一种遥控水声通信系统及无人水下航行器技术方案

一种遥控水声通信系统及无人水下航行器，包括用于发出控制信号的水声发射机和用于接收所述控制信号的水声接收机，所述水声发射机与所述水声接收机通过声波进行通信连接；所述航行器上设有所述水声接收机，用于控制所述航行器在水中航行的控制台上设有所述水声发射机。本申请的有益效果是：能够利用特定频段的声波取代或者作为备份来实现对无人水下航行器的远距离潜行的控制。

【技术实现步骤摘要】
一种遥控水声通信系统及无人水下航行器
本申请属于无人水下航行器
，具体地说，涉及一种遥控水声通信系统及无人水下航行器。
技术介绍
随着我国开发利用海洋资源的力度逐步增加及海军装备建设的快速发展，在水下执行某种任务的无人水下航行器能够相互形成协同作业网络是未来必不可少的技术手段，它对于推进我国在近岸水下目标侦测、海洋资源探测、海底燃料开采、海底形态感知、潜艇协作编队、水下无人作战等相关应用领域具有重大经济、社会和军事意义。目前，传统的自主式水下航行器(AUV)和有线遥控无人潜水器(ROV)已经发展得比较成熟，例如我国中船重工集团710所研制的“海神”系列AUV、“猎手”系列ROV等无人水下航行器，但是该两种都难以实现远程遥控和组网的功能。其中，传统的AUV按照预定规划的水下路径进行自主式巡航，而传统的ROV则采用拖曳式线缆控制无人潜水器的潜行。前者按照预先设定好的路线进行工作因此任务灵活性不高，后者由于线缆的拖拽而活动区域具有一定限制。如果能够实现人为的对无人水下航行器进行无线远程控制，那么有助于协同作业网络的构建和管理。水声通信设备有不少，例如美国LinkQuest公司研发的UWM系列水声通信设备，但是这些水声通信设备都是“大而全”，结构复杂，成本昂贵，且不具备无线遥控功能。而且现役潜艇、科研潜水器上装配的无线数据传输设备采取特定频段的声波作为载体，但是这样的设备设计复杂、成本高。为了实现水下的无线遥控功能，微波通信、卫星导航等常用频段的电磁波在水下的快速衰减而无法使用；甚低频率无线电由于天线尺寸大、数据传输率低，因此应用受限，不适合小型水下机器人协作通信网络的构建；无线激光通信，传输速率可以达到兆比特/秒(Mb/s)量级，但光通信对于方向性要求较高，而且即使水下穿透性最好的蓝绿光在清澈水体中的传输距离也只能达数十米，而对于浑浊水体中更是难以传输，因此无法满足远程遥控的功能。为了实现水声通信，无人水下航行器装备的通信设备必须能够抵抗声波在水下条件遭遇的各种恶劣情况，特别是严重的多径传输效应。
技术实现思路
有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种遥控水声通信系统及无人水下航行器，能够利用特定频段的声波取代或者作为备份来实现对无人水下航行器的远距离潜行的控制。为了解决上述技术问题，本申请公开了一种遥控水声通信系统及无人水下航行器，并采用以下技术方案来实现。一种遥控水声通信系统，包括用于发出控制信号的水声发射机和用于接收所述控制信号的水声接收机，所述水声发射机与所述水声接收机通过声波进行通信连接。进一步的，所述声波的频率大于等于5kHz且小于等于900kHz。进一步的，所述水声发射机包括用于发出数字控制信号的数字命令发生器、用于将数字信号转换为模拟信号的模拟波形发生器、用于驱动声电换能器的换能器驱动电路和用于将电信号转换为声波信号的声电换能器，所述数字命令发生器、所述模拟波形发生器、所述换能器驱动电路和所述声电换能器依次电连接。更进一步的，所述模拟波形发生器包括上开关电路、下开关电路和储能电容电阻网络，所述上开关电路由缓存器驱动，所述下开关电路由反相器驱动；所述上开关电路和所述下开关电路的输入端均与所述数字命令发生器的命令输出端电连接；所述上开关电路和所述下开关电路的输出端分别与三输入端的变压器的两个输入端电连接；所述储能电阻电容网络的一端串接功率电阻后与电源正极电连接，另一端与所述变压器的另一个输入端电连接。更进一步的，所述换能器驱动电路包括杂波滤波电路，所述杂波滤波电路为阻容并联网络，所述阻容并联网络的两端分别与所述变压器的两个输出端电连接；所述阻容并联网络的两端还分别与声电换能器的两个引脚电连接。进一步的，所述水声接收机包括用于将声波信号转换为模拟电信号的声电换能器、对模拟电信号进行处理的声波处理电路、将模拟电信号转换为数字信号的模数转换电路和对数字信号进行处理的数字信号处理电路，所述声电换能器、所述声波处理电路、所述模数转换电路和所述数字信号处理电路依次电连接。更进一步的，所述声波处理电路包括放大电路、滤波网络、对数放大器和同相比例运算电路，所述放大电路、所述滤波网络、所述对数放大器和所述同相比例运算电路依次电连接，且相邻两个电路或网络之间串接隔直电容或滤波电容。进一步的，所述滤波网络包括第一级有源带通滤波网络和第二级有源带通滤波网络；所述第一级有源带通滤波网络和所述第二级有源带通滤波网络依次电连接，且二者之间串接隔直电容。一种对上述所述通信系统中水声接收机经模数转换后的数字信号进行数字信号处理的方法，步骤包括：S1、采用能量检测帧同步实现信号初步同步；S2、在卷积运算和匹配滤波后，对等效的基带信道进行估计；S3、采用频域均衡方法进行信道均衡；S4、对均衡后的数据流片段进行解码；S5、对解码后数据进行拼接，再判断帧头帧尾是否同时出现，若是进行数据段拼接，若否则返回信道估计；S6、进行命令标识判断，若是则传送给底层控制板进行控制，若否则返回S1。一种无人水下航行器，所述航行器上设有用于驱动航行器航行的驱动电路和如上所述的水声接收机，所述水声接收机的输出端与所述中控电路电连接；用于控制所述航行器在水中航行的控制台上设有如上所述的水声发射机；所述水声发射机和所述水声接收机通过声波通信连接。与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：通过声波通信实现水下环境控制指令的无线传输；可以抵抗水下存在的强烈的多径传输效应的影响；通信系统结构简单、成本低廉；本申请的无人水下航行器实现人为的对无人水下航行器进行无线远程控制，灵活性高。当然，实施本申请的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。附图说明此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1是本申请一个实施例的遥控水声通信系统结构框图。图2是本申请一个实施例的水声发射机结构框图。图3是本申请一个实施例的水声发射机中缓存器的组成图。图4是本申请一个实施例的水声接收机结构框图。图5是本申请一个实施例的单级有源带通滤波网络示意图。图6是本申请一个实施例的对数放大器电路结构图。图7是本申请一个实施例的同相比例运算电路。图8是本申请一个实施例的数模转换电路图。图9是本申请一个实施例的数字信号波形示意图。图10是本申请一个实施例的数字信号波形的包络示意图。图11是本申请一个实施例的一段信息对应的波形包络示意图。图12是本申请一个实施例的数字信号的帧结构示意图。图13是本申请一个实施例的前导的结构示意图。图14是本申请一个实施例的接收机信号处理流程框图。图15是本申请一个实施例的基于Matlab的性能测试图。图16是本申请一个实施例的无人水下航行器的系统框图。具体实施方式以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。根据特定频率范围的声波能够在水下进行远距离输出的特点，简化设备设计方式，利用声波取代或者作为备份来实行对无人水下航行器的潜行控制，即结合AUV和ROV的双重特点，设计一种用于无人水下航行器的遥控水声通信系统。频段在数kHz到数百kHz本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种遥控水声通信系统，其特征在于：包括用于发出控制信号的水声发射机和用于接收所述控制信号的水声接收机，所述水声发射机与所述水声接收机通过声波进行通信连接。

【技术特征摘要】
1.一种遥控水声通信系统，其特征在于：包括用于发出控制信号的水声发射机和用于接收所述控制信号的水声接收机，所述水声发射机与所述水声接收机通过声波进行通信连接。2.根据权利要求1所述遥控水声通信系统，其特征在于：所述声波的频率大于等于5kHz且小于等于900kHz。3.根据权利要求1或2所述遥控水声通信系统，其特征在于：所述水声发射机包括用于发出数字控制信号的数字命令发生器、用于将数字信号转换为模拟信号的模拟波形发生器、用于驱动声电换能器的换能器驱动电路和用于将电信号转换为声波信号的声电换能器，所述数字命令发生器、所述模拟波形发生器、所述换能器驱动电路和所述声电换能器依次电连接。4.根据权利要求3所述遥控水声通信系统，其特征在于：所述模拟波形发生器包括上开关电路、下开关电路和储能电容电阻网络，所述上开关电路由缓存器驱动，所述下开关电路由反相器驱动；所述上开关电路和所述下开关电路的输入端均与所述数字命令发生器的命令输出端电连接；所述上开关电路和所述下开关电路的输出端分别与三输入端的变压器的两个输入端电连接；所述储能电阻电容网络的一端串接功率电阻后与电源正极电连接，另一端与所述变压器的另一个输入端电连接。5.根据权利要求4所述遥控水声通信系统，其特征在于：所述换能器驱动电路包括杂波滤波电路，所述杂波滤波电路为阻容并联网络，所述阻容并联网络的两端分别与所述变压器的两个输出端电连接；所述阻容并联网络的两端还分别与声电换能器的两个引脚电连接。6.根据权利要求1或2所述遥控水声通信系统，其特征在于：所述水声接收机包括用于将声波信号转换为模拟电信号的声电换...

【专利技术属性】
技术研发人员：许涛，丁玮，曹晓冬，王晗，范玉进，田力，张建军，李羚梅，
申请(专利权)人：天津光电通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12