[发明专利]一种深海垂直水声通信的解调方法

说明书

本发明提供了一种深海垂直水声通信的解调方法，将信号检测中的随机共振方法应用到2FSK解调中，并采用频率缩放的方法将随机共振应用于水声通信的大参数信号中，在数据解调的过程中采用随机共振的方法，提高接收端信号的信噪比，从而降低信号的误码率，实现信号传输的可靠性。本发明提出的方法具有较低的误码率，提高了水声通信的有效性和可靠性，说明提出的方法在深海垂直信道中具有较好的应用前景，对深海钻井隔水管监测信息的无线实时传输有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于水下通信领域，涉及随机共振、信号处理、信号解调等理论。

背景技术

21世纪，以高科技为依托、以海洋为载体的新一轮军事、经济竞争拉开帷幕，海洋石油钻探开发当之无愧是海洋竞争的重头戏。在进行钻井作业时，隔水管将钻井船(或浮式钻井平台)与海底井口连接在一起。因此，深海钻井隔水管系统的受力状态和周围海洋环境影响隔水管的寿命和钻井平台的正常工作。目前隔水管的深海环境和受力状态监测信息主要采用有线线缆传输或者是记录离线信息传输等两种方法。但存在的问题在于有线传输将导致管线维护困难，电缆敷设费用昂贵，离线信息传输将导致不能实时有效的获取检测信息。

利用水声信道传输数据可以实时有效的检测隔水管的信息，对隔水管系统的使用和管理起到了至关重要的作用。隔水管是极其垂直的结构，连接海上的船只和海底的井口。在隔水管的两端分别放置两个声收发器，两者通过隔水管进行双向通信，因此可以认为水声信道为垂直信道。由于直达径和多径之间的信号强度信号差异较大，因此在深海垂直信道中多径对水声通信的影响较小。并且多普勒效应是由于海水湍流和海面波浪运动引起的，针对深海垂直信道的影响较小。但存在的主要问题是信号的幅度衰减较为严重，导致水声信号在深海垂直信道中为低信噪比传输，影响水声通信可靠性。

近年来，在信号检测领域，随机共振在提高低信噪比下的信号检测能力等方面起到至关重要的作用，但目前并未将随机共振的方法应用到水声通信中进行数据解调。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于深海垂直通信的基于频率缩放的随机共振信号解调方法，用于信号处理的随机共振方法用于深海垂直水声通信中，能够提高深海垂直水声通信的可靠性，对隔水管的安全监测起到至关重要的作用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，发射机产生2FSK调制后的发射信号s(t)＝Asin(2πf₁t)+Asin(2πf₂t)，调制信号的两个频率为f₁、f₂，A表示发送端信号的幅值，π表示圆周率，t表示信号时间；

第二步，经过深海垂直水声信道后，接收机接收信号n(t)为深海垂直水声信道的环境噪声；

第三步，通过带通滤波器得到带内信号B(t)，其中带通滤波器设置的频率[f_L，f_H]包括调制信号的两个频率为f₁、f₂；

第四步，建立两个不同频率的一阶双稳态随机共振系统模型其中，x为双稳态随机共振系统的输出信号，经过两个不同的随机共振模型，得到不同的输出信号x₁(t)、x₂(t)；a、b为匹配双稳态随机共振系统参数，为深海垂直信道背景噪声方差，f_c表示为不同的信号频率f₁、f₂，不同的信号频率对应不同的系统参数a₁、b₁和a₂、b₂。

第五步，确定频率缩放因子其中，f_ref为设定的参考信号频率，不同的信号频率对应不同的频率缩放因子α₁、α₂；

第六步，用四阶龙格库塔方法求解随机共振模型，得到输出信号x；