一种远程水声通信系统及其控制方法与流程

本发明涉及水声通信
技术领域：
，尤指一种远程水声通信系统及其控制方法。
背景技术：
：随着人们对海洋资源的进一步研究和利用，水声通信越来越受到人们的重视，然而，通信信号在海水中传播时，声强在海水中的传播衰减严重，原因可以归纳为三个方面：(1)扩展损失：由于声波波阵面在传播过程中不断扩展而引起的声强衰减，也称几何衰减；(2)吸收损失：通常指由于介质粘滞、热传导以及其他驰豫过程引起的声强衰减；(3)散射：由泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质不均匀性引起。现有技术中，远程水声通信的传输距离在20km至200km之间，通信信号经过远距离的传播之后衰减严重，进而导致误码率增大以至无法正常通信。因此，如何克服通信信号在海水中传播时信号衰减严重的问题，实现水声通信的更远距离传输是急需解决的问题。技术实现要素：本发明实施例提供一种远程水声通信系统及其控制方法，用以解决现有技术中存在的由于通信信号在海水中传播时信号衰减严重，导致的无法实现水声通信的更远距离传输的问题。本发明实施例提供了一种远程水声通信系统，包括：多个分布于浅海区域的浅海通信模块，以及多个分布于大洋声道区域的深海通信模块；其中，在距离所述浅海通信模块的预设范围内，每一个所述浅海通信模块对应至少一个所述深海通信模块；所述浅海通信模块，用于在作为通信信号发射端与目标浅海通信模块进行通信时，将通信信号发送至对应的任意一个所述深海通信模块；在作为通信信号接收端与所述目标浅海通信模块进行通信时，接收对应的深海通信模块转发的通信信号；所述深海通信模块，用于在接收到对应的所述浅海通信模块发送的通信信号时，采用低频无线的方式将所述通信信号转发至所述目标浅海通信模块对应的任意一个所述深海通信模块；在接收到其他所述深海通信模块转发的通信信号时，将所述通信信号发送至对应的所述目标浅海通信模块。在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述远程水声通信系统中，每一个所述浅海通信模块仅与一个所述深海通信模块对应。在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述远程水声通信系统中，各所述浅海通信模块与距离最近的所述深海通信模块对应。在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述远程水声通信系统中，所述深海通信模块，还用于确定对应的所述浅海通信模块的位置，并跟随对应的所述浅海通信模块同步移动。在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述远程水声通信系统中，所述浅海通信模块与对应的所述深海通信模块之间采用高频无线、电缆或光纤的方式传输通信信号。在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述远程水声通信系统中，各所述深海通信模块之间采用正交频分复用的传输模式发送通信信号。本发明实施例还提供了一种上述远程水声通信系统的控制方法，包括：浅海通信模块在作为通信信号发射端与目标浅海通信模块进行通信时，将通信信号发送至对应的任意一个深海通信模块；所述深海通信模块在接收到对应的所述浅海通信模块发送的通信信号时，采用低频无线的方式将所述通信信号转发至所述目标浅海通信模块对应的任意一个所述深海通信模块；所述深海通信模块在接收到其他所述深海通信模块转发的通信信号时，将所述通信信号转发至对应的所述目标浅海通信模块；所述浅海通信模块在作为通信信号接收端与所述目标浅海通信模块进行通信时，接收对应的深海通信模块转发的通信信号。在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述远程水声通信系统的控制方法中，还包括：深海通信模块确定对应的所述浅海通信模块的位置，并跟随对应的所述浅海通信模块同步移动，以保持在距离对应的所述浅海通信模块的预设范围内。在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述远程水声通信系统的控制方法中，所述浅海通信模块与对应的所述深海通信模块之间采用高频无线、电缆或光纤的方式传输通信信号。在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述远程水声通信系统的控制方法中，各所述深海通信模块之间采用正交频分复用的传输模式发送通信信号。本发明有益效果如下：本发明实施例提供的一种远程水声通信系统及其控制方法，该远程水声通信系统，包括：多个分布于浅海区域的浅海通信模块，以及多个分布于大洋声道区域的深海通信模块；其中，在距离浅海通信模块的预设范围内，每一个浅海通信模块对应至少一个深海通信模块；浅海通信模块，用于在作为通信信号发射端与目标浅海通信模块进行通信时，将通信信号发送至对应的任意一个深海通信模块；在作为通信信号接收端与目标浅海通信模块进行通信时，接收对应的深海通信模块转发的通信信号；深海通信模块，用于在接收到对应的浅海通信模块发送的通信信号时，采用低频无线的方式将通信信号转发至目标浅海通信模块对应的任意一个深海通信模块；在接收到其他深海通信模块转发的通信信号时，将通信信号转发至对应的目标浅海通信模块。本发明实施例提供的远程水声通信系统，利用低频声信号在大洋声道区域中传输时通信信号的损耗极低的原理，在距离浅海通信模块预设范围内的大洋声道区域设置至少一个与各浅海通信模块对应的深海通信模块，通过浅海通信模块将通信信号发送至对应的任意一个深海通信模块，深海通信模块采用低频无线的方式将通信信号转发至目标浅海通信模块对应的任意一个深海通信模块，再由该深海通信模块将通信信号转发至目标浅海通信模块。由于低频的通信信号在大洋声道区域中传输的损耗极小，深海通信模块之间可以相距几千公里，从而实现通信信号在海水中的更远距离传输。附图说明图1为本发明实施例提供的一种远程水声通信系统的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种远程水声通信系统的信号交互示意图；图3为本发明实施例提供的上述远程水声通信系统的控制方法的流程图。具体实施方式针对现有技术中存在的由于通信信号在海水中传播时信号衰减严重，导致的无法实现水声通信的更远距离传输的问题，本发明实施例提供一种远程水声通信系统及其控制方法。下面结合附图，对本发明实施例提供的远程水声通信系统及其控制方法的具体实施方式进行详细地说明。附图中各模块的大小和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本
发明内容。本发明实施例提供了一种远程水声通信系统，如图1所示，包括：多个分布于浅海区域的浅海通信模块101，以及多个分布于大洋声道区域的深海通信模块102；其中，在距离浅海通信模块101的预设范围内，每一个浅海通信模块101对应至少一个深海通信模块102；浅海通信模块101，用于在作为通信信号发射端与目标浅海通信模块101进行通信时，将通信信号发送至对应的任意一个深海通信模块102；在作为通信信号接收端与目标浅海通信模块101进行通信时，接收对应的深海通信模块102转发的通信信号；深海通信模块102，用于在接收到对应的浅海通信模块101发送的通信信号时，采用低频无线的方式将通信信号转发至目标浅海通信模块101对应的任意一个深海通信模块102；在接收到其他深海通信模块102转发的通信信号时，将通信信号转发至对应的目标浅海通信模块101。本发明实施例提供的远程水声通信系统，利用低频声信号在大洋声道区域中传输时通信信号的损耗极低的原理，在距离浅海通信模块101预设范围内的大洋声道区域设置至少一个与各浅海通信模块101对应的深海通信模块102，通过浅海通信模块101将通信信号发送至对应的任意一个深海通信模块102，深海通信模块102采用低频无线的方式将通信信号转发至目标浅海通信模块101对应的任意一个深海通信模块102，再由该深海通信模块102将通信信号转发至目标浅海通信模块101。由于低频的通信信号在大洋声道区域中传输的损耗极小，深海通信模块102之间可以相距几千公里，从而实现通信信号在海水中的更远距离传输。应当说明的是，本发明实施例中提到的“浅海”或“深海”和现有技术中本领域技术人员理解的“浅海”或“深海”的概念相同，例如“浅海”可以但不限于理解为水深小于500米的区域，“深海”可以但不限于理解为水深大于500米的区域。以下对低频声信号在大洋声道区域中传输时损耗极低的原理进行说明：通信信号以声信号的形式在海水中传输时，声信号的声速与海水中的温度、压力以及盐度等因素有关，温度越低，声速越慢；压力越大，声速越快。海水中的温度变化是由太阳照射造成的，所以温度随着海水深度的增加而降低，而压力随着海水深度的增加而增大。因此，随着海水深度的增加，声信号的声速先是由于海水温度的降低而变慢，当海水温度达到最低值时，温度基本不会再变化，随着海水深度的继续增加，声速就会随着海水压力而变快。因而，声信号在海水中传播的声速在整个大洋中形成了上下两层，在上层声速随深度增加而降低，在下层声速随深度增加而增大，两层交界处形成了特殊的声学波导通道即声道轴，由于声信号在传播时总是向声速较低的方向弯曲，所以，声信号在声道轴上下方传播时，都会折回到声道轴，使声信号的能量集中在声道轴上下一定厚度的水层中，能量损失极小。当声信号偏离声道轴较小角度传播时，声信号依靠折射现象与声学波导通道耦合，不易被海水吸收的低频信号在声学波导通道中传输时，能够以极低损耗实现远距离传输。其中，声道轴一般位于水深为900～1300米处，平均在水深为1200米左右的位置，但是声道轴的位置会随地理位置的不同而不同，例如，在热带某些海域的声道轴，却可深达2000米，而温带海域的声道轴的位置则随纬度的增加而上升，可升到200～500米深处，在地球两极地区的海域，声道轴位于海面附近。因此，在具体实施时，可以根据实际的地理位置，将深海通信模块设置在声道轴附近的位置，深海通信模块的位置越靠近声道轴，声信号的损耗越小，从而通信信号传播的距离越远。在具体实施时，浅海通信模块101一般位于水深约为300米的浅海区域。各浅海通信模块101可以设置在浅海水下船艇中，水下船艇设置在水深约为300米的位置，在保证水下船艇容易下潜到该位置的同时，可以使浅海通信模块101在传输通信信号时，不易受到海水表面其他因素的影响。本发明实施例提供的上述远程水声通信系统，利用上述低频声信号在大洋声道区域中传输时损耗极低的原理，在距离浅海通信模块101预设范围内的大洋声道区域设置至少一个与每一个浅海通信模块101对应的深海通信模块102，预设范围可以为浅海通信模块101能够将通信信号发送至深海通信模块102的最大距离，可以根据实际发送通信信号的方式来决定预设范围的大小。如图1所示，图1中以两个浅海通信模块101分别对应多个深海通信模块102为例进行示意，并不对浅海通信模块101和深海通信模块102的数量进行限定。在具体实施时，可以设置多个深海通信模块102，从而在深海中形成深海通信网络，设置一个浅海通信模块101对应多个深海通信模块102，以便实现不同功能的通信信号的传输，或者作为备用深海通信模块102。由于低频通信信号在大洋声道区域中损耗极低，可以设置各深海通信模块102之间的距离为数千公里，从而实现通信信号在海水中的远距离传输，该传输距离可以达到数千公里，远远超出了现有技术中20km到200km的传输距离。在实际应用中，各浅海通信模块101可以设置在浅海区域的水下船艇中，各深海通信模块102优选为位于对应的浅海通信模块101的正下方，这样个深海通信模块102与对应的浅海通信模块101的距离最近，减小深海通信模块102与对应的浅海通信模块101之间传输通信信号的损耗，在实际应用中，也可以根据实际海水中的温度、压力以及水流速度等影响因素设置各深海通信模块102的位置，此处不做限定。参见图2，以两个浅海通信模块分别对应两个深海通信模块为例，对本发明实施例提供的上述远程水声通信系统中的信号交互过程进行说明，其中，浅海通信模块A对应深海通信模块A′，浅海通信模块B对应深海通信模块B′，包括以下步骤：S201、浅海通信模块A将通信信号发送至深海通信模块A′；S202、深海通信模块A′采用低频无线的方式将通信信号转发至深海通信模块B′；S203、深海通信模块B′将通信信号转发至浅海通信模块B；S204、浅海通信模块B接收通信信号。具体地，本发明实施例提供的上述远程水声通信系统中，每一个浅海通信模块101仅与一个深海通信模块102对应。这样，在距离浅海通信模块101的预设范围内，设置一个深海通信模块102即可，从而使系统更加简洁，更容易控制通信信号的传输过程。该深海通信模块102优选设置在浅海通信模块101的垂直位置处，从而使浅海通信模块101与深海通信模块102之间传输通信信号时，产生的损耗较小。更具体地，本发明实施例提供的上述远程水声通信系统中，各浅海通信模块101与距离最近的深海通信模块102对应。在距离浅海通信模块101的预设范围内，存在多个深海通信模块102时，浅海通信模块101与距离最近的深海通信模块102对应，从而在通信信号发送过程中，产生的损耗较小。进一步地，本发明实施例提供的上述水声通信系统中，深海通信模块102，还用于确定对应的浅海通信模块101的位置，并跟随对应的浅海通信模块101同步移动。这样，可以使深海通信模块102保持在距离对应的浅海通信模块101的预设范围内。具体地，可以采用以下方式控制深海通信模块102跟随对应的浅海通信模块101：方式一：深海通信模块102每隔设定时间获取对应的浅海通信模块101的位置信息，根据该位置信息跟随对应的浅海通信模块101同步移动；在实际应用中，可以通过深海通信模块102每隔一段时间(例如10s、20s或30s等)获取对应的浅海通信模块101的位置，以跟随对应的浅海通信模块101同步移动；方式二：深海通信模块102通过通信浮标获取对应的浅海通信模块101的位置信息，根据获取的位置信息跟随对应的浅海通信模块101同步移动；在实际应用中，可以通过设置与浅海通信模块对应的通信浮标来实现；方式三：深海通信模块102通过连接部件与对应的浅海通信模块连接，以跟随对应的浅海通信模块101同步移动；例如采用锁链将深海通信模块与对应的浅海通信模块连接在一起。通过深海通信模块102跟随对应的浅海通信模块101同步移动，从而保证浅海通信模块101与深海通信模块102之间能够顺利的传输通信信号。上述三种跟随方式是本发明的优选实施方式，在实际应用中，也可以采用其他方式，，此处不做限定。具体地，本发明实施例提供的上述水声通信系统中，浅海通信模块101与对应的深海通信模块102之间采用高频无线、电缆或光纤的方式传输通信信号。在实际应用中，在进行远程水声通信时，由于浅海通信模块101与对应的深海通信模块102之间的距离远小于各浅海通信模块101之间的距离，例如，一般浅海通信模块101与对应的深海通信模块102之间的距离大约为一千米，通信信号经过该距离的传输损耗不会很大，所以浅海通信模块101与对应的深海通信模块102之间可以采用多种方式传输通信信号，例如可以采用高频无线、电缆或光纤等方式。具体地，本发明实施例提供的上述远程水声通信系统中，各深海通信模块102可以包括水听器阵列，优选为包括光纤光栅型水听器阵列。在各深海通信模块102中集成光纤光栅型水听器阵列，能够实现最佳的通信信号接收能力。光纤光栅型水听器基于光纤布拉格光栅反射波长随外界应力变化而移动的原理，在一根光纤上刻写多个光纤光栅，易构成分布式传感。在水声信号为100Hz时可达到0.61MHz/Pa的灵敏度。比干涉型光纤水听器具有更高的灵敏度。将光纤光栅型水听器阵列集成在深海通信模块102中，采用时分复用技术控制各光纤光栅型水听器，在光纤光栅型水听器阵列组装过程中，要解决存在数以千计的大量器件时保证系统的光学均衡。在具体实施时，本发明实施例提供的上述远程水声通信系统中，各深海通信模块102之间采用正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)的传输模式发送通信信号。各深海通信模块102之间采用正交频分复用的传输模式发送通信信号，可以提高通信信道的承载能力。通过去除循环前缀(CyclicPrefix,CP)以提高通信速率，采用频域自适应均衡算法以克服多径效应，从而提高了非相关频移键控水声通信的频率利用率和信号通信速率。多载波通信系统是将整体的带宽资源划分为多个独立的窄带子信道，在子信道上实行并行地信息传输，多载波通信的关键在于信道资源的高效划分和通信方式的合理选择，减少子信道间的干扰。与一般的OFDM技术不同，本发明实施例中的OFDM将一个用户的通信信息分割成虚拟的多用户，利用OFDM机制进行通信，以提供信道承载能力。在各子信道可以灵活采用振幅键控(Amplitude-shiftKeyin，ASK)、频移键控(Frequency-shiftkeying，FSK)、相移键控(phase-shiftkeying，PSK)、多进制正交幅度调制(MultipleQuadratureAmplitudeModulation，MQAM)等多种调制方式，其中FSK可靠性较高，MQAM传输速率较高，根据信道状态自适应选择调制方式。相比单载波通信，OFDM使每个子频带上的比特率显著降低，提升了每个码元的持续时间，有比较强的抗多径能力，适合在多径恶劣的水声信道环境中应用。在不同深度的海域，随收发距离的不同，其构成多径信道的结构是不同的，在非视线(notlineofsight，NLOS)传播环境下，接收信号的幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布。需要建立不同通信环境条件下的信号衰落的补偿。OFDM信号采用循环前后缀的方式作为保护时间间隔，针对传统的频域自适应均衡算法需要较长的循环前缀的情况，引入判决反馈自适应的均衡算法，跟踪信道性能，克服较长循环前缀的要求。进一步地，本发明实施例提供的上述远程水声通信方法中，多个深海通信模块102构成自组网，各深海通信模块102还用于作为中继节点转发通信信号。多个深海通信模块102构成自组网，使各深海通信模块102之间可以互相转发通信信号，从而可以使通信信号传输的距离更长。多个深海通信模块102构成自组网，实现了在没有基础设施(例如基站)的情况下，也能够实现各深海通信模块102之间的无线通信。各深海通信模块102还用于作为中继节点转发通信信号，从而可以进一步增加通信信号的传输距离。在实际应用时，若作为发射端的浅海通信模块101与目标浅海通信模块101之间的距离比较长，在作为发射端的浅海通信模块101将通信信号发送至对应的深海通信模块102之后，该深海通信模块102可以将通信信号转发至其他的深海通信模块102，然后再通过其他的深海通信模块102将通信信号转发至目标浅海通信模块101对应的深海通信模块102。以作为发射端的浅海通信模块101对应的深海通信模块为A，目标浅海通信模块101对应的深海通信模块为B进行举例说明。深海通信模块A和深海通信模块B之间的距离较远，深海通信模块A可以通过深海通信模块C作为中继节点将通信信号转发至深海通信模块B；或者，深海通信模块可以通过深海通信模块C转发至深海通信模块D，然后再转发至深海通信模块B。此处只是举例说明深海通信模块作为中继节点转发通信信号的作用，并不限定通信信号的转发次数，在实际应用中，可以根据作为发射端的浅海通信模块101与目标浅海通信模块101之间的实际距离，通信信号衰减情况以及各深海通信模块102在深海中的实际位置等因素来确定转发次数。在具体实施时，本发明实施例提供的上述远程水声通信系统中，各深海通信模块102之间发送通信信号的频率小于1kHz。各深海通信模块102之间发送通信信号的频率不同时，通信信号的吸收衰减情况，如表1所示，表1中以海水中的PH＝8.15，海水盐盐溶度S＝35‰，温度T＝15℃为例。表1：海水中的通信信号传输时吸收衰减情况频率f(kHz)0.51.03.57.0吸收系数α(dB/km)0.0250.0740.2770.6310km吸收衰减(dB)0.250.742.776.3100km吸收衰减(dB)2.57.427.7631000km吸收衰减(dB)2574277630从表可看出，通信信号的频率选用1kHz以下的低频声信号时，吸收系数以及各深度的吸收衰减都比较小，对大于1000km的深海超远程通信优选为选用0.5kHz以下的低频声信号。选择低频无线的方式发送通信信号的好处是：低频信号传播起伏的时间相关半径长，发射信号的脉冲响应时间远小于相位起伏的时间相关半径，因此在发射信号的持续时间内传播相位起伏可以忽略，频散效应、多径效应的影响小，多普勒频移小，信道稳定性高，容易获得时间增益。基于同一发明构思，本发明实施例提供一种上述远程水声通信系统的控制方法，由于该控制方法解决问题的原理与前述一种远程水声通信系统相似，因此该控制方法的实施可以参见上述远程水声通信系统的实施，重复之处不再赘述。如图3所示，该控制方法包括：S301、浅海通信模块在作为通信信号发射端与目标浅海通信模块进行通信时，将通信信号发送至对应的任意一个深海通信模块；S302、深海通信模块在接收到对应的浅海通信模块发送的通信信号时，采用低频无线的方式将通信信号转发至目标浅海通信模块对应的任意一个深海通信模块；S303、深海通信模块在接收到其他深海通信模块转发的通信信号时，将通信信号转发至对应的目标浅海通信模块；S304、浅海通信模块在作为通信信号接收端与目标浅海通信模块进行通信时，接收对应的深海通信模块转发的通信信号。具体地，本发明实施例提供的上述控制方法中，还包括(图中未示出)：浅海通信模块控制对应的深海通信模块同步移动，以使深海通信模块位于距离浅海通信模块的预设范围内。进一步地，本发明实施例提供的上述控制方法中，各深海通信模块之间采用正交频分复用的传输模式发送通信信号。更进一步地，本发明实施例提供的上述控制方法中，各深海通信模块之间发送的通信信号的频率小于1kHz。具体地，本发明实施例提供的上述控制方法中，浅海通信模块与对应的深海通信模块之间采用高频无线、电缆或光纤的方式传输通信信号。本发明实施例提供的一种远程水声通信系统及其控制方法，利用低频声信号在大洋声道中传输时通信信号的损耗极低的原理，在距离浅海通信模块预设范围内的大洋声道区域设置至少一个与各浅海通信模块对应的深海通信模块，通过浅海通信模块将通信信号发送至对应的任意一个深海通信模块，深海通信模块采用低频无线的方式将通信信号转发至目标浅海通信模块对应的任意一个深海通信模块，再由该深海通信模块将通信信号转发至目标浅海通信模块。由于低频的通信信号在大洋声道区域中传输的损耗极小，深海通信模块之间可以相距几千公里，从而实现通信信号在海水中的更远距离传输。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。当前第1页1 2 3