一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法，包括一个或多个水声-电磁波潜标和一个监控平台，水声-电磁波潜标将水声传感器接收的水下装置的水声信号先转换成电磁信号，主要经过导电率较小的介质中电磁波的侧面波传播路径传输到监控平台被接收；反过来，监控平台发射的电磁波控制信号经过类似的链路传输到水声-电磁波潜标。

【技术实现步骤摘要】
一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法
本专利技术属于海洋工程、海洋环境监测、水下无线电通信
，具体涉及一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法，利用电磁波实现水下信号隐蔽、安全、跨海水－空气界面无线传输的有效方法。
技术介绍
水下导航与通信、海洋中的信息与数据的跨界面传输、对海洋环境和港口及海岸线的实时监控等技术手段对国民经济的发展和军事应用有重要的价值。它们促使人们研究信息以合适的载体在海水、海水－空气界面、大气中安全、实时有效的传输。未来的海洋开发更需要构建水下无线传感器网络(UnderwaterWirelessSensorNetwork)，从而对于信息传输的实时性、准确性、高效性、及多介质中传输的需求更是不可避免的。令人遗憾的是，由于复杂多变的海洋环境，人类活动及海洋生物的干预，海水中的悬浮物质等使得目前的各种信息传输技术与方法都不能完全应对这种挑战。在专利文献的检索中，关于水下或跨海水－空气界面无线通信的方法，检索到五个专利。其中涉及水声通信，检索到两个美国专利：US6,130,859A，Methodandapparatusforcarryingouthighdatarateandvoiceunderwatercommunication和US4,975,890A，Underwatersoundtransmittingsystem。关于水下光波通信检索到两个中国专利：CN103,095,380A，水下无线光通信装置及其方法，CN201,110,038,544，LED光源水下短距离数据通信的方法及系统。关于水面通信浮标，检索到一个中国专利CN102,122,003B，一种远距离水声通信的方法和装置。根据专利和文献的分析及现有技术的使用，信息在海水中或跨海水－空气界面传输方法主要有以下几种：第一种：水声通信方法。这种方法是通过水声信道(海洋)，把水声信号由甲地传往乙地。此种方法的最大特点是信号传输全过程是在同一媒质(海水)中进行的，例如潜艇之间、潜艇与水面舰之间、蛙人之间的水声通信就是这种方法的典型应用。优点是通信距离远、可靠性高、技术成熟、广泛应用。水声通信方法的缺点是水声信道传输带宽有限、传输时延长、传输速率低，其传输速率随着距离的增大而降低。此外受海洋环境噪声以及浅海多途效应的影响大，难以跨越海水－空气界面进行传输也是限制其发展的重要因素。第二种：光波通信方法。这种方法是利用海水中某几个频段的光波衰减小，如波长在450～550纳米波段的蓝绿激光，通过类似于大气中的透光窗口，使得信息能够跨越海水—空气界面在海水中实现高速、大数据量通信。光学系统最大的局限是极易受到海水中悬浮物质的影响，在能见度很低的浑浊海水中，利用光波进行通信时，传播距离通常限制在几米的范围内。第三种：无线电浮标中继传输方法。这种方法是借助浮标构成一个水上无线电通信链路，将水声传感器采集的水声信号调制成无线电信号，从天线辐射出去，由此实现海水－空界面的跨越，并通过空中信道传到远端。例如无线电声纳浮标和一些水声遥测系统通过UHF/VHF或HF无线电波把水声信号传到飞机或水面平台或陆上基地进行信息处理。浮标传输方法的缺点是使用的载波频率高(UHF/VHF/HF)，它们只能作短距离的视线无线电传输。更重要的是，浮体位于海面之上，易被航行的舰船或作业渔船干扰和捕获，从而大大降低了其隐蔽性和安全性。以上分析表明，现有的各种水下或跨界面信号传输技术与方法，不是通信速率上不去、容量小、距离近、易受海洋环境的影响，就是应用成本高、采用中继、部署不灵活。其它的挑战还包括水下无线通信的安全性、隐蔽性、可靠性、稳定性和通信设备小型化以及降低使用成本的要求。
技术实现思路
要解决的技术问题为了克服现有水下无线通信方法的实时性差、界面影响大、隐蔽性差、通信速率低的严重缺点，本专利技术提出一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法，该系统及方法基于电磁波在海水－空气组成的分层导电介质中的传播特性，利用了侧面波成分，有效避免了电磁波在海水中直接传播时的巨大衰减，从而增加了传播距离。技术方案一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统，其特征在于包括水声-电磁波潜标和监控平台，其中水声-电磁波潜标位于海面下，监控平台位于水面或陆上或水下；所述的水声-电磁波潜标包括标载水声传感器、标载水声信号预处理器、标载调制解调器和标载中低频电磁波天线，标载水声传感器将水声信号转换成电信号，标载水声信号预处理器完成电信号的放大、滤波、增益控制、数字化与格式化，标载调制解调器将格式化的电信号调制到中低频的电磁波信号上，标载电磁波天线经过一段海水传播路径和靠近海面的空气中侧面波传播路径收发电磁波信号；所述的监控平台包括监控电磁波天线、监控调制解调器和监控处理器，监控电磁波天线接收来自水声-电磁波潜标的电磁波信号，并向水声-电磁波潜标发送控制命令，监控调制解调器解调与解码水声信号，监控处理器完成所需的各种水声信号处理计算和目标信息显示与系统控制。所述的水声-电磁波潜标为一个或多个。所述的标载水声传感器采用水平/垂直线列阵、扩展圆柱阵或体积阵、低频大孔径分布式随机阵。所述的标载电磁波天线、监控电磁波天线采用电偶极子天线或磁偶极子天线。所述的标载调制解调器和监控调制解调器采用模拟或数字的调制解调方式。一种利用跨海水－空气界面的电磁波传输系统实现的电磁波传输方法，其特征在于步骤如下：步骤1：标载水声传感器接收海洋中的水声信号并将水声信号转换成电信号；步骤2：标载水声信号预处理器对电信号进行放大、滤波、增益控制、数字化与格式化；步骤3：标载调制解调器将格式化的电信号调制到中低频的电磁波信号上；步骤4：标载电磁波天线将产生的中低频电磁波信号发射出去，中低频电磁波经过一段海水传播路径和靠近海面的空气中侧面波传播路径到达监控电磁波天线；步骤5：监控调制解调器将接收到的中低频电磁波信号进行解调与解码，提取水声信息；步骤6：监控处理器对提取的水声信息进行处理计算、信息显示。有益效果本专利技术提出的一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：1)能够克服现有水声通信方法的严重缺点(隐蔽性差、跨界面难、实时性差、声传播速度低)，提供一种直接用电磁波跨越水－空界面，主要以空气中的侧面波成分传输，可广泛应用于水下－水下、水下－水面、水下－陆上的水声信号传输的技术与方法。2)提供一种较远距离无线通信方法，使得均位于海底的装置之间可以利用电磁波的海底侧面波成分进行有效的通信或数据传输。避免了海底线缆的铺设，海洋环境的波动性和海底环境的复杂性导致的有物理联结的通信手段的不便性和不稳定性。3)能够扩展构建成水下无线传感器网络，提供一种能有效增强未来水下通信网络节点能力的技术与方法，以大大增加水下通信的带宽、通信速率和覆盖面。4)相比现有的水下有线传输、浮标中继传输，提供一种有较好安全性和隐蔽性，以及便利性的水声信号传输方法。5)能够提供一种使得水下通信设备部署灵活、使用方便、成本低廉、维护简单的技术与方法。附图说明图1：常规水声信道、有线电或浮标中继方式实现水声信号远距离传输的方法图2：采用跨海水－空气界面的电磁波传输方法图3：跨海水－空气界面的电磁波传输系统及方法1-潜标；2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统，其特征在于包括水声‑电磁波潜标和监控平台，其中水声‑电磁波潜标位于海面下，监控平台位于水面或陆上或水下；所述的水声‑电磁波潜标包括标载水声传感器(2)、标载水声信号预处理器(3)、标载调制解调器(4)和标载中低频电磁波天线(5)，标载水声传感器(2)将水声信号转换成电信号，标载水声信号预处理器(3)完成电信号的放大、滤波、增益控制、数字化与格式化，标载调制解调器(4)将格式化的电信号调制到中低频的电磁波信号上，标载电磁波天线(5)经过一段海水传播路径和靠近海面的空气中侧面波传播路径收发电磁波信号；所述的监控平台包括监控电磁波天线(6)、监控调制解调器(7)和监控处理器(8)，监控电磁波天线(6)接收来自水声‑电磁波潜标的电磁波信号，并向水声‑电磁波潜标发送控制命令，监控调制解调器(7)解调与解码水声信号，监控处理器(8)完成所需的各种水声信号处理计算和目标信息显示与系统控制。

【技术特征摘要】
1.一种跨海水－空气界面的电磁波传输系统，其特征在于包括水声-电磁波潜标和监控平台，其中水声-电磁波潜标位于海面下，监控平台位于水面或陆上或水下；所述的水声-电磁波潜标包括标载水声传感器(2)、标载水声信号预处理器(3)、标载调制解调器(4)和标载中低频电磁波天线(5)，标载水声传感器(2)将水声信号转换成电信号，标载水声信号预处理器(3)完成电信号的放大、滤波、增益控制、数字化与格式化，标载调制解调器(4)将格式化的电信号调制到中低频的电磁波信号上，标载中低频电磁波天线(5)经过一段海水传播路径和靠近海面的空气中侧面波传播路径收发电磁波信号；所述的监控平台包括监控电磁波天线(6)、监控调制解调器(7)和监控处理器(8)，监控电磁波天线(6)接收来自水声-电磁波潜标的电磁波信号，并向水声-电磁波潜标发送控制命令，监控调制解调器(7)解调与解码水声信号，监控处理器(8)完成所需的各种水声信号处理计算和目标信息显示与系统控制；所述的标载水声传感器(2)和标载中低频电磁波天线(5)分别联接到潜标的下方和上方，并且均位于海面以...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨坤德，王宏磊，郑琨，马远良，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61