水下认知声学网络中一种针对海洋哺乳动物的测速方法
【专利摘要】本发明涉及水下认知声学网络中一种针对海洋哺乳动物的测速方法,设水下认知声学网络中，四个锚节点A、B、C、D静止，位置已知，海洋哺乳动物S相对于锚节点运动且位置已知，海洋哺乳动物发出声信号，四个锚节点接收到声信号；四个锚节点广播自己的位置坐标及接收到的信号频率，每个锚节点按照几何关系联立方程求解海洋哺乳动物的速度和发出的声信号频率。本发明提出的方法中，在定位信息已知的条件下，利用声音的多普勒效应，构建数学模型，对海洋哺乳动物进行测速，在水下认知声学网络中，该方法可以对海洋哺乳动物的速度进行有效的估计。
【专利说明】水下认知声学网络中一种针对海洋晡乳动物的测速方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水下认知声学网络通信【技术领域】，具体的讲是一种在3D结构模式下 对海洋哺乳动物进行测速的方法。
【背景技术】
[0002] 水声传感器网络（UASNs，Underwater Acoustic Sensor Networks)是以水声为通 信介质，以海洋监测为目的，由各种水下传感器节点组成的无线传感器网络，是海洋监测的 一种必要手段。近年来，水声传感器网络广泛应用于水下资源勘探、灾难预警、国防安全等 领域。
[0003] 认知无线电（Cognitive Radio，CR)是一种智能的无线通信系统，它可以感知外界 环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数（如发射功率、载波 频率和调制技术等），使其内部传输状态适应外界输入的无线电激励的变化，以实现任何时 间、任何地点高可靠度的通信和频谱资源的有效利用。
[0004] 水声信道可利用的频率资源十分有限，通常从十几赫兹到几百千赫兹，而且频率 这一稀缺资源没有得到充分地利用。为了提高频谱利用率，有学者提出一种智能的水声传 感器网络-水下认知声学网络（Underwater Cognitive Acoustic Networks，UCANs)。 UCANs中借鉴CR技术，提出了认知声（Cognitive Acoustic，CA)技术。与陆地无线认知网 络类似，UCANs中存在两类用户：主用户和认知用户。认知用户通过感知周围频谱的利用情 况，灵活调整自身的频率，功率或其他参数，在保证不和主用户冲突的情况下，提高频谱利 用率。
[0005] 在海洋中，UCANs的人工声学系统与海洋哺乳动物构成的天然声学系统共享频谱。 然而，现阶段的研究多集中在单一的网络场景下，没有考虑到人工声学系统如UCANs对海 洋哺乳动物的影响。为了进一步展开对UCANs的研究，实现UCANs与海洋哺乳动物的友好 共存，首先要确定海洋哺乳动物的活动区域。由于海洋哺乳动物的游速较快，例如海豚平时 的速度为40km/h，极速在70km/h?100km/h，所以，确定活动区域时不仅要考虑定位，更要 考虑海洋哺乳动物的速度。
【发明内容】
[0006] 出于构建环境友好型水下认知声学网络中的考虑，本发明提出一种对海洋哺乳动 物速度进行估计的方法。本发明的技术方案如下：
[0007] 水下认知声学网络中一种针对海洋哺乳动物的测速方法，设水下认知声学网络 中，四个锚节点A、B、C、D静止，位置已知，海洋哺乳动物S相对于锚节点运动且位置已知， 海洋哺乳动物发出声信号，四个锚节点接收到声信号，由于声音的多普勒效应，接收到的信 号会产生频率偏移，即：
[0008]
【权利要求】
1. 水下认知声学网络中一种针对海洋哺乳动物的测速方法，设水下认知声学网络中， 四个锚节点A、B、C、D静止，位置已知，海洋哺乳动物S相对于锚节点运动且位置已知，海洋 哺乳动物发出声信号，四个锚节点接收到声信号，由于声音的多普勒效应，接收到的信号会 产生频率偏移，即：
其中，f为海洋哺乳动物发出的声信号的频率，f；为锚节点的接收频率，v为声音在水 下的传播速度，约为1500m/s，vs是海洋哺乳动物的速度在海洋哺乳动物与锚节点连线方向 上的分量；v s正号表示海洋哺乳动物接近锚节点，负号表示海洋哺乳动物远离锚节点； 四个锚节点广播自己的位置坐标及接收到的信号频率，每个锚节点按照几何关系联立 方程求解海洋哺乳动物的速度和发出的声信号频率。
2. 如权利要求1的测速方法，其特征在于，包括下列的步骤： 步骤一：锚节点A、B、C、D监听网络状况，当其通信范围内的海洋哺乳动物发出声信号 时，四个锚节点接收信号，设锚节点A、B、C、D接收信号的频率分别为frt、f；2、f ri、frt。 步骤二：锚节点A、B、C、D广播数据包，数据包包含锚节点自身的坐标位置及接收信号 的频率信息； 步骤三：每个锚节点接收其他三个锚节点发出的数据包并测速：设海豚位置为（xs，ys， zs),四个锚节点 A, B, C, D 的坐标分别为（xa, ya, za), (xb, yb, zb), (xc, yc, zc), (xd, yd, zd), 四个速度矢量分量大小分别为va，vb，v。，v d，速度矢量分量为va，vb，v。，vd ; 过\矢量终点，且与va相垂直的平面方程为： X (xs-xa) +y (ys-ya) +z (zs-za) +vaDa = 0 式中，Da是锚节点A和海洋哺乳动物S间的距离，因为A和S的坐标已知，Da也是 已知的，根据多普勒效应，
，设Xs-Xa = Ap ys_ya = Bp Zs-Za = Q，得，
同理可得另外三个平面方程，联立这四个平面方程可得海洋哺乳动物的速度矢量（X， y，z)和海洋哺乳动物发出的声信号的频率f。
【文档编号】G01S11/14GK104090273SQ201410315381
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】金志刚, 姚贵丹, 苏毅珊, 李云 申请人:天津大学