[发明专利]一种水空跨介质无线双向通信方法

权利要求书

1.一种水空跨介质无线双向通信方法，其特征在于，通信系统包括上行通信链路与下行通信链路，上行通信链路采用毫米波雷达探测技术实现，下行通信链路采用激光致声技术实现，上行通信链路和下行通信链路通过计算机系统相连接，上行通信链路与下行通信链路完成对话反馈，实现水下设备与空中设备的无线双向通信；其步骤如下：

步骤一：上行通信链路通过毫米波雷达探测水下声波引起的水面波纹振动，基于三个频率的FSK信号调制方式对水下声波进行调制，使水下扬声器产生经调制的声波信号；

步骤二：上行通信链路的毫米波雷达系统向水面发射连续的FMCW并接收经水面反射的信号，经处理后计算水面-雷达距离；

所述计算水面-雷达距离的方法为：

混频器计算得到毫米波雷达系统的发射信号与接收信号的差频信号，对差频信号进行滤波、ADC采样后得到基带信号；对基带信号进行傅里叶变换，得到差频信号的频谱图；

通过距离单元选择得到差频信号频谱图中分量最大的频率值，水面-雷达距离与差频信号频谱图中分量最大的频率值成正比，即其中，T为FMCW扫频周期，c为光速，B为FMCW带宽，Δf为差频信号频谱图最大分量对应的频率，d₁为水面-雷达的大刻度距离值；

根据差频信号的频谱图中的频率Δf对应的峰值虚部与实部比值的反正切值获得差频信号的相位，水面-雷达间的精密距离取决于差频信号的相位值，具体关系为其中，λ为毫米波波长，Δφ为差频信号的相位，d₂为水面-雷达的小刻度距离值，则水面-雷达距离为d＝d₁+d₂；

步骤三：毫米波雷达系统连续发射多次扫频信号，得到单位探测周期内的相位-时间信号，通过信号处理得到水下声波频率，解析水下声波携带的信息；

步骤四：第一计算机系统按照基于三个频率的FSK信号调制方式对毫米波雷达系统采集的信号进行解调后得到水下设备传递的信息，为对水下设备的通信内容进行应答，开启下行通信过程，控制激光器调制器对激光脉冲进行调制，根据脉冲激光的有无生成带有通信内容的二进制编码；

步骤五：水下水听器检测到激光致声产生的水下声波信号并将其转化为模拟电学信号，经放大器放大并进行ADC采样转化为数字信号后传至第二计算机系统进行解调；

步骤六：第二计算机系统接收到空中设备传递的通信内容后，若有内容需要回复，则返回到步骤一继续开启上行通信链路，从而完成水-空跨介质无线双向通信。

2.根据权利要求1所述的水空跨介质无线双向通信方法，其特征在于，所述上行通信链路包括依次连接的扬声器调制器(17)、水下扬声器(18)、毫米波雷达系统(1)和硬件处理电路(2)，扬声器调制器(17)与第二计算机系统(16)相连接；在水域中，第二计算机系统(16)控制扬声器调制器(17)将需要通信的内容转化为调制信号，水下扬声器(18)在水中产生已调制的声波，声波以压力波的形式传播至水面，因压力作用造成水面振动，水面振动的频率与声波的频率相同；在空气域中，毫米波雷达系统(1)中的发射天线不断向水面发射毫米级的电磁波，电磁波经水面反射并携带了水面波纹振动特征，回波被毫米波雷达系统(1)中的接收天线接收后传递至硬件处理电路(2)中，硬件处理电路(2)处理毫米波接收到的回波信号；所述硬件处理电路(2)对接收信号进行滤波，对发射信号与接收信号做减法运算得到差频信号，其次对差频信号进行ADC采样，将其由模拟信号转化为数字信号提供给第一计算机系统(3)进行通信内容的破译；所述第一计算机系统(3)接收到差频信号的ADC采样值后对其进行信号解调，得到水下设备向空中设备传递的通信内容，第一计算机系统(3)收到水下设备的信息后，对接收到的水下设备通信内容进行对话式回复，开启下行通信过程。