一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统的制作方法

1.本发明涉及无线电测量领域，且更具体地涉及一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统。


背景技术：

2.随着全球海洋资源开发和海洋环境保护的需求，使用低能耗长距离通讯系统进行海洋监测变得愈显重要。海洋监测系统需要能够稳定、高效地传输信号，以监测海洋环境的变化并获取实时数据。传统的海洋监测采用lora技术实现数据通讯。
3.low power long range 通讯技术是一种基于扩频调制的低功耗宽带信号传输系统，它利用无线网络实现信息的长距离传输。lora技术因其低能耗和远距离输送能力逐渐成为物联网领域的主流选择；它在智能城市、农业、交通管理等各个领域具有广泛的应用；尽管这种通讯技术在很多方面有优势，但作为一种海洋监测用低能耗长距离通讯系统，lora技术仍存在一些显著的缺点；lora技术在进行长距离数据传输时，信号传输速率受到限制；虽然它可以保证数据的可靠性，但较低的数据传输速率可能导致远程监测信息和数据的延迟；海洋环境复杂多变，如子午线、渔船等因素容易影响无线信号的传输；这可能导致信号接收的不稳定和丢包现象，从而影响整个海洋监测系统的准确性和可靠性；虽然lora技术具有低功耗优势，但在大范围的海洋监测场景中，部署大量节点可能导致较高的设备投入成本。同时，由于海洋环境的恶劣和不稳定性，对设备的维护工作也会带来额外的成本和挑战，lora技术在远距离传输效果较好，但会牺牲信号的传输速度。如需进行密集数据更新的海洋监测任务，lora技术可能无法满足实时监测的需求。
4.因此，本发明公开一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明公开了一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，能够实现高效、稳定的通信并提供可靠的海洋环境数据；通过声波通信模块，实现水下长距离、低功耗的通信，同时实现了水下长距离传输，高速数据传输；有效解决了传统无线电通信水下传播效果差的问题；通过传感器模块，实现了高精度监测，多种类数据的监测，为海洋监测提供了可靠的数据支持。通过能源管理模块，实现了系统功耗的降低，延长了设备使用寿命。通过控制计算模块，实现了对数据的接收分析与处理，让系统运行更加高效；通过自适应调整模块，实现了能够根据实际需求自动调整系统，使其在不同环境下保持稳定、高效地工作。通过辅助检测设备，实现了系统所提供数据的多样化。
6.本发明采用以下技术方案：一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，所述系统包括:无线电导航模块，用于确定声纳通讯信息在海洋中的位置,所述无线电导航模块通过设置差分全球定位系统并接收差分全球定位系统的信号实现无线电导航；所述差分全球定位系统使用地面基站发送的差分修正信号来改进gps信号的精确度，以提高位置测量
的准确性与无线电导航模块的精确度；其中所述无线电导航模块包括信息接收模块、信息发射模块、第一长距离声纳信息识别模块、通信协议选择模块和改进型gps定位模块；所述差分全球定位系统包括第二长距离声纳信息识别模块、导航计算模块和位置选择模块以实现gps信号精确度的提升；传感器模块，用于监测海洋复杂多变的环境，所述传感器模块监测的海洋数据信息至少包括海洋风力、风向、天气温度、盐度、水深和流速；声波通信模块，用于传输海洋监测数据；所述声波通信模块采用高速数据传输网络、抗多径干扰传输通道和阵列信号处理方法实现声波信号在海洋中的长距离传输；能源管理模块，用于收集并分配管理用于整个系统的功耗，确保能耗始终处于最低状态；所述能源管理模块包括能量收集单元和能量优化单元，以实现低功耗运行系统，所述能量收集单元用于收集外界环境能量转化为可利用能源，所述能量收集单元包括太阳能光伏发电装置，风力发电装置和浮子式波浪能发电装置；所述能量优化单元用于对收集到的能量进行优化分配，确保海洋声纳通讯系统的持续低能耗运行；所述能量收集单元输出端与所述能量优化单元输入端连接；控制计算模块，用于接收和处理传感器模块收集到的海洋监测数据；所述控制计算模块包括数据接收模块与计算模块，所述数据接收模块用于对海洋监测数据进行接收与发送，所述计算模块用于对数据进行预处理、解码、解调、整合和分析；自适应调整模块，用于在不同环境噪声和海水条件的情况下实时调整声波频率、波束宽度和传输功率，所述自适应调整模块使用模糊逻辑控制器和高效自适应算法实现实时调整声波频率、波束宽度和传输功率；辅助检测设备，用于更加全面的进行海洋监测，所述辅助检测设备包括水下摄像头、多波束回声测深仪、温度传感器和盐度传感器；其中，所述无线电导航模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述传感器模块输出端与所述控制计算模块输入端连接；所述控制计算模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述自适应模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述辅助检测设备输出端与控制计算模块输入端连接；所述能源管理模块全程工作。
7.作为本发明进一步的技术方案，所述第一长距离声纳信息识别模块包括信息接收模块、特征提取模块、深度学习模块、匹配跟踪模块和时空解析模块；通过对声纳信息预处理、特征提取、分析来实现对目标信号的识别和追踪。
8.所述第一长距离声纳信息识别模块的工作方法为：步骤一、信号预处理，所述信息接收模块通过对声纳信号进行傅里叶变换、滤波和波束形成实现信号预处理，以提高信号质量和降低噪声；步骤二、特征提取，所述特征提取模块通过多特征敏锐神经网络对接收到的声纳信号进行瞬时频率、幅度和纯度特征提取；步骤三、深度学习，所述深度学习模块通过深度学习网络训练海量声纳信号样本，以掌握历史声纳信号的特征和规律；步骤四、匹配跟踪，所述匹配跟踪模块通过大数据对比分析提取的声纳信号特征与历史的声纳信号特征进行匹配实现信息识别，以提高目标定位和追踪准确性；步骤五、时空解析，所述时空解析模块通过云计算对声纳信号时域和空域信号的
传播路径、速度和方向进行预测，以辅助目标定位和追踪，提高目标定位和追踪效率。
9.作为本发明进一步的技术方案，所述传感器模块包括水深监测单元，温度监测单元，盐度监测单元和流速监测单元，所述水深监测单元采用压电式压力传感器监测海水深度，所述压电式压力传感器通过水柱压力与深度之间的帕斯卡定律来测量水深；所述温度监测单元采用ntc热敏电阻与电阻率温度系数函数来计算水温；所述电阻率温度系数函数输出公式为：（1）在公式（1）中，为ntc热敏电阻温度为时的电阻值，为ntc热敏电阻温度为时的电阻值,为与的差值；所述盐度监测单元采用电导率传感器监测海水盐度，所述流速监测单元采用多普勒声纳方法dst监测海水流速；所述多普勒声纳技术dst通过测量接收声波频率变化测量海流的速度和方向，所述接收声波频率输出函数为：（2）在公式（2）中，v和u分别为观察者相对于媒介的速度与波源相对于媒介的速度，v为声波的传播速度，f为波源发出的频率，v》0或v《0分别表示观察者趋近或背离波源，u》0或u《0分别表示波源趋近或背离观察者。
10.作为本发明进一步的技术方案，所述高速数据传输网络通过数据压缩和声速公式减少数据量，以提高传输速率；所述声速公式为， （3）在公式（3）中，c表示声速，t表示介质温度，s表示盐度，d表示深度。
11.作为本发明进一步的技术方案，所述能量优化单元采用能源管理策略对收集到的能源进行优化分配和存储；所述能量优化单元包括电池管理工具、充电控制器、能量调度网络和智能负载管理工具；所述能量调度网络根据系统的功率需求和优先级对各部分进行动态分配，以实现能源的最佳利用。
12.作为本发明进一步的技术方案，所述抗多径干扰传输通道采用自适应协议选择方法、多协议并存传输方法、高级网络拓扑结构、分布式协调策略和无线电技术实现声纳通讯协议的灵活切换：其中所述自适应协议选择方法采用最优抉择算法模型选择最优的通信协议，以提高通信效率与质量。
13.作为本发明进一步的技术方案，所述最优抉择算法模型包括输入层、数据层、模型层、算法层、优化层和输出层，所述自适应协议选择方法采用最优抉择算法模型选择最优的通信协议包括以下步骤：s1、数据输入，将海洋监测数据和通信协议特征数据进行格式转换，并通过输入层输入至最优抉择算法模型；s2、确定计算的目标和基本参数，通过数据层从输入数据中获取计算参数和限制条件，计算参数和限制条件包括计算规模、目标函数、约束条件和变量范围，以保证求最优
解过程的合理性和有效性；s3、建立最优抉择数学模型，所述模型层基于海洋监测数据和通信协议特征建立最优的通信协议选择的数学模型；s4、采用算法解决问题，所述算法层采用最优抉择算法模型进行迭代计算、参数修正以及计算结果和真实值比较，并根据目标函数和计算节点分布情况获取计算节点的邻居列表，所述最优抉择算法模型通过维护计算节点的邻居列表优化计算速度；s5、对求解过程进行精细控制和优化，通过优化层合并或拆分计量单位，提高计算的准确性，并通过自适应参数选择方式设置阈值和迭代次数，所述优化层采用并行计算方式将计算任务分配给多个处理器或计算节点，以提高计算速度；s6、结果输出，通过输出层对计算结果进行输出。
14.作为本发明进一步的技术方案，所述模糊逻辑控制器根据周围实时状态和反馈信息，通过调整其参数和规则实现对系统控制的自适应调整，所述模糊逻辑控制器的工作方法为：：步骤1，定义输入和输出变量，所述输入变量为环境噪声和海水条件，输出变量为声波频率、波束宽度和传输功率；步骤2，将所述输入变量和输出变量离散化为模糊集；步骤3，将具体的输入变量值与规则库中的规则进行结合，得到输出变量的模糊集；步骤4，使用均值最大法将模糊集转换为具体的数值；步骤5，利用实际环境信号与预测信号之间的误差优化模糊逻辑控制器的参数；步骤6，将提取到的声波频率、波束宽度和传输功率实时调整，向声纳设备发送信号，以在各类环境条件下实现自适应。
15.作为本发明进一步的技术方案，所述高效自适应算法通过计算声波频率、波束宽度和传输功率的最小均方误差调整自适应权重以减小自适应结果误差；所述高效自适应算法包括最小均方算法，所述最小均方算法通过以下公式计算权重向量w：（4）在公式（4）中，w(n)是在时刻n的声波频率、波束宽度和传输功率的权重向量，μ是学习速率参数，e(n)是在时刻n的误差信号，x(n)是输入信号。
16.积极有益效果：针对现有技术的不足，本发明公开了一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，能够实现高效、稳定的通信并提供可靠的海洋环境数据；通过声波通信模块，实现水下长距离、低功耗的通信，同时实现了水下长距离传输，高速数据传输；有效解决了传统无线电通信水下传播效果差的问题；通过传感器模块，实现了高精度监测，多种类数据的监测，为海洋监测提供了可靠的数据支持。通过能源管理模块，实现了系统功耗的降低，延长了设备使用寿命。通过控制计算模块，实现了对数据的接收分析与处理，让系统运行更加高效；通过自适应调整模块，实现了能够根据实际需求自动调整系统，使其在不同环境下保持稳定、高效地工作。通过辅助检测设备，实现了系统所提供数据的多样化。
附图说明
17.图1为本发明一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统的整体架构示意图；图2为本发明一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统的声波通信模块架构图；图3为本发明一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统的无线电导航距离测量电波折射误差修正图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统,所述系统包括:无线电导航模块，用于确定声纳通讯信息在海洋中的位置,所述无线电导航模块通过设置差分全球定位系统并接收差分全球定位系统的信号实现无线电导航；所述差分全球定位系统使用地面基站发送的差分修正信号来改进gps信号的精确度，以提高位置测量的准确性与无线电导航模块的精确度；其中所述无线电导航模块包括信息接收模块、信息发射模块、第一长距离声纳信息识别模块、通信协议选择模块和改进型gps定位模块；所述差分全球定位系统包括第二长距离声纳信息识别模块、导航计算模块和位置选择模块以实现gps信号精确度的提升；传感器模块，用于监测海洋复杂多变的环境，所述传感器模块监测的海洋数据信息至少包括海洋风力、风向、天气温度、盐度、水深和流速；声波通信模块，用于传输海洋监测数据；所述声波通信模块采用高速数据传输网络、抗多径干扰传输通道和阵列信号处理方法术以实现声波信号在海洋中的长距离传输；能源管理模块，用于收集并分配管理用于整个系统的功耗，确保能耗始终处于最低状态；所述能源管理模块包括能量收集单元和能量优化单元，以实现低功耗运行系统，所述能量收集单元用于收集外界环境能量转化为可利用能源，所述能量收集单元包括太阳能发电装置，风力发电装置和浮子式波浪能发电装置；所述能量优化单元用于对收集到的能量进行优化分配，确保海洋声纳通讯系统的持续低能耗运行；所述能量收集单元输出端与所述能量优化单元输入端连接；控制计算模块，用于接收和处理传感器模块收集到的海洋监测数据；所述控制计算模块包括数据接收模块与计算模块，所述数据接收模块用于对海洋监测数据进行接收与发送，所述计算模块用于对数据进行预处理、解码、解调、整合和分析；自适应调整模块，用于在不同环境噪声和海水条件的情况下实时调整声波频率、波束宽度和传输功率，所述自适应调整模块使用模糊逻辑控制器和高效自适应算法实现实时调整声波频率、波束宽度和传输功率；辅助检测设备，用于更加全面的进行海洋监测，所述辅助检测设备包括水下摄像头、多波束回声测深仪、温度传感器和盐度传感器；其中，所述无线电导航模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述传感器
模块输出端与所述控制计算模块输入端连接；所述控制计算模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述自适应模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述辅助检测设备输出端与控制计算模块输入端连接；所述能源管理模块全程工作。
20.在具体实施例中，所述海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统包括以下特点：低能耗：通过降低信号发送功率和采用高效的调制解调技术，减小系统运行所需能量，延长传感器与设备的续航时间。
21.长距离传输：在优化信号处理和调制解调技术的基础上，提高声纳通信的传输距离，以满足在广阔海域的监测需求。
22.抗干扰性强：采用先进的信号处理技术和多径补偿算法，提高信号在复杂海洋环境中的传输稳定性，有效抵抗海底地形、水流、海洋生物等声学干扰。
23.时延小：通过采用高效的编码、解码和数据压缩技术，降低数据传输的时延，实现快速反应。
24.自组网能力：具备自主配置和自动寻址功能，可以实现节点间无线通信、网络中继以及动态拓扑结构的调整。
25.容错性高：利用冗余设计和自适应调整策略，确保即使在发生局部故障的情况下仍能保证系统的可用性和稳定性。
26.定位与导航功能：通过多节点之间的时间差测量和声纳通信技术，实现对海洋监测装置的高精度定位和导引。
27.在上述实施例中，所述第一长距离声纳信息识别模块包括信息接收模块、特征提取模块、深度学习模块、匹配跟踪模块和时空解析模块；通过对声纳信息预处理、特征提取、分析来实现对目标信号的识别和追踪。
28.所述第一长距离声纳信息识别模块的工作方法为：步骤一、信号预处理，所述信息接收模块通过对声纳信号进行傅里叶变换、滤波和波束形成实现信号预处理，以提高信号质量和降低噪声；步骤二、特征提取，所述特征提取模块通过多特征敏锐神经网络对接收到的声纳信号进行瞬时频率、幅度和纯度特征提取；步骤三、深度学习，所述深度学习模块通过深度学习网络训练海量声纳信号样本，以掌握历史声纳信号的特征和规律；步骤四、匹配跟踪，所述匹配跟踪模块通过大数据对比分析提取的声纳信号特征与历史的声纳信号特征进行匹配实现信息识别，以提高目标定位和追踪准确性；步骤五、时空解析，所述时空解析模块通过云计算对声纳信号时域和空域信号的传播路径、速度和方向进行预测，以辅助目标定位和追踪，提高目标定位和追踪效率。
29.在具体实施例中，信息接收模块在具体实施例中，可以为具有无线数据通信的终端，比如手机、平板电脑或计算机等设备，这些模块通常集成在设备中的芯片或内存中,通过无线电或其他方式与无线通信模块连接,以便接收来自其他设备的信息。本发明的信息接收模块除了能够通过对声纳信号进行傅里叶变换、滤波和波束形成实现信号预处理，以提高信号质量和降低噪声，还能够进行数据信息处理。
30.特征提取模块在具体工作中，能够从原始数据中提取特征的模块。在机器学习和数据挖掘中,特征提取是非常重要的步骤,因为只有从原始数据中提取出有意义的特征,才
能更好地进行算法分析和预测。本发明的特征提取模块通过多特征敏锐神经网络对接收到的声纳信号进行瞬时频率、幅度和纯度特征提取时，可以通过神经网络、支持向量机、决策树、随机森林等,来帮助提取出数据中的有用特征。在具体实施例中，通过统计分析、特征选择和特征变换等。将原始数据映射到新的空间中,以便更好地进行特征分析和建模。特征提取模块也需要使用一些数据预处理技术和算法，比如数据清洗、归一化、标准化等,来帮助确保提取出的特征质量和准确性，通过这种方式以提高数据信息处理和计算能力。
31.深度学习模块在具体实施例中，通过深度学习网络训练海量声纳信号样本，以掌握历史声纳信号的特征和规律；在具体应用中，首先构建学习网络，在学习网络中，深度学习模型是一种机器学习算法，通过构建多层神经网络来模拟人类大脑的神经元结构,从而实现对数据的自动学习和分类。深度学习模型通常包括一个或多个神经网络层,每层包含许多神经元,通过这些神经元可以对数据进行特征提取和抽象。在具体应用中可以进行数据量训练、数据信息计算、模型训练时间等问题。在进一步的实施例中，可以设置gpu加速、神经网络结构优化等模型等，以提高数据信息计算能力。
32.匹配跟踪模块在具体应用中，能够准确地预测在海洋监测声纳通讯系统在数据通信中的行驶路径,以便海洋监测声纳通讯系统能够更好地规划路线和提供更加安全的数据通信环境。通过大数据对比分析提取的声纳信号特征与历史的声纳信号特征进行匹配实现信息识别，以提高目标定位和追踪准确性；时空解析模块在具体工作过程中，用于解析时间和空间的语法和规则。由于这个模块可以帮助程序或机器人更好地理解自然语言中的时间和空间概念,从而更准确地执行任务。时空解析模块可以使用自然语言处理技术来实现,例如,将数据通信中的数据信息翻译成计算机程序中的坐标值,或者在时间轴上绘制一个点,表示当前的时间。
33.在进一步的实施例中，时空解析模块是指在深度学习模型中用于处理时空数据的组件。其结构包可以包括：卷积神经网络（cnn）层：卷积神经网络是处理图像和视频数据的常用工具，可以提取出空间上的特征；在时空解析模块中，使用一维或二维的卷积层来捕捉输入数据中的空间信息；时序建模层：对于时间序列数据，如视频或语音，需要考虑时间上的连续性。时序建模层可以是循环神经网络（rnn）或长短期记忆网络（lstm）等，用于捕捉输入数据在时间维度上的特征和依赖关系。
34.注意力机制（attention）：注意力机制可以帮助模型在时空数据中聚焦于关键区域或时间段。通过学习权重分配，模型可以有选择地关注输入数据中的某些部分，以提高模型的表现和效率。
35.时空编码器：时空编码器可以将输入的时空数据映射到一个低维空间中，并保留关键的时空信息。这有助于降低模型的复杂性，并提取有意义的表示。
36.时空解码器：时空解码器将低维的时空表示映射回原始的时空数据。这一步骤可以用于重建或生成新的时空数据。
37.以上是时空解析模块的一种实施例的结构特点，但具体的设计和参数设置可能会因任务的不同而有所变化。这些模块可以根据需要进行堆叠、连接和组合，以适应各种时空数据处理任务，如海上通讯特征、通讯属性识别和通讯方向预测等。
38.在具体实施例中，第一长距离声纳信息识别模块在海洋监测声纳通讯系统中的主要特点和作用如下：长距离传输能力：模块具备在水下远距离传输和接收声纳信号的能力。通过使用低频声波，它能在大范围内准确地识别和定位目标。
39.环境适应性：在各种海洋环境中，如不同深度、温度、盐度等条件下，第一长距离声纳信息识别模块能够保证稳定、可靠的传输和接收功能。
40.高分辨率：采用先进的信号处理技术，提高分辨率，使模块能够在远距离下精确地区分和识别不同类型的目标。
41.抗噪声性能：模块具备抗海洋背景噪声和干扰的能力，通过有效降低噪声影响，增强声纳信号的可靠性。
42.自适应性：模块能够根据当前的海洋环境和目标特性，自动调整声纳参数，以提高目标检测和定位的准确性。
43.实时性：第一长距离声纳信息识别模块具备快速反应和处理能力，能够实时地识别、定位和跟踪目标，方便海洋监测任务的执行。
44.总之，第一长距离声纳信息识别模块在海洋监测声纳通讯系统中具有关键作用，提高了海洋目标检测、定位和识别的能力，为海洋科学研究、国防安全和环境保护等领域提供了重要支持。
45.在上述实施例中，所述传感器模块包括水深监测单元，温度监测单元，盐度监测单元和流速监测单元，所述水深监测单元采用压电式压力传感器监测海水深度，所述压电式压力传感器利用水柱压力与深度之间的帕斯卡定律来测量水深；所述温度监测单元采用ntc热敏电阻与电阻率温度系数函数来计算水温；所述电阻率温度系数函数输出公式为：（1）在公式（1）中，为ntc热敏电阻温度为时的电阻值，为ntc热敏电阻温度为时的电阻值,为与的差值；所述盐度监测单元采用电导率传感器监测海水盐度，所述流速监测单元采用多普勒声纳方法dst监测海水流速；所述多普勒声纳技术dst通过测量接收声波频率变化测量海流的速度和方向，所述接收声波频率输出函数为：（2）在公式（2）中，v和u分别为观察者相对于媒介的速度与波源相对于媒介的速度，v为声波的传播速度，f为波源发出的频率，v》0或v《0分别表示观察者趋近或背离波源，u》0或u《0分别表示波源趋近或背离观察者。
46.在具体实施例中，传感器模块具有以下特点：高灵敏度：传感器需要具有高灵敏度，以便能够检测到微弱的声波信号，提高信号检测和捕获的准确性。
47.低功耗：传感器应设计为消耗最小的电能，以便在长期使用和远离电源的情况下
缩小电池规模或延长其使用寿命。
48.高信噪比：传感器应具有高信噪比性能，以减小环境噪声对信号传输及检测的影响。
49.抗干扰性能：传感器需要具备抗电磁干扰和其他环境干扰的能力，减小误报率和信号丢失率。
50.高稳定性和可靠性：在恶劣海洋环境（如高盐度、高温度、高压力、暴风雨等）下，这类传感器需要确保良好的性能，可适应多种环境条件。
51.多通道处理能力：传感器应能支持向多个接收站同时发送签名以提高通讯效率。
52.功能扩展性：传感器应具备可扩展性，可以根据不同应用场景或需求，轻松添加或切换功能或参数。
53.网络优化：传感器要有能力通过自组织网络技术进行优化，以实现自动调整参数、路径选择和节点定位。
54.自适应变焦：根据声纳监测距离和目标大小，传感器应具备自适应变焦功能，提高目标检测的精度和效率。
55.生物友好性：若可能，传感器材料应选择对海洋生物环境友好的材料，以减少对生态系统的影响。
56.这些特点有助于确保实施例传感器能在海洋监测应用中表现出优越的性能，提供更为可靠和准确的数据。
57.电阻值与实际温度的关系如下测试数据表：表1电阻值与实际温度关系表
58.根据此表，可得出电阻与温度之间的关系。
59.在上述实施例中，所述高速数据传输网络通过数据压缩和声速公式减少数据量，以提高传输速率；所述声速公式为， （3）在公式（3）中，c表示声速，t表示介质温度，s表示盐度，d表示深度。
60.在具体实施例中，声波通信模块包括以下特性：低功耗设计：为实现长距离海洋监测需求，声波通信模块需要具有低功耗特点，以降低能耗并延长设备使用寿命。采用低耗电子元件、有效管理模块工作状态以及合理分配
能源等方法实现低功耗。
61.长距离通信：通过优化声波传输技术、采用高灵敏度接收器和降低信号衰减等手段，确保声纳通讯系统能够在较长距离范围内保持良好的通信效果。
62.抗干扰性能：通过数字信号处理技术、自适应噪声抑制算法以及信道估计方法等，提高声波通信模块在复杂海洋环境中的抗干扰能力。
63.数据压缩与容错技术：通过使用有效的数据压试验和错误检测修复算法，降低数据传输量，提高数据传输的可靠性。
64.多功能性：除了实现声纳通讯功能，还可以实现数据采集、处理和存储功能，提高海洋监测系统的综合性能。
65.在上述实施例中，所述能量优化单元采用能源管理策略对收集到的能源进行优化分配和存储；所述能量优化单元包括电池管理工具、充电控制器、能量调度网络和智能负载管理工具；所述能量调度网络根据系统的功率需求和优先级对各部分进行动态分配，以实现能源的最佳利用。
66.在具体实施例中，能源管理模块能够有效地为海洋监测用长距离低功耗声纳通讯系统提供稳定、可靠的能源支持，降低系统的能源消耗，提高能源利用效率，特点包括以下几个方面：优化能源管理：能源管理模块通过实时监测并评估系统的能源需求和消耗，对能源供应进行优化，提高能源利用效率。
67.高度集成化设计：将功耗控制、能源采集、能量存储、系统监测等关键功能集成在一个模块中，便于系统安装、维护和升级。
68.自适应能源消耗策略：根据海洋监测任务的实时需求和环境状况，自动调整系统的工作模式和功耗，如进入低功耗休眠模式或选择不同的传感器采样频率，保持系统长时间连续工作。
69.实时远程监控和调整：能源管理模块可以实时向远程监控中心传输系统的能源状态信息和工作参数，通过无线通讯技术进行远程调整和设备维护。
70.模块化和可扩展性：模块化设计，便于在不同的声纳通讯系统中实现快速定制和部署。同时，具有良好的可扩展性，支持根据系统的实际需求添加或减少能源供应方式和模块。
71.在上述实施例中，所述抗多径干扰传输通道采用自适应协议选择方法、多协议并存传输方法、高级网络拓扑结构、分布式协调策略和无线电技术实现声纳通讯协议的灵活切换：其中所述自适应协议选择方法采用最优抉择算法模型选择最优的通信协议，以提高通信效率与质量在具体实施例中，通信协议选择模块通常采用以下技术：自适应协议选择：在复杂的海洋环境中，自适应协议选择技术可以根据当前传播条件选择最优的通信协议，提高通信效率与质量。
72.多协议并存：设计一个能够同时支持多种通信协议的系统，根据不同的任务、距离和水声环境，动态地调整其通信协议。
73.高级网络拓扑设计：在海洋监测声纳通信系统中，可以利用分簇、网格等网络结构设计先进的通信拓扑，以提高通信能力和容错性。
74.分布式协调策略：通过在网络中部署多个协议选择模块，可以使用分布式协调策略在整个网络范围内优化信道利用、协议选择和节点资源分配。
75.软件定义无线电（sdr）技术：通过使用软件定义无线电技术，可以灵活地在硬件层面完成多种通信协议的切换，进一步提升声纳通信系统的灵活性和适应性。
76.在上述实施例中，所述最优抉择算法模型包括输入层、数据层、模型层、算法层、优化层和输出层，所述自适应协议选择方法采用最优抉择算法模型选择最优的通信协议包括以下步骤：s1、数据输入，将海洋监测数据和通信协议特征数据进行格式转换，并通过输入层输入至最优抉择算法模型；s2、确定计算的目标和基本参数，通过数据层从输入数据中获取计算参数和限制条件，计算参数和限制条件包括计算规模、目标函数、约束条件和变量范围，以保证求最优解过程的合理性和有效性；s3、建立最优抉择数学模型，所述模型层基于海洋监测数据和通信协议特征建立最优的通信协议选择的数学模型；s4、采用算法解决问题，所述算法层采用最优抉择算法模型进行迭代计算、参数修正以及计算结果和真实值比较，并根据目标函数和计算节点分布情况获取计算节点的邻居列表，所述最优抉择算法模型通过维护计算节点的邻居列表优化计算速度；s5、对求解过程进行精细控制和优化，通过优化层合并或拆分计量单位，提高计算的准确性，并通过自适应参数选择方式设置阈值和迭代次数，所述优化层采用并行计算方式将计算任务分配给多个处理器或计算节点，以提高计算速度；s6、结果输出，通过输出层对计算结果进行输出。
77.添加最优抉择算法模型后的传输速度与未添加最优抉择算法模型的传输速度相比统计如表2所示。
78.表2 传输速度对比统计表
79.添加最优抉择算法模型后的传输速度大于未添加最优抉择算法模型的传输速度，证明添加最优抉择算法模型能够提高传输速度。
80.在上述实施例中，所述模糊逻辑控制器根据周围实时状态和反馈信息，通过调整其参数和规则实现对系统控制的自适应调整，所述模糊逻辑控制器的工作方法为：模糊逻辑控制器的工作方法为：：
步骤1，定义输入和输出变量，所述输入变量为环境噪声和海水条件，输出变量为声波频率、波束宽度和传输功率；步骤2，将所述输入变量和输出变量离散化为模糊集；步骤3，将具体的输入变量值与规则库中的规则进行结合，得到输出变量的模糊集；步骤4，使用均值最大法将模糊集转换为具体的数值；步骤5，利用实际环境信号与预测信号之间的误差优化模糊逻辑控制器的参数；步骤6，将提取到的声波频率、波束宽度和传输功率实时调整，向声纳设备发送信号，以在各类环境条件下实现自适应。
81.在具体实施例中，模糊逻辑控制器是一种基于模糊逻辑理论的控制器,其主要目的是通过引入模糊逻辑理论的控制观念,实现对复杂系统的动态控制。
82.再进一步具体实施例中，模糊逻辑控制器一般包括以下结构:输入层：输入层接受传感器数据、输入指令等输入信号,并将其转换为数字信号进行处理。
83.表示层：表示层通过模糊逻辑理论对输入信号进行表示,生成模糊逻辑表达式。
84.决策层：决策层根据模糊逻辑表达式的结果,做出决策,并输出控制信号。
85.执行层：执行层根据决策层的输出控制信号,对系统进行控制,实现对系统的动态控制。
86.反馈层：反馈层通过观测到系统的输出结果,对决策层和执行层进行反馈,以提高控制系统的性能。
87.再进一步具体实施例中，在模糊逻辑控制器还可以增加加速器、编码器，以提高数据信息计算能力，还可以通过数据信息编码，以增加数据编码能力，进而提高数据信息处理效率。
88.在具体实施例中，模糊逻辑控制器的应用可以提高整个系统的性能。其特点如下：模糊逻辑控制器能够适应各种不确定性，包括参数变化、环境噪声等，从而实现对通讯系统的自动调节。
89.模糊逻辑控制器具有较强的鲁棒性，可以应对海洋环境中的不确定性因素，降低系统的故障风险。
90.在海洋监测用长距离低功耗通讯系统中，模糊逻辑控制器可以有效降低能源消耗。通过对发送功率、传输速率等参数的自适应调整，保证通信质量的同时优化能耗表现。
91.模糊逻辑控制器能够快速地处理输入信息，提供实时的控制策略来应对海洋监测环境中变化的条件。
92.在海洋监测长距离低功耗通讯系统中，模糊逻辑控制器可以应对复杂路况、多路径传播等现象，从而维持通讯链路的质量，提高数据传输的一致性和可靠性。 总之，模糊逻辑控制器在海洋监测用长距离低功耗通讯系统中可以提高系统的自适应性、稳定性和可靠性，从而实现高效、有效的海洋监测任务。
93.在上述实施例中，所述高效自适应算法通过计算声波频率、波束宽度和传输功率的最小均方误差调整自适应权重以减小自适应结果误差；所述高效自适应算法包括最小均方算法，所述最小均方算法通过以下公式计算权重向量w：
（4）在公式（4）中，w(n)是在时刻n的声波频率、波束宽度和传输功率的权重向量，μ是学习速率参数，e(n)是在时刻n的误差信号，x(n)是输入信号。
94.在具体实施例中，通常使用高效的自适应算法在低功耗的长距离声纳通信系统中来优化通信性能，提高鲁棒性和可靠性。这种系统通常采用以下方法和技术：自适应滤波器：使用自适应滤波器（如最小均方误差（mse）滤波器和均方误差推导（lms）滤波器）处理信号，根据信道状况动态调整滤波器参数。
95.rake接收器：rake接收器是一种在扩频通信中常用的接收技术，它采集并合并多径传播中的多个信号副本，从而提高接收信号的信噪比（snr）。
96.奇偶校验码和前向纠错编码（fec）：使用奇偶校验码和前向纠错编码技术，可以提高传输数据的可靠性和抗干扰能力。
97.聚合技术：在数据传输过程中使用数据聚合技术，将多个数据包组合成一个大的数据包进行传输，从而节省能量。
98.多输入多输出技术：通过使用多个发送和接收天线，mimo技术可以提高通信系统的传输速率和信号接收质量。
99.跨层设计：通过在物理层、数据链路层和网络层之间进行优化和协调，跨层设计可以提高系统性能和提高能效。
100.总之，在低功耗长距离声纳通信系统中使用这些高效的自适应算法和技术能实现更高的能效、传输速率和可靠性。
101.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

技术特征：
1.一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统,其特征在于；所述系统包括：无线电导航模块，用于确定声纳通讯信息在海洋中的位置,所述无线电导航模块通过设置差分全球定位系统并接收差分全球定位系统的信号实现无线电导航；所述差分全球定位系统使用地面基站发送的差分修正信号来改进gps信号的精确度，以提高位置测量的准确性与无线电导航模块的精确度；其中所述无线电导航模块包括信息接收模块、信息发射模块、第一长距离声纳信息识别模块、通信协议选择模块和改进型gps定位模块；所述差分全球定位系统包括第二长距离声纳信息识别模块、导航计算模块和位置选择模块以实现gps信号精确度的提升；传感器模块，用于监测海洋复杂多变的环境，所述传感器模块监测的海洋数据信息至少包括海洋风力、风向、天气温度、盐度、水深和流速；声波通信模块，用于传输海洋监测数据；所述声波通信模块采用高速数据传输网络、抗多径干扰传输通道和阵列信号处理方法实现声波信号在海洋中的长距离传输；能源管理模块，用于收集并分配管理用于整个系统的功耗，确保能耗始终处于最低状态；所述能源管理模块包括能量收集单元和能量优化单元，以实现低功耗运行系统，所述能量收集单元用于收集外界环境能量转化为可利用能源，所述能量收集单元包括太阳能光伏发电装置，风力发电装置和浮子式波浪能发电装置；所述能量优化单元用于对收集到的能量进行优化分配，确保海洋声纳通讯系统的持续低能耗运行；所述能量收集单元输出端与所述能量优化单元输入端连接；控制计算模块，用于接收和处理传感器模块收集到的海洋监测数据；所述控制计算模块包括数据接收模块与计算模块，所述数据接收模块用于对海洋监测数据进行接收与发送，所述计算模块用于对数据进行预处理、解码、解调、整合和分析；自适应调整模块，用于在不同环境噪声和海水条件的情况下实时调整声波频率、波束宽度和传输功率，所述自适应调整模块使用模糊逻辑控制器和高效自适应算法实现实时调整声波频率、波束宽度和传输功率；辅助检测设备，用于更加全面的进行海洋监测，所述辅助检测设备包括水下摄像头、多波束回声测深仪、温度传感器和盐度传感器；其中，所述无线电导航模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述传感器模块输出端与所述控制计算模块输入端连接；所述控制计算模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述自适应模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述辅助检测设备输出端与控制计算模块输入端连接；所述能源管理模块全程工作。2.根据权利要求1所述的一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，其特征在于：所述第一长距离声纳信息识别模块包括信息接收模块、特征提取模块、深度学习模块、匹配跟踪模块和时空解析模块；通过对声纳信息预处理、特征提取、分析来实现对目标信号的识别和追踪；所述第一长距离声纳信息识别模块的工作方法为：步骤一、信号预处理，所述信息接收模块通过对声纳信号进行傅里叶变换、滤波和波束形成实现信号预处理，以提高信号质量和降低噪声；步骤二、特征提取，所述特征提取模块通过多特征敏锐神经网络对接收到的声纳信号进行瞬时频率、幅度和纯度特征提取；步骤三、深度学习，所述深度学习模块通过深度学习网络训练海量声纳信号样本，以掌
握历史声纳信号的特征和规律；步骤四、匹配跟踪，所述匹配跟踪模块通过大数据对比分析提取的声纳信号特征与历史的声纳信号特征进行匹配实现信息识别，以提高目标定位和追踪准确性；步骤五、时空解析，所述时空解析模块通过云计算对声纳信号时域和空域信号的传播路径、速度和方向进行预测，以辅助目标定位和追踪，提高目标定位和追踪效率。3.根据权利要求1所述的一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，其特征在于：所述传感器模块包括水深监测单元，温度监测单元，盐度监测单元和流速监测单元，所述水深监测单元采用压电式压力传感器监测海水深度，所述压电式压力传感器通过水柱压力与深度之间的帕斯卡定律来测量水深；所述温度监测单元采用ntc热敏电阻与电阻率温度系数函数来计算水温；所述电阻率温度系数函数输出公式为：（1）在公式（1）中，为ntc热敏电阻温度为时的电阻值，为ntc热敏电阻温度为时的电阻值,为与的差值；所述盐度监测单元采用电导率传感器监测海水盐度，所述流速监测单元采用多普勒声纳方法dst监测海水流速；所述多普勒声纳技术dst通过测量接收声波频率变化测量海流的速度和方向，所述接收声波频率输出函数为：（2）在公式（2）中，v和u分别为观察者相对于媒介的速度与波源相对于媒介的速度，v为声波的传播速度，f为波源发出的频率，v>0或v<0分别表示观察者趋近或背离波源，u>0或u<0分别表示波源趋近或背离观察者。4.根据权利要求1所述的一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，其特征在于：所述高速数据传输网络通过数据压缩和声速公式减少数据量，以提高传输速率；所述声速公式为，（3）在公式（3）中，c表示声速，t表示介质温度，s表示盐度，d表示深度。5.根据权利要求1所述的一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，其特征在于：所述能量优化单元采用能源管理策略对收集到的能源进行优化分配和存储；所述能量优化单元包括电池管理工具、充电控制器、能量调度网络和智能负载管理工具；所述能量调度网络根据系统的功率需求和优先级对各部分进行动态分配。6.根据权利要求1所述的一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，其特征在于：所述抗多径干扰传输通道采用自适应协议选择方法、多协议并存传输方法、高级网络拓扑结构、分布式协调策略和无线电技术实现声纳通讯协议的灵活切换：其中所述自适应协议选择方法采用最优抉择算法模型选择最优的通信协议。7.根据权利要求6所述的一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，其特征在于：所
述最优抉择算法模型包括输入层、数据层、模型层、算法层、优化层和输出层，所述自适应协议选择方法采用最优抉择算法模型选择最优的通信协议包括以下步骤：s1、数据输入，将海洋监测数据和通信协议特征数据进行格式转换，并通过输入层输入至最优抉择算法模型；s2、确定计算的目标和基本参数，通过数据层从输入数据中获取计算参数和限制条件，计算参数和限制条件包括计算规模、目标函数、约束条件和变量范围，以保证求最优解过程的合理性和有效性；s3、建立最优抉择数学模型，所述模型层基于海洋监测数据和通信协议特征建立最优的通信协议选择的数学模型；s4、采用算法解决问题，所述算法层采用最优抉择算法模型进行迭代计算、参数修正以及计算结果和真实值比较，并根据目标函数和计算节点分布情况获取计算节点的邻居列表，所述最优抉择算法模型通过维护计算节点的邻居列表优化计算速度；s5、对求解过程进行精细控制和优化，通过优化层合并或拆分计量单位，提高计算的准确性，并通过自适应参数选择方式设置阈值和迭代次数，所述优化层采用并行计算方式将计算任务分配给多个处理器或计算节点，以提高计算速度；s6、结果输出，通过输出层对计算结果进行输出。8.根据权利要求1所述的一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，其特征在于：所述模糊逻辑控制器根据周围实时状态和反馈信息，通过调整其参数和规则实现对系统控制的自适应调整，所述模糊逻辑控制器控制方法为以下步骤：步骤1，定义输入和输出变量，所述输入变量为环境噪声和海水条件，所述输出变量为声波频率、波束宽度和传输功率；步骤2，将所述输入变量和所述输出变量离散化为模糊集；步骤3，将具体的输入变量值与规则库中的规则进行结合，得到输出变量的模糊集；步骤4，使用均值最大法将模糊集转换为具体的数值；步骤5，利用实际环境信号与预测信号之间的误差优化模糊逻辑控制器的参数；步骤6，将提取到的声波频率、波束宽度和传输功率实时调整，向声纳设备发送信号，以在各类环境条件下实现自适应。9.根据权利要求1所述的一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，其特征在于：所述高效自适应算法通过计算声波频率、波束宽度和传输功率的最小均方误差调整自适应权重以减小自适应结果误差；所述高效自适应算法包括最小均方算法，所述最小均方算法通过以下公式计算权重向量w： （4）在公式（4）中，w(n)是在时刻n的声波频率、波束宽度和传输功率的权重向量，μ是学习速率参数，e(n)是在时刻n的误差信号，x(n)是输入信号。

技术总结
本发明公开了一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，涉及无线电测量领域，解决的技术问题是提高长距离声纳通讯能力，采用的方案是，一种海洋监测用低能耗长距离声纳通讯系统，包含无线电导航模块，能源管理模块，自适应模块，声波通信模块，传感器模块，控制计算模块和辅助检测设备，所述无线电导航模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述传感器模块输出端与所述控制计算模块输入端连接；所述控制计算模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述自适应模块输出端与所述声波通信模块输入端连接；所述辅助检测设备输出端与控制计算模块输入端连接；本发明大大提高了海洋监测能力。测能力。测能力。


技术研发人员：薛钰飞 佘炎 杨耀明 杨建鹏 甘冰
受保护的技术使用者：北京航天华腾科技有限公司
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/8/16