到收发换能器基阵从机返回的数据信息DATA之后，可以将数据信息DATA发送至水下主机载体，由水下主机载体对数据信息DATA进行处理。

本实施例中，目标探测信号TDS、目标确认信号TAS、信道建立请求信号LRS、信道建立确认信号LAS、控制指令信号CMD和数据信息DATA分别由相应的数据帧组成，它们的数据帧结构如图5所示。

参照图5，目标探测信号TDS的数据帧包括检测前导码、同步前导码、角度请求信息、阵元索引和帧结束码；目标确认信号TAS的数据帧包括检测前导码、同步前导码、角度数据信息、从机索引和帧结束码；信道建立请求信号LRS的数据帧包括检测前导码、同步前导码、从机索引和帧结束码；信道建立确认信号LAS的数据帧包括检测前导码、同步前导码、阵元索引和帧结束码；控制指令信号CMD的数据帧包括检测前导码、同步前导码、指令信息和帧结束码；数据信息DATA的数据帧包括检测前导码、同步前导码、数据信息和帧结束码。

本实施例中，6种帧结构中通用的码字结构有3个，分别是检测前导码，同步前导码，帧结束码；

检测前导码主要用于信号的到达监测，一旦监测到这一模块，即认为检测到了有用信号，接收机开始记录要处理的有用信号。根据前导码的结构，有两个常用的检测方法。第一种是完成接收信号和接收端已知的发射前导码信号的相关运算。通常采用对多普勒不敏感的波形，以抵抗信道的变化。第二种方法是在发射的前导码中嵌入某种结构，接收机通过监测输入信号的结构完成信号检测。这里选择第一种方法，可以选择常用的线性调频信号(LFM)、双曲调频信号(HFM)或者其它可以抵抗多普勒频移的信号，用作检测前导码。

同步前导码主要用于同步和多普勒扩展因子估计，依据记录的波形，基于同步前导估计有用信号的到达时间和由于平台移动引起的多普勒扩展因子α。同步和参数估计是并进的，用于检测的信号格式需要很好地应用于信号到达时间和多普勒扩展估计。为了有效处理快速的信道变化，经常采用基于OFDM的导频子载波、空子载波和数据子载波的复合构成。这个格式允许同步和多普勒扩展因子在很小的时隙间隔内得到准确估计。

帧结束码用于标志本轮发送数据结束，通常选择类似于检测前导码具备抵抗信道变化的信号。

目标探测信号与目标应答信号中的位置角度信息的传递是方便收发换能器基阵主机根据从机位置计算角度，用于确认单个阵元的最大覆盖范围内是否存在多个从机，并由此决定是否调整主机的布设角度，阵元索引与从机索引则是方便主机为阵元与从机建立映射关系。主机调整角度与建立映射关系是为了避免主机从机在空间分布上造成重叠。

信道建立请求信号与确认信号中的从机索引和阵元索引的交换是为了方便主机确认映射关系无误记录并保存，此时如果主机能收到从机的信道建立确认信号也就表明与从机的双向独占信道建立成功。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开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。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种点对多点的水声即时通信系统，其特征在于，所述点对多点的水声即时通信系统包括：

收发换能器基阵主机；所述收发换能器基阵主机包括多个具备收发功能的换能器阵元，各所述阵元分别有各自的空间指向，各所述阵元分别用于沿着对应的空间指向收发信息；所述收发换能器基阵主机用于安装在相应的水下主机载体；

多个收发换能器基阵从机；各所述收发换能器基阵从机分别用于安装在相应的水下从机载体；

所述收发换能器基阵主机分别与各所述收发换能器基阵从机建立双向独占信道，所述收发换能器基阵主机与所述收发换能器基阵从机之间通过所建立的所述双向独占信道进行通信。

2.根据权利要求1所述的点对多点的水声即时通信系统，其特征在于，所述收发换能器基阵主机分别与各所述收发换能器基阵从机建立双向独占信道，包括：

所述收发换能器基阵主机同时通过全部所述阵元发送目标探测信号；不同的所述阵元发送的所述目标探测信号在空间中互不重叠；

每个所述收发换能器基阵从机在接收到所述目标探测信号后，生成相应的目标确认信号，向所述目标探测信号发射方向的反方向返回所述目标确认信号；

所述收发换能器基阵主机在接收到所述目标确认信号后，在接收所述目标确认信号的所述阵元与发送所述目标确认信号的所述收发换能器基阵从机之间建立所述双向独占信道。

3.根据权利要求2所述的点对多点的水声即时通信系统，其特征在于，所述在接收所述目标确认信号的所述阵元与发送所述目标确认信号的所述收发换能器基阵从机之间建立所述双向独占信道，包括：

所述收发换能器基阵主机通过接收所述目标确认信号的所述阵元，向发送所述目标确认信号的所述收发换能器基阵从机发送信道建立请求信号；

所述收发换能器基阵从机在接收到所述信道建立请求信号后，生成相应的信道建立确认信号，向所述信道建立请求信号发射方向的反方向返回所述信道建立确认信号；

所述收发换能器基阵主机通过所述阵元接收所述信道建立确认信号，记录接收所述信道建立确认信号的所述阵元与发送所述信道建立确认信号的所述收发换能器基阵从机之间的映射关系。

4.根据权利要求2所述的点对多点的水声即时通信系统，其特征在于，所述收发换能器基阵主机分别与各所述收发换能器基阵从机建立双向独占信道，还包括：

所述收发换能器基阵主机在接收到所述目标确认信号后，根据所述目标确认信号，确定发送所述目标确认信号的所述收发换能器基阵从机的位置信息；

所述收发换能器基阵主机通过分析所述位置信息，获取各个收发换能器基阵从机到收发换能器基阵主机的角度信息；

所述收发换能器基阵主机根据各所述阵元的最大覆盖角度与各所述收发换能器基阵从机的位置信息，分别确定各所述阵元的最大覆盖角度内覆盖到的所述收发换能器基阵从机的数量；

当检测到任一个所述阵元的最大覆盖角度内，覆盖到超过一个所述收发换能器基阵从机时，所述收发换能器基阵主机调整自身布设角度，使得全部所述阵元的最大覆盖角度内覆盖到的所述收发换能器基阵从机的数量不超过一个。

5.根据权利要求2所述的点对多点的水声即时通信系统，其特征在于，所述收发换能器基阵主机分别与各所述收发换能器基阵从机建立双向独占信道，还包括：

所述收发换能器基阵主机在接收到所述目标确认信号后，根据所述目标确认信号，确定发送所述目标确认信号的所述收发换能器基阵从机的位置信息；

所述收发换能器基阵主机通过分析所述位置信息，获取各个收发换能器基阵从机到收发换能器基阵主机的角度信息；

所述收发换能器基阵主机根据各所述阵元的最大覆盖角度与各所述收发换能器基阵从机的位置信息，分别确定覆盖到每个所述收发换能器基阵从机的所述阵元的数量；

当检测到任一个所述收发换能器基阵从机被超过一个所述阵元覆盖到时，所述收发换能器基阵主机调整覆盖该所述收发换能器基阵从机的所述阵元的工作状态，使得覆盖到每个所述收发换能器基阵从机的所述阵元的数量不超过一个。

6.根据权利要求4或5所述的点对多点的水声即时通信系统，其特征在于，各所述阵元的最大覆盖角度均为

其中，n为所述阵元的总数量。

7.根据权利要求3所述的点对多点的水声即时通信系统，其特征在于，所述收发换能器基阵主机与所述收发换能器基阵从机之间通过所建立的所述双向独占信道进行通信，包括：

所述收发换能器基阵从机对相应的所述双向独占信道进行监测；

所述收发换能器基阵主机获取控制指令信号，通过所述双向独占信道向相应的所述收发换能器基阵从机发送所述控制指令信号；在发送所述控制指令信号之后，所述收发换能器基阵主机上相应的阵元对发送所述控制指令信号所使用的所述双向独占信道进行监测；

所述收发换能器基阵从机接收所述控制指令信号，获取数据信息，通过所述双向独占信道向所述收发换能器基阵主机返回所述数据信息。

8.根据权利要求7所述的点对多点的水声即时通信系统，其特征在于，所述收发换能器基阵主机与所述收发换能器基阵从机之间通过所建立的所述双向独占信道进行通信，还包括：

所述收发换能器基阵从机从所在的所述水下从机载体获取所述数据信息。

9.根据权利要求7所述的点对多点的水声即时通信系统，其特征在于，所述收发换能器基阵主机与所述收发换能器基阵从机之间通过所建立的所述双向独占信道进行通信，还包括：

所述收发换能器基阵主机在接收到所述数据信息后，向所述水下主机载体发送所述数据信息。

10.根据权利要求9所述的点对多点的水声即时通信系统，其特征在于：

所述目标探测信号的数据帧包括检测前导码、同步前导码、角度请求信息、阵元索引和帧结束码；

所述目标确认信号的数据帧包括检测前导码、同步前导码、角度数据信息、从机索引和帧结束码；

所述信道建立请求信号的数据帧包括检测前导码、同步前导码、从机索引和帧结束码；

所述信道建立确认信号的数据帧包括检测前导码、同步前导码、阵元索引和帧结束码；

所述控制指令信号的数据帧包括检测前导码、同步前导码、指令信息和帧结束码；

所述数据信息的数据帧包括检测前导码、同步前导码、数据信息和帧结束码。

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