水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中一種針對海洋哺乳動物的測速方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中一種針對海洋哺乳動物的測速方法,設(shè)水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中，四個錨節(jié)點A、B、C、D靜止，位置已知，海洋哺乳動物S相對于錨節(jié)點運動且位置已知，海洋哺乳動物發(fā)出聲信號，四個錨節(jié)點接收到聲信號；四個錨節(jié)點廣播自己的位置坐標(biāo)及接收到的信號頻率，每個錨節(jié)點按照幾何關(guān)系聯(lián)立方程求解海洋哺乳動物的速度和發(fā)出的聲信號頻率。本發(fā)明提出的方法中，在定位信息已知的條件下，利用聲音的多普勒效應(yīng)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，對海洋哺乳動物進(jìn)行測速，在水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中，該方法可以對海洋哺乳動物的速度進(jìn)行有效的估計。
【專利說明】水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中一種針對海洋晡乳動物的測速方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的講是一種在3D結(jié)構(gòu)模式下 對海洋哺乳動物進(jìn)行測速的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)（UASNs，Underwater Acoustic Sensor Networks)是以水聲為通 信介質(zhì)，以海洋監(jiān)測為目的，由各種水下傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是海洋監(jiān)測的 一種必要手段。近年來，水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于水下資源勘探、災(zāi)難預(yù)警、國防安全等 領(lǐng)域。
[0003] 認(rèn)知無線電（Cognitive Radio，CR)是一種智能的無線通信系統(tǒng)，它可以感知外界 環(huán)境，并使用人工智能技術(shù)從環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過實時改變某些操作參數(shù)（如發(fā)射功率、載波 頻率和調(diào)制技術(shù)等），使其內(nèi)部傳輸狀態(tài)適應(yīng)外界輸入的無線電激勵的變化，以實現(xiàn)任何時 間、任何地點高可靠度的通信和頻譜資源的有效利用。
[0004] 水聲信道可利用的頻率資源十分有限，通常從十幾赫茲到幾百千赫茲，而且頻率 這一稀缺資源沒有得到充分地利用。為了提高頻譜利用率，有學(xué)者提出一種智能的水聲傳 感器網(wǎng)絡(luò)-水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)（Underwater Cognitive Acoustic Networks，UCANs)。 UCANs中借鑒CR技術(shù)，提出了認(rèn)知聲（Cognitive Acoustic，CA)技術(shù)。與陸地?zé)o線認(rèn)知網(wǎng) 絡(luò)類似，UCANs中存在兩類用戶：主用戶和認(rèn)知用戶。認(rèn)知用戶通過感知周圍頻譜的利用情 況，靈活調(diào)整自身的頻率，功率或其他參數(shù)，在保證不和主用戶沖突的情況下，提高頻譜利 用率。
[0005] 在海洋中，UCANs的人工聲學(xué)系統(tǒng)與海洋哺乳動物構(gòu)成的天然聲學(xué)系統(tǒng)共享頻譜。 然而，現(xiàn)階段的研究多集中在單一的網(wǎng)絡(luò)場景下，沒有考慮到人工聲學(xué)系統(tǒng)如UCANs對海 洋哺乳動物的影響。為了進(jìn)一步展開對UCANs的研究，實現(xiàn)UCANs與海洋哺乳動物的友好 共存，首先要確定海洋哺乳動物的活動區(qū)域。由于海洋哺乳動物的游速較快，例如海豚平時 的速度為40km/h，極速在70km/h?100km/h，所以，確定活動區(qū)域時不僅要考慮定位，更要 考慮海洋哺乳動物的速度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 出于構(gòu)建環(huán)境友好型水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中的考慮，本發(fā)明提出一種對海洋哺乳動 物速度進(jìn)行估計的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] 水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中一種針對海洋哺乳動物的測速方法，設(shè)水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò) 中，四個錨節(jié)點A、B、C、D靜止，位置已知，海洋哺乳動物S相對于錨節(jié)點運動且位置已知， 海洋哺乳動物發(fā)出聲信號，四個錨節(jié)點接收到聲信號，由于聲音的多普勒效應(yīng)，接收到的信 號會產(chǎn)生頻率偏移，即：
[0008]

【權(quán)利要求】
1. 水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中一種針對海洋哺乳動物的測速方法，設(shè)水下認(rèn)知聲學(xué)網(wǎng)絡(luò)中， 四個錨節(jié)點A、B、C、D靜止，位置已知，海洋哺乳動物S相對于錨節(jié)點運動且位置已知，海洋 哺乳動物發(fā)出聲信號，四個錨節(jié)點接收到聲信號，由于聲音的多普勒效應(yīng)，接收到的信號會 產(chǎn)生頻率偏移，即：
其中，f為海洋哺乳動物發(fā)出的聲信號的頻率，f；為錨節(jié)點的接收頻率，v為聲音在水 下的傳播速度，約為1500m/s，vs是海洋哺乳動物的速度在海洋哺乳動物與錨節(jié)點連線方向 上的分量；v s正號表示海洋哺乳動物接近錨節(jié)點，負(fù)號表示海洋哺乳動物遠(yuǎn)離錨節(jié)點； 四個錨節(jié)點廣播自己的位置坐標(biāo)及接收到的信號頻率，每個錨節(jié)點按照幾何關(guān)系聯(lián)立 方程求解海洋哺乳動物的速度和發(fā)出的聲信號頻率。
2. 如權(quán)利要求1的測速方法，其特征在于，包括下列的步驟： 步驟一：錨節(jié)點A、B、C、D監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀況，當(dāng)其通信范圍內(nèi)的海洋哺乳動物發(fā)出聲信號 時，四個錨節(jié)點接收信號，設(shè)錨節(jié)點A、B、C、D接收信號的頻率分別為frt、f；2、f ri、frt。 步驟二：錨節(jié)點A、B、C、D廣播數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包包含錨節(jié)點自身的坐標(biāo)位置及接收信號 的頻率信息； 步驟三：每個錨節(jié)點接收其他三個錨節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包并測速：設(shè)海豚位置為（xs，ys， zs),四個錨節(jié)點 A, B, C, D 的坐標(biāo)分別為（xa, ya, za), (xb, yb, zb), (xc, yc, zc), (xd, yd, zd), 四個速度矢量分量大小分別為va，vb，v。，v d，速度矢量分量為va，vb，v。，vd ; 過\矢量終點，且與va相垂直的平面方程為： X (xs-xa) +y (ys-ya) +z (zs-za) +vaDa = 0 式中，Da是錨節(jié)點A和海洋哺乳動物S間的距離，因為A和S的坐標(biāo)已知，Da也是 已知的，根據(jù)多普勒效應(yīng)，
，設(shè)Xs-Xa = Ap ys_ya = Bp Zs-Za = Q，得，
同理可得另外三個平面方程，聯(lián)立這四個平面方程可得海洋哺乳動物的速度矢量（X， y，z)和海洋哺乳動物發(fā)出的聲信號的頻率f。
【文檔編號】G01S11/14GK104090273SQ201410315381
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】金志剛, 姚貴丹, 蘇毅珊, 李云 申請人:天津大學(xué)