[发明专利]一种跳时隙的激光水下致声数字通信系统与方法

权利要求书

1.一种跳时隙的激光水下致声数字通信系统，包括发射系统及接收系统，其特征在于：所述发射系统包括依次连接的数据基带编码输入模块、可变时隙编码处理模块、激光器驱动模块及激光器，所述接收系统包括依次连接的水声采集器、水声信号放大整形模块、可变时隙信号解码处理模块；

所述数据基带编码输入模块实现数据或语音信息的字节编码和电平转换；

所述可变时隙编码处理模块完成接收基带编码信号的时隙编码处理、导行码分配和时隙帧组合，即在发送数据的前端加入表明数据时隙类型的导行码组成通信帧，通过将数字信息加载于不同时隙数的脉冲位置组成的脉冲编码来控制激光器发射激光；

所述激光器驱动模块提高激光器驱动能力，完成激光器调制时隙码输出；

所述激光器受控于时隙编码信号，实现激光信号发送；

所述水声采集器完成激光声信号采集；

所述水声信号放大整形模块对水声采集器采集信号进行放大整形处理；

所述可变时隙信号解码处理模块完成不同时隙帧信息解码还原处理；

所述发射系统及接收系统相互配合在大气通信信道和水下声通信信道下实现数字通信功能。

2.根据权利要求1所述的跳时隙的激光水下致声数字通信系统，其特征在于：所述可变时隙编码处理模块以单片机为核心，用于完成时隙编码处理、导行码分配、时隙帧组合和调制脉冲归零码生成。

3.一种跳时隙的激光水下致声数字通信方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）可变时隙数字调制电路通过串口获取PC端待传数据信息，采用可变时隙方式对待传信息进行信息分帧编码，通过每帧设定的2位导行码及可变间隔，确定每帧时隙类型和长度；

（2）由可变时隙数字调制电路输出具有导行码的可变长数据帧编码经驱动电路加载于调Q脉冲激光器驱动模块，控制激光器输出间隔不同的脉冲激光，获得可变时隙激光输出信号；

（3）激光经大气信道传输到水面，与水介质发生光声效应，将激光能量信号转换为水下声波信号；

（4）声波信号经水声信道传输，由水声采集器接收转为电信号，电信号经过放大电路放大后经整形输出到数字解调模块；

（5）数字解调模块通过检测每帧前2位导行码脉冲间隔确定时隙类型和码元脉冲位置，从而获得每帧码元信息，完成通信的数据解码，并送输出电路显示，同时通过串口实时上传PC监控。

4.根据权利要求3所述的跳时隙的激光水下致声数字通信方法，其特征在于：步骤（2）中，所述激光器输出激光波长为1.06μm。

5.根据权利要求3或4所述的跳时隙的激光水下致声数字通信方法，其特征在于：在步骤（1）、（2）中，具体分步骤如下：

1）数据基带编码输入模块将输入信息进行字节编码及电平转换，得到基带编码信号；

2）可变时隙编码处理模块定义多时隙类型库，定义导行码脉冲间隔与多时隙类型的函数关系；

3）可变时隙编码处理模块进行时隙编码处理，包括生成导行码，根据导行码的函数关系在多时隙类型库中选定对应的时隙类型，根据时隙类型及基带编码信号进行字节分组，得到时隙组合码，依次将导行码与时隙连接成不同帧结构的调制脉冲，调制脉冲为TTL数据脉冲；

4）将调制脉冲发送给激光器驱动模块，驱动激光器发出激光信号；

5）可变时隙编码处理模块生成导行码，重复分步骤3、分步骤4，直至调制结束。

6.根据权利要求5所述的跳时隙的激光水下致声数字通信方法，其特征在于：所述导行码的多时隙结构是以其脉冲间隔表征一帧的数据时隙类型，定义2个脉冲导行码的间隔时间为，与多时隙类型的关系组成一个函数库；定义多时隙类型库的规则为在PPM调制方式中选择至少一个，数据对应一个字节为8bit；

对应地，以1个字节8bit为单位组帧；4PPM调制则每次发送时隙对应2bit数据，16PPM调制则每次发送4bit数据，256PPM调制则每次发送8bit数据。

7.根据权利要求3或4所述的跳时隙的激光水下致声数字通信方法，其特征在于：在步骤（4）、（5）中，声波信号接收及解码，采用计时方式判断，假设时隙脉冲宽度和数据时隙脉冲间隔时间长度均大于规定导行码脉冲间隔固定时间，若已知脉冲时隙宽度为，两两脉冲出现时间间隔为，那么，接收及解码分步骤如下：

1）光电探测、放大整形模块对水声信号进行处理后，由计时器对脉冲时隙间隔进行采样计数；

2）由解码处理模块检测到两脉冲间隔为60ms、70ms、80ms则判定为不同时隙类型每帧开始，分别按照各时隙类型的比特编码规则进行数据脉冲间间隔进行位置判断；

3）依据分步骤2）对每种PPM调制类型从导行码第二个脉冲开始到第一个数据时隙脉冲出现之间重新计数，以及之后两两时隙脉冲间隔均为，依据各时隙类型的字节比特脉冲组合，数据时隙脉冲位置判断按照编码顺序应满足以下条，值此每帧数据信息即可实现解码还原；

4）重复分步骤2）和分步骤3），直到PPM时隙帧脉冲接收处理完毕。