CN115208484B - 一种跨冰介质声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跨冰介质声通信方法，步骤1：确定声信号接收端与发射端的距离及接收端预期接收的不同脉冲信号主频；步骤2：计算接收端位置处弯曲波群速度频散传递函数；步骤3：分别计算获得不同脉冲信号的输出频域响应，然后将不同脉冲信号的输出频域响应分别转换到时域，并在时域反转波形，得到时域频散信号，即用于频域编码的码元；步骤4：将步骤3得到码元信号以相同时间间隔串联得到频域编码信号；步骤5：发射端在水下发射步骤4得到的频域编码信号，冰上接收端接收到脉冲信号串，解码完成跨冰介质声通信。本发明在提高复杂信息通信速率及通信距离的同时，使通信隐蔽性显著增加，实现声信号在冰层特定距离处的高效、远程、隐蔽传输。

Description

一种跨冰介质声通信方法

技术领域

本发明属于极地声学技术领域，涉及一种跨冰介质声通信方法，特别是一种基于频域编码的跨冰介质声通信方法。

背景技术

北极地处偏远却至关重要，经济、政治、军事及科研价值重大，亟需极地跨域感知与通信网络技术给予支持。与开阔海域不同，北极海域常年被冰雪覆盖，海-冰-空跨域传输介质物理差异巨大导致水下信息难以出水，因此，突破极区冰雪层阻隔，形成高效、远程、隐蔽的跨冰介质通信技术具有重要意义。

现有极区跨冰通信技术存在弊端：卫星覆盖范围难达极区给电磁通信技术在极地海冰区的实施带来极大挑战，冰基浮标通信则需要凿穿冰面布放电缆，使成本负担、施工风险及应用环境局限性均大大增加。而基于声学手段的跨冰介质通信技术为突破极地海冰带来的物理阻隔，实现信息跨域传输提供了新思路。目前跨冰介质声通信技术多基于时域完成信息编码，一方面，在通过不同时延差携带复杂信息时往往需要编码较长时间周期的信号，导致通信速率降低，并影响发射及接收效率，通信隐蔽性不足；另一方面，低频高能量弯曲波虽适于作为稳定、远程跨冰声通信的信息载体，但存在显著频散现象，严重影响通信效果。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于频域编码的跨冰介质声通信方法，以冰层中的高能量弯曲波为载体进行信息频域编码，实现不同主频接收信号的脉冲化，从而完成声信号在特定距离处的高效、远程、隐蔽传输。

为解决上述技术问题，本发明的一种跨冰介质声通信方法，包括以下步骤：

步骤1：确定声信号接收端与发射端的距离及接收端预期接收的不同脉冲信号的主频；

步骤2：计算接收端位置处弯曲波群速度频散传递函数；

步骤3：分别计算获得不同脉冲信号的输出频域响应，然后将不同脉冲信号的输出频域响应分别转换到时域，并在时域反转波形，得到时域频散信号，即用于频域编码的码元；

步骤4：将步骤3得到码元信号以相同时间间隔串联得到频域编码信号；

步骤5：发射端在水下发射步骤4得到的频域编码信号，冰上接收端接收到脉冲信号串，解码完成跨冰介质声通信。

进一步的，计算接收端位置处弯曲波群速度频散传递函数包括：

根据海冰声参数获得弯曲波群速度频散曲线，所述声参数包括海冰厚度、海冰密度和海冰中声速，然后拟合得到关于声信号频率ω的群速度函数c_g(ω)，冰层内行波波数k(ω)为：

k(ω)＝ω/c_g(ω)

则接收端位置处弯曲波群速度频散传递函数为：

其中，x为接收端与发射端的距离，t为时间。

进一步的，分别计算获得不同脉冲信号的输出频域响应包括：

假设主频为ω_n的预期接收脉冲信号时域波形为f(t)，频域波形为其傅里叶变换F(ω_n)，n＝1,2,3…,N，N代表脉冲信号数量，则主频为ω_n的脉冲信号对应的输出频域响应为：

其中，x为接收端与发射端的距离，t为时间，0≤ω≤2ω_n。

进一步的，将不同脉冲信号的输出频域响应分别转换到时域，并在时域反转波形，得到时域频散信号包括：

将主频为ω_n的预期接收脉冲信号的输出频域响应G(ω)转换到时域，即进行反傅里叶变换，n＝1,2,3…,N，N代表脉冲信号数量，得到：

其中，ω₁～ω₂为设定的频域响应覆盖频率范围，满足0≤ω₁≤ω₂≤2ω_n，在时域将波形反转，获得用于频域编码的码元波形g_n′(t)。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提出一种基于频域编码的跨冰介质声通信方法，改变现有跨冰声通信的时域信息编码方式，通过设置不同的弯曲波频散信号频段进行频域信息编码，实现不同主频接收信号的脉冲化，完成跨冰介质声通信。

(1)提高复杂信息的通信速率：

现存跨冰介质声通信方法直接应用传统水声通信时域编码体制，在通过不同时延差携带复杂信息时往往需要编码较长时间周期的信号，导致通信速率降低，并影响发射及接收效率。基于频域完成编码可以摆脱时延差编码信号的长持时限制，将通信信息携带于频域，以相同较短时间间隔串联码元即可构成发射信号，缩短复杂发射信号的时间宽度，从而提高通信速率，改善发射及接收效率。

(2)提高通信距离：

通信系统的最大通信距离由其接收端对指定载波信号的可检测性所决定，在相同噪声水平与设备检测能力条件下受制于信号幅值。海冰波导内部声传播具有多模态特征，在众多导波模态中，弯曲波模态能量远大于其他模态能量，因此选择弯曲波模态作为信息载体，并逆转其频散现象，实现弯曲波在接收端的脉冲化，可在不增加发射端负载功率的前提下提高接收端信号可检测能力，提高通信距离。

(3)增加通信隐蔽性：

通信系统隐蔽性主要体现在通信行为被非目标用户发现的可能性。直接使用脉冲信号作为跨冰通信码元时，在空间扩散和频散时域展宽的双重影响下信号幅值随传播距离增加而下降，导致信噪比显著降低，且传播过程中容易被非目标用户截获。而基于频域编码进行跨冰介质声通信可以逆转频散导致的时域展宽现象，发射弯曲波频散信号，在固定距离处实现声能量脉冲化，保证被目标用户唯一接收，从而增加通信隐蔽性，同时提高接收信号信噪比。

附图说明

图1是本发明实施例中跨冰介质声通信实施场景示意图；

图2是本发明实施例中基于频域编码的跨冰介质声通信方法流程图；

图3是本发明实施例中基于频域编码的跨冰介质声通信方法原理图；

图4是本发明实施例中基于弯曲波模态的频域编码示意图；

图5是本发明实施例中薄板状冰层弯曲波群速度频散曲线；

图6是本发明实施例中自由薄板状海冰模型编码信号波形图；

图7是本发明实施例中自由薄板状海冰模型接收波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明的目的是规避传统时域编码在极区复杂信息传输时速率较低的弊端，提高跨冰介质声通信领域的收发效率，并在确保稳定、远程通信的前提下进一步增加冰声通信的隐蔽性，现提供一种基于频域编码的跨冰介质声通信方法。不同于现存跨冰介质声通信方法直接应用传统水声通信时域编码体制，该方法以冰层中的高能量弯曲波为载体进行频域编码，在特定距离处接收到携带信息的不同主频脉冲信号，为高效、远程、隐蔽的跨冰介质复杂信息声通信技术构建提供思路。本发明的目的是这样实现的：基本原理为以冰层中的高能量弯曲波为载体，通过设置不同的弯曲波频散信号频段进行信息编码，即可在特定距离处接收到携带信息的不同主频脉冲信号，提高通信速率及通信距离，达到隐蔽通信效果。

实施例一：

本发明一种跨冰介质声通信方法包括以下步骤：

步骤1：确定声信号接收端与发射端的距离及接收端预期接收的不同脉冲信号的主频；

步骤2：计算接收端位置处弯曲波群速度频散传递函数；

步骤3：分别计算获得不同脉冲信号的输出频域响应，然后将不同脉冲信号的输出频域响应分别转换到时域，并在时域反转波形，得到时域频散信号，即用于频域编码的码元；

步骤4：将步骤3得到码元信号以相同时间间隔串联得到频域编码信号；

步骤5：发射端在水下发射步骤4得到的频域编码信号，冰上接收端接收到脉冲信号串，解码完成跨冰介质声通信。

实施例二：

在上述实施例基础上，计算接收端位置处弯曲波群速度频散传递函数包括：

根据海冰声参数获得弯曲波群速度频散曲线，所述声参数包括海冰厚度、海冰密度和海冰中声速，然后拟合得到关于声信号频率ω的群速度函数c_g(ω)，冰层内行波波数k(ω)为：

k(ω)＝ω/c_g(ω)

则接收端位置处弯曲波群速度频散传递函数为：

其中，x为接收端与发射端的距离，t为时间。

实施例三：

在上述实施例基础上，分别计算获得不同脉冲信号的输出频域响应包括：

假设主频为ω_n的预期接收脉冲信号时域波形为f(t)，频域波形为其傅里叶变换F(ω_n)，n＝1,2,3…,N，N代表脉冲信号数量，则主频为ω_n的脉冲信号对应的输出频域响应为：

其中，x为接收端与发射端的距离，t为时间，0≤ω≤2ω_n。

实施例四：

在上述实施例基础上，将不同脉冲信号的输出频域响应分别转换到时域，并在时域反转波形，得到时域频散信号包括：

将主频为ω_n的预期接收脉冲信号的输出频域响应G(ω)转换到时域，即进行反傅里叶变换，n＝1,2,3…,N，N代表脉冲信号数量，得到：

其中，ω₁～ω₂为设定的频域响应覆盖频率范围，满足0≤ω₁≤ω₂≤2ω_n，在时域将波形反转，获得用于频域编码的码元波形g_n′(t)。

实施例五：

本发明的一种基于频域编码的跨冰介质声通信方法，利用极地冰层作为主要传播介质构建稳定跨冰声通信信道，通信场景示意如图1，改变现有跨冰声通信的时域信息编码方式，通过设置不同的弯曲波频散信号主频进行信息编码，即可在特定距离处接收到携带信息的不同主频脉冲信号，完成跨冰介质声通信。该跨冰介质声通信频域编码方法流程如图2，设计原理如图3，包括以下步骤：

步骤1：确定接收端与发射端的距离及预期接收不同脉冲信号的主频。

假设接收端位于坐标原点与发射端的距离为x，可根据实际作业场地、基站位置等自由确定，但须保证弯曲波的可检测性。另外，发射脉冲信号主频不同，所激发弯曲波的传播速度及频散程度均存在差异，故需确定预期接收不同脉冲信号的主频ω_n(n＝1,2,3…)，以进行频域编码。

步骤2：基于海冰声参数(厚度、密度、声速)及收发距离计算指定距离处弯曲波群速度频散传递函数。

指定距离处弯曲波群速度频散传递函数由海冰声参数(厚度、密度、声速)及收发距离决定，由于北极地区平均海深约1200米，近年来观测到的大面积海冰厚度多低于2米，两者相差近三个数量级，且海域面积达公里级，故可将海水深度、海域面积均近似为无限。需指出的是，随着季节及气温的变化，海冰厚度与冰中声速均会出现较大幅度的变化，因此需要在实际应用过程中针对环境信息对上述参数进行修正。

将上述海冰声参数频散方程代入如下海冰波导声传播频散方程：

其中，

式中，ρ₁、c_l、c_t分别为海冰的密度、纵波波速、横波波速，h为海冰厚度，ρ₂、c分别为海水的密度、纵波波速，c_p为相速度，k为行波波数，p、q、r均为与波速和波数相关的系数，具体为：

求解频散方程，并根据c_g(ω)＝dω/dk即可获得群速度频散曲线，拟合可得关于频率ω的群速度函数c_g(ω)，则冰层内行波波数k(ω)也可由群速度函数表示

k(ω)＝ω/c_g(ω)

进而获得目标通信信道的频散传递特征描述，即指定接收距离x处群速度频散传递函数

从而建立通信系统输出与输入间的联系，其中，x为指定接收距离，t为时间，ω为角频率。已知群速度频散传递函数，即可由输入求输出，或根据期望的输出确定输入。不同脉冲信号的主频ω_n(n＝1,2,3…)对应的群速度频散传递函数为H(ω)，其中0≤ω≤2ω_n。

步骤3：针对某一主频的脉冲信号，基于步骤1和2中所得弯曲波群速度频散传递函数及预期接收脉冲信号频域波形，相乘获得对应的频域响应。

假设预期接收脉冲信号时域波形为f(t)，频域波形为其傅里叶变换F(ω_n)，与系统群速度频散传递函数H(ω)相乘即可求得目标冰层波导通信系统的理论频域响应G(ω)，即

步骤4：将频域响应转换到时域，并在时域反转波形，得到时域频散信号，即用于频域编码的码元。

将上述理论输出频域响应G(ω)转换到时域，即进行反傅里叶变换，可得

其中，ω₁～ω₂为该频域响应所覆盖频率范围，该范围应满足0≤ω₁≤ω₂≤2ω_n。在时域将波形反转，即可获得一个用于频域编码的码元波形g₁′(t)。

步骤5：对于其他主频的脉冲信号，重复步骤3、4。

基于频域进行通信编码需要多个不同频段的码元信号，根据用户设计好的不同主频脉冲信号，重复步骤3、4，即可获得多个用于频域编码的码元波形g₂′(t),g₃′(t),g₄′(t)…，码元个数由用户需求决定。

步骤6：将不同频段的码元信号以相同时间间隔串联以完成频域编码。

根据用户设计好的预期接收不同主频脉冲信号，获得多个用于频域编码的码元波形g₁′(t),g₂′(t),g₃′(t),g₄′(t)…，码元个数由用户需求决定，将上述多个用于频域编码的码元波形g₁′(t),g₂′(t),g₃′(t),g₄′(t)…按照用户编码要求排列组合，再以相同时间间隔串联起来，即可完成频域编码，基于弯曲波模态的频域编码原理如图4。

步骤7：在水下发射频域编码信号，冰上特定距离处接收到脉冲信号串，解码即可实现跨冰介质声通信。

将上述频域编码信号在水下发射，在与发射端距离为x处接收到脉冲信号串，对信号传中的不同主频信号进行识别，并基于频域完成解码，即可获得通信信息，实现跨冰介质声通信。

该编码方式可以摆脱不同码元的时间间隔限制，将通信信息携带于频域，以相同较短时间间隔串联码元即可构成发射信号，缩短复杂发射信号的时间宽度，从而提高复杂信息的通信速率，改善发射及接收效率。以冰层中的高能量弯曲波为载体，并逆转其频散现象，实现弯曲波在接收端的脉冲化，可在不增加发射端负载功率的前提下提高接收端信号可检测能力，提高通信距离。另外，该方法可以保证发射信号被目标用户唯一接收，提高接收信号信噪比的同时增加通信隐蔽性，能够实现高效、远程、隐蔽的跨冰介质复杂信息声通信。

利用实施例五的技术方案，结合具体参数进一步验证本申请技术效果。

为进一步验证该种基于频域编码的跨冰介质声通信方法的可行性，利用数值模拟方法构建自由薄板状海冰模型，基于该频域编码方法对发射信号进行编码，在指定距离接收端观测实现效果。

假设海冰厚度1m，密度为917kg/m³，纵波速度为3593.4m/s，横波速度为1809.8m/s，构建无限长自由海冰声学模型。为保证海冰声波导频散特征充分体现，接收点设置在距离发射点130m处，收发均位于冰上表面。由于只简单证明频域编码方法的有效性，这里只基于两段频散信号进行编码，假设预期接收两段脉冲信号主频分别为150Hz和300Hz。复杂信息编码可通过增加不同频段的频散信号，进行排列组合后串联完成。

基于上述海冰模型求解得弯曲波群速度频散曲线如图5，进一步根据技术方案涉及的步骤2至步骤6完成频域编码，编码后信号波形如图6所示，两频散信号之间时间间隔为0.1s。将其输入海冰声传播模型，在距离发射端130m处接收得到图7波形，通过识别两脉冲信号主频即可解码获得声通信信息，完成跨冰介质声通信。

可见，该编码方式以冰层中的高能量弯曲波为载体，并实现弯曲波在接收端的脉冲化，可在不增加发射端负载功率的前提下提高接收端信号可检测能力，提高通信距离。同时，其可以摆脱时延差编码信号的长持时限制，将通信信息携带于频域，以相同较短时间间隔串联码元即可构成发射信号，缩短复杂发射信号的时间宽度，从而提高复杂信息的通信速率，改善发射及接收效率。另外，该方法可以保证发射信号被目标用户在固定距离唯一接收，提高接收信号信噪比的同时增加通信隐蔽性。

因此，该频域编码方法对收发均在自由薄板状海冰介质表面的声通信质量的提高效果得以验证，应用于发射和接收分别位于冰下和冰上的跨冰介质声通信同样有效，具备实现高效、远程、隐蔽的跨冰介质复杂信息声通信的潜力。

以上的具体实施方式，对本发明的目的及技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种跨冰介质声通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定声信号接收端与发射端的距离及接收端预期接收的不同脉冲信号的主频；

步骤2：计算接收端位置处弯曲波群速度频散传递函数，包括：

根据海冰声参数获得弯曲波群速度频散曲线，所述声参数包括海冰厚度、海冰密度和海冰中声速，然后拟合得到关于声信号频率ω的群速度函数c_g(ω)，冰层内行波波数k(ω)为：

k(ω)＝ω/c_g(ω)

则接收端位置处弯曲波群速度频散传递函数为：

其中，x为接收端与发射端的距离，t为时间；

步骤3：分别计算获得不同脉冲信号的输出频域响应，然后将不同脉冲信号的输出频域响应分别转换到时域，并在时域反转波形，得到时域频散信号，即用于频域编码的码元；

步骤4：将步骤3得到码元以相同时间间隔串联得到频域编码信号；

步骤5：发射端在水下发射步骤4得到的频域编码信号，冰上接收端接收到脉冲信号串，解码完成跨冰介质声通信。

2.根据权利要求1所述的一种跨冰介质声通信方法，其特征在于：所述分别计算获得不同脉冲信号的输出频域响应包括：

假设主频为ω_n的预期接收脉冲信号时域波形为f(t)，频域波形为其傅里叶变换F(ω_n)，n＝1,2,3…,N，N代表脉冲信号数量，则主频为ω_n的脉冲信号对应的输出频域响应为：

其中，x为接收端与发射端的距离，t为时间，0≤ω≤2ω_n。

3.根据权利要求2所述的一种跨冰介质声通信方法，其特征在于：所述将不同脉冲信号的输出频域响应分别转换到时域，并在时域反转波形，得到时域频散信号包括：

将主频为ω_n的预期接收脉冲信号的输出频域响应G(ω)转换到时域，即进行反傅里叶变换，n＝1,2,3…,N，N代表脉冲信号数量，得到：

其中，ω₁～ω₂为设定的频域响应覆盖频率范围，满足0≤ω₁≤ω₂≤2ω_n，在时域将波形反转，获得用于频域编码的码元波形g_n′(t)。

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