基于时间差调制的光声异构物理场水下通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时间差调制的光声异构物理场水下通信方法，包括发送端调制和接收端解调，发送端将码元与帧头成帧后通过脉冲激光器传输至接收端，接收端接收水下声场信号进行非相干解调处理，使得光声信号呈现左边沿近乎垂直陡峭的单极性波形，采集非相干解调信号进行时间同步处理后，再对采集的码元数据进行基于差分处理的跳变检测和时间段匹配的操作，完成对码元时隙的时间差时刻的搜索，进而恢复出每个码元对应的个比特，完成解调。本发明专利技术提供了一种简单可行，可靠性好，通信速率较高的光声异构物理场水下通信调制方法，同时兼具了光声异构物理场水下通信非接触式等优点，可为构建实用化水上水下通信网络提供重要参考。要参考。要参考。

【技术实现步骤摘要】
基于时间差调制的光声异构物理场水下通信方法


[0001]本专利技术涉及水下通信或光声通信，具体涉及一种基于时间差调制的光声异构物理场水下通信方法。

技术介绍

[0002]在光声异构场水下通信中，通信速率与大功率脉冲激光器可使用的最大重复频率f有关，f越大，通信速率越快，但随着大功率脉冲激光器的重复频率逐渐增大，其输出的单脉冲能量会变得不稳定，从而导致激发的光声信号不稳定，因此为保证大功率脉冲激光器的单脉冲能量输出稳定，大功率脉冲激光器可使用的最大重复频率f较低，一般f为几Hz到上百Hz。
[0003]目前光声异构场水下通信使用的调制方法为二进制启闭键控(On
‑
Off Keying，简称OOK)或脉位调制(pulse position modulation，简称PPM)，这两种调制方法只通过有无光声信号两种状态来承载信息，由于大功率脉冲激光器低重复频率f的限制，使得传输的信息量受限，通信速率较低，进而限制了光声异构物理场水下通信的深入研究。

技术实现思路

[0004]针对上述情形，本专利技术提供一种简单可行，可靠性好，通信速率较高的基于时间差调制的光声异构物理场水下通信方法。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]基于时间差调制的光声异构物理场水下通信方法，包括发送端调制和接收端解调两部分：
[0007]发送端调制：通过最大重复频率f确定单个码元宽度T1+T2，T1表示信息时隙，T2表示静默时隙，通过抖动时间t确定单个码元的比特数量x，对信息时隙进行2x个的时间分段和相应时间差τ的计算，不同的时间差τ用于承载不同组合的x个比特，形成x个比特与时间差τ的一一的对应关系，根据比特信息与时间差τ的对应关系，确定传输比特对应的时间差τ，得到传输比特相应的码元，其中单个码元输出形式为：码元时隙初始时刻到τ时刻内输出低电平，在码元时隙的τ时刻后输出持续时间为T1+T2‑
τ的单极性归零脉冲，将码元与帧头成帧后通过脉冲激光器传输至接收端；
[0008]接收端解调：声探测器接收水下声场信号，通过非相干解调器对接收信号进行非相干解调处理，使得光声信号呈现左边沿近乎垂直陡峭的单极性波形，通过信息采集器对非相干解调信号进行采集，通过数据处理器对采集数据进行时间同步处理后，再对采集的码元数据进行基于差分处理的跳变检测和时间段匹配的操作，完成对码元时隙的时间差τ时刻的搜索，根据发送端调制x个比特与时间差τ一一对应的关系，进而恢复出每个码元对应的x个比特，完成解调，还原发送端信息。
[0009]进一步地，所述基于时间差调制的光声异构物理场水下通信方法，包括如下步骤：
[0010]S1，在发送端，PC1输出信息比特流；
[0011]S2，在发送端，x个比特对应单个码元，单个码元长度为两个时隙，第一个时隙为信息时隙，时隙宽度为第二个时隙为静默时隙，时隙宽度为T2，且T2≥T1，静默时隙用来保证大功率激光器的重复频率小于或等于f时，先对信息时隙进行2x个的时间分段和进行相应时间差τ的计算，再将不同的时间差τ用于承载不同组合的x个信息比特，形成x个比特信息与时间差τ的一一对应关系，然后将需传输的比特按照x个比特信息与时间差τ的对应关系，确定其对应的时间差τ，最后输出相应的码元，其中单个码元输出形式为：码元时隙初始时刻到τ时刻内输出低电平，在码元时隙的τ时刻后输出持续时间为T1+T2‑
τ的单极性归零脉冲；
[0012]S3，在发送端，将码元与帧头成帧后通过光源设备加载到接收端，其中聚焦物体凸透镜将光束会聚到水中，当会聚能量达到光击穿阈值，在光击穿机制下激发光声信号，光声信号持续时间长度为ms级别；
[0013]S4，在接收端，利用声探测器水听器实时捕捉光声信号为边沿杂乱的双极性波形，通过非相干解调器对光声信号进行处理后为左边沿近乎垂直陡峭的单极性波形，信息采集器数模转换器对非相干解调信号进行采集，数据存储到存储器内，对采集数据进行时间同步处理，时间同步处理步骤为：先进行帧同步后再进行码元同步；
[0014]S5，在接收端，达到时间同步后，对采集的码元数据进行基于差分处理的跳变检测，利用差分能量最大时刻作为跳变时刻的特性，进而获得光声信号起始时刻τ0，τ0为该码元中的正确时间差τ，通过时间段匹配的方法对τ0进行偏差矫正，即τ0若属于信息时隙中2
x
个时间段中的某个时间段内，则令τ0等于该时间段的时间差τ，再根据x个比特与时间差τ的对应关系，可恢复出码元携带的比特信息，完成解调。
[0015]S5中，对单个码元数据处理步骤如下：
[0016]S5
‑
1，通过基于差分处理的跳变检测和时间段匹配方法搜索时间差τ，对单个码元数据进行差分处理，利用单个码元数据中差分能量最大时刻即为跳变时刻的特性来确定光声信号起始时刻τ0；
[0017]在获得光声信号起始时刻τ0后通过时间段匹配方法进行τ0矫正，即τ0若在信息时隙中2
x
个时间段中的某个时间段内，则τ0等于该时间段的时间差τ；
[0018]S5
‑
2，在完成对码元时隙的时间差τ时刻的搜索后，根据x个比特与时间差τ的对应关系，进而可恢复出码元对应的比特信息，完成解调；
[0019]按照S5
‑
1到S5
‑
2单个码元数据处理步骤依次对全部码元数据进行处理，还原发送端信息。
[0020]本专利技术提出了一种基于时间差调制的光声异构物理场水下通信方法：
[0021]在发送端，对传输比特进行时间差调制，获得相应码元，其中单个码元输出形式为：码元时隙初始时刻到τ时刻内输出低电平，在码元时隙的τ时刻后输出持续时间为T1+T2‑
τ的单极性归零脉冲，将码元与帧头成帧后传输至接收端；
[0022]在接收端，非相干解调器对接收信号进行处理，使得光声信号呈现左边沿近乎垂直陡峭的单极性波形，信息采集器对非相干解调信号进行采集，数据处理器对采集数据进行时间同步处理后，再对采集的码元数据进行基于差分处理的跳变检测，利用差分能量最大时刻作为跳变时刻的特性，进而获得光声信号起始时刻τ0，一般来说τ0为该码元中的正确
时间差τ，但是实际上τ0与τ存在偏差，需通过时间段匹配的方法对τ0进行偏差矫正，即τ0若属于信息时隙中2
x
个时间段中的某个时间段内，则令τ0等于该时间段的时间差τ，再根据x个比特与时间差τ的对应关系，可恢复出码元携带的比特信息，完成解调。
[0023]由于实际光声信号上升边沿并非理想垂直，存有固有属性抖动时间t，当相邻两时间差的最小时间间隔t
min
＜t时，这两个时间差对应搜索到的起始时刻τ0会偏离理想位置即理想时间段到附近位置即附近时间段，造成时间差τ无法矫正，因此需令t为t
min
下限值，避免τ0在理想位置的偏差；当信息时隙内相邻两时间差的时间间隔全为t
min
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于时间差调制的光声异构物理场水下通信方法，其特征在于，包括发送端调制和接收端解调两部分：发送端调制：通过最大重复频率f确定单个码元宽度T1+T2，T1表示信息时隙，T2表示静默时隙，通过抖动时间t确定单个码元的比特数量x，对信息时隙进行2
x
个的时间分段和相应时间差τ的计算，不同的时间差τ用于承载不同组合的x个比特，形成x个比特与时间差τ一一的对应关系，根据比特信息与时间差τ的对应关系，确定传输比特对应的时间差τ，得到传输比特相应的码元，其中单个码元输出形式为：码元时隙初始时刻到τ时刻内输出低电平，在码元时隙的τ时刻后输出持续时间为T1+T2‑
τ的单极性归零脉冲，将码元与帧头成帧后通过脉冲激光器传输至接收端；接收端解调：接收水下声场信号，对接收信号进行非相干解调，使得光声信号呈现左边沿近乎垂直陡峭的单极性波形，对非相干解调信号进行采集，通过数据处理器对采集数据进行时间同步处理后，再对采集的码元数据进行基于差分处理的跳变检测和时间段匹配的操作，完成对码元时隙的时间差τ时刻的搜索，根据发送端调制x个比特与时间差τ一一对应的关系，进而恢复出每个码元对应的x个比特，完成解调。2.根据权利要求1所述的基于时间差调制的光声异构物理场水下通信方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1，在发送端，PC1输出信息比特流；S2，在发送端，x个比特对应单个码元，单个码元长度为两个时隙，第一个时隙为信息时隙，时隙宽度为第二个时隙为静默时隙，时隙宽度为T2，且T2≥T1，静默时隙用来保证大功率激光器的重复频率小于或等于f时，先对信息时隙进行2
x
个的时间分段和进行相应时间差τ的计算，再将不同的时间差τ用于承载不同组合的x个信息比特，形成x个比特信息与时间差τ的一一对应关系，然后将需传输的比特按照x个比特...

【专利技术属性】
技术研发人员：马春波，李汤敏，敖珺，李重阳，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：