CN115396043A - 一种无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统。本发明采用声波和毫米波为载体实现跨水空介质通信；系统包含发射端和接收端：发射端采用多个大功率水下声源组合成水下发射聚焦相控阵，增强水面检测点的振幅；并通过调节各个水下声源发射信号的相位，来改变水下发射聚焦相控阵的波束合成方向，从而实现最佳检测点的位置变换；接收端的毫米波雷达检测水表面振动信息，形成水下—水空交界处—水上的跨介质灵活通信链路。本发明无需水面浮标或船只，可直接进行跨介质通信，克服了水面浮标易被发现且易漂走的缺点，提高了通信的安全性与隐蔽性；且不受光照、海水浑浊度影响、无需器件高度对准，可实现水面探测点灵活可变，降低了能源消耗。

Description

一种无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种无需器件高度对准的灵活的跨水空介质通信系统。

技术背景

海洋资源的获取离不开海洋开发。海洋开发，需要获取大范围、精确的海洋环境数据，需要进行海底勘探、取样、水下施工等。要完成上述任务，需要一系列的海洋开发支撑技术，包括深海探测、深潜、海洋遥感、海洋导航等。水下传感器网络将用于海洋数据收集、污染监测、海上勘探、防灾、辅助导航和战术监视等应用。配备水下传感器的多个无人水下航行器也将在协作监测任务中应用于海底自然资源勘探和科学数据收集。海洋生态研究，近海石油勘探，海底网络都需要把收集到的数据从海洋传输到岸上。数据传输需要在水面部署中继节点或船只，接收水下信号并通过电磁波的形式传输至岸，但此方法需水下潜器来回潜入和浮出传输数据，耗费资源与时间。因此，跨水空介质通信因其收发灵活和广域覆盖的特点而备受关注，是实现水下潜器组网与空中无人机组网直接通信的技术关键。

目前存在的声电结合的跨介质通信方式，利用水下声源，发送声波信息，声波到达水空交界处产生微小振动，最后在空中用毫米波雷达检测水表面振动，可实现跨介质通信，但此方式需要水下设备和水上设备高度对准。当水下设备和水上设备偏离对准线时，接收信号的信噪比快速下降，导致通信失败。而且，当水下设备需要向空中设备传输信息时，需要移动到指定发送地点，与空中设备对准传输数据，再移动至作业点，在这个过程中存在水下设备在作业点和传输点来回移动的能量损耗。

在实际应用中，水下设备和水上设备高度对准是一件十分困难的事情，水上设备会受到气流的影响，水下设备会受到洋流的影响，两者无法停留在指定位置。而且在水下设备执行任务的过程中，需要在作业点和传输数据指定点间来回移动，这个过程存在能源的消耗。因此研究一种无需器件高度对准的灵活的跨水空介质通信方式，是未来发展的趋势。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供一种无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统，该系统包含发射端和接收端，所述发射端位于水下，采用多个水下声源组成水下发射聚焦相控阵的形式，用于增强水面探测点的振幅和灵活改变水面探测点的位置；所述接收端位于水面上空，用于采集水面振动信息，得到水下声源发出的信息。

进一步地，所述的水下发射聚焦相控阵，具体指发射端采用多个大功率(80Vrms，10A)水下声源组合成相控发射阵，通过波束成型理论增强水面探测点的振幅，并通过调节各个水下声源发射信号的相位，来改变水下发射聚焦相控阵的波束合成方向，从而实现最佳探测点的位置变换。

进一步地，发射端组成水下发射聚焦相控阵的水下声源为水下扬声器或者水下换能器，多个声源等间距放置，组成N×N的发射阵列，N表示声源个数。

进一步地，各个水下声源发射信号的相位φ，是通过计算各个水下声源到水面探测点之间的距离差S，并结合发送信号的角频率ω和声速c计算而来，计算公式为：

φ＝ωS/c。

进一步地，接收端为携带毫米波雷达的无人机，发送连续的信号进行水表面检测。

进一步地，接收端的接收过程为，毫米波雷达发送信号至水空交界处，水空交界处的振动会引起反射信号的变化，毫米波雷达对反射信号进行处理，得到打包的相位信息；将相位进行解包，形成完整的随水空交界处振动变化的相位信号；再对相位信号进行滤波、均衡、解调得到原始的发送信号。

本发明的有益效果在于：本系统无需水面浮标，可直接进行跨介质通信，克服了水面浮标和船只易被发现的缺点，且无需器件高度对准，可实现水面探测点灵活可变，降低了水下设备需要往返作业点和数据传输点的能源消耗。此系统提高了通信的稳定性、隐蔽性、灵活性。

附图说明

图1为传统的跨水空介质通信方式示意图；

图2为无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统结构示意图；

图3为无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步说明：

普通的跨介质通信需要器件高度对准，才能实现高质量的跨介质通信。如直接激光跨介质系统中，在水下和水上放置激光收发器，当不对准时，光路发生偏移，通信质量大大降低；又如，在普通的声电结合跨介质通信中，水下扬声器与水上电磁波雷达不对准时，雷达无法检测到水表面的振动，因为单个水下扬声器引起的水表面振动范围小，幅值小。而且在自然环境中，水上和水下设备会受到海面风浪和水下湍流的影响，无法对准，难以实现高质量通信。本系统采用水下发射聚焦相控阵可以增大水表面振动的范围与幅值，使水下与水上设备不对准时，水上雷达仍可探测到水表面振动，使雷达探测区域落于水面可检测区域内，保证高质量跨介质通信。

本系统设计如下：

水下：将水下发射聚焦相控阵作为发射端放置于水面之下，本系统采用多个大功率水下声源等间距排列，组合成N×N的水下发射聚焦相控阵，N表示声源个数。以此增强水面探测点的振幅，和水面探测区域的面积；通过计算每个水下声源达到水面探测点的距离S，和给定环境下的声速c，来计算每个水下声源的时延t＝S/c，并根据给定的发送信号的角频率ω，调节各个水下声源发射信号的相位φ＝ωt，来改变发射聚焦相控阵的波束合成方向，从而实现最佳探测点的位置变换。

水空交界处：水下声波经过传播衰减，到达水表面，在水空交界处产生振动，形成水表面波；

水上：将毫米波雷达作为接收端放置于水面之上，毫米波雷达发送信号至水空交界处，由水下声源产生的水空交界处的振动会引起毫米波雷达反射信号的变化，毫米波雷达对反射信号进行处理，得到打包的相位信息；将相位信息进行解包，形成完整的随水空交界处振动变化的相位信号；再对相位信号进行滤波、均衡、解调得到原始的水下声源的发送信号，从而搭建起水下—水空交界处—水上的跨介质通信链路。

1.跨介质通信系统具体实现：

如图1所示，传统的海上通信方式需将浮标放于水空交界面上，利用水面浮标重新通过电磁波的形式将信息传递于空中接收端。本系统中的跨介质通信过程如图2所示，是一种无需器件高度对准的灵活的跨水空介质通信系统。水下潜器搭载水下发射聚焦相控阵，于水下作业，采集完数据之后，将数据整理成原始信号，通过调制，并设置发送时延，通过波束成形，由水下发射聚焦相控阵将信号以声波的形式，向上传输至水表面处。水表面受到声波的撞击，开始产生振动，此振动与发送信号有相同的振动趋势，即水表面振动携带了发送信息。接收端的毫米波雷达置于空中的无人机上，无人机飞到指定地点，发送连续的信号，来检测水表面波的振动，将采集到的数据进行数据信号处理，经过滤波、均衡、解调，还原出原始发送的信息，实现跨水空介质通信，上述过程可见图3。在这过程中，水下发射聚焦相控阵通过采用多个大功率水下声源组合成N×N的相控发射阵，增强水面探测点的振幅，并调节各个水下声源发射信号的相位，来改变发射聚焦相控阵的波束合成方向，从而实现最佳探测点的位置变换，实现灵活通信。

此系统可实现水面探测点幅度增强和水面探测点位置灵活变换，且此通信方式不受光照、海水浑浊度影响，更重要的是，可实现无需器件高度对准的跨水空介质通信，应用于器件无需高度对准环境，为未来海上灵活的跨介质通信提供了可行的方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统，其特征在于：该系统包含发射端和接收端；

所述发射端位于水下，采用多个水下声源组成水下发射聚焦相控阵的形式，用于增强水面探测点的振幅和灵活改变水面探测点的位置；

所述接收端位于水面上空，用于采集水面振动信息，得到水下声源发出的信息。

2.根据权利要求1所述的一种无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统，其特征在于，所述的水下发射聚焦相控阵，具体指发射端采用多个水下声源组合成相控发射阵，通过波束成型理论增强水面探测点的振幅，并通过调节各个水下声源发射信号的相位，来改变水下发射聚焦相控阵的波束合成方向，从而实现最佳探测点的位置变换。

3.根据权利要求1所述的一种无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统，其特征在于，发射端组成水下发射聚焦相控阵的水下声源为水下扬声器或者水下换能器，多个声源等间距放置，组成N×N的发射阵列，N表示声源个数。

4.根据权利要求2所述的一种无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统，其特征在于，各个水下声源发射信号的相位φ，是通过计算各个水下声源到水面探测点之间的距离差S，并结合发送信号的角频率ω和声速c计算而来，计算公式为：

φ＝ωS/c。

5.根据权利要求4所述的一种无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统，其特征在于，接收端为携带毫米波雷达的无人机，发送连续的信号进行水表面检测。

6.根据权利要求5所述的一种无需器件对准的灵活的跨水空介质通信系统，其特征在于，接收端的接收过程为，毫米波雷达发送信号至水空交界处，水空交界处的振动会引起反射信号的变化，毫米波雷达对反射信号进行处理，得到打包的相位信息；将相位信息进行解包，形成完整的随水空交界处振动变化的相位信号；再对相位信号进行滤波、均衡、解调得到原始的水下声源的发送信号。

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