基于线性-非线性机制联合调制的空气到水跨介质激光通信方法及装置

本技术属于跨介质通信，更具体地说，是涉及一种基于线性-非线性机制联合调制的空气到水跨介质激光通信方法及装置。

背景技术：

1、跨介质通信是海空天一体化通信组网的关键技术，跨介质通信可以打破不同通信介质之间的界限，实现了空中平台与水下目标之间的直接通信，解决了水面通信中继的问题，从而推动信息的无缝传递和高效互联。跨介质通信技术为信息在海洋、空中及水下多个领域间的自由流动提供了保障，极大提升了通信网络的覆盖范围、连续性和可靠性。

2、现有技术中，激光致声通信的码元同步主要采用同步序列的方式，在发送数据之前，需要先发送一个通信双方已知的同步序列，接收方通过检测这个序列来进行码元同步，该方式需要对于同步序列进行检索，建立时钟同步所需时间较长，占用一定的信息位使得通信速率与有效性有所降低，当传输存在错误时，则时钟同步将无法建立。

技术实现思路

1、本发明就是针对现有技术中跨介质通信存在的同步慢、有效性低、稳定性低的技术问题，提供一种基于线性-非线性机制联合调制的空气到水跨介质激光通信方法及装置。

2、为解决上述技术问题，为此本发明首先提供一种基于线性-非线性机制联合调制的空气到水跨介质激光通信方法，包括以下步骤：

3、s1、获取待发送的信息，对待发送信息进行数据分段，将数据分段为二进制序列；

4、s2、将分段后二进制序列传入激光器控制模块，激光器控制模块控制两台激光器发射激光束；

5、s3、激光器输出的光束分为两束，第一束以非全能量状态进入激光能量监测器，第二束垂直入射到水气交界面，控制两台激光能量分别产生热膨胀与光击穿效应，将激光脉冲信号转换为声信号；

6、s4、水听器接收激光在水面产生的激光声信号后将声信号转换为电信号，将采集的信号传输至信号处理模块；

7、s5、依据光击穿信号位置对激光致声信号进行定位，将采样信号进行分割，保留热膨胀部分；

8、s6、将保留的热膨胀部分进行译码，获取发送信息，完成跨介质通信。

9、优选的，在步骤s2中，激光控制模块用于对待发送的信息进行调制，将其转换为激光器控制信号，激光器控制信号包括时钟信号clock和控制信号q，每个激光器控制信号均包括一路clock信号、一路q信号，两路clock信号完全同步，两路调q信号依次工作；

10、在码元的起始位置以及结束位置由第一路调q信号控制第一个激光器产生光击穿信号作为码元起始码和终止码，在码元中间部分由第二路调q信号控制第二个激光器产生热膨胀信号以传递信息。

11、优选的，还包括：

12、通过激光测距仪测量与水面距离，通过电动调焦装置调整激光器焦距，使激光器焦点始终位于水空交界面上。

13、优选的，在步骤s3中，具体分束过程如下：

14、激光器输出的光束由分束设备分为两束，通过调节分束设备的反射和透射比例，使98％的激光束被透射，2％的激光束被反射，第一束以2％的能量进入激光能量监测器，第二束通过光纤垂直入射到水气交界面，控制两台激光能量分别产生热膨胀与光击穿效应，进而把激光脉冲信号转换为声信号在水下向各个方向传播。

15、优选的，在步骤s3中，当高能量的光被水吸收时，根据光辐照度的不同，依据水介质的性质是否发生变化，会产生线性或非线性的光声过程，热膨胀机制属于线性机制，光击穿机制属于非线性机制；

16、高光能量的吸收会在水介质中产生局部温度波动，从而引起体积波动，体积波动会产生传播的声信号，直径为a的激光束在水面以θ角度入射时，距离入射点r距离处的压力谱响应表示为：

17、

18、其中，x为角频率，通过时间常数τμ来归一化，s定义为光声源的“纤细度”，τa为激光束直径横穿的特性传输时间，δ为激光源逆重复率的归一化值，a为激光束直径；t为激光脉冲重复周期；p0为激光器功率，μ为水的光吸收系数；β为热膨胀系数；c为声波速度；cp为水的比热容；τ为激光脉冲持续时间；ω为声波角频率。

19、优选的，在步骤s4中，激光在水面产生的激光声信号经过水声信道传播，水听器接收激光声信号后将声信号转换为电信号，水听器形成一个具有周期性光场的光纤，光场可以起到选择性反馈特定波长光的作用，当水声信号传递时，水声信号会引起光纤的长度微小变化，导致光场的周期发生微小变化，周期变化会改变反馈回来的特定波长光的相位，进而产生特定波长光的频率偏移，通过测量光频的变化，得到水声信号的频率和相位信息。

20、优选的，在步骤s5中，第一个激光器产生光击穿信号为起始码与终止码，两个光击穿信号之间第二个激光器产生的热膨胀信号部分为信息码，对信息码进行存储，其余部分进行舍弃。

21、优选的，在步骤s6中，还包括：

22、计算所保存的热膨胀数据段平均能量，以此为阈值，对于标定的数据进行n等分，n为步骤s1中二进制序列的长度，分别计算每一段的平均能量，若能量值大于所保存的热膨胀数据段平均能量，则判定为“1”，反之判定为“0”，最终获得的二进制序列即为所发送信息。

23、本发明还提供一种基于线性-非线性机制联合调制的空气到水跨介质激光通信装置，包括信号发送机构和信号接收机构，信号发送机构包括两台激光器、分束设备、信号调制模块，激光器与信号调制模块连接，信号调制模块控制两台激光器发射激光束，并且对待发送的信息进行调制，将其转换为激光器控制信号，激光器输出的光束通过分束设备分为两束，第一束进行激光脉冲能量检测，第二束通过光纤垂直入射到水气交界面；

24、信号接收机构包括信号采集系统、水听器，水听器完成激光声信号的接收。

25、优选的，激光器为nd:yga焦距可调激光器，水听器为分布反馈式光纤激光水听器，水听器包括光纤激光器和光纤传感器。

26、与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

27、本发明通过激光器发生激光束，输出的光束经分束设备分为两束，其中第一束以非全能量状态进入激光能量监测器，以便对每个激光脉冲的能量进行检测，确保激发状态符合要求，第二束垂直入射到水气交界面，控制两台激光能量聚焦分别产生热膨胀与光击穿效应，将激光脉冲信号转换为声信号在水下向各个方向传播，然后通过水听器在水下任意位置对声信号进行接收，实现从空中到水下的信号传输，进而进行信息的传输，实现水声通信。

28、本发明提出的基于线性-非线性机制联合调制的空气到水跨介质激光通信方式更加可靠和高效，所占用信息位较少，能够明显提升跨介质通信的有效性，在接受端信息检索计算量大幅降低，能够快速建立收发双方的时钟同步，且建立时钟同步的成功率得到了有效提升，本发明对所采集的数据利用光击穿机制幅度高的特性实现快速定位，对两个光击穿机制激光声信号之间的热膨胀机制的激光声信号进行保存，其余部分舍弃避免算力浪费，计算所保存的热膨胀数据段平均能量。本发明利用光击穿机制作为码元的起始码与截止码，由于光击穿机制幅度明显高于热膨胀机制，在接受信号中可以快速定位到码元位置并实现时钟同步，避免了检索同步序列造成的同步时间较长问题，所占用的位数明显低于同步序列，提高了有效性，使空中平台与水下目标之间的激光通信更加可靠和高效。