[发明专利]一种空海跨介质直接双向通信方法

说明书

本发明提供一种空海跨介质直接双向通信方法，空海下行通信时，无线通信节点发射调制后的高能量微波脉冲至海面，基于热声效应，高能量脉冲将在海面激发声信号，水声通信节点通过捕获声信号解调下行信息；空海上行通信时，水声通信节点发射调制后的声波信号至海面，基于波动效应，声波将在海面激发微弱水面波纹，无线通信节点基于毫米波感知方法测量波纹信号解调上行信息。本发明所提出的跨介质通信方法能够摆脱中继节点的限制，实现一种便捷的空海跨介质直接双向通信方法，为实现海洋观测提供新思路。

技术领域

本发明涉及空海跨介质通信技术领域，具体而言，尤其涉及一种空海跨介质直接双向通信方法。

背景技术

空海跨介质通信问题是海洋观测领域的关键问题，随着人们对海洋世界的不断探索，空海跨介质通信问题也变得日益重要。然而，在空中具有良好传输特性的无线电波在水下急剧衰减，在水下具有良好传输特性的声波无法突破海面传至空中，因此，若利用常用频段下的信号进行通信需要额外借助中继通信节点，从而产生诸多限制。

现有空海跨介质通信方法主要有三种：超长波通信、基于中继浮漂通信和基于AUV的移动中继通信。超长波因其在空中与水下的低传输衰减特性及在水面的低反射特性而成为理想的空海双向通信媒介；然而，超长波通信系统天线尺寸巨大、易于暴露、难以部署、信息容量低，严重制约了其实际部署能力。近年来，支持无线与水声双模通信的海洋浮漂作为中继节点得到广泛部署，其工作原理如图1所示。进行通信的空海两终端需要在约定时间和位置将信号传入海面中继浮漂，由中继浮漂实现无线信号与声音信号之间的转化与发送，最后由无线通信节点和水声通信节点对各自信息进行接收。通信浮漂作为信息转发媒介高效地实现了观测数据传输及控制指令送达；然而，海洋浮漂中继节点可覆盖范围有限，易受风浪影响发生漂移，同时，不具备隐蔽性和灵活性，严重制约了其在军事、海洋观测等领域的应用。此外，基于AUV的移动中继节点可潜入水下基于水声通信采集数据，之后浮上水面基于无线通信传输数据；然而，该方法在便捷性和工作效率等方面仍存在不足。

发明内容

根据上述提出现有空海通信方法需要中继节点的技术问题，而提供一种空海跨介质直接双向通信方法。本发明利用了微波信号和声波信号在空气-水交界处的变化特征与传递信息之间的隐式对应关系，因此无需部署任何中继节点，能够克服已有空海跨介质通信方案中需要通信节点的不足。

本发明采用的技术手段如下：

一种空海跨介质直接双向通信方法，包括：

空海下行传输阶段利用微波诱导的热声效应实现信息传输；

空海上行传输阶段利用声波激发的波动效应实现信息传输。

进一步地，空海下行传输阶段利用微波诱导的热声效应实现信息传输，包括：

无线通信节点发射调制后的高能量微波脉冲至海面；

基于热声效应使高能量脉冲在海面激发声信号并继续向海下传输；

水声通信节点通过捕获声信号解调下行信息。

进一步地，无线通信节点发射调制后的高能量微波脉冲至海面，包括：

编码器将空中原始信息编码为二进制数据流；

采用OOK调制格式将编码数据流载入微波发射通讯节点，调制脉冲宽度设置1微秒，比特间隔设置为1毫秒；

发射天线根据调制信息向水面发射高能微波，编码数据流中的二进制单位“1”对应发射微波脉冲，编码数据流中二进制单位“0”对应不发射微波脉冲。

进一步地，水声通信节点通过捕获声信号解调下行信息，包括：

水下换能器根据单位时间内接收或没有接收声波的顺序判断发射二进制比特流的单元为“1”或“0”的顺序，进而对声信号完成解码。