CN117097416B - 一种利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统包括发射端和接收端；所述发射端位于水下，包括声源和菲涅尔透镜，所述声源用于发射声波，所述有带宽的菲涅尔透镜由多个同心圆环组成，用于阻隔所述声源发射的非同相振动的声波，同时将所述声源发射的同相振动的声波透射并聚焦，聚焦后的声波到达水表面产生振动；所述接收端位于水上，用于发送电磁波检测水表面的振动，处理后得到声源发出的原始信号，实现跨介质通信。本发明在发射端功率不变的情况下，通过适合跨介质通信传输的有带宽的菲涅尔透镜，提高了接收端接收信号信噪比，提升了通信质量和通信距离。

Description

一种利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统。

背景技术

传统的跨介质通信需要漂浮于水面上的船只或浮标等（中继器），接收水下传感器传输的水声信号，并将收到的信息重新转换为电磁波信号，发送给空中（岸基）接收端，实现水下-水上的信息传输。然而，这种方式的中继器存在易被发现且易漂走的缺点。为解决这一问题，出现了结合水声和电磁波的无中继的新型跨介质通信方式，即水下声源发送声波撞击水表面，水表面产生微米级别的振动，空中的电磁波检测器发送电磁波检测此振动，实现跨介质通信。

如图1所示，现有技术中，结合水声和电磁波的跨水空介质通信系统采用单发单收的方式，水下采用单个声源，水上采用单个电磁波检测器。

但是，随着声源的发射频率和通信深度的增加，声波在水中和撞击水表面的能量衰减增加，撞击水表面产生振动的幅值减小，电磁波检测器收到的接收信号信噪比下降，通信质量下降，所以需要增大发射端的功率来抵抗声波的衰减。目前普遍采用大功率的低频声源作为发射端，通过选取低频载波和提高发射功率的方法，来提高水表面的入射声压，从而提高水表面振动幅值，但是大功率的低频声源体积大、重量大，不便于携带和固定，不利于水下设备携带和低功耗作业。因此，需要研究一种在不增加功率的情况下，增加撞击水表面处的入射声压，提高探测点处幅值的跨介质通信方式。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统，在不增加功率的情况下，增加了声波撞击水表面处的入射声压，提高了探测点处幅值，提高了接收端信噪比，实现可靠通信；且传统的菲涅尔透镜多应用于空气中，只支持单一频率的正弦波，还未有将其用于在水下增强带宽信号的跨介质通信场景中的技术。

具体技术方案如下：

一种利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统，包括发射端和接收端；所述发射端位于水下，包括声源和有带宽的菲涅尔透镜，所述声源用于发射声波；所述有带宽的菲涅尔透镜由多个同心圆环组成，用于阻隔所述声源发射的非同相振动的声波，同时将所述声源发射的同相振动的声波透射并聚焦，聚焦后的声波到达水表面产生振动；所述接收端位于水上，用于发送电磁波检测水表面的振动，处理后得到声源发出的原始信号，实现跨介质通信。

进一步地，所述声源发射的声波是有带宽的通信信号，且为平面波，所述有带宽的菲涅尔透镜由N个半波带组成，其中奇数半波带无材料遮挡，声波能直接透过；偶数半波带由实心材料组成，声波受到阻隔；所述有带宽的菲涅尔透镜的第n个菲涅尔半波带半径的表达式如下：

；

式中，n=1,2,…,N；为声源发射信号的最高频率分量下的菲涅尔半波带半径，为声源发射信号的最低频率分量下的菲涅尔半波带半径，其中最高频率分量f_H的表达式如下：

；

式中，f_c为声源发射信号的中心频率，B为带宽；

最低频率分量f_L的表达式如下：

；

和/>的表达式如下：

；

；

式中，λ_H为最高频率分量下的声源发射的声波波长，λ_L为最低频率分量下的声源发射的声波波长；l₀为有带宽的菲涅尔透镜的焦距；

所述有带宽的菲涅尔透镜的第n个菲涅尔半波带面积S_n的表达式如下：

；

式中，S_Ln为最低频率分量下的菲涅尔半波带面积，S_Hn为最高频率分量下的菲涅尔半波带面积，其表达式如下：

；

。

进一步地，所述声源发射的声波是有带宽的通信信号，且为球面波，所述有带宽的菲涅尔透镜由N个半波带组成，其中奇数半波带无材料遮挡，声波能直接透过；偶数半波带由实心材料组成，声波受到阻隔；

所述有带宽的菲涅尔透镜的第n个菲涅尔半波带半径的表达式如下：

；

式中，n=1,2,…,N；为声源发射信号的最高频率分量下的菲涅尔半波带半径，为声源发射信号的最低频率分量下的菲涅尔半波带半径，其中最高频率分量f_H的表达式如下：

；

式中，f_c为声源发射信号的中心频率，B为带宽；

最低频率分量f_L的表达式如下：

；

式中，和/>的表达式如下：

；

；

式中，λ_H为最高频率分量下的声源发射的声波波长，λ_L为最低频率分量下的声源发射的声波波长；l₀为有带宽的菲涅尔透镜的焦距，R为球面波的半径；

所述有带宽的菲涅尔透镜的第n个菲涅尔半波带面积S_n的表达式如下：

；

式中，S_Ln为最低频率分量下的菲涅尔半波带面积，S_Hn为最高频率分量下的菲涅尔半波带面积，其表达式如下：

；

。

进一步地，所述接收端位于水面上方，包括：电磁波发射器、电磁波接收器、信号处理模块；所述电磁波发射器用于发送电磁波，检测水表面的振动；所述电磁波接收器用于接收在水表面发生反射后的电磁波，并将接收到的信号传输至信号处理模块进行处理，得到声源发出的原始信号。

进一步地，采用水下设备搭载所述声源和有带宽的菲涅尔透镜；所述声源发射的声波中包含有经过调制后的水下设备收集到的信息。

进一步地，所述有带宽的菲涅尔透镜将所述声源发射的同相振动的声波透射并聚焦在水面。

本发明的有益效果是：

本系统可实现无需中继设备的直接跨介质通信，且在发射端功率不变的情况下，设计了一种适合跨介质通信传输的有带宽的菲涅尔透镜，以此实现声聚焦，提高水表面检测点振动幅值，提高接收端接收信号信噪比，进而提升通信质量和通信距离的效果，为跨介质在实际海洋环境中实现低功耗应用提供了方案。

附图说明

图1为现有技术中结合水声和电磁波的跨介质通信系统示意图。

图2为本发明提出的一种利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统示意图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，一种利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统，包括发射端和接收端。发射端位于水下，包括声源和菲涅尔透镜，且采用水下设备搭载声源和菲涅尔透镜；声源用于发射声波，该声波为有带宽的通信信号，声波中包含有经过调制后的水下设备收集到的信息，声波经过菲涅尔透镜后被聚焦，聚焦后的声波到达水表面产生振动。

接收端位于水面上方，包括：电磁波发射器、电磁波接收器、信号处理模块；电磁波发射器用于发送电磁波，检测水表面的振动；电磁波在水表面发生反射，反射后的电磁波携带有振动信息，电磁波接收器用于接收反射后的电磁波，并将其传输至信号处理模块进行处理，得到声源发出的原始信号，实现跨介质通信。

本发明所用的菲涅尔透镜由多个同心圆环组成，非同相振动的声波被菲涅尔透镜的同心圆环阻隔，同相振动的声波从菲涅尔透镜透射，其波前在菲涅尔透镜的焦点处相交，形成强烈的声场，实现声波的聚焦。且本发明考虑了带宽对菲涅尔透镜半径的影响，设计了针对跨介质通信的有带宽的菲涅尔透镜，下文中若无特殊指示，菲涅尔透镜皆指有带宽的菲涅尔透镜。

声波聚焦后的声压与菲涅尔透镜的半波带半径和半波带面积有关，而基于菲涅尔半波带理论，半波带半径和半波带面积取决于：入射菲涅尔透镜的声波波型（即平面波或球面波）、声源距离菲涅尔透镜的距离、菲涅尔透镜的焦距、声源的频率响应性能、声源发送的声波信号的频率和带宽。

本实施例中，假设菲涅尔透镜由N个半波带组成，其中奇数半波带无材料遮挡，声波可直接透过；偶数半波带由实心材料组成，声波受到阻隔。在不同情况下，菲涅尔透镜的半波带半径、半波带面积、聚焦后的声压与各参数之间的关系如下：

（1）当入射菲涅尔透镜的声波（即声源发射的声波）是单一频率的平面波时，第n个菲涅尔半波带半径的表达式如下：

（1）

式中，λ为声源发射的声波波长，l₀为菲涅尔透镜的焦距，n=1,2,…,N。

第n个菲涅尔半波带面积S_n的表达式如下：

（2）

当时，菲涅尔半波带半径/>和第n个菲涅尔半波带面积S_n的表达式能简化为：

（3）

（4）

由于在跨介质通信场景下，声源发射的声波具有一定带宽，菲涅尔半波带半径和半波带面积还与最高频率分量和最低频率分量有关，最高频率分量f_H的表达式如下：

（5）

式中，f_c为声源发射信号的中心频率，B为带宽。

此时对应的声源发射的声波波长为λ_H，将其代入式（1）得到最高频率分量下的菲涅尔半波带半径，表达式如下：

（6）

将λ_H代入式（2），得到最高频率分量下的菲涅尔半波带面积S_Hn，表达式如下：

（7）

最低频率分量f_L的表达式如下：

（8）

此时对应的声源发射的声波波长为λ_L，将其代入式（1）得到最低频率分量下的菲涅尔半波带半径，表达式如下：

（9）

将λ_L代入式（2），得到最低频率分量下的菲涅尔半波带面积S_Ln，表达式如下：

（10）

进一步得到第n个菲涅尔半波带半径的表达式如下：

（11）

第n个菲涅尔半波带面积S_n的表达式如下：

（12）

根据式（11）获得的菲涅尔半波带半径和式（12）获得的半波带面积S_n，得到经菲涅尔透镜聚焦后的声压表达式如下：

（13）

式中，S_i为第i个菲涅尔半波带的面积，S_j为第j个菲涅尔半波带的面积；p₀为初始压强，K(θ_i)和K(θ_j)均为倾斜因子，θ_i为第i个菲涅尔半波带的倾斜角，θ_j为第j个菲涅尔半波带的倾斜角；ω为角频率，k为波矢量，r_i为第i个半波带到菲涅尔透镜焦点的距离，r_j为第j个半波带到菲涅尔透镜焦点的距离；β为材料的声压透射系数。

（2）当入射菲涅尔透镜的声波是单一频率的球面波时，第n个菲涅尔半波带半径的表达式如下：

（14）

式中，R为球面波的半径。

第n个菲涅尔半波带面积S_n的表达式如下：

（15）

将最高频率分量f_H代入式（14），获得最高频率分量下的菲涅尔半波带半径；将最低频率分量f_L代入式（14），获得最低频率分量下的菲涅尔半波带半径/>；将/>和/>代入式（11），获得第n个菲涅尔半波带半径/>。将最高频率分量f_H代入式（15），得到最高频率分量下的菲涅尔半波带面积S_Hn；将最低频率分量f_L代入式（15），得到最低频率分量下的菲涅尔半波带面积S_Ln；将S_Hn和S_Ln代入式（12），得到第n个菲涅尔半波带面积S_n。将S_n代入式（13），得到经菲涅尔透镜聚焦后的声压。

本发明利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统能在不提高水下声源功率的情况下，利用菲涅尔透镜提高水表面入射声压，提高水表面振动幅值，从而提高水上的接收端接收信号的信噪比，提升跨介质通信质量，可应用于低功耗作业环境，且此菲涅尔透镜支持带宽信号，为未来低功耗跨介质通信提供了可行的方法。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统，其特征在于，包括发射端和接收端；所述发射端位于水下，包括声源和有带宽的菲涅尔透镜，所述声源用于发射声波；所述有带宽的菲涅尔透镜由多个同心圆环组成，用于阻隔所述声源发射的非同相振动的声波，同时将所述声源发射的同相振动的声波透射并聚焦，聚焦后的声波到达水表面产生振动；所述接收端位于水上，用于发送电磁波检测水表面的振动，处理后得到声源发出的原始信号，实现跨介质通信；

所述声源发射的声波是有带宽的通信信号，且为平面波，所述有带宽的菲涅尔透镜由N个半波带组成，其中奇数半波带无材料遮挡，声波能直接透过；偶数半波带由实心材料组成，声波受到阻隔；所述有带宽的菲涅尔透镜的第n个菲涅尔半波带半径ρ_n的表达式如下：

ρ_n＝max(ρ_Ln，ρ_Hn)，n为奇数

ρ_n＝min(ρ_Ln，ρ_Hn)，n为偶数；

式中，n＝1,2,…,N；ρ_Hn为声源发射信号的最高频率分量下的菲涅尔半波带半径，ρ_Ln为声源发射信号的最低频率分量下的菲涅尔半波带半径，其中最高频率分量f_H的表达式如下：

式中，f_c为声源发射信号的中心频率，B为带宽；

最低频率分量f_L的表达式如下：

ρ_Hn和ρ_Ln的表达式如下：

式中，λ_H为最高频率分量下的声源发射的声波波长，λ_L为最低频率分量下的声源发射的声波波长；l₀为有带宽的菲涅尔透镜的焦距；

所述有带宽的菲涅尔透镜的第n个菲涅尔半波带面积Sn的表达式如下：

S_n＝S_Ln∩S_Hn；

式中，S_Ln为最低频率分量下的菲涅尔半波带面积，S_Hn为最高频率分量下的菲涅尔半波带面积，其表达式如下：

2.一种利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统，其特征在于，包括发射端和接收端；所述发射端位于水下，包括声源和有带宽的菲涅尔透镜，所述声源用于发射声波；所述有带宽的菲涅尔透镜由多个同心圆环组成，用于阻隔所述声源发射的非同相振动的声波，同时将所述声源发射的同相振动的声波透射并聚焦，聚焦后的声波到达水表面产生振动；所述接收端位于水上，用于发送电磁波检测水表面的振动，处理后得到声源发出的原始信号，实现跨介质通信；

所述声源发射的声波是有带宽的通信信号，且为球面波，所述有带宽的菲涅尔透镜由N个半波带组成，其中奇数半波带无材料遮挡，声波能直接透过；偶数半波带由实心材料组成，声波受到阻隔；

所述有带宽的菲涅尔透镜的第n个菲涅尔半波带半径ρ_n的表达式如下：

ρ_n＝max(ρ_Ln，ρ_Hn)，n为奇数

ρ_n＝min(ρ_Ln，ρ_Hn)，n为偶数；

式中，n＝1,2,…,N；ρ_Hn为声源发射信号的最高频率分量下的菲涅尔半波带半径，ρ_Ln为声源发射信号的最低频率分量下的菲涅尔半波带半径，其中最高频率分量f_H的表达式如下：

式中，f_c为声源发射信号的中心频率，B为带宽；

最低频率分量f_L的表达式如下：

式中，ρ_Hn和ρ_Ln的表达式如下：

式中，λ_H为最高频率分量下的声源发射的声波波长，λ_L为最低频率分量下的声源发射的声波波长；l₀为有带宽的菲涅尔透镜的焦距，R为球面波的半径；

所述有带宽的菲涅尔透镜的第n个菲涅尔半波带面积S_n的表达式如下：

S_n＝S_Ln∩S_Hn；

式中，S_Ln为最低频率分量下的菲涅尔半波带面积，S_Hn为最高频率分量下的菲涅尔半波带面积，其表达式如下：

3.根据权利要求1或2所述的利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统，其特征在于，所述接收端位于水面上方，包括：电磁波发射器、电磁波接收器、信号处理模块；所述电磁波发射器用于发送电磁波，检测水表面的振动；所述电磁波接收器用于接收在水表面发生反射后的电磁波，并将接收到的信号传输至信号处理模块进行处理，得到声源发出的原始信号。

4.根据权利要求1或2所述的利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统，其特征在于，采用水下设备搭载所述声源和有带宽的菲涅尔透镜；所述声源发射的声波中包含有经过调制后的水下设备收集到的信息。

5.根据权利要求1或2所述的利用菲涅尔透镜增强探测点幅值的跨介质通信系统，其特征在于，所述有带宽的菲涅尔透镜将所述声源发射的同相振动的声波透射并聚焦在水面。