CN117650853A - 基于光声融合的空海跨介质双向通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空海跨介质通信技术领域，涉及基于光声融合的空海跨介质双向通信系统及方法。该系统包括设于空中机动平台上的双波长激光器和毫米波雷达、设于水下机动平台上的光声接收装置和光声发射装置；双波长激光器向水面发射两种波长的激光束，一激光束击穿水面产生下行声波信号，另一激光束穿透水面传输下行蓝绿光光波信号；光声接收装置接收下行声波信号及下行蓝绿光光波信号；光声发射装置向水面发射上行蓝绿光光波信号和上行声波信号，上行声波信号撞击水面产生微波纹；毫米波雷达向水面发射信号以获得微波纹回波信号，还可接收上行蓝绿光光波信号。本发明实现空海跨介质双向通信，且能解决声场近场区的通信盲区问题，提高通信质量和可靠性。

Description

基于光声融合的空海跨介质双向通信系统及方法

技术领域

本发明属于空海跨介质通信技术领域，具体涉及一种基于光声融合的空海跨介质双向通信系统及方法。

背景技术

激光通信无论在军用或民用中都具有巨大的潜力，世界各国尤其是发达国家都对其格外重视。近半个世纪以来，激光通信发展异常迅速。随着人类活动区域的扩展，在海水环境中，传统的水下通信通常采用甚低频(VLF，Very low Frequency)和超低频(SLF，SuperLow Frequency)电磁波的通信方式，但这种方式的通信设备规模巨大、系统臃肿、传输速率低，在很大程度上限制了信息传输的有效性，而高频电磁波在水下传输过程中能量衰减严重，几乎无法透过海水传播。

申请号为202011445379.9的发明专利申请，公开了一种空中和水下机动平台光声互联双向通信方法；空中机动平台通过自由空间光通信模块发射信号光束，利用激光致声技术激励水面产生水声载波信号，水下机动平台通过水声声呐通信模块接收声学信号，以实现空中对水下的下行通信。然而，光束激励水面产生水声载波信号时，受到海面波浪的影响，产生的声场的特性改变，使得在声场的近场区产生一定盲区，难以实现通信目的；且单纯依靠激光致声进行水下通信，通信可靠性较低，且易出现丢包和误码问题。

发明内容

针对相关技术中存在的不足之处，本发明提供一种基于光声融合的空海跨介质双向通信系统及方法，旨在实现空海跨介质双向通信，并解决激光致声通信时声场近场区的通信盲区问题，提高通信质量和可靠性。

本发明提供一种基于光声融合的空海跨介质双向通信系统，包括位于海面上的空中机动平台、位于海水中的水下机动平台、装设于空中机动平台上的双波长激光器和毫米波雷达、装设于水下机动平台上的光声接收装置和光声发射装置；其中，

双波长激光器用于向水面发射波长1064nm的第一激光束和波长532nm的第二激光束；第一激光束射入水中且在水面聚焦，使水介质产生光声效应，向水下辐射下行声波信号；第二激光束直接穿透水面射入水下，向水下传输下行蓝绿光光波信号；

光声接收装置用于接收下行声波信号及下行蓝绿光光波信号；

光声发射装置用于向水面上发射上行蓝绿光光波信号和上行声波信号，上行声波信号撞击水面产生水面微波纹；

毫米波雷达用于向水面发射调频连续波射频信号以获得水面微波纹的回波信号；毫米波雷达还内置有蓝绿光探测单元，用于接收上行蓝绿光光波信号。

在其中一些实施例中，空中机动平台上还装设有空中计算机，水下机动平台上还装设有水下计算机；空中计算机与双波长激光器通信连接，以对第一激光束和第二激光束的发射进行调控；空中计算机与毫米波雷达通信连接，以对其获得的回波信号和上行蓝绿光光波信号进行处理；水下计算机与光声接收装置通信连接，以对其接收到的下行声波信号和下行蓝绿光光波信号进行处理；水下计算机与光声发射装置通信连接，以对上行蓝绿光光波信号和上行声波信号的发射进行调控。

在其中一些实施例中，光声发射装置包括蓝绿激光器和发射换能器，蓝绿激光器用于向水面上发射上行蓝绿光光波信号，发射换能器用于将机械波转换为声波，以向水面上发射上行声波信号；光声接收装置包括蓝绿光接收器和接收换能器，蓝绿光接收器用于接收下行蓝绿光光波信号，接收换能器用于接收下行声波信号。

在其中一些实施例中，双波长激光器包括两个出光口，分别用于第一激光束和第二激光束的出射；空中机动平台上还布设有位于第一激光束出射光路上的扩束系统、第一反射镜和长焦距聚焦镜，第一激光束依次经过扩束系统、第一反射镜和长焦距聚焦镜后射入水中且在水面聚焦，以向水下辐射下行声波信号；空中机动平台上还布设有位于第二激光束出射光路上的第二反射镜，第二激光束经过第二反射镜后直接穿透水面射入水下。

在其中一些实施例中，空中机动平台上还设有下行通信编码模块，下行通信编码模块通过四频率BPSK信号调制方式，发射四种不同的重复频率，实现对下行通信信息的编码；空中计算机与下行通信编码模块通信连接，以根据编码后的下行通信信息对双波长激光器进行调控，使其向水面发射携带有下行编码信号的第一激光束和第二激光束，第一激光束击穿水面产生携带有下行编码信号的下行声波信号；水下机动平台上还设有上行通信编码模块，上行通信编码模块通过四频率BPSK信号调制方式，发射四种不同的重复频率，实现对上行通信信息的编码；水下计算机与上行通信编码模块通信连接，以根据编码后的上行通信信息对光声发射装置进行调控，使其向水面上发射携带有上行编码信号的上行声波信号和上行蓝绿光光波信号，上行声波信号撞击水面产生携带有上行编码信号的水面微波纹。

在其中一些实施例中，双波长激光器内置有调制器，调制器位于双波长激光器谐振腔外的光路中；当双波长激光器发出的激光束经过调制器时，调制器通过调制电压改变激光束的幅度、相位和频率，得到携带有下行编码信号的第一激光束和第二激光束。

本发明还提供一种基于光声融合的空海跨介质双向通信方法，采用上述的基于光声融合的空海跨介质双向通信系统进行，包括以下步骤：

空对海下行通信步骤，具体为：下行通信编码模块基于四频率BPSK信号调制方式对下行通信信息进行编码，得到编码后的下行通信信息，空中计算机据此调控双波长激光器，使其向水面发射波长1064nm的第一激光束和波长532nm的第二激光束；第一激光束击穿水面产生下行声波信号，接收换能器接收下行声波信号，实现空对海下行声学信道的建立；第二激光束直接穿透水面射入水下传输下行蓝绿光光波信号，蓝绿光接收器接收下行蓝绿光光波信号，实现空对海下行光学信道的建立；光声接收装置将接收到的下行声波信号和下行蓝绿光光波信号传输到水下计算机进行解调，得到解调后的下行通信信息，完成空对海下行通信；当空对海下行通信步骤应用于空对海短距离下行通信时，分别以下行蓝绿光光波信号和下行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径内的下行数据传输业务；当空对海下行通信步骤应用于空对海中长距离下行通信时，以下行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径外的下行数据传输业务；下行蓝绿光光波信号还对空对海下行声波通信起方向引导作用；

海对空上行通信步骤，具体为：上行通信编码模块基于四频率BPSK信号调制方式对上行通信信息进行编码，得到编码后的上行通信信息，水下计算机据此调控发射换能器和蓝绿激光器，使其分别向水面上发射上行声波信号和上行蓝绿光光波信号；上行声波信号撞击水面产生水面微波纹，毫米波雷达向水面发射调频连续波射频信号以获得水面微波纹的回波信号，实现海对空上行声学信道的建立；上行蓝绿光光波信号被毫米波雷达内的蓝绿光探测单元接收，实现海对空上行光学信道的建立；毫米波雷达将获得的回波信号和上行蓝绿光光波信号传输到空中计算机进行解调，得到解调后的上行通信信息，完成海对空上行通信；当海对空上行通信步骤应用于海对空短距离上行通信时，分别以上行蓝绿光光波信号和上行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径内的上行数据传输业务；当海对空上行通信步骤应用于海对空中长距离上行通信时，以上行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径外的上行数据传输业务；上行蓝绿光光波信号还对海对空上行声波通信起方向引导作用。

在其中一些实施例中，在进行空对海短距离下行通信时，将下行蓝绿光光波信号携带的光载波信息和下行声波信号携带的声载波信息进行信息互校验操作；在进行海对空短距离上行通信时，将上行蓝绿光光波信号携带的光载波信息和上行声波信号携带的声载波信息进行信息互校验操作；当发送方将相同信息编译于光载波和声载波时，信息互校验操作用于执行丢包和误码检查，以最小化丢包率和误码率；当发送方将不同信息调制于光载波和声载波时，信息互校验操作用于执行数据还原。

在其中一些实施例中，当以下行蓝绿光光波信号为载波时，发送方和接收方通过空对海下行光学信道连接，并采用相同的工作波长、通信协议和加密方案；当以上行蓝绿光光波信号为载波时，发送方和接收方通过海对空上行光学信道连接，并采用相同的工作波长、通信协议和加密方案。

在其中一些实施例中，当以下行蓝绿光光波信号或上行蓝绿光光波信号为载波时，均通过精准跟瞄、通信信号发送、微弱信号解析完成面向蓝绿光衰减半径内的数据传输业务。

基于上述技术方案，本发明实施例中的基于光声融合的空海跨介质双向通信系统及方法，实现了基于光声融合的空海跨介质双向通信，解决了单纯依靠激光致声通信时声场近场区的通信盲区问题，提高了空海跨介质双向通信质量和可靠性，降低了通信误码率和丢包率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的基于光声融合的空海跨介质双向通信系统的示意图；

图2为本发明的基于光声融合的空海跨介质双向通信方法在上行通信时的原理示意图；

图3为本发明的基于光声融合的空海跨介质双向通信方法在下行通信时的原理示意图；

图4为调制与解调过程示意图；

图5为BPSK调制原理图；

图6为BPSK调制解调原理图；

图7为仿真的发送信息码的示意图；

图8为载波信号的示意图；

图9为2BPSK调制信号的示意图；

图10为解调后的信号的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参考图1-图3所示，本发明提供一种基于光声融合的空海跨介质双向通信系统，包括位于海面上的空中机动平台、位于海水中的水下机动平台、装设于空中机动平台上的双波长激光器和毫米波雷达、装设于水下机动平台上的光声接收装置和光声发射装置。可以理解的是，空中机动平台和水下机动平台均具有可移动性。

双波长激光器用于向水面发射两种波长的激光束；其中，第一激光束的波长为1064nm，第二激光束的波长为532nm。波长1064nm的第一激光束射入水中且在水面聚焦，使水介质产生光声效应，向水下辐射下行声波信号；具体地，第一激光束聚焦到水面上，聚焦点的能量密度远大于水的介电击穿阈值，可使水介质产生热膨胀、汽化、介电击穿等光声效应，实现光声转换，产生声场，进而向水下辐射声波，即实现激光致声效果；进一步说明，通过采用激光致声的技术手段，能够克服高频电磁波无法在水中传播、声波在空海跨介质传播衰减大的困难；由于声波在水下传输时信号衰减小，传输距离远，因而声波非常适用于水下通信，但由于激光致声会受海浪影响而使声场近场区产生通信盲区，声波在声场近场区内通信时存在误码率高的不足。波长532nm的第二激光束直接穿透水面射入水下，向水下传输下行蓝绿光光波信号；进一步说明，蓝绿光通信工作频率集中在1000THz，频带宽，传输信息能力强，编码速率高，抗干扰能力强，因而蓝绿光无论在空中还是海水中传输时，其能量损耗都非常小，能够降低通信的发射频率，增加通信的确定性和可靠性；由于蓝绿光光波在水下的传输距离小于声波，因而蓝绿光光波更适用于短距离通信，即蓝绿光衰减半径内的通信。光声接收装置用于接收下行声波信号及下行蓝绿光光波信号。具体地，光声接收装置接收第一激光束产生的下行声波信号，利用声波在水下传输的优点，能够很好地实现空对海中长距离下行通信且通信可靠性高。光声接收装置接收第二激光束产生的下行蓝绿光光波信号，利用蓝绿光光波在空中和海水中传输的优点，能够很好地实现空对海短距离(即蓝绿光衰减半径内)下行通信且通信可靠性高，因而能够完美解决声场近场区的通信盲区问题；另外，下行蓝绿光光波信号可为空对海下行声波通信起方向引导作用。因此，通过双波长激光器和光声接收装置的设置，能够实现空对海跨介质下行通信，且能够解决单纯依靠激光致声通信时声场近场区的通信盲区问题，实现空对海全距离下行通信，提高空对海下行通信质量和可靠性，降低空对海下行通信丢包率。

光声发射装置用于向水面上发射上行蓝绿光光波信号和上行声波信号；上行声波信号撞击水面产生水面微波纹；上行蓝绿光光波信号向水面上方向传输。毫米波雷达用于向水面发射调频连续波射频信号以获得水面微波纹的回波信号；即毫米波雷达主动发射雷达电磁波束扫描水面，雷达电磁波束调制了水面微波纹信息并形成回波信号，由此实现海对空跨介质上行通信。进一步说明，在上行通信方面，传统方法测量水面微波纹时，多采用多普勒测振方法，由于水是流动介质，多普勒设备接收的反射光弱、通信误码率高；而毫米波雷达波长范围在1mm-10mm之间，具有较高频率和分辨率、更好地抗干扰能力，能够克服水面反射问题，在水面微波纹的检测和跟踪上具备天然优势，通信质量高、误码率低；而且毫米波雷达还可以突破雾、雨、雪、云等气象条件的影响，实现全天候探测，且其能耗及成本均较低。毫米波雷达还内置有蓝绿光探测单元，蓝绿光探测单元用于接收上行蓝绿光光波信号，利用蓝绿光光波在空中和海水中传输的优点，能够很好地实现海对空短距离(即蓝绿光衰减半径内)上行通信且通信可靠性高，由此形成海对空短距离上行通信的冗余信息，将其作为一种有效补充方式来提高海对空短距离上行通信质量；另外，上行蓝绿光光波信号可为海对空上行声波通信起方向引导作用。因此，通过毫米波雷达和光声发射装置的设置，能够实现海对空跨介质上行通信，提高海对空上行通信质量，降低海对空上行通信误码率和丢包率。

上述示意性实施例，通过空中机动平台上的双波长激光器和毫米波雷达的设置以及水下机动平台上的光声接收装置和光声发射装置的设置，能够实现基于光声融合的空海跨介质双向通信，并能解决单纯依靠激光致声通信时声场近场区的通信盲区问题，且能提高通信质量和可靠性，降低通信误码率和丢包率，为大范围、高可靠水下通信提供新思路。

在一些实施例中，空中机动平台上还装设有空中计算机，水下机动平台上还装设有水下计算机。空中计算机与双波长激光器通信连接，以对第一激光束和第二激光束的发射进行调控；空中计算机与毫米波雷达通信连接，以对其获得的回波信号和上行蓝绿光光波信号进行处理，通过解调模块解调出海对空上行通信信息。水下计算机与光声接收装置通信连接，以对其接收到的下行声波信号和下行蓝绿光光波信号进行处理，通过解调模块解调出空对海下行通信信息；水下计算机与光声发射装置通信连接，以对上行蓝绿光光波信号和上行声波信号的发射进行调控。

在一些实施例中，光声发射装置包括蓝绿激光器和发射换能器，蓝绿激光器用于向水面上发射上行蓝绿光光波信号，发射换能器用于将机械波转换为声波，以向水面上发射上行声波信号，上行声波信号撞击水面产生水面微波纹。进一步地，上行蓝绿光光波信号可作为声波通信方向导引；当上行蓝绿光光波信号引导到发射换能器的声场范围内时，内置蓝绿光探测单元的毫米波雷达向水面发射调频连续波射频信号，经水面反射后得到携带了微波纹振动信息的回波信号，再利用空中计算机对回波信号进行处理，得到上行声波信号传递的信息；当毫米波雷达位于蓝绿光衰减半径内时，蓝绿光探测单元接收上行蓝绿光光波信号，再利用空中计算机对信号进行处理，得到上行蓝绿光光波信号传递的信息；由此获得海对空上行通信信息。光声接收装置包括蓝绿光接收器和接收换能器；接收换能器用于接收下行声波信号，再利用水下计算机对信号进行处理，得到下行声波信号传递的信息；蓝绿光接收器用于接收下行蓝绿光光波信号，再利用用水下计算机对信号进行处理，得到下行声波信号传递的信息；由此获得空对海下行通信信息。

参考图1所示，在一些实施例中，双波长激光器包括两个出光口，分别用于第一激光束和第二激光束的出射。空中机动平台上还布设有位于第一激光束出射光路上的扩束系统、第一反射镜和长焦距聚焦镜，第一激光束依次经过扩束系统、第一反射镜和长焦距聚焦镜后射入水中且在水面聚焦，使水介质产生光声效应，向水下辐射下行声波信号，实现激光致声效果。空中机动平台上还布设有位于第二激光束出射光路上的第二反射镜，第二激光束经过第二反射镜反射后直接穿透水面射入水下，向水下传输下行蓝绿光光波信号，实现蓝绿光光波跨空海界面后的水下传输。

在一些实施例中，空中机动平台上还设有下行通信编码模块，下行通信编码模块通过四频率BPSK信号调制方式，发射四种不同的重复频率，实现对下行通信信息的编码。空中计算机与下行通信编码模块通信连接，以根据编码后的下行通信信息对双波长激光器进行调控，使其向水面发射携带有下行编码信号的第一激光束和第二激光束，第一激光束击穿水面产生携带有下行编码信号的下行声波信号。水下机动平台上还设有上行通信编码模块，上行通信编码模块通过四频率BPSK信号调制方式，发射四种不同的重复频率，实现对上行通信信息的编码。水下计算机与上行通信编码模块通信连接，以根据编码后的上行通信信息对光声发射装置进行调控，使其向水面上发射携带有上行编码信号的上行声波信号和上行蓝绿光光波信号，上行声波信号撞击水面产生携带有上行编码信号的水面微波纹。

参考图4-图10所示，简要说明四频率BPSK信号调制方式的过程：

BPSK用载波相位变化来传递信息，BPSK波形可以表示为：

s(t)＝Acos(2πf_ct+πd_k)

其中，d_k为待传输的数据{0，1}。BPSK调制的是通过改变载波相位实现的。在BPSK调制中，二进制数据被编码为01序列，其中1表示正弦的相位发生180度的改变，0表示相位保持不变。这样，调制信号的相位变化就能够传输二进制数据。过程如下：

调制步骤一：将二进制数据转换为01序列；

调制步骤二：产生一个固定频率的正弦波载波信号；

调制步骤三：将01序列与载波信号相乘得到调制信号；

调制步骤四：发送调制信号。

BPSK解调是将接收到的调制信号重新转换为二进制的过程。解调器通过检测接收到的信号的相位变化判断原始数据中的1和0过程如下：

解调步骤一：接收到调制信号；

解调步骤二：产生一个与发射端相同频率的正弦波载波信号；

解调步骤三：将接收到的信号与载波信号相乘得到解调信号；

解调步骤四：通过检测解调信号的相位变化来判断原始数据中的1和0。

在海洋通信信道中，BPSK的理论误码率为：

与以往2FSK调制方式相比，本实施例的四频率BPSK信号调制方式在保证码元正常传输的前提下，提高了通信编码的有效利用率，缩短了通信编码单元的传递时间。进一步地，对于双波长激光器而言，根据激光脉冲的有无将其表示为二进制编码，该调制方式规避了因水下光声接收装置位置不同，接收不到信号，而导致信号破译错误的风险，具有带宽效率高、抗干扰能力强、可靠性高、容易检测等优点。

在一些实施例中，双波长激光器内置有调制器，调制器位于双波长激光器谐振腔外的光路中；当双波长激光器发出的激光束经过调制器时，调制器通过调制电压改变激光束的幅度、相位和频率，得到携带有下行编码信号的第一激光束和第二激光束。

参考图1-图10所示，本发明还提供一种基于光声融合的空海跨介质双向通信方法，采用上述的基于光声融合的空海跨介质双向通信系统进行，包括空对海下行通信步骤和海对空上行通信步骤。可以理解的是，在空对海下行通信步骤中，空中机动平台为下行通信信息的发送方，水下机动平台为下行通信信息的接收方；在海对空上行通信步骤中，水下机动平台为上行通信信息的发送方，空中机动平台为上行通信信息的接收方。

空对海下行通信步骤具体为：下行通信编码模块基于四频率BPSK信号调制方式对下行通信信息进行编码，得到编码后的下行通信信息，空中计算机据此调控双波长激光器，使其向水面发射波长1064nm的第一激光束和波长532nm的第二激光束；第一激光束击穿水面产生下行声波信号，接收换能器接收下行声波信号，实现空对海下行声学信道的建立；第二激光束直接穿透水面射入水下传输下行蓝绿光光波信号，蓝绿光接收器接收下行蓝绿光光波信号，实现空对海下行光学信道的建立；由此可见，空对海下行声学信道和空对海下行光学信道独立运行且互不影响，二者均是直连或无中继的，由此提高通信便捷性、通信效率及通信时效性；光声接收装置将接收到的下行声波信号和下行蓝绿光光波信号传输到水下计算机进行解调，得到解调后的下行通信信息，完成空对海下行通信。

当空对海下行通信步骤应用于空对海短距离下行通信时，采用光声混合通信，即采用两种载波同时进行信息传递，分别以下行蓝绿光光波信号和下行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径内的下行数据传输业务；进一步地，可以理解的是，蓝绿光衰减半径远超出激光致声通信时声场近场区的范围，因而，在声场近场区内，以下行蓝绿光光波通信结果为准，下行声波通信结果仅供参考；在声场近场区外、蓝绿光衰减半径内，利用下行蓝绿光光波通信结果和下行声波通信结果，形成空对海短距离下行通信的冗余信息，可采用冗余信息互校验机制，将空对海短距离下行通信的丢包率和误码率，提高空对海短距离下行通信质量。当空对海下行通信步骤应用于空对海中长距离下行通信时，以下行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径外的下行数据传输业务；下行蓝绿光光波信号还对空对海下行声波通信起方向引导作用。

海对空上行通信步骤具体为：上行通信编码模块基于四频率BPSK信号调制方式对上行通信信息进行编码，得到编码后的上行通信信息，水下计算机据此调控发射换能器和蓝绿激光器，使其分别向水面上发射上行声波信号和上行蓝绿光光波信号；上行声波信号撞击水面产生水面微波纹，毫米波雷达向水面发射调频连续波射频信号以获得水面微波纹的回波信号，实现海对空上行声学信道的建立；上行蓝绿光光波信号被毫米波雷达内的蓝绿光探测单元接收，实现海对空上行光学信道的建立；由此可见，海对空上行声学信道和海对空上行光学信道独立运行且互不影响，二者均是直连或无中继的，由此提高通信便捷性、通信效率及通信时效性；毫米波雷达将获得的回波信号和上行蓝绿光光波信号传输到空中计算机进行解调，得到解调后的上行通信信息，完成海对空上行通信。

当海对空上行通信步骤应用于海对空短距离上行通信时，采用光声混合通信，即采用两种载波同时进行信息传递，分别以上行蓝绿光光波信号和上行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径内的上行数据传输业务，利用上行蓝绿光光波通信结果和上行声波通信结果，形成海对空短距离上行通信的冗余信息，可采用冗余信息互校验机制，降低海对空短距离上行通信的丢包率和误码率，提高海对空短距离上行通信质量。当海对空上行通信步骤应用于海对空中长距离上行通信时，以上行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径外的上行数据传输业务；上行蓝绿光光波信号还对海对空上行声波通信起方向引导作用。

上述示意性实施例，利用光声融合的通信方式，实现了空海跨介质双向通信，解决了单纯依靠激光致声通信时声场近场区的通信盲区问题，提高了空海跨介质双向通信质量和可靠性，降低了通信误码率和丢包率。

在一些实施例中，在进行空对海短距离下行通信时，将下行蓝绿光光波信号携带的光载波信息和下行声波信号携带的声载波信息进行信息互校验操作。在进行海对空短距离上行通信时，将上行蓝绿光光波信号携带的光载波信息和上行声波信号携带的声载波信息进行信息互校验操作。信息互校验操作负责比较两组信息，确认误码和丢包并对最终生成的通信明文进行检验。当发送方将相同信息编译于光载波和声载波时，信息互校验操作用于执行丢包和误码检查，以最小化丢包率和误码率；当发送方将不同信息，即同一信息的不同片段、同一信息的密文和密钥、同一信息的明文和检验调制于光载波和声载波时，信息互校验操作用于执行数据还原。该示意性实施例通过信息互校验操作，提升空海跨介质短距离双向通信的可靠性，降低通信丢包率和误码率。

在一些实施例中，当以下行蓝绿光光波信号为载波时，发送方和接收方通过空对海下行光学信道连接，并采用相同的工作波长、通信协议和加密方案；当以上行蓝绿光光波信号为载波时，发送方和接收方通过海对空上行光学信道连接，并采用相同的工作波长、通信协议和加密方案。可以理解的是，系统结构包括但不限于光源、调制器、滤波器、放大器、解调器、微弱信号探测器、跟踪瞄准系统等，不限制具体工作波长、不限制通信协议、不限制行业标准、不限制搭载平台。

在一些实施例中，当以下行蓝绿光光波信号或上行蓝绿光光波信号为载波时，均通过精准跟瞄、通信信号发送、微弱信号解析完成面向蓝绿光衰减半径内的数据传输业务。当以下行声波信号为载波时，通过激光致声、声学信号监听、波形解析完成下行数据传输业务；当以上行声波信号为载波时，通过机械换能致声、水面微波纹信号检测、波形解析完成上行数据传输业务。

综上所述，本发明的基于光声融合的空海跨介质双向通信系统及方法，通过空中机动平台上的双波长激光器和毫米波雷达的设置以及水下机动平台上的光声接收装置和光声发射装置的设置，实现了基于光声融合的空海跨介质双向通信，解决了单纯依靠激光致声通信时声场近场区的通信盲区问题，提高了空海跨介质双向通信质量和可靠性，降低了通信误码率和丢包率，为大范围、高可靠水下通信提供新思路。

最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.基于光声融合的空海跨介质双向通信系统，其特征在于，包括位于海面上的空中机动平台、位于海水中的水下机动平台、装设于空中机动平台上的双波长激光器和毫米波雷达、装设于水下机动平台上的光声接收装置和光声发射装置；其中，

所述双波长激光器用于向水面发射波长1064nm的第一激光束和波长532nm的第二激光束；所述第一激光束射入水中且在水面聚焦，使水介质产生光声效应，向水下辐射下行声波信号；所述第二激光束直接穿透水面射入水下，向水下传输下行蓝绿光光波信号；

所述光声接收装置用于接收所述下行声波信号及所述下行蓝绿光光波信号；

所述光声发射装置用于向水面上发射上行蓝绿光光波信号和上行声波信号，所述上行声波信号撞击水面产生水面微波纹；

所述毫米波雷达用于向水面发射调频连续波射频信号以获得所述水面微波纹的回波信号；所述毫米波雷达还内置有蓝绿光探测单元，用于接收所述上行蓝绿光光波信号。

2.根据权利要求1所述的基于光声融合的空海跨介质双向通信系统，其特征在于，所述空中机动平台上还装设有空中计算机，所述水下机动平台上还装设有水下计算机；所述空中计算机与双波长激光器通信连接，以对第一激光束和第二激光束的发射进行调控；所述空中计算机与毫米波雷达通信连接，以对其获得的回波信号和上行蓝绿光光波信号进行处理；所述水下计算机与光声接收装置通信连接，以对其接收到的下行声波信号和下行蓝绿光光波信号进行处理；所述水下计算机与光声发射装置通信连接，以对上行蓝绿光光波信号和上行声波信号的发射进行调控。

3.根据权利要求2所述的基于光声融合的空海跨介质双向通信系统，所述光声发射装置包括蓝绿激光器和发射换能器，所述蓝绿激光器用于向水面上发射上行蓝绿光光波信号，所述发射换能器用于将机械波转换为声波，以向水面上发射上行声波信号；所述光声接收装置包括蓝绿光接收器和接收换能器，所述蓝绿光接收器用于接收下行蓝绿光光波信号，所述接收换能器用于接收下行声波信号。

4.根据权利要求2所述的基于光声融合的空海跨介质双向通信系统，其特征在于，所述双波长激光器包括两个出光口，分别用于所述第一激光束和第二激光束的出射；所述空中机动平台上还布设有位于第一激光束出射光路上的扩束系统、第一反射镜和长焦距聚焦镜，所述第一激光束依次经过扩束系统、第一反射镜和长焦距聚焦镜后射入水中且在水面聚焦，以向水下辐射下行声波信号；所述空中机动平台上还布设有位于第二激光束出射光路上的第二反射镜，所述第二激光束经过第二反射镜后直接穿透水面射入水下，以向水下辐射下行蓝绿光光波信号。

5.根据权利要求3所述的基于光声融合的空海跨介质双向通信系统，其特征在于，所述空中机动平台上还设有下行通信编码模块，所述下行通信编码模块通过四频率BPSK信号调制方式，发射四种不同的重复频率，实现对下行通信信息的编码；所述空中计算机与下行通信编码模块通信连接，以根据编码后的下行通信信息对双波长激光器进行调控，使其向水面发射携带有下行编码信号的第一激光束和第二激光束，所述第一激光束击穿水面产生携带有下行编码信号的下行声波信号；所述水下机动平台上还设有上行通信编码模块，所述上行通信编码模块通过四频率BPSK信号调制方式，发射四种不同的重复频率，实现对上行通信信息的编码；所述水下计算机与上行通信编码模块通信连接，以根据编码后的上行通信信息对光声发射装置进行调控，使其向水面上发射携带有上行编码信号的上行声波信号和上行蓝绿光光波信号，所述上行声波信号撞击水面产生携带有上行编码信号的水面微波纹。

6.根据权利要求5所述的基于光声融合的空海跨介质双向通信系统，其特征在于，所述双波长激光器内置有调制器，所述调制器位于双波长激光器谐振腔外的光路中；当所述双波长激光器发出的激光束经过调制器时，所述调制器通过调制电压改变激光束的幅度、相位和频率，得到携带有下行编码信号的第一激光束和第二激光束。

7.基于光声融合的空海跨介质双向通信方法，其特征在于，采用如权利要求5所述的基于光声融合的空海跨介质双向通信系统进行，包括以下步骤：

空对海下行通信步骤，具体为：下行通信编码模块基于四频率BPSK信号调制方式对下行通信信息进行编码，得到编码后的下行通信信息，空中计算机据此调控双波长激光器，使其向水面发射波长1064nm的第一激光束和波长532nm的第二激光束；第一激光束击穿水面产生下行声波信号，接收换能器接收下行声波信号，实现空对海下行声学信道的建立；第二激光束直接穿透水面射入水下传输下行蓝绿光光波信号，蓝绿光接收器接收下行蓝绿光光波信号，实现空对海下行光学信道的建立；光声接收装置将接收到的下行声波信号和下行蓝绿光光波信号传输到水下计算机进行解调，得到解调后的下行通信信息，完成空对海下行通信；当所述空对海下行通信步骤应用于空对海短距离下行通信时，分别以下行蓝绿光光波信号和下行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径内的下行数据传输业务；当所述空对海下行通信步骤应用于空对海中长距离下行通信时，以下行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径外的下行数据传输业务；下行蓝绿光光波信号还对空对海下行声波通信起方向引导作用；

海对空上行通信步骤，具体为：上行通信编码模块基于四频率BPSK信号调制方式对上行通信信息进行编码，得到编码后的上行通信信息，水下计算机据此调控发射换能器和蓝绿激光器，使其分别向水面上发射上行声波信号和上行蓝绿光光波信号；上行声波信号撞击水面产生水面微波纹，毫米波雷达向水面发射调频连续波射频信号以获得水面微波纹的回波信号，实现海对空上行声学信道的建立；上行蓝绿光光波信号被毫米波雷达内的蓝绿光探测单元接收，实现海对空上行光学信道的建立；毫米波雷达将获得的回波信号和上行蓝绿光光波信号传输到空中计算机进行解调，得到解调后的上行通信信息，完成海对空上行通信；当所述海对空上行通信步骤应用于海对空短距离上行通信时，分别以上行蓝绿光光波信号和上行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径内的上行数据传输业务；当所述海对空上行通信步骤应用于海对空中长距离上行通信时，以上行声波信号为载波完成面向蓝绿光衰减半径外的上行数据传输业务；上行蓝绿光光波信号还对海对空上行声波通信起方向引导作用。

8.根据权利要求7所述的基于光声融合的空海跨介质双向通信方法，其特征在于，在进行空对海短距离下行通信时，将下行蓝绿光光波信号携带的光载波信息和下行声波信号携带的声载波信息进行信息互校验操作；在进行海对空短距离上行通信时，将上行蓝绿光光波信号携带的光载波信息和上行声波信号携带的声载波信息进行信息互校验操作；当发送方将相同信息编译于光载波和声载波时，信息互校验操作用于执行丢包和误码检查，以最小化丢包率和误码率；当发送方将不同信息调制于光载波和声载波时，信息互校验操作用于执行数据还原。

9.根据权利要求7所述的基于光声融合的空海跨介质双向通信方法，其特征在于，当以下行蓝绿光光波信号为载波时，发送方和接收方通过空对海下行光学信道连接，并采用相同的工作波长、通信协议和加密方案；当以上行蓝绿光光波信号为载波时，发送方和接收方通过海对空上行光学信道连接，并采用相同的工作波长、通信协议和加密方案。

10.根据权利要求7所述的基于光声融合的空海跨介质双向通信方法，其特征在于，当以下行蓝绿光光波信号或上行蓝绿光光波信号为载波时，均通过精准跟瞄、通信信号发送、微弱信号解析完成面向蓝绿光衰减半径内的数据传输业务。