【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及通信领域，尤其涉及一种通信定位探测一体化的双向跨介质方法及其系统。
技术介绍
1、在当前的跨介质通信领域，特别是涉及水下与水上或空中设备之间的信息传递，存在几个关键技术挑战。传统方法依赖单一介质的技术无法有效穿透水-空气界面进行远距离传输，这限制了水下通信和导航系统的功能和效率。目前存在的跨介质通信方式主要支持单向通信，例如结合声音和电信号的上行通信或激光致声的下行通信。尽管直接激光通信可以实现某种形式的双向通信，但它不具备将通信与精确定位相结合的能力，这两项能力在需要精确导航的水下作业中尤为重要，用于在复杂海底地形进行精确定位和路径规划。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提出一种通信定位探测一体化的双向跨介质方法及其系统。
2、具体技术方案如下：
3、一种通信定位探测一体化的双向跨介质方法，包括以下步骤：
4、s1、粗定位导航：空中设备持续间隔固定时间向水面发射激光致声信号，产生的水下声信号包含空中设备的坐标和时间信息；水下设备接收所述水下声信号，并将水下声信号最强的水表面点作为目标点；采用多边测量法计算水下设备的当前坐标，并使用路径规划算法规划水下设备到目标点的导航路径；水下设备根据所述导航路径向目标点导航；所述水下设备的时间根据水下声信号携带的时间信息进行校准；
5、s2：所述水下设备沿导航路径行进过程中，持续接收新的水下声信号，采用s1中的方法实时更新导航路径；
6、s3：所述水下设备
7、s4：根据所述水表面振动模型，得到振动最大的水表面点为对准点，空中设备向对准点移动，水下设备根据新的水下声信号更新导航路径，同步向对准点移动；
8、s5：所述空中设备向对准点移动的过程中，持续收集新的观测点振动数据，更新水表面振动模型，得到新的对准点；
9、s6：当空中设备和水下设备对齐时，空中设备首先发送定位结束信号，再发送通信信号，与水下设备建立通信链接。
10、进一步地，所述s3中，水表面振动模型的表达式如下：
11、；
12、式中，δ(t)表示水表面振动波，η(t)表示仅由水下设备激励的水表面波，w(t)表示海洋环境噪声；p表示声压，仅在垂直方向上考虑；ρ表示水的密度，α表示衰减系数，θ表示声波信号相对水面的入射角，ω表示声波信号的角频率，k表示波束；以水下设备在垂直方向上与水面相交的点为原点，x表示探测点与原点之间的距离；n表示海洋环境噪声的频率个数，an表示每个波成分的振幅，ωn表示角频率，φn表示相移。
13、进一步地，所述s1中，采用多边测量法计算水下设备的当前坐标的表达式如下：
14、；
15、式中，（ x t， y t， z t）表示目标点坐标，（ x u， y u， z u）表示水下设备的坐标；c是声音在水中的传播速度，ti是搭载在水下设备上的水听器i接收到水下声信号的时间，是测量误差。
16、进一步地，所述s2中，采用卡尔曼滤波算法更新水下设备的航向和速度。
17、进一步地，所述s1中，路径规划算法选用a*或dijkstra算法。
18、进一步地，根据激光测振技术检测到的探测点的振动信号幅值，判断所述水下设备相对空中设备的距离；若探测点的振动信号幅值超过设定阈值，则说明水下设备已接近目标点，执行s4，反之水下设备继续进行粗定位导航。
19、一种通信定位探测一体化的双向跨介质系统，用于实现所述的通信定位探测一体化的双向跨介质方法，包括：空中设备、水下设备、激光致声模块、激光测振模块、数据处理单元、动态数据处理模块；所述水下设备搭载由水听器阵列和水声换能器；
20、所述激光致声模块布置在空中设备上，用于持续、间隔固定时间地向水面发射激光致声信号，所述激光致声信号编码了空中设备的坐标和时间信息；
21、所述激光测振模块布置在空中设备上，用于检测水表面振动；
22、所述数据处理单元用于接收和处理由激光致声模块和激光测振模块获得的初始数据，采用多边测量法初步计算水下设备的位置；分析激光测振模块中采集到的水表面振动数据，采用信号处理算法进一步优化水下设备的位置信息；
23、所述动态数据处理模块，通过实时采集的振动数据和定位信息，利用自适应算法动态实时更新水表面振动模型中的参数；所述动态数据处理模块还能自适应调整通信协议中的参数，以应对不同的环境条件或信号强度变化。
24、进一步地，所述数据处理单元中，信号处理算法包括卡尔曼滤波算法或最小二乘法。
25、进一步地，所述动态数据处理模块中，自适应算法包括自适应滤波算法或机器学习算法。
26、本专利技术的有益效果是：
27、（1）高精度的定位与导航功能：
28、利用激光致声产生的水面声波信号和激光测振技术，本专利技术能够精确定位水下设备的位置并实时更新。通过对水面振动的精确监测及优化建模，系统实现了水下设备的精准导航，尤其是在复杂的海底地形中。这种双向的定位方式不仅提高了定位精度，还能在动态环境中对水下设备进行持续的导航调整，确保了设备的高效作业和路径规划的准确性。
29、（2）双向跨介质通信的实现：
30、本专利技术通过综合激光致声和激光测振技术，实现了水下与空中设备之间的双向跨介质通信。这一技术突破了传统的跨介质通信中受到水-空气界面限制的瓶颈，确保了跨介质通信的远距离传输和高效信息交换。该优点使得水下设备能够在复杂海洋环境中与空中设备进行无缝通信，从而大幅提高了系统的通信效率和可靠性。
31、（3）实时数据处理与通信优化：
32、本专利技术包含了动态数据处理模块，能够通过实时更新水表面振动模型和定位数据，自适应调整通信协议参数。这种动态调整能够优化数据传输速率和通信可靠性，确保系统在不同的水质、波浪和水下环境下，都能维持最佳通信效果，且系统具备较强的抗干扰能力。
33、（4）应用场景广泛：
34、本专利技术可用于多个领域，如海洋科学研究、军事侦察、商业资源勘探等，能够有效应对这些领域中常见的远距离通信和高精度导航挑战。该系统不仅增强了设备的探测能力，还能够通过定位功能保证设备在海洋复杂环境中的安全性和操作效率。
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1.一种通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，所述S3中，水表面振动模型的表达式如下：
3.根据权利要求1所述的通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，所述S1中，采用多边测量法计算水下设备的当前坐标的表达式如下：
4.根据权利要求1所述的通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，所述S2中，采用卡尔曼滤波算法更新水下设备的航向和速度。
5.根据权利要求1所述的通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，所述S1中，路径规划算法选用A*或Dijkstra算法。
6.根据权利要求1所述的通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，根据激光测振技术检测到的探测点的振动信号幅值，判断所述水下设备相对空中设备的距离；若探测点的振动信号幅值超过设定阈值，则说明水下设备已接近目标点，执行S4，反之水下设备继续进行粗定位导航。
7.一种通信定位探测一体化的双向跨介质系统，用于实现权利要求1-6任意一项所述
8.根据权利要求7所述的通信定位探测一体化的双向跨介质系统，其特征在于，所述数据处理单元中，信号处理算法包括卡尔曼滤波算法或最小二乘法。
9.根据权利要求7所述的通信定位探测一体化的双向跨介质系统，其特征在于，所述动态数据处理模块中，自适应算法包括自适应滤波算法或机器学习算法。
...【技术特征摘要】
1.一种通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，所述s3中，水表面振动模型的表达式如下：
3.根据权利要求1所述的通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，所述s1中，采用多边测量法计算水下设备的当前坐标的表达式如下：
4.根据权利要求1所述的通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，所述s2中，采用卡尔曼滤波算法更新水下设备的航向和速度。
5.根据权利要求1所述的通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，所述s1中，路径规划算法选用a*或dijkstra算法。
6.根据权利要求1所述的通信定位探测一体化的双向跨介质方法，其特征在于，根据激光测振技术检测到的...
【专利技术属性】
技术研发人员：魏艳，钱靖瑜，朱诚威，何雨嘉，王明靖涵，苏家艺，瞿逢重，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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