本发明涉及水下探测与通信，尤其是基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化系统及方法。
背景技术：
1、“向海则兴,背海则衰”，大力发展海洋事业已成为全世界的广泛共识。水下探测通信一体化是水下信息物理系统的一个重要方向。探测与通信一体化技术最初在雷达领域得到应用，并依赖电磁波进行探测和通信，但是由于电磁波在水下传输时呈现指数规律衰减，使得雷达领域的一体化技术不能直接应用于水下。目前水下探测和通信系统通常是相互独立的，其中探测系统着重于利用水听器和声纳设备获取目标特征、方位和距离信息，通信系统着重考虑水声信道带宽窄、多径和衰减特点选取高性能的通信协议，以实现不同终端间的信息传输。水下探测与通信系统功能重叠，如果二者独立设计，则会造成探测与通信系统在频谱资源和能耗上的竞争。因此，有必要设计出一种水下探测与通信一体化的方法，用以解决独立设计造成的频谱资源和能耗竞争问题。
2、在现有技术中，公开号为cn115987744a的中国发明专利，公开了一种水下探测通信一体化发射信号设计与处理方法，利用广义正弦调频信号正交性强，分辨率良好的特点，将其作为载体。利用探测信号与通信信号的基带信号乘积作为一体化信号，使得通信信号充分利用探测信号的能量，再通过分离算法对接收信号进行分离。虽然该方法实现了水下探测通信信号的一体化，但是在应对水下多径效应明显和高噪声的环境时容易失真和受到干扰，且该方法直接作用在通信的基带信号会降低水声通信的准确性，提高误码率。
3、再有，公开号为cn116865875a的中国发明专利，公开了一种水下探测通信一体化系统，包括一体化信号发射模块、信号接收模块以及接收信号处理模块。该发明在保证正常通信性能的前提下，兼顾目标主动探测功能。但是该系统在面对水下多径效应明显和噪声高的环境特点时，也容易产生失真和干扰，此外发射的通信信号的持续时间较长，导致捕捉到探测回波的难度增加。
4、因此，面对复杂的海洋水下环境，亟需设计一种兼顾水下探测和水下通信的高性能水下探测与通信一体化系统及方法。
技术实现思路
1、本发明需要解决的技术问题是提供基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化系统及方法，将二进制通信信息以最小频移键控的方式存放在探测信号的相位当中，在实现水下探测能力的同时也完成水下平台之间的通信，实现基于正弦频率调制水下探测与通信的一体化，减少水下探测和通信的竞争，提高探测精度和通信质量。
2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
3、一种基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化系统，所述系统包括一体化模块发射端和一体化模块接收端；所述一体化模块发射端负责信号的发射和回波信号的接收处理；所述一体化模块接收端负责一体化信号的接收和通信处理。
4、本发明技术方案的进一步改进在于：所述一体化模块发射端包括发射换能器、模拟水听器、第一信息处理单元、第一传输控制单元、数模/模数转换电路、信号调制电路、第一滤波放大电路和波形发生器；
5、所述第一信息处理单元与所述第一传输控制单元相连接，所述第一传输控制单元与信号调制电路相连接，所述信号调制电路与所述波形发生器相连接；用以所述波形发生器输出所述第一信息处理单元指定的信号波形；
6、所述波形发生器与所述发射换能器相连接，用来将波形发生器的电信号转化为声信号；
7、所述模拟水听器与所述第一滤波放大电路相连接，所述第一滤波放大电路与所述数模/模数转换电路相连接，所述数模/模数转换电路与所述第一传输控制单元相连接，用以接收回波信号；
8、所述一体化模块接收端包括接收换能器、第二滤波放大电路、信号解调电路，第二传输控制单元和第二信息处理单元；
9、所述接收换能器与所述第二滤波放大电路相连，用以将通过水声信道的一体化信号转化为电信号并处理；
10、所述第二滤波放大电路与所述信号解调电路相连，所述信号解调电路与所述第二传输控制单元相连，所述第二传输控制单元相连与所述第二信息处理单元相连，用以将所述第二滤波放大电路的输出信号解调出来，并传输给所述第二传输控制单元和所述第二信息处理单元。
11、一种基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化方法，所述系统采集到的一体化信号采用经过最小频移键控调制后的正弦频率调制信号，当传输信号为1时，信号相位增加当传输信号为0时，信号相位减少能够使得作为探测信号的正弦频率调制信号的相位携带传输信息，同时也将水下探测和水下通信相关联。
12、本发明技术方案的进一步改进在于：所述方法具体包括以下步骤：
13、步骤1，在目标区域，分别部署一体化模块发射端和一体化模块接收端；
14、步骤2，一体化模块发射端的发射换能器工作，以广播的方式发射正弦频率调制的探测波形；
15、步骤3，如果产生回波，则目标探测区域内部存在目标，并执行步骤4，否则返回步骤2，继续执行探测任务；
16、步骤4，一体化模块发射端的模拟水听器接收到回波信号，通过第一滤波放大电路对目标信号进行滤波放大处理并通过数模/模数转换电路和第一传输控制单元将回波信息传输给第一信息处理单元；
17、步骤5，在接收到回波信号之后，表明一体化模块发射端已经探测到目标，此时一体化模块发射端开始发射携带通信信息的一体化波形；
18、步骤6，如果一体化模块接收端的接收换能器接收到发射换能器发射出的一体化信号，则表明区域内存在通信目标并执行步骤7；否则说明所探测到的目标不是通信端，需要返回步骤3，继续搜寻新的通信目标；
19、步骤7，一体化模块接收端的接收换能器对接收到的一体化信号通过第二滤波放大电路和信号解调电路进行滤波放大和解调，以获取通信信息并将通信信息传输给第二传输控制单元和第二信息处理单元；
20、步骤8，一体化模块接收端和一体化模块发射端分别通过第二传输控制单元和第一传输控制单元将收到的信息传递给第二信息处理单元和第一信息处理单元，经过第二信息处理单元和第一信息处理单元处理显示相应信息后，完成一体化模块的水下探测和水下通信功能。
21、本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤2中，一体化模块发射端的发射换能器以广播的方式发射正弦频率调制的探测波形时，在发射换能器的周围套上隔音罩，防止在发射换能器工作的瞬间，模拟水听器通过一体化模块内部直接接收到信号，以减少一体化模块发射端的自干扰；第一信息处理单元通过第一传输控制单元控制波形发生器产生正弦频率调制信号驱动发射换能器，将电信号转化为声信号，并发射到水声信道当中。
22、本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤4中，一体化模块发射端的模拟水听器在接收到回波信号之后，将声信号转化为电信号，经过第一滤波放大电路进行信号处理，再经过数模/模数转换电路和第一传输控制单元将模拟水听器采集到的回波信号经串口传输给第一信息处理单元。
23、本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤5中，具体过程如下：
24、一体化模块发射端探测到目标后，第一信息处理单元将输入的信息以八位二进制数的形式写入到第一传输控制单元中，然后再加上通信协议，组成要发送的二进制数据信息，之后对要发送的二进制数据信息进行差分编码并转换为相对码，以减少相邻码元之前的干扰；
25、再将信号按照奇偶顺序分为i路和q路两路信号并分别乘以载波信号：
26、和
27、其中，ω是载波中心频率，t是单个的码元周期；
28、之后，再相加即可得到调制后的最小频移键控信号，将差分编码后的二进制数据信息以最小频移键控的方式调制的信号如下：
29、
30、其中，a为信号幅值，n为一个码元周期，n为序列点数且n＝1,2,3,…，
31、ak为第k个码元中的数据，为初始相位；
32、正弦频率调制信号的表达式如下：
33、ssfm(t)＝a·exp{j(2πfc+βcos(2παt))t}
34、其中，a为信号幅值；fc为中心频率；β为调制指数，决定频率的调制幅度；α为频率调制项，决定了信号脉冲的顺势频率函数中包含的周期数；
35、将正弦频率调制信号的相位按最小频移键控的方式调制之后得到的一体化信号如下：
36、
37、其中，a为信号幅值，n为一个码元周期，n为序列点数且n＝1,2,3,…，fc为中心频率，β为调制指数，α为频率调制项，ak为第k个码元中的数据，为初始相位；
38、将得到的一体化信号经过一体化模块发射端内部的波形发生器发送给发射换能器，即可完成电信号向声信号的转变，信息进入到水声通道。
39、本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤7中，一体化模块接收端的接收换能器接收到一体化信号之后，进行匹配滤波以最大化信号的信噪比，再将滤波后的一体化信号与参考的正弦频率调制信号同时输入到相敏检波电路的输入端，鉴别调制信号的相位，当二者存在相位差的时候电路会输出相应的电压，之后再对检波后的信号进行差分解码，以回复原始二进制数据信息；一体化模块接收端将解调出的二进制数据信息传输给第二传输控制单元，按照通信协议后将一体化模块发送端传输的信息传递给第二信息处理单元，如此便完成了水下通信的功能。
40、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
41、1、本发明基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化系统采用最小频移键控相位调制的方式将正弦频率调制的探测信号的相位携带通信信息，实现了水下探测和水下通信能力的同时进行。
42、2、本发明的基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化方法，可以在保证水下探测的准确度的前提下，降低水下通信的误码率。
43、3、本发明一体化系统的设计解决了现有独立的水下探测和水下通信存在频谱资源竞争和能耗竞争，提升了水下系统平台的整体频谱利用率和性能。
1.一种基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化系统，其特征在于：所述系统包括一体化模块发射端和一体化模块接收端；所述一体化模块发射端负责信号的发射和回波信号的接收处理；所述一体化模块接收端负责一体化信号的接收和通信处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化系统，其特征在于：所述一体化模块发射端包括发射换能器、模拟水听器、第一信息处理单元、第一传输控制单元、数模/模数转换电路、信号调制电路、第一滤波放大电路和波形发生器；
3.一种基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化方法，使用如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述系统采集到的一体化信号采用经过最小频移键控调制后的正弦频率调制信号，当传输信号为1时，信号相位增加当传输信号为0时，信号相位减少能够使得作为探测信号的正弦频率调制信号的相位携带传输信息，同时也将水下探测和水下通信相关联。
4.根据权利要求3所述的一种基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化方法，其特征在于：在步骤2中，一体化模块发射端的发射换能器以广播的方式发射正弦频率调制的探测波形时，在发射换能器的周围套上隔音罩，防止在发射换能器工作的瞬间，模拟水听器通过一体化模块内部直接接收到信号，以减少一体化模块发射端的自干扰；第一信息处理单元通过第一传输控制单元控制波形发生器产生正弦频率调制信号驱动发射换能器，将电信号转化为声信号，并发射到水声信道当中。
6.根据权利要求4所述的一种基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化方法，其特征在于：在步骤4中，一体化模块发射端的模拟水听器在接收到回波信号之后，将声信号转化为电信号，经过第一滤波放大电路进行信号处理，再经过数模/模数转换电路和第一传输控制单元将模拟水听器采集到的回波信号经串口传输给第一信息处理单元。
7.根据权利要求4所述的一种基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化方法，其特征在于：在步骤5中，具体过程如下：
8.根据权利要求4所述的一种基于正弦频率调制的水下探测与通信一体化方法，其特征在于：在步骤7中，一体化模块接收端的接收换能器接收到一体化信号之后，进行匹配滤波以最大化信号的信噪比，再将滤波后的一体化信号与参考的正弦频率调制信号同时输入到相敏检波电路的输入端，鉴别调制信号的相位，当二者存在相位差的时候电路会输出相应的电压，之后再对检波后的信号进行差分解码，以回复原始二进制数据信息；一体化模块接收端将解调出的二进制数据信息传输给第二传输控制单元，按照通信协议后将一体化模块发送端传输的信息传递给第二信息处理单元，如此便完成了水下通信的功能。
