胡安平，高 銳，張建春

(西安導航技術研究所，西安710068)

1 引 言

水聲信號在水下具有衰減小、傳輸距離遠的特性，因此在水下通信及導航定位工程應用中，一般采用水聲信號作為信息傳輸的首選信號。水聲通信技術已從早期的模擬水聲通信逐步轉向水聲數字通信［1］，在水下用來傳輸語音、文本、圖像及視頻信息［2］。水聲導航定位技術可以根據基元之間的基線長度，分為長基線、短基線、超短基線定位系統幾類，可以用于水下載體導航定位及資源勘探水下定位，長基線和短基線定位是通過測量水聲從發(fā)射端到接收端的傳輸時間轉換到距離，根據多組距離測量量來解算目標的位置，超短基線定位是通過相位測量和測距相結合進行定位解算［3］。水聲通信及水聲導航在民用和軍事方面均有廣泛應用，傳統的水聲通信設備和水聲導航設備是各自獨立的設備，但無論水聲通信還是水聲導航，都是借助于水聲信息傳輸，均受到水聲信道隨機時－空－頻變參、強多徑、快起伏和嚴格帶限等特異性影響［4］，具有一些共性的特點，有必要開展水聲定位與通信的一體化研究。本文從實現水聲測距和水聲通信一體化的技術體制入手，先采用仿真來分析水聲測距通信共用同步頭一體化的性能，然后設計水池測試方案來對水聲測距通信一體化開展水池測試驗證，通過仿真和試驗驗證了水聲測距一體化的可行性及其性能。

2 水聲測距通信一體化技術分析

水聲通信和水聲測距定位均需要在發(fā)射端發(fā)射水聲信號，接收端通過接收水聲信號處理實現各自功能。水聲通信和水聲測距的硬件前端基本相同，信息流程在發(fā)射端均需通過信源編碼、信號調制、功率驅動、水聲換能器發(fā)射等過程，在接收端均需要通過水聽器信號接收放大、信息解調、信息解碼等過程，由于水聲通信和水聲測距定位有很多共同之處，因此，在一套水聲硬件設備上，通過軟件處理等方式，可以實現水聲測距定位和水聲通信的功能一體化。

2.1 水聲測距通信一體化技術體制

在一對水聲收發(fā)裝置上要實現水聲通信與測距的功能一體化，有3 種實現方式:第一種是以時分工作方式，在不同的時隙上分別發(fā)射水聲通信調制信號和水聲導航測距調制信號，在接收端分別對水聲通信信號和水聲導航測距信號進行接收處理，這樣以時分方式分別進行水聲通信和水聲測距;第二種是頻分工作方式，即發(fā)射端的水聲通信和水聲測距定位信號采用不同的工作頻率，這樣在接收端通過頻率濾波，可以同時處理和解調水聲通信和水聲測距信息;第三種是將水聲通信和水聲測距信號通過共用同步頭融為一體，在發(fā)射端發(fā)射經過特殊設計的水聲信號，在接收端通過同步解調等信息處理，通過接收一組在同一頻率上的水聲信號，既完成水聲測距，也可以解調得到水聲通信數據。這3 種技術體制的優(yōu)缺點分析比對如表1所示。顯然，第三種體制是一種較好的工作方式，因此，本文后面介紹采用第三種方式實現水聲測距與通信的一體化。

表1 水聲測距通信一體化技術體制比較Table 1 Comparison between underwater acoustic communication integration ranging technology systems

水聲測距有同步測距和非同步測距兩種:同步測距就是指發(fā)射端與接收端的時間同步，通過測量水聲信號發(fā)射時刻和接收時刻的時間差來得到距離值;非同步測距則是指發(fā)射端和接收端的時間不同步，發(fā)射端和接收端以應答的方式通過測量水聲信號往返時間來得到發(fā)射端和接收端的測距，測距是實現導航定位的基礎。

2.2 水聲測距通信一體化總體設計

水聲測距通信一體化總體方案設計采用了軟件無線電的設計理念，中央處理硬件電路采用通用小型化、低功耗數字信號處理器板硬件架構，水聲通信和測距的信號處理在ADI 公司DSP 和Xilinx 公司FPGA 上用軟件完成。為了降低體積和成本，水聲信號發(fā)送和接收共用一個水聲換能器，其工作頻率為10～20 kHz，接收靈敏度響應為－190 ±3 dB@15 kHz(re 1 V /μPa @1 m)。水聲信息傳輸采用半雙工工作模式，在測距通信一體化工作方式下，信息傳輸速率可以軟件設置為47 b/s、85 b/s、151 b/s，在低速率下可以保障復雜海況下水聲測距和通信的聯通性及可靠性。

下面介紹水聲測距通信一體化處理涉及關鍵技術。

(1)海洋環(huán)境對水聲測距通信的影響及應對技術

海洋介質是個非常復雜的聲傳播信道，受到各種自然條件、地理條件和隨機因素的影響，致使水聲信道有很大的復雜性和不穩(wěn)定性，需要解決在復雜海況下的可靠水聲通信和測距問題。采用擴頻技術應對水聲信號低信噪比接收處理，并對水聲信號多徑情況識別和區(qū)分。

(2)水聲傳播速度實時修正技術

海洋水聲傳播速度受到溫度、鹽分等多種因素的影響，使得水聲速度隨海洋環(huán)境特性而發(fā)生改變，水聲速度參數的精確性將直接影響水聲測距的精度。采用分層理論和費馬原理，根據收發(fā)兩端的水聲信號傳輸路徑，通過查表的方式來實時修正水聲傳輸速度。

(3)水聲自適應信息發(fā)送及接收技術

海洋環(huán)境的多變性使得水聲信息傳輸的信道會隨時間發(fā)生變化，曾經可靠建立的水聲信息傳輸條件將會發(fā)生變化，不能保證水聲信息傳輸總是可靠聯通。通過水聲信號收發(fā)兩端根據水聲環(huán)境自適應地調整水聲信息收發(fā)的頻率、速率和功率等級，可保證水聲信息收發(fā)的可靠性。

(4)水聲測距通信一體化處理技術

水聲測距和水聲通信在水聲信號的A/D 采樣前端采用相同的放大和處理通道，在數字信號處理時，根據數據信號標志來區(qū)分是進行測距處理還是通信處理，測距處理需要進行精確的延時估計和時序控制，測距的參數也用來更好地接收解調通信數據。

2.3 水聲測距通信共用同步頭方式分析

水聲測距和水聲通信因其實現功能目的不同，因此信號處理的要求也不相同。水聲測距主要是測量發(fā)射端與接收端之間的水聲傳播時間乘以水聲傳播速度實現，因此，在水聲傳播速度已知的情況下，水聲測距主要解決水聲信號發(fā)射與接收時間差測量的精確性［5］。若要精確測量到達時間，則需要水聲測距信號在接收端有精細的時間分辨率。水聲通信則需要將發(fā)射端的信息解調并提取出來，水聲數據通信能有效進行，首先需要進行信號同步，信號同步的性能好壞將直接影響數據是否能正確接收，水聲信號同步將隨著數據通信的速率提高，信號同步的時間精度也要提高。因此，采用有較高精度時間分辨率的水聲通信同步頭信號，可以用來在一組水聲通信信號內同時實現測距定位與通信功能。

早期的水聲定位系統中，大多使用模擬電子電路和簡單的窄帶連續(xù)波信號脈沖，但這種猝發(fā)純音信號受限于一些特定的工作通道，由于水聲環(huán)境的復雜性［6］，使得水聲信號在接收端的時間分辨率下降，并且也不適合用來進行水聲通信，因此，窄帶信號不適合用于水聲測距通信一體化中作為信號同步方式。

水聲通信以及定位系統已向寬度、數字化方向發(fā)展［7］，水聲測距通過發(fā)射一個收發(fā)雙方約定的寬帶脈沖，接收端通過互相關等手段估計出時延，進而解算出收發(fā)兩端的距離。水聲通信系統為了正確地截取碼元，也需要采用寬帶脈沖作為同步頭以提高同步精度。因此測距和通信都要求發(fā)射一個寬帶脈沖，這就可以共用通信同步頭作為測距的發(fā)射脈沖。

常用的同步頭波形有線性調頻、雙曲調頻、偽隨機擴頻等形式，它們在多普勒容限、時延估計精度等方面表現出不同的性能。假設信號頻帶為0.01～4.01 kHz、脈沖寬度為500 ms，下面通過仿真來分析各種同步頭的性能。線性調頻信號、雙曲調頻信號和偽隨機擴頻信號的模糊度圖如圖1所示。

圖1 線性調頻、雙曲線調頻及偽隨機擴頻信號模糊度圖Fig.1 Ambiguity diagrams of linear FM hyperbolic FM and pseudo－random spreading signal

由圖1可見，對于不同類型的同步頭，其多普勒容限和時延估計精度是有差異的，其中線性調頻信號的時延分辨力和頻移分辨力大約分別為0.1 ms和0.8 Hz，雙曲調頻信號的時延分辨力和頻移分辨力大約分別為6 ms和0.88 Hz，偽隨機擴頻的時延分辨力和頻移分辨力大約分別為0.07 ms和0.9 Hz。

由仿真結果可以看出，線性調頻信號的頻移分辨力是最好的，而偽隨機擴頻的時延分辨力是最佳的。如果想要兼顧時延分辨力和頻移分辨力，可以考慮將線性調頻信號和偽隨機擴頻信號進行組合，一個用來測時延，一個用來測頻移。若是發(fā)射端和接收端以很慢速度相對運動，則可以只用偽隨機擴頻的同步頭方式。

3 水聲測距通信一體化測距誤差及誤碼率仿真分析

采用共用寬帶同步頭方式實現水聲測距通信一體化，根據設置參數不同，將會對測距定位和通信產生不同的影響，對測距需要考慮測量精度，而對于通信則分析誤碼率。下面采用仿真的辦法［8］，分別對測距精度和誤碼率進行分析。

3.1 水聲測距誤差分析

在進行水聲測距通信一體化共用同步頭測距誤差分析時，分別采用線性調頻、雙曲線調頻、偽隨機擴頻3 種不同的同步頭方式進行仿真分析。

(1)信噪比對水聲測距精度影響分析

考慮到通信可靠解調需要較好的信噪比，因此，將水聲測距通信一體化的同步頭檢測和測距的工作信噪比設置在－15～20 dB之間。當接收到水聲信號信噪比較低、無法完成正確解調時，可以通過同步頭檢測和距離估計判斷聲源點的位置(結合接收陣列的定向)，引導接收平臺向聲源靠近，以實現可靠通信信號接收并得到導航電文信息。例如，可靠水聲通信距離為5 km時，如果同步頭檢測所需信噪比相比通信可靠解調信噪比低12 dB，則在20 km處就可對聲源進行測距。

水聲信號在不同信噪比下的測距誤差仿真時，選用的水聲信號帶寬4 kHz、脈沖寬度200 ms，接收端的模擬信號采樣頻率為32 kHz，在基帶情況下進行仿真。先不考慮多普勒頻移和多徑的問題，不同波形的同步頭測距誤差統計在不同信噪比下的結果見圖2(a)。顯然，信噪比越大，測距精度越高，3 種波形中偽隨機擴頻信號受信噪比的影響最小。由于相關處理的增益較高，因此在信噪比大于－10 dB時，這3 種同步頭的測距誤差都較小，測距誤差主要受限于采樣頻率。

(2)平臺運動多普勒對水聲測距精度影響分析

在水聲通信中，特別是與運動對象進行通信的過程中，由于發(fā)射與接收平臺之間存在相對運動，另外，水介質的不均勻性和水中暗流等，多普勒效應是不可避免的。多普勒效應會導致信號的頻率擴展、時間選擇性衰落、頻率偏移等畸變，但其最直接的影響表現為信號的伸縮，即改變了信號在時間域的長度，信號的伸縮將給信息同步解調造成壓力，使整個水聲信息傳輸系統的性能不斷下降，因此，多普勒的影響不容忽視。對于不同的同步頭，多普勒頻移分辨力和多普勒容限是不同的，下面通過仿真來分析不同同步頭在多普勒方面對水聲測距精度的影響。

在仿真中，同樣選用信號帶寬為4 kHz，脈沖寬度為200 ms，信噪比為5 dB。不同波形的同步頭測距誤差統計結果如圖2(b)所示，可見多普勒對測距精度影響較大，其中多普勒頻移對線性調頻信號的影響最小。為減小多普勒對測距精度的影響，可考慮多種信號組合的方式，比如先用線性調頻信號進行粗同步，然后再用偽隨機擴頻信號進行細同步。

(3)信道多徑對水聲測距精度影響分析

在水聲信道中，多徑的存在是水聲信號在傳播過程中產生嚴重畸變的一個原因。例如，在聲源發(fā)射一個脈沖，由于多徑效應，在接收端將收到一串畸變了的脈沖，對于水聲測距通信共用同步頭的情況，也受到水聲多徑的影響。下面通過仿真，分析不同同步頭在多徑情況下對水聲測距精度的影響。

在仿真中，假設多徑時延分別為0 s、0.006 83 s、0.012 75 s、0.016 41 s、0.026 083 s 和0.031 167 s，相應的歸一化幅值分別為1、0.627 36、0.604 36、0.486 34、0.279 74 和0.264 22。仿真中同樣選用信號帶寬為4 kHz，脈沖寬度為200 ms，信噪比為5 dB。仿真結果如圖2(c)所示，由仿真結果可知，多徑條數越多，對測距精度影響越大，相比較而言，多徑對雙曲調頻信號的影響最小。為了降低多徑對測距精度的影響，可考慮使用時間反轉處理方法［9］，來提升多徑環(huán)境下的測距精度。

圖2 水聲測距精度仿真分析Fig.2 Simulation analysis of underwater acoustic ranging accuracy

3.2 水聲通信誤碼率分析

在水聲測距通信一體化應用中，考慮同步頭和數據傳輸均采用偽隨機擴頻的情況下，對直接序列擴頻(DSSS)調制不同的擴頻碼長度下的通信誤碼率進行仿真分析［10］。

圖3為在加性高斯白噪聲(AWGN)信道下，采用直接序列擴頻調制時的誤碼率仿真結果。仿真條件為:100 個碼元，碼片長度0.000 25 s，帶寬4 kHz(4～8 kHz)，采樣頻率32 kHz，分別采用長度為255、511 和1 023的擴頻碼調制，對應數據傳輸率分別為15.686 b/s、7.828 b/s和3.91 b/s，信噪比范圍為［－30 dB，10 dB］。從仿真結果可以看出，對應各種調制方式，分別在信噪比大于－24 dB、－20 dB和－17 dB時，誤碼率降為零。偽隨機擴頻調制擴頻碼越長，就可以在更低的信噪比下工作，但信息傳輸速率也就越慢。仿真結果只考慮了白噪聲情況，未考慮多徑及其他干擾情況。

圖3 AWGN 信道DSSS 調制誤碼率曲線Fig.3 AWGN channel DSSS modulation error rate curve

4 水聲測距通信一體化水池測試試驗

為了驗證水聲測距與通信一體化的性能，這里以中科院聲學所的uaelm 水聲通信modem 為基礎，采用9 階的m 序列碼進行偽隨機擴頻，在進行通信的同時進行測距。水聲測距通信一體化試驗采用的載頻為12 kHz，數據通信速率47 b/s，所采用的m 序列碼的碼片寬度為0.5 ms，因此相關函數具有的時間分辨率為0.5 ms，對應的測距精度約為0.75 m。由于在水池中進行的是固定點測試，因此沒有考慮多普勒效應。

圖4是水聲測距通信一體化測試的設備組成及連接示意圖，采用單向通信測距的模式進行水池測試。圖4中，水聲發(fā)射控制裝置將所要發(fā)送的串行通信數據發(fā)送給水聲發(fā)射modem，并發(fā)送觸發(fā)脈沖來啟動水聲modem 發(fā)送水聲測距通信信息，發(fā)射端的觸發(fā)脈沖也送給時間間隔測量裝置安捷倫53131A 計數器的開門輸入端，當水聲接收modem接收到水聲測距通信信息后，首先進行同步處理，并在獲得同步的時刻，輸出接收觸發(fā)脈沖到安捷倫53131A 計數器的關門輸入端，隨后將解調解碼后的通信接收數據通過串口輸出到計算機的串口。通過測量53131A 計數器的開門脈沖信號和關門脈沖信號之間的時間長度，減掉水聲modem 的固定處理時間(時間處理精度為微秒量級)，就可以得到水聲測距通信一體化的水聲發(fā)射到接收之間的傳輸時間，由于53131A 計數器的時間間隔測量精度達到1 ns，因此，可以精確測量水聲信號發(fā)射和接收之間的傳輸時間。

圖4 水聲測距通信一體化水池測試連接示意圖Fig.4 Connection diagram of underwater acoustic ranging and communication integration pool test

在水池試驗中，水聲modem 和水聲換能器之間采用饋線連接，通過調整水聲發(fā)射換能器和接收換能器的相對位置，可以獲得不同收發(fā)距離下的水聲測距通信一體化測量數據。通過比較水聲modem發(fā)射端和接收端的發(fā)射接收數據，可以獲得通信誤碼率。

在水池試驗時，將發(fā)射水聲換能器位置固定，位于水下1 m，水聲接收換能器的位置分別位于第1 點(距發(fā)射點3.6 m)、第2 點(距發(fā)射點5.7 m)、第3點(距發(fā)射點6.4 m)、第4 點(距發(fā)射點8.6 m)水下1 m和水下3 m進行40 組以上的水聲測距通信一體化測試，在通信數據量約為15 kB下通信誤碼率為0。水聲換能器接收點與水聲換能器發(fā)射點的距離可以用測量尺測量作為準確值，每個由計數器測量的水聲傳播時間乘以水聲速度(按照1 500 m/s計算)得到水聲測距值，每個測量點上測定的距離與準確值相比較的測距誤差統計如圖5所示，可以得到測距誤差小于1 m(95%)。

圖5 水聲測距通信一體化水池試驗測距誤差結果Fig.5 Ranging error in underwater acoustic ranging and communication integration pool test

經過水池試驗測試，驗證了采用9 階的m 序列碼進行通信測距一體化信息傳輸，時間測量分辨率可以達到預計的0.5 ms精度，在較低通信速率下有良好的通信誤碼性能，若能采用修正后的水聲傳播速度進行測距計算，則測距誤差可以進一步減小。

5 結束語

本文通過理論分析、仿真分析以及水池試驗測試說明了水聲測距通信一體化技術的可行性，并驗證了水聲測距通信一體化的性能。后面還將在湖上或海上進行遠距離動態(tài)測試，進一步測試在外場情況下的水聲測距通信一體化性能。

我們所開展的水聲測距通信一體化研究中，在滿足測距精度的情況下，信息傳輸的速率仍有待提高，尚未實現水聲通信測距的又快又準。本文相比已發(fā)表的水聲通信和水聲導航論文，側重點在于研究水聲通信測距的一體化。另外，在滿足多變海洋環(huán)境下的實際工作性能還有待于進一步驗證，水聲測距和通信的作用距離仍然較近，這些都有待今后進一步深入研究。

通過水聲測距通信一體化，可以借助于測距信息優(yōu)化基于水聲信道特性的水聲信號處理，提升水下通信的性能。通過水聲測距通信一體化技術的研究，有助于研制集制導、導航、通信、控制等多種功能于一體的水下水聲設備，提升水下載體所攜帶水聲設備小型化和低功耗性能，在未來的水下軍事和民用中有廣泛的應用前景。

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