本发明涉及水下通信，具体涉及一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法。
背景技术：
1、水下无线通信技术是制约目前水下监测/观测系统的重要瓶颈技术。水下无线通信系统可以广泛应用战术监视和封锁反制等领域，是当前水下海洋技术和海洋工程领域的研究热点，在民用、科研及军事领域中应用前景非常广阔。由于水下复杂的时变信号环境，通信系统的有效信息传输率往往成为瓶颈，这与不断增长的水下通信需求形成矛盾。目前的水下无线通信技术往往无法满足水下数据传输的任务需求，常规的水声通信、激光通信都有其使用局限性，无法兼顾各种指标性能。因此，寻找新型的水下无线数据传输技术，成为水下通信技术领域的核心目标之一，对构建分布式探测环境下传感器系统具有重要意义。
2、相较水声通信、激光通信而言，磁感应通信有抗干扰能力强、制作精简等优势。目前在水下磁感应通信技术研究领域大多采用专门的信号调制芯片、解调芯片对信号进行处理，使用固定的放大器对发射信号进行放大，使用固定的滤波器对接收信号进行滤波，这些方案会导致信号的调制方案被定死，在恶劣的环境下出现误码率高，在良好的环境下能耗过高、速率过慢的问题。另外，高频信号的比特率较高，但高频信号会使得涡流损耗加剧，磁信号的衰减之增大通信距离随之变短；而低频信号的比特率较低，通信速率较低，水下磁感应的通信距离和通信速度是需要平衡的又一大难题。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提出一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化装置。针对水下检测设备需要具备边缘计算能力的需求，本发明训练了一个低功耗、计算量小的专用于水下交变磁场探测与磁感应通信一体化装置的自适应阈值脉冲神经网络模型。该模型不仅能实现磁探测需求—监测一定范围内水域的磁通信情况，而且能检测磁通信信道质量。软件无线电外设(usrp)根据检测到的磁通信信道质量，动态调节磁通信调制方式确保磁通信质量。针对水下高频磁信号衰减较大、磁通信速度受限的问题，本发明使用多入多出mimo线圈系统，支持高速传输需求。
2、本发明提供一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法，每个通信设备中均设有多个全向线圈；全向线圈包括正交布置的三个线圈单元。不同的通信设备通过全向线圈进行通信。
3、该水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法包括以下步骤：
4、步骤一、全向线圈获取环境中的时变磁场信号转换为时变电压信号。
5、步骤二、基于时变电压信号，形成对应的磁场信号i/q数据；对i/q数据进行特征提取，得到特征向量；将特征向量输入至自适应阈值脉冲神经网络模型。自适应阈值脉冲神经网络模型输出信道质量channel，以及环境磁通信情况mc。
6、所述的自适应阈值脉冲神经网络模型包括依次相连多层神经元。神经元的阈值电压基于前级神经元的脉冲输出调整，具体模型如下：
7、
8、u(t)＝(βu(t-1)+i(t))×(1-si(t-1))
9、
10、其中，i(t)为神经元的当前电流；u(t)为神经元的当前膜电压；α、β分别为神经元电流和膜电压的衰减系数；i为当前神经元的序号；j为当前神经元的前级神经元的序号；t为时间；wij为当前神经元i和第j个前级神经元突触间的权重系数；sj(t-1)为第j个前级神经元的脉冲输出；si(t-1)为当前神经元在上一时刻的脉冲输出；vth为当前神经元的阈值电压；vtho为基础阈值；k为阈值电压的调整系数。
11、步骤三、在通信设备进行通信时，根据信道质量channel调整信号调制方式。在通信设备未进行通信时，依据环境磁通信情况mc判断环境中是否存在其他设备进行磁通信。
12、作为优选，所述的当前磁通信信道质量channel分为四级，分别为信道质量逐渐变差的2级、1级、0级、-1级；步骤三中，若channel＝2，则使用正交相移键控的方式调制；若channel＝1，则使用二进制相移键控的方式进行调制；若channel＝0或-1，则暂停通信。
13、作为优选，自适应阈值脉冲神经网络模的训练集中，信噪比大于10db的数据的磁通信信道质量channel标注为2级；信噪比大于或等于0，且小于或10db的数据的磁通信信道质量channel标注为1级；信噪比小于0的数据的磁通信信道质量channel标注为0级；纯噪声数据的磁通信信道质量channel标注为-1级。
14、作为优选，所述的环境磁通信情况mc分为两级，分别为1级、0级；1级对应环境中存在磁通信信号；0级对应环境中不存在磁通信信号；步骤三中，在通信设备未进行通信时，若mc＝1，则通信设备向其他通信设备报送预警信号。
15、作为优选，步骤二中特征提取的过程如下：
16、a.基于i/q数据提取瞬时特征ins；瞬时特征ins包括瞬时幅度、瞬时相位、瞬时频率。
17、b.基于i/q数据，提取高阶累积量向量high。
18、c.构建用于输入的自适应阈值脉冲神经网络模型的特征向量input＝[data,ins,high,channel,mc]；data为经过分割后的i/q数据。
19、作为优选，所述线圈单元使用截面积0.3平方毫米的漆包线在半径为10cm的线圈槽中绕制形成，线圈匝数为30匝。
20、作为优选，一个通信设备中全向线圈的数量为三个；三个全向线圈在耐压仓中呈正三角形排布。
21、作为优选，所述的通信设备包括耐压仓，以及安装在耐压仓中的通用软件无线电外设、外置放大电路、谐振匹配电路和多个全向线圈。通用软件无线电外设中设有处理器、自动增益模块、带通滤波器和内置放大器。谐振匹配电路包括串联谐振发送电路和并联谐振接收电路。工作过程中通过高频继电器实现全向线圈与串联谐振发送电路、并联谐振接收电路的连接转换。
22、作为优选，所述的水下耐压仓的材质为钛合金。
23、作为优选，步骤三信号发射过程中层映射和预编码的处理过程为：
24、a.层映射处理，使星座调制器输出的复数信号根据全向线圈个数分成3层数据。
25、b.预编码处理，对3层数据使用zero forcing(zf)预编码算法进行处理。具体实现方式如下：定义通信系统有1个发送通信设备配备3个全向线圈，1个接收通信设备配备3个全向线圈。定义发送通信设备3个全向线圈需要发送的3层数据为：x＝[x1,x2,x3]t其中，xi为发送通信设备全向线圈i需要向接收通信设备全向线圈j发送的数据。定义信道矩阵其中，hij为发送通信设备全向线圈i到接收通信设备全向线圈j之间的信道矩阵。定义编码矩阵其中，wi为发送通信设备全向线圈i对于接收通信设备全向线圈i的编码矩阵。使用zf算法计算编码矩阵w＝chh(hhh)-1其中，hh为信道矩阵的共轭转置；为功率归一化因子，p为发射端的平均发射功率。通过zf算法得到的编码矩阵有如下特性[hijwk]＝0,i≠j≠k，发送通信设备全向线圈i实际的发射信号为sendi＝wixi。
26、作为优选，步骤三信号接收过程中编码矩阵解码的处理过程为：
27、接收通信设备全向线圈j接收到的信号为：其中，n为噪声信号。接收通信设备全向线圈j接收到的数据中只有hjjwjxj+n是来自发送通信设备全向线圈j，且是接收通信设备全向线圈j希望接收到的数据，为来自除发送通信设备全向线圈j外其他发送通信设备全向线圈的干扰。使用提取设置好的编码矩阵和功率归一化因子对接收到的数据进行解码，得到即消除不同编号的发送通信设备全向线圈和接收通信设备全向线圈之间的干扰。
28、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
29、1.针对水下检测设备需要具备边缘计算能力的需求，本发明训练了一个低功耗、计算量小的专用于水下交变磁场探测与磁感应通信一体化装置的自适应阈值脉冲神经网络模型。该模型不仅能实现磁探测需求—监测一定范围内水域的磁通信情况，而且能检测磁通信信道质量。
30、2.本发明基于软件无线电外设(usrp)架构实现通信与探测功能，使用软件无线电外设(usrp)对发射信号进行信号调制、滤波等操作，使得信号产生与接收方面电路明显减少。
31、3.本发明使用磁感应多入多出3×3mimo线圈系统，利用空间复用技术，在带宽不变的条件下，实现了三倍速率，支持高速传输需求。
32、4.本发明针对水下应用场景设计了一种能够实现水下3×3mimo通信的设备结构。
33、5.本发明的系统指标如下：水下通信速率：100kbps；通信最大距离：10m；探测时接收瞬时最大带宽：125khz；mimo规模：3×3。
1.一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法，其特征在于：采用的每个通信设备中均设有多个全向线圈；全向线圈包括正交布置的三个线圈单元；不同的通信设备通过全向线圈进行通信；
2.根据权利要求1所述的一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法，其特征在于：所述的当前磁通信信道质量channel分为四级，分别为信道质量逐渐变差的2级、1级、0级、-1级；步骤三中，若channel＝2，则使用正交相移键控的方式调制；若channel＝1，则使用二进制相移键控的方式进行调制；若channel＝0或-1，则暂停通信。
3.根据权利要求1所述的一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法，其特征在于：自适应阈值脉冲神经网络模的训练集中，信噪比大于10db的数据的磁通信信道质量channel标注为2级；信噪比大于或等于0，且小于或10db的数据的磁通信信道质量channel标注为1级；信噪比小于0的数据的磁通信信道质量channel标注为0级；纯噪声数据的磁通信信道质量channel标注为-1级。
4.根据权利要求1所述的一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法，其特征在于：所述的环境磁通信情况mc分为两级，分别为1级、0级；1级对应环境中存在磁通信信号；0级对应环境中不存在磁通信信号；步骤三中，在通信设备未进行通信时，若mc＝1，则通信设备向其他通信设备报送预警信号。
5.根据权利要求1所述的一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法，其特征在于：步骤二中特征提取的过程如下：
6.根据权利要求1所述的一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法，其特征在于：所述线圈单元使用截面积0.3平方毫米的漆包线在半径为10cm的线圈槽中绕制形成，线圈匝数为30匝。
7.根据权利要求1所述的一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法，其特征在于：一个通信设备中全向线圈的数量为三个；三个全向线圈在耐压仓中呈正三角形排布。
8.根据权利要求1所述的一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法，其特征在于：所述的通信设备包括耐压仓，以及安装在耐压仓中的通用软件无线电外设、外置放大电路、谐振匹配电路和多个全向线圈；通用软件无线电外设中设有处理器、自动增益模块、带通滤波器和内置放大器；谐振匹配电路包括串联谐振发送电路和并联谐振接收电路；工作过程中通过高频继电器实现全向线圈与串联谐振发送电路、并联谐振接收电路的连接转换。
9.根据权利要求1所述的一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法，其特征在于：所述的水下耐压仓材质为钛合金。
10.根据权利要求7所述的一种水下交变磁场探测与磁感应通信一体化方法，其特征在于：步骤三中，信号发射过程中层映射和预编码的处理过程为：
