发明内容

本发明针对传统空中与海洋通信信号损耗大、安全性较差、通信距离短、困难大等问题，提供一种提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置及其应用。

本发明通过以下措施达到：

一种提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置，包括发射机构和接收机构，其特征在于，所述发射机构中设有依次相连的DHPIM双头脉冲间隔调制模块、激光激发及扫描控制模块、脉冲CO₂激光器，其中脉冲CO₂激光器输出的光信号经光束整形机构处理后，经过空气传输使得激光信号在到达水面后，以光击穿的方式与水介质相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播；所述接受机构中设有位于水下的光纤水听器，光纤水听器进行声波信号的接收；所述光束整形机构用于实现实心光束到空心光束的变换，设有依次同轴放置的第一平凹透镜、第二平凹透镜、第一圆锥透镜、第二圆锥透镜，其中第一平凹透镜的凹面朝向光传播方向，第二平凹透镜平面朝向光传播方向，第一圆锥透镜的锥面朝向光传播方向，第二圆锥透镜平面朝向光传播方向，光束整形机构中各透镜间距离满足下式：

其中，ω₀为经由第一平凹透镜和第二平凹透镜组成的扩束准直系统扩束后的光束半径，γ为遮拦比，n为空气与圆锥透镜间的相对折射率，θ为圆锥透镜顶角。

本发明所述光束整形机构中还设有平移台控制机构以及光学导轨，进一步，所述第一圆锥透镜、第二圆锥透镜顶角相同，在第一圆锥透镜、第二圆锥透镜底部安装有平移台，平移台固定在光学导轨上。

本发明所述接收机构设有光纤MEMS水听器、声电转换模块、预处理放大滤波模块及DHPIM解调模块，所述光纤MEMS水听器完成激光声信号的接收，所述声电转换模块将声信号转化为电信号，所述预处理放大滤波模块对电信号进行放大滤波处理，方便对信号进行解调，所述DHPIM解调模块对脉冲及空时隙位置信息按照映射关系解调数据并输出。

本发明发射机构中所述DHPIM调制模块将RAM(随机存取存储器)中的数据读取并进行缓存，然后将每一个缓存数据进行调制；所述脉冲CO₂激光器受控于调制编码的输出信号，实现激光脉冲的发射；所述激光激发及扫描控制模块实现脉冲信号的触发；所述光束整形机构通过圆锥透镜将实心激光束转换为环形空心激光束。

本发明还设有工控机，控制脉冲信号发射频率及能量的工控机输出端经DHPIM调制模块和激光激发扫描控制模块与脉冲CO₂激光器的输入端相连，脉冲CO₂激光器的输出端经扫描镜及振镜系统后由光束整形机构将实心激光束转换为环形空心激光束，激光束依次通过空气信道和水声信道后与水听器建立无线通信，水听器的输出端经声电转换模块及预处理放大滤波模块后连接DHPIM解调模块的输入端，DHPIM解调模块的输出端与工控机相连。

本发明中激光器为高能量脉冲CO₂激光器，脉冲重复频率为1-20Hz，多模下脉冲能量为250mJ，平均功率为5W，脉冲宽度为50～150ns。水听器为光纤MEMS水听器，线性频带宽度为1～10kHz，灵敏度级-210dB(参考值为1V/μPa)。

本发明还提出了一种如上所述提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置的使用方法，其特征在于，发射机构通过DHPIM调制模块将信号数据转换为具有DHPIM调制特征的脉冲序列，调制好的脉冲序列送至激光驱动电路控制激光器发射特定序列的激光脉冲，输出的激光脉冲由光束整形机构将实心激光束转换为环形空心激光束，环形激光束经过空气传输使得激光能量在到达水面之后以光击穿的方式与水介质相互作用，把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播，通过水下任意位置的光纤水听器进行声波信号的接收，声波信号经声电转换为电信号后，经过放大滤波送至DHPIM解调模块的输入端，DHPIM解调模块提取数字序列信号中的脉冲及空时隙位置信息并通过相应的映射关系转换为数据组，实现从空中到水下的信号传输，进行信息的传输从而实现水声通信。

本发明所述提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置的使用方法具体包括以下步骤：

步骤1：DHPIM调制模块完成二进制序列的串并进行转换，二进制转变为十进制，将调制数据缓存起来，每一个调制数据都由其对应的十进制由双头脉冲间隔调制方式判断头时隙脉冲宽度，通过计数生成不同脉宽，再根据调制数据通过计数产生信息时隙数和保护时隙数，对缓存所有数据完成调制，再将二进制序列转换为时隙序列输出，从而完成信号的调制；

步骤2：DHPIM调制模块输出的调制信号经驱动电路加载于脉冲CO₂激光器驱动模块，输出不同时隙类型的脉冲激光信号；

步骤3：光束整形机构通过圆锥透镜将实心激光束转换为环形空心激光束；

步骤4：激光脉冲经过大气信道到达水面，以光击穿的方式与水介质实现相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播；

步骤5：声波信号经过水声信道进行传播，由水听器接收声波信号，将其转换为电信号并经滤波放大电路后输出到DHPIM解调模块；

步骤6：DHPIM解调模块对接收到的序列信号进行解调，在检测到脉冲信号后进入有效信号检测状态，根据接收到的起始脉冲时隙计算信息时隙和保护时隙的个数，将这些信息映射为原始信源并进行存储，对解调数据进行串转换后输出二进制信息。

本发明所述步骤1中，DHPIM调制采用两种不同脉冲宽度的起始脉冲，其后加入1-2个保护时隙和调制信息时隙数目，其中调制信息取决于与调制数据相对应的十进制编码，S_k作为DHPIM调制后符号，k为调制符号对应的十进制数，d_k为信息帧中信息时隙的个数，M为调制阶数，符号S_k由头部时隙与d_k个空时隙组成，其中：

头部时隙由(α+1)个时隙组成(α为正整数)，分别使用H₁和H₂来表示。H₁由脉冲宽度为2/α个时隙与(α/2+1)个保护时隙所组成；H₂由脉冲宽度为α个时隙与1个保护时隙所组成，当k＜2^M-1时，S_k头部时隙为H₁，否则为H₂；

DHPIM帧结构在第n帧时以矩形脉冲开始，起始时间t＝T_n，持续时间为τ，其中τ＝(1+h_n)αT_s/2，其中，h_n∈{0,1}，n代表第n帧，DHPIM的脉冲由式(2)所示：

其中A为脉冲幅值，T_s为保护时隙，rect为矩形函数数学表达式，如式(3)所示：

第n帧起始时间定义为：其中T₀为n＝0时起始脉冲的时间，d_k∈{0,1,...(2^M-1-1)}表示第k帧的信息时隙表示的十进制值；

DHPIM信号平均符号长度为头脉冲序列长度与d_k最大值和的一半，即为：头脉冲的平均宽度为则其中，p(0)、p(1)分别表示发送“0”和“1”的概率；

在峰值功率为P_t的条件下，DHPIM调制的误时隙率表示为：

其中，g为信道传输衰减，σ为标准差，Q函数定义为：

另外，通过误包率衡量DHPIM调制的差错性能，当检测到一个时隙出错，则认为整个包出错，误包率定义如下：

其中，P_se为误时隙率，N为一个包内比特数，L_ave为一个符号所包含的平均时隙数，M为调制阶数；

调制方式差错性能与门限检测器判决门限λ相关，最优检测门限即使得系统误码率达到最小的λ值，对式(4)求导且令可得DHPIM调制在峰值功率为P_t下的最优检测门限：

一般地，还需要考虑平均发射功率与差错性能的关系，DHPIM调制峰值功率与平均功率关系如下：

在相同的平均发射功率P的条件下，DHPIM调制的最优检测门限λ'为：

本发明所述步骤1中，DHPIM调制具体过程为：首先将要发射的4bit/symbol数据按顺序写入RAM，当RAM写满后停止写入，此时利用读控制信号在RAM中读取出若干个4位数据并存入缓存器，依次调制数据，根据该调制独有的码字特征和作为停止位而加入的最后一个脉冲可以明确调制完成的时间，接下来读控制信号重新读取下一组超帧数据并放入缓存器，继续进行上述过程，完成数据缓存与调制的时钟控制，最终将所有数据调制完成。

本发明所述步骤6中，DHPIM解调具体过程为：检测到第一个脉冲信号时，进入解调状态，首先将解调的数据存储到缓存器，然后继续检测有效信息，当检测到停止位时，表示这若干个数据信息检测已完成，此时缓存器存储了所有数据，超帧解调结束，在输入的有效时钟下可以将数据存储至RAM，下个时钟开始新的空时隙检测与数据解调，最终将所有脉冲信号转化为数据信息，解调的每一超帧数据存储至RAM。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)激光器输出随机变化的脉冲调制信号，且信号呈现无规律状态，能够有效降低数据丢失或被破译的概率。(2)采用DHPIM调制解调技术，提高了传输容量和带宽效率，而且不需要符号同步，一定程度上简化系统实现复杂度。另外还可以采用更高的调制阶数来进一步提高功率利用率，是一种高效调制方式，在激光水下致声通信的应用上具有较大优势。(3)采用脉冲CO₂激光器时，其光声转换效率可达10％左右，相对于Nd：YAG固体激光器3％左右的光声转换效率有了较大提高。另外光纤MEMS水听器具有良好的低频响应灵敏度，接收到声信号主频低、带宽窄，使得通信距离大幅提升。(4)光束整形机构通过圆锥透镜将实心激光束转换为环形空心激光束，可以在一定程度上减小水面水雾对于激光束的影响，从而降低能量损耗。(5)水下信道中，水听器可放置于水下可探测范围内的任何位置，具有机动灵活的特点。(6)针对空中-水下通信环境的特点，保障通信双方之间的通信安全性，提高通信双方的通讯质量，克服环境干扰下存在的通信困难。