一種數(shù)字式水下語音通信裝置及水下語音通信方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種數(shù)字式水下語音通信裝置及水下語音通信方法。主要解決水下作業(yè)人員之間的信息通信問題。該裝置分別利用不同的硬件平臺實(shí)現(xiàn)了語音壓縮編碼和水聲通信，聯(lián)合使用了OFDM調(diào)制技術(shù)和MBE語音壓縮技術(shù)，通過信道估計(jì)模塊對信道的實(shí)時(shí)估計(jì)可以對信道自適應(yīng)地改變該裝置的通信參數(shù)和壓縮碼率，并提供用戶語音和文本兩種模式的半雙工水聲通信。該裝置可廣泛應(yīng)用于各種水下作業(yè)，如水下考古、水下潛器之間通信、潛水員之間通信，以及水下作業(yè)人員與岸基之間的通信等領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)良好的水下通信，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
【專利說明】一種數(shù)字式水下語音通信裝置及水下語音通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水下通信領(lǐng)域，特別涉及一種結(jié)合了正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)和多邊帶激勵(lì)(MBE)低碼率語音壓縮技術(shù)的數(shù)字式水下語音通信裝置及水下語音通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合了語音壓縮技術(shù)的數(shù)字式水聲語音通信被廣泛的應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，如海洋勘探、水下考古、蛙人間通信、潛艇或艦船與岸基控制臺之間的通信等。水聲語音通信技術(shù)也經(jīng)歷了模擬到數(shù)字的發(fā)展過程，在初期的模擬調(diào)制階段為了降低帶寬，水聲通信常使用單邊帶調(diào)制等技術(shù)。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展和大規(guī)模集成電路技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字信號處理器(DSP)以其高效計(jì)算能力和靈活的編程方式越來越受到開發(fā)者的青睞，語音通信也逐步的進(jìn)入了以數(shù)字信號處理器為核心的高速數(shù)字通信時(shí)代，較之于模擬系統(tǒng)，數(shù)字式語音通信系統(tǒng)則體現(xiàn)出了便于加密、易于集成、小型化、信道匹配性強(qiáng)等數(shù)字化處理和機(jī)械尺寸上的優(yōu)越性能。
[0003]在水下語音通信裝置的設(shè)計(jì)中存在的不足和難點(diǎn)有:(I)在帶寬資源有限的水聲信道中要進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、大數(shù)據(jù)量的語音壓縮和水聲數(shù)據(jù)通信，增加了語音壓縮編碼和水聲通信算法的實(shí)現(xiàn)難度；(2)通信算法和語音編碼算法實(shí)現(xiàn)為同一硬件平臺，水聲通信技術(shù)通常使用DSP作為實(shí)現(xiàn)平臺，而在DSP上同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信算法和語音編碼算法會消耗大量的資源，必要時(shí)還要犧牲算法的性能來實(shí)現(xiàn)整體的語音通信功能；(3)水聲信道具有時(shí)-空-頻變等復(fù)雜特性，設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮通信算法對復(fù)雜信道的適應(yīng)能力，沒有自適應(yīng)功能的水聲語音通信設(shè)備應(yīng)用環(huán)境較局限，實(shí)用性較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種水下通信更穩(wěn)定，能提供多樣信息通信形式，通信算法性能更好的數(shù)字式水下語言通信裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種水下語音通信方法。
[0005]本發(fā)明涉及的數(shù)字式水下語音通信裝置包含了語音采集模塊、語音編碼模塊、發(fā)射端語音控制模塊、OFDM調(diào)制模塊、水聲信號發(fā)射模塊、水聲信號接收模塊、OFDM解調(diào)模塊、接收端語音控制模塊、語音解碼模塊、語音播放模塊和信道估計(jì)模塊；語音采集模塊從麥克風(fēng)處采得語音信號，將其傳輸至語音編碼模塊，再將經(jīng)編碼后的語音信號傳輸至發(fā)射端語音控制模塊，再將加密后的信號傳輸至OFDM調(diào)制模塊，再經(jīng)過水聲信號發(fā)射模塊發(fā)射包含語音信息的水聲信號；在接收端通過水聲信號接收模塊接收到包含語音信息的水聲信號，將其傳輸至OFDM解調(diào)模塊，再傳輸至接收端語音控制模塊，再將解密后的信號傳輸至語音解碼模塊，在解碼后最終將語音信號傳輸至語音播放模塊，通過揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)語音播放；信道估計(jì)模塊，實(shí)時(shí)輸出對信道的估計(jì)結(jié)果至OFDM調(diào)制模塊、OFDM解調(diào)模塊、發(fā)射端與接收端的語音控制模塊，使該裝置對信道具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，可根據(jù)對信道的估計(jì)結(jié)果實(shí)時(shí)地改變通信參數(shù)和壓縮碼率。[0006]本發(fā)明涉及的數(shù)字式水下語音通信裝置，同時(shí)集成了 OFDM調(diào)制技術(shù)和MBE語音編碼技術(shù)。將語音信號的編碼與水聲通信的算法利用不同的硬件平臺實(shí)現(xiàn)。語音信號的編碼使用專用的語音壓縮芯片AMBE3000，配合以單片機(jī)進(jìn)行控制；水聲通信中的通信算法使用DSP實(shí)現(xiàn)，配合以Xilinx FPGA進(jìn)行控制。
[0007]本發(fā)明涉及的數(shù)字式水下語音通信裝置可以進(jìn)行語音和文本兩種模式的半雙工水聲通信，通過語音\文本切換模塊可以實(shí)現(xiàn)兩種工作模式的切換。語音\文本切換模塊連接于發(fā)射端與接收端的語音控制模塊，并利用串口實(shí)現(xiàn)文本通信界面與語音控制模塊之間的連接。
[0008]一種利用本發(fā)明的數(shù)字式水下語音通信裝置的語音通信方法，包括如下步驟:
[0009]( I)在語音發(fā)射端，使用CODEC對來自麥克的語音信號進(jìn)行采樣，量化為數(shù)字語音信號;
[0010](2)在語音發(fā)射端，用語音編碼模塊對步驟(I)得到的數(shù)字語音信號進(jìn)行壓縮編碼；
[0011](3)在語音發(fā)射端，用發(fā)射端語音控制模塊將步驟(2)中得到的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；
[0012](4)在語音發(fā)射端，使用DSP、根據(jù)信道估計(jì)情況對步驟(3)得到的信號進(jìn)行OFDM調(diào)制，并將OFDM信號進(jìn)行放大和濾波，使用功放和發(fā)射換能器將聲信號發(fā)射到水聲信道中傳播；
[0013](5)在語音接收端，根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果，在水聲信號接收模塊中對接收來的OFDM信號進(jìn)行濾波、放大，再使用AD進(jìn)行采樣、量化；
[0014](6)在語音接收端，對步驟(5)得到的信號進(jìn)行分析，得到信道估計(jì)的結(jié)果參數(shù)；
[0015](7)在語音接收端，根據(jù)步驟(6)得到的參數(shù)對接收信號進(jìn)行OFDM解調(diào)；
[0016](8)在語音接收端，對步驟(7)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密；
[0017](9)在語音接收端，使用語音解碼模塊對步驟(8)中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮；
[0018](10)在語音接收端，使用CODEC將步驟(9)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，并通過揚(yáng)聲器播放輸出語音。
[0019]一種利用本發(fā)明的數(shù)字式水下語音通信裝置的文本通信方法，包括如下步驟:
[0020]I)通過裝置面板上的旋鈕切換到文本通信模式，信道估計(jì)模塊針對文本通信對信道進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)估計(jì)結(jié)果將調(diào)制參數(shù)重置；
[0021]2)在文本發(fā)射端，將所要發(fā)送的文本信息通過串口發(fā)送到發(fā)射端語音控制模塊，發(fā)射端語音控制模塊接收到后再發(fā)送給OFDM調(diào)制模塊；
[0022]3)在文本發(fā)射端，OFDM調(diào)制模塊根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果將接收到的文本數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和調(diào)制；
[0023]4)在文本發(fā)射端，水聲信號發(fā)送模塊將信號放大后通過功放和換能器發(fā)送到水聲信道中；
[0024]5)在文本接收端，水聲信號接收模塊對接收來的水聲信號進(jìn)行放大濾波和AD轉(zhuǎn)換；
[0025]6)在文本接收端，信道估計(jì)模塊對接收的信號進(jìn)行分析，得到此時(shí)對信道估計(jì)的結(jié)果參數(shù)；[0026]7)在文本接收端，OFDM解調(diào)模塊根據(jù)估計(jì)的信道參數(shù)將信號解密和解調(diào)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端語音控制模塊；
[0027]8)在文本接收端，接收端語音控制模塊使用串口將收到的數(shù)據(jù)在通信界面中顯
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[0028]本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點(diǎn):
[0029](I)語音通信裝置對信道有自適應(yīng)能力，通過對信道估計(jì)的結(jié)果調(diào)節(jié)通信參數(shù)和語音壓縮碼率；
[0030](2)采用MBE語音壓縮算法，接收端解碼后的語音語義清晰，音色自然；
[0031](3)語音通信設(shè)備具有語音和文本兩種模式的半雙工水聲通信；
[0032](4)可以使用計(jì)算機(jī)對本裝置進(jìn)行監(jiān)測和控制，便于系統(tǒng)集成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0034]圖2輸入的語音信號圖；
[0035]圖3AMBE3000語音壓縮數(shù)據(jù)幀格式表；
[0036]圖4單片機(jī)與FPGA數(shù)據(jù)包通信格式表；
[0037]圖50FDM信號接收端濾波器參數(shù)配置表；
[0038]圖6經(jīng)過AMBE3000解壓縮后恢復(fù)的語音信號圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式做進(jìn)一步描述:
[0040]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的水下語音通信裝置可以分為如下幾個(gè)模塊:語音采集模塊、語音編碼模塊、發(fā)射端語音控制模塊、OFDM調(diào)制模塊、水聲信號發(fā)射模塊、水聲信號接收模塊、OFDM解調(diào)模塊、接收端語音控制模塊、語音解碼模塊、語音播放模塊、信道估計(jì)模塊；實(shí)現(xiàn)水下語音通信功能的模塊流程為:語音采集模塊從麥克風(fēng)處采得語音信號，將其傳輸至語音編碼模塊，再將經(jīng)編碼后的語音信號傳輸至語音控制模塊，再將加密后的信號傳輸至OFDM調(diào)制模塊，再經(jīng)過水聲信號發(fā)射模塊發(fā)射水聲信號；在接收端通過水聲信號接收模塊接收到包含語音信息的水聲信號，將其傳輸至OFDM解調(diào)模塊，再傳輸至語音控制模塊，再將解密后的信號傳輸至語音解碼模塊，在解碼后最終將語音信號傳輸至語音播放模塊，通過揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)語音播放；信道估計(jì)模塊，可實(shí)時(shí)輸出對信道的估計(jì)結(jié)果，至OFDM調(diào)制模塊、OFDM解調(diào)模塊、發(fā)射端與接收端的語音控制模塊，用于改變通信參數(shù)與壓縮碼率；
[0041]本發(fā)明涉及的數(shù)字式水下語音通信裝置，同時(shí)集成了 OFDM調(diào)制技術(shù)和MBE語音編碼技術(shù)。將語音信號的編碼與水聲通信的算法利用不同的硬件平臺實(shí)現(xiàn)。語音信號的編碼使用專用的語音壓縮芯片AMBE3000，配合以單片機(jī)進(jìn)行控制；水聲通信處理平臺中通信算法使用DSP實(shí)現(xiàn)，配合以Xilinx FPGA進(jìn)行控制。
[0042]本發(fā)明涉及的數(shù)字式水下語音通信裝置可以進(jìn)行語音和文本兩種模式的半雙工水聲通信，通過語音\文本切換模塊可以實(shí)現(xiàn)兩種工作模式的切換。語音\文本切換模塊，連接于發(fā)射端與接收端的語音控制模塊，并利用串口實(shí)現(xiàn)文本通信界面與語音控制模塊之間的連接。[0043]語音通信系統(tǒng)支持語音和文本兩種通信模式，首先介紹語音通信的實(shí)施方式。
[0044](I)語音通信裝置具有對信道自適應(yīng)的功能，由信道估計(jì)模塊完成。信道估計(jì)模塊中，DSP對信道進(jìn)行估計(jì)并重置合適的調(diào)制參數(shù)和編碼參數(shù)，同時(shí)將編碼參數(shù)發(fā)送給發(fā)射端語音控制模塊，以此來控制碼率；
[0045](2)人類的語音信號頻率在4KHz以下，故此語音采集模塊中對輸入的模擬語音信號進(jìn)行04KHz到4KHz的低通濾波和2?3倍放大，輸入的語音信號是內(nèi)容為數(shù)字I?20的女聲信號，如圖2所示，CODEC對濾波放大后的信號進(jìn)行采樣頻率為SKHz的采樣并以16bit的精度量化為數(shù)字語音信號；
[0046](3)語音編碼模塊中AMBE3000根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果對AD采樣量化后的數(shù)字信號進(jìn)行MBE壓縮編碼，編碼后的語音速率范圍是2.0?4.0kbps，該語音壓縮碼率較適用于水聲信道的信息傳輸；
[0047](4)語音信號處理板上使用單片機(jī)對AMBE3000的碼率和數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，作為發(fā)射端語音控制模塊。單片機(jī)通過AMBE3000的PPT接口按照AMBE3000數(shù)據(jù)幀格式將壓縮后數(shù)據(jù)接收并存儲，AMBE3000數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。接收一幀數(shù)據(jù)完成后，單片機(jī)要按照與FPGA之間的數(shù)據(jù)包格式逐包發(fā)送給水聲通信處理平臺，單片機(jī)與FPGA之間的數(shù)據(jù)通信格式如圖4所示；
[0048](5)以DSP為實(shí)現(xiàn)平臺的OFDM調(diào)制模塊根據(jù)信道估計(jì)模塊得到的調(diào)制參數(shù)對語音數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密處理和OFDM調(diào)制；
[0049](6) OFDM發(fā)送模塊將調(diào)制后的OFDM信號通過DA輸出，并進(jìn)行通帶頻率為7?14KHz的帶通濾波和2倍放大，推動(dòng)功放和發(fā)射換能器將OFDM信號發(fā)送至水聲信道中；
[0050](7) OFDM接收模塊中的接收換能器將對方語音裝置發(fā)至水聲信道的OFDM信號檢測、同步并接收，并進(jìn)行濾波放大、轉(zhuǎn)換為差分信號并加入偏置電壓。OFDM接收模塊中的放大濾波使用0PA348實(shí)現(xiàn)，參數(shù)配置如圖5所示，經(jīng)過處理后的模擬信號再由AD以頻率48KHz進(jìn)行采樣，量化為ISbit精度的并行數(shù)字信號給下一模塊；
[0051](8)信道估計(jì)模塊對接收到的信號進(jìn)行分析，得到此時(shí)對信道估計(jì)的參數(shù)；
[0052](9)0FDM解調(diào)模塊根據(jù)分析結(jié)果對AD采集后的信號進(jìn)行解密和解調(diào)，并將解調(diào)后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給接收端語音控制模塊；
[0053](10)接收端語音控制模塊通過串口解調(diào)后的語音數(shù)據(jù)按照圖3所示的格式進(jìn)行接收,接收完一包后按照圖3所示的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送給AMBE3000 ；
[0054](11)語音解碼模塊通過PPT 口將數(shù)據(jù)接收，同時(shí)對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼；
[0055](12)語音播放模塊中的CODEC對解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，然后將模擬的語音信號通過音頻播放設(shè)備輸出，語音播放模塊中恢復(fù)出的語音信號如圖6所示。
[0056]語音通信裝置除了語音通信外還可以進(jìn)行更低碼率的文本通信，實(shí)施方式如下:
[0057]I)通過裝置面板上的旋鈕切換到文本通信模式，此時(shí)信道估計(jì)模塊會針對文本通信對信道進(jìn)行估計(jì)，同樣將所需的調(diào)制參數(shù)重置；
[0058]2)使用串口調(diào)試助手等上位機(jī)軟件將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過擴(kuò)展串口發(fā)送到發(fā)射端單片機(jī)語音控制模塊，單片機(jī)收到數(shù)據(jù)后將進(jìn)行發(fā)送；
[0059]3) OFDM調(diào)制模塊根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果將接收到的文本數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和調(diào)制；
[0060]4)同樣OFDM發(fā)送模塊將信號發(fā)送到水聲信道中；[0061 ] 5) OFDM接收模塊對信號進(jìn)行放大濾波和AD轉(zhuǎn)化；
[0062]6)信道估計(jì)模塊對接收到的信號進(jìn)行文本通信模式下的分析，得到此時(shí)對信道估計(jì)的參數(shù)；
[0063]7) OFDM解調(diào)模塊根據(jù)分析結(jié)果將信號解密、解調(diào)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)；
[0064]8)單片機(jī)使用擴(kuò)展的串口將收到的數(shù)據(jù)以文本形式顯示。
[0065]上述的語音通信裝置經(jīng)過了大量的水池試驗(yàn)和湖上試驗(yàn)，湖上試驗(yàn)中，語音通信距離大于4km，誤碼率小于5%，在語音接收端接收到的語音音質(zhì)清晰，音色自然，辨識度較高，可以分辨出不同的說話人。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字式水下語音通信裝置，其特征在于:包含語音采集模塊、語音編碼模塊、發(fā)射端語音控制模塊、OFDM調(diào)制模塊、水聲信號發(fā)射模塊、水聲信號接收模塊、OFDM解調(diào)模塊、接收端語音控制模塊、語音解碼模塊、語音播放模塊和信道估計(jì)模塊；語音采集模塊從麥克風(fēng)處采得語音信號，將其傳輸至語音編碼模塊，再將經(jīng)編碼后的語音信號傳輸至發(fā)射端語音控制模塊，再將加密后的信號傳輸至OFDM調(diào)制模塊，再經(jīng)過水聲信號發(fā)射模塊發(fā)射包含語音信息的水聲信號；在接收端通過水聲信號接收模塊接收到包含語音信息的水聲信號，將其傳輸至OFDM解調(diào)模塊，再傳輸至接收端語音控制模塊，再將解密后的信號傳輸至語音解碼模塊，在解碼后最終將語音信號傳輸至語音播放模塊，通過揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)語音播放；信道估計(jì)模塊，實(shí)時(shí)輸出對信道的估計(jì)結(jié)果至OFDM調(diào)制模塊、OFDM解調(diào)模塊、發(fā)射端與接收端的語音控制模塊，用于改變通信參數(shù)與壓縮碼率。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式水下語音通信裝置，其特征在于:還包含語音\文本切換模塊，語音\文本切換模塊連接于發(fā)射端與接收端的語音控制模塊，并利用串口實(shí)現(xiàn)文本通信用戶界面與語音控制模塊之間的連接。
3.一種利用如權(quán)利要求1所述的數(shù)字式水下語音通信裝置的水下語音通信方法，其特征在于包含如下步驟: (O在語音發(fā)射端，使 用CODEC對來自麥克的語音信號進(jìn)行采樣，量化為數(shù)字語音信號; (2)在語音發(fā)射端，用語音編碼模塊對步驟(I)得到的數(shù)字語音信號進(jìn)行壓縮編碼； (3)在語音發(fā)射端，用語音控制模塊將步驟(2)中得到的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行加密； (4)在語音發(fā)射端，使用DSP、根據(jù)信道估計(jì)情況對步驟(3)得到的信號進(jìn)行OFDM調(diào)制，并將OFDM信號進(jìn)行放大和濾波，使用功放和發(fā)射換能器將聲信號發(fā)射到水聲信道中傳播； (5)在語音接收端，根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果，在水聲信號接收模塊中對接收來的OFDM信號進(jìn)行濾波、放大，再使用AD進(jìn)行采樣、量化； (6)在語音接收端，對步驟(5)得到的信號進(jìn)行分析，得到信道估計(jì)的結(jié)果參數(shù)； (7)在語音接收端，根據(jù)步驟(6)得到的參數(shù)對接收信號進(jìn)行OFDM解調(diào)； (8)在語音接收端，對步驟(7)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密； (9)在語音接收端，使用語音解碼模塊對步驟(8)中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮； (10)在語音接收端，使用CODEC將步驟(9)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，并通過揚(yáng)聲器播放輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下語音通信方法，其特征在于包含如下步驟: 1)通過裝置面板上的旋鈕切換到文本通信模式，信道估計(jì)模塊針對文本通信對信道進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)估計(jì)結(jié)果將調(diào)制參數(shù)重置； 2)在文本發(fā)射端，將所要發(fā)送的文本信息通過串口發(fā)送到語音控制模塊，語音控制模塊接收到后再發(fā)送給OFDM調(diào)制模塊； 3)在文本發(fā)射端，OFDM調(diào)制模塊根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果將接收到的文本數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和調(diào)制； 4)在文本發(fā)射端，水聲信號發(fā)送模塊將信號放大后通過功放和換能器發(fā)送到水聲信道中； 5)在文本接收端，水聲信號接收模塊對接收來的水聲信號進(jìn)行放大濾波和AD轉(zhuǎn)換；6)在文本接收端，信道估計(jì)模塊對接收的信號進(jìn)行分析，得到此時(shí)對信道估計(jì)的結(jié)果參數(shù)； 7)在文本接收端，OFDM解調(diào)模塊根據(jù)估計(jì)的信道參數(shù)將信號解密和解調(diào)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給語音控制模塊； 8)在文本接收端，語 音控制模塊使用串口將收到的數(shù)據(jù)在通信界面中顯示。
【文檔編號】H04L25/02GK103457903SQ201310442083
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】孫宗鑫, 喬鋼, 馬巍, 馬璐, 楊健敏, 周鋒, 馬雪飛, 劉淞佐 申請人:哈爾濱工程大學(xué)