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申请/专利权人：哈尔滨工业大学(威海)

摘要：本发明涉及跨介质通信技术领域，具体地说是一种能够适应空中平台与水下目标之间通信需求的基于QC‑LDPC编码的空气到水跨介质激光通信方法及装置，设有上位机、激光器、分光镜、平面镜、激光能量监测器、信号处理模块、水听器，其中信号发送端包括激光器、分光镜、平面镜以及激光能量监测器，其中激光器输出的光信号经分光镜处理后，一路经平面镜后由空气进入水面，另一路送入激光能量监测器，本发明与现有技术相比，能够适应空中平台与水下目标之间通信需求，并显著提高通信系统性能。

主权项：1.一种基于准循环低密度奇偶校验QC-LDPC编码的空气到水跨介质激光通信方法，其特征在于，通过以下步骤实现：步骤1：信号发送端获取数据信息，对获取的数据信号进行AD转换，对转换后数据进行QC-LDPC编码；步骤2：将编码后的信号传入激光器，控制激光器的发射重复频率产生声信号，在此过程中调整发射重复率使激光致声信号窄带特性最好，并使其中心频率处能量强且高次谐波抑制性好，获得脉冲激光的高重复率范围，从满足条件的重复频率范围内选定调制频率；步骤3：通过控制激光器的重复频率使其有规律地变化，从而产生频域键控FSK或多频移键控MFSK的调制信号以搭载信息，实现激光信号的编码传输；步骤4：激光器输出的光束经分光器后分为两束，其中一束以2％的能量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；另一束通过平面镜反射垂直入射到水气交界面；步骤5：声信号经过水声信道传播，由信号接收端的水听器完成接收并将声信号转换为电信号，传输至信号处理模块；步骤6：用非相干包络检波的方式解调频移键控FSK或多频移键控MFSK信号；步骤7：解调后的信号，经过QC-LDPC译码，通过DA转换，获取到原信号信息，完成从空气到水的跨介质通信；步骤1中，LDPC码属于线性分组码，用n,k表示，其中，n表示码长，k表示信息比特数，m＝n-k表示校验比特数，LDPC码编码就是对输入的kbits信息进行映射得到nbits信息并输出，该映射关系用一个生成矩阵Gk×n来表示，取一段s1×k,通过s1×k·Gk×n＝C1×n可计算出码字C1×n，所有的码字序列都满足C·HT＝0，H为校验矩阵；QC-LDPC码的H矩阵具有准循环特性，故QC-LDPC编码器可由循环移位寄存器实现，即H矩阵被分割成多个大小一样的子方阵，每个子方阵均是零矩阵或单位阵循环右移矩阵，子方阵大小称为扩展因子Z，因此H矩阵可用另一种简化的H基矩阵来等效表示， 将H矩阵矩阵大小为6×9，按虚线所示将其分割为6个Z＝3的子矩阵后，该矩阵正好具有准循环特性，将矩阵中0子阵用-1表示，其他每个子矩阵用其相对于单位阵的循环右移移位值来表示，则可得到H基矩阵矩阵大小为2×3，H矩阵和Hbase基矩阵关系为：mbase＝mz，nbase＝nz，mbase和nbase分别为Hbase的行数和列数，m和n分别为H行数和列数，Z为子方阵大小；Hbase的中元素0代表单位矩阵，-1代表零矩阵，非负值代表H矩阵相应位置处子矩阵的循环位移系数值；对QC-LDPC码编码，设有限域为GF2的二元QC-LDPC码的Hqc矩阵为 其中，Hi,j为零矩阵或单位阵循环右移矩阵，大小为b*b，基矩阵Hbase大小为c*t；假设Hqc矩阵的秩为c*b，即Hi,j每行都线性无关，以得到c*b个线性无关的监督关系式，将Hqc分为校验矩阵U大小为c*c和信息矩阵M大小为c*t-c，即H＝[M|U]；假设信息矩阵M传送t-c*b个bits，可获得QC-LDPC编码的生成矩阵Gqc 其中，I是b*b的单位矩阵，O是b*b的零矩阵，Gi,j是b*b的循环矩阵，生成矩阵Gqc由两部分构成，It-cb以I为主对角线组成，大小为t-c*t-c，P以循环矩阵组成，Gi,j大小为t-c*c，且PT＝m对应信息位，用移位寄存器来编码QC-LDPC代码；生成QC-LDPC码的充要条件是O为c*t-c的零矩阵，Gqc取的其中一行表示为gi＝[0,…,0,m,0,…,0,gi,1,gi,2,…,gi,c]，m＝1,0,…,0，也需满足令zi＝gi,1,gi,2,…,gi,c，代入可得 由于校验矩阵U为满秩方阵，故可逆得 由z1,z2,…,zt-c可求得gi,j，进而获得生成矩阵Gqc，设A＝a1,a2,…,at-cb为要编码的t-cb比特的信息序列，将其分解为长为t-c的等长序列即A＝a1,a2,…,αt-c，其中ai包含b比特信息，已知生成矩阵Gqc和信息序列A，可代入编码公式X＝A·Gqc其中X由信息矩阵A和校验矩阵P组成，即X＝[A|P]，可将P同样分解为长度为b的序列，则编码公式可表示为pj＝a1G1,j+a2G2,j+…+at-cGt-c,j假设表示首行右移l位，则编码公式可表示为 由上述可知，当信息序列进入编码器时，逐步计算出第j位的奇偶校验部分pj，通过移位寄存器、加法器和累加器完成奇偶校验段；步骤2中，获得脉冲激光的高重复率范围具体根据激光垂直入射水面产生热膨胀效应时,在薄束假设下，声压频域表达式： 式中，为接收点到声源的距离，ω为角频率，T为液体的光学透射率，β为热膨胀系数，a为激光束半径，I0为激光强度，Cp为液体比热容，Iω为激光信号频谱，Eω为单位时间吸收并转化为热量的电磁波能量密度频谱，表示为 式中，k为声波数2πγ，γ为波长，τμ为垂直特性延迟时间，τa为水平特性延迟时间，θ为垂直方向观测角，即r与垂直向下方向的夹角；选择激光器发射重复率fr时，要使声信号中心频率处的能量强且高次谐波被抑制，因此，激光器的重复频率需满足 式中，Pfr为中心频率的幅度，Pfmax为频谱幅度的最大值，max|Pnfr|为高次谐波频谱幅度的最大值；由此确定激光器发射重复率的范围；所述步骤3通过控制激光器的重复频率使其有规律地变化，从而产生频域键控FSK和多频移键控MFSK的调制信号以搭载信息，频域键控FSK调制中以重复频率fr的N个激光脉冲产生的声信号作为一个码元信号，在符合间隔0，T0中，码元信号表示为pit＝Re{fIFFT[Pfri]},i＝1,2,…,n故频域键控FSK信号可表示为 式中gτt-mT0为脉宽为τ，周期为T0的门函数；多频移键控MFSK调制中每个码元含有一个或多个调制频率，单个码元信号表示为 式中ni取值为0或1，取0代表该码元含有调制频率fri，取1代表不含调制频率fri；多频移键控MFSK表示为 通过产生频域键控FSK和多频移键控MFSK的信号搭载信息，实现激光信号的编码传输；所述步骤7中对解调后的信号进行QC-LDPC软判决译码，设校验矩阵为H，接收到的码字为R＝[r1,r2,…,rn]，实际译码为C＝[c1,c2,…,cn]，由于信道噪声干扰，收到的数据会产生偏差，若r1＝0.81,实际码字为0或1，据此计算出后验概率P＝ci＝x|ri其中x为0或1，i表示其中任意一个码元；由S＝RHT，将接收到的码字代入校验矩阵，在考虑校验矩阵的条件下后验概率为 其中，分母部分与ci＝x无关，可看做一常数项，{zm＝0}为所有含有ci项的校验方程，可将其展开为 由上式可知校验方程成立的概率决定ci＝x的概率，故将该项进行进一步转化，用全概率公式展开 其中，x′取0或1，{cj＝x′}为校验方程zm＝0中所含cj项，但不包含j＝i项，公式前一项，在ci＝x确定的情况下，zm＝0与ri无关，故当∑jx′＝x时，该项结果为1，当∑jx′≠x时，该项结果为0，公式后一项，假设每个码元之间相互独立，故原方程可转化为 其中∑x'表示∑jx′＝x，由上述方程可由已知后验概率，计算出校验方程成立时的ci＝x的概率，如果大于0.5，译码为ci＝x，如果小于0.5，译码为将译码后的C代入S＝CHT,分以下两种情况：情况一，计算结果S均为0，则结束译码，说明结果无差错；情况二，计算结果不全为0，可用上一轮结果进行迭代，由于上一轮pcj＝x′∣ri中未考虑cj参与校验方程成立的可能性，故将该因素加入满足下式pcj＝x′∣ri≈pcj＝x′∣{zm'＝0},ri，提高对cj的准确性；最后，进行DA转换，获取到原信号信息，完成从空气到水的跨介质通信。

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