本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于數(shù)據(jù)融合的跨水空介質(zhì)通信方法。

背景技術(shù)：

1、跨水空介質(zhì)的直接通信具有廣泛的潛在應(yīng)用價值。在民用領(lǐng)域，跨水空介質(zhì)的直接通信是空天地海觀測網(wǎng)絡(luò)的重要一環(huán)，制約著從水下到水上數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、便捷性和經(jīng)濟性；在軍用領(lǐng)域，跨水-空介質(zhì)信息傳輸需求越來越強烈，已經(jīng)成為制約水下航行器戰(zhàn)斗力提升的一大關(guān)鍵問題。一種新興的跨水空介質(zhì)通信通過檢測聲源激勵的水表面波振動信號反演水下聲源傳遞的信息，為實現(xiàn)跨水-空介質(zhì)通信提供了一種有效途徑。這種通信技術(shù)結(jié)合了水下聲學(xué)與水上無線電技術(shù)，其實現(xiàn)跨水空介質(zhì)直接通信的可行性已得到充分證明，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、在結(jié)合水聲和電磁波的跨水空介質(zhì)通信中，由于海洋環(huán)境復(fù)雜，用單一傳感器無法準確并完整地捕捉到水表面振動，造成通信質(zhì)量下降。如圖1所示，采用單個傳感器的跨水空介質(zhì)通信，隨著探測高度的增加以及海洋環(huán)境的影響，其通信質(zhì)量急劇下降。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于數(shù)據(jù)融合的跨水空介質(zhì)通信方法，通過采用毫米波雷達、激光雷達和太赫茲雷達這三個不同的傳感器來探測水表面振動，從而得到精度、完整性和噪聲水平不同的數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)融合的方法，提高振動位移測量的精度，從而提高后續(xù)解調(diào)的準確性，實現(xiàn)復(fù)雜海洋環(huán)境下的可靠通信。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：

3、一種基于數(shù)據(jù)融合的跨水空介質(zhì)通信方法，該方法采用一個由發(fā)射端和接收端組成的通信系統(tǒng)來實現(xiàn)；所述發(fā)射端位于水下，由多個大功率聲源組成水下聲源陣列，所有聲源發(fā)送聲波信號，聲波撞擊水面，產(chǎn)生微米級別的振動；所述接收端位于水上，為由毫米波雷達、激光雷達和太赫茲雷達組成的且等間距放置的多傳感器系統(tǒng)，形成接收陣列；

4、所述跨水空介質(zhì)通信方法包括如下步驟：

5、步驟一：由毫米波雷達、激光雷達和太赫茲雷達分別獲取接收信號的測量值；

6、步驟二：構(gòu)建卡爾曼濾波算法所需的狀態(tài)向量和觀測模型；所述狀態(tài)向量為接收信號測量值中的位移；所述觀測模型為定義所述步驟一中的接收信號的測量值與所述狀態(tài)向量之間關(guān)系的觀測方程：

7、zt(1)＝ht(1)xt+vt(1)

8、zt(2)＝ht(2)xt+vt(2)

9、zt(3)＝ht(3)xt+vt(3)

10、其中，ht(1)、ht(2)和ht(3)分別是毫米波雷達測出的水表面位移值與實際水表面位移之間的觀測矩陣，激光雷達測出的水表面位移值與實際水表面位移之間的觀測矩陣，太赫茲雷達測出的水表面位移值與實際水表面位移之間的觀測矩陣；vt(1)、vt(2)和vt(3)分別為毫米波雷達、激光雷達和太赫茲雷達的測量噪聲；xt表示狀態(tài)向量，表示t時刻的水面位移；

11、步驟三：對水表面位移和誤差協(xié)方差矩陣進行初始化；所述誤差協(xié)方差矩陣用于表征水表面位移的估計值和實際值之間的偏差；

12、步驟四：通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型預(yù)測下一時刻的水表面位移和協(xié)方差矩陣；

13、步驟五：根據(jù)每個雷達的信噪比、誤碼率和測量誤差標準差計算每個雷達的權(quán)值；

14、步驟六：通過卡爾曼濾波算法，利用每個雷達的測量數(shù)據(jù)更新水表面位移和誤差協(xié)方差矩陣；

15、步驟七：綜合所有雷達的更新結(jié)果，得到最終的水表面位移和誤差協(xié)方差矩陣。

16、進一步地，所述步驟四中，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型預(yù)測下一時刻的水表面位移和協(xié)方差矩陣，具體為：

17、基于前一時刻估計出的水表面位移，預(yù)測當前時刻的水表面位移：

18、

19、其中，為當前時刻的水表面位移的預(yù)測值，f為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，為單元矩陣；為前一時刻估計出的水表面位移；

20、根據(jù)上一個時刻的更新狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣預(yù)測當前時刻的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣：

21、

22、其中，pt+1|t為當前時刻的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣，pt|t為上一個時刻的更新狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣，q為過程噪聲協(xié)方差矩陣。

23、進一步地，所述步驟五，根據(jù)每個雷達傳感器的信噪比、誤碼率和測量誤差標準差計算每個雷達傳感器的權(quán)值wi，具體計算公式如下：

24、

25、其中，snri表示雷達傳感器的信噪比，beri表示誤碼率，σi表示測量誤差標準差。

26、進一步地，所述步驟六具體包括如下子步驟：

27、s6.1：分別計算毫米波雷達的協(xié)方差矩陣r1和卡爾曼增益

28、

29、其中，σ1表示毫米波雷達的測量誤差標準差，pt+1|t是由步驟四計算得到的當前時刻的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣，w1是由步驟五計算得到的毫米波雷達的權(quán)值；

30、s6.2：計算當前時刻由毫米波雷達測量的水表面位移估計得到的水表面位移并更新毫米波雷達的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣

31、

32、其中，為由步驟四計算得到的當前時刻的水表面位移的預(yù)測值，是當前時刻毫米波雷達測量出的水表面位移值；pt+1|t為由步驟四計算得到的當前時刻的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣；

33、s6.3：分別計算激光雷達的協(xié)方差矩陣r2和卡爾曼增益

34、

35、其中，σ2表示激光雷達的測量誤差標準差，是毫米波雷達的更新步驟中最后得到的當前時刻的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣；w2是步驟五計算得到的激光雷達的權(quán)值。

36、s6.4：計算當前時刻由激光雷達測量的水表面位移估計得到的水表面位移并更新激光雷達的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣

37、

38、其中，為由毫米波雷達的測量值估計得到的當前時刻的水表面位移的預(yù)測值，是當前時刻激光雷達測量出的水表面位移值；為毫米波雷達更新步驟最終得到的當前時刻的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣；

39、s6.5：分別計算太赫茲雷達的協(xié)方差矩陣r3和卡爾曼增益

40、

41、其中，σ3表示太赫茲雷達的測量誤差標準差，是激光雷達的更新步驟中最后得到的當前時刻的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣，w3是步驟五計算得到的太赫茲雷達的權(quán)值；

42、s6.6：計算當前時刻由太赫茲雷達測量的水表面位移估計得到的水表面位移并更新太赫茲雷達的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣

43、

44、其中，為由激光雷達的測量值估計得到的當前時刻的水表面位移的預(yù)測值，是當前時刻太赫茲雷達測量出的水表面位移值；為激光雷達更新步驟最終得到的當前時刻的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣。

45、進一步地，所述步驟七具體包括：將步驟六計算得到的當前時刻由太赫茲雷達測量的水表面位移估計得到的水表面位移作為最終融合得到的水表面位移估計值將太赫茲雷達最終更新的狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣作為最終當前時刻的協(xié)方差矩陣pt+1|t+1。

46、本發(fā)明的有益效果如下：

47、本發(fā)明充分利用毫米波雷達、激光雷達和太赫茲雷達這三個不同的傳感器的優(yōu)點，對多種傳感器測得的數(shù)據(jù)進行融合，從而得到更高精度的水表面振動位移測量，提高了接收信號的信噪比和完整性，克服單一傳感器系統(tǒng)易受海面波浪等影響的缺點，為跨水空介質(zhì)通信在實際海洋環(huán)境中的應(yīng)用提供了可靠方案。