吳燕藝，江偉華，童峰

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一種具有二級觸發(fā)功能的水聲釋放器遙控系統(tǒng)

吳燕藝，江偉華，童峰

(廈門大學(xué)水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室，福建廈門361005)

水聲釋放器在海洋環(huán)境監(jiān)測、水下施工和海洋測繪等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。考慮到長期值守對低功耗的要求，傳統(tǒng)水聲釋放器采用簡單的非相干頻率調(diào)制解調(diào)方法進(jìn)行遙控，要求遙控信號有較高的信噪比，因此易被非授權(quán)方截獲、復(fù)制從而導(dǎo)致丟失?；赟TM32微處理器設(shè)計了一種頻率調(diào)制結(jié)合擴(kuò)頻調(diào)制的二級觸發(fā)釋放器遙控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在通過作為第一級觸發(fā)的頻率檢測后，需對低信噪比擴(kuò)頻信號檢測進(jìn)行二級觸發(fā)，從而提高系統(tǒng)的可靠性、安全性。海上實驗結(jié)果表明了該方案的有效性。

水聲遙控；低功耗；STM32；二級觸發(fā)

0 引言

水聲釋放器是一種常用的水聲遙控設(shè)備，在水下工程、地震測量、石油探測、水文分析等方面都有廣泛應(yīng)用。法國Oceano Technologies公司[1]、美國的Benthos公司[2]等開發(fā)了系列化的水聲釋放器產(chǎn)品，可滿足不同海洋條件下的需要。國內(nèi)研制的釋放器在工作水深、應(yīng)答距離、連續(xù)工作時間和可靠性方面與國外先進(jìn)水平相比較還有一定的差距。西北工業(yè)大學(xué)基于自主研制的短基線水下定位系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)答釋放器設(shè)計[3]。杭州瑞聲海洋儀器有限公司的SFO-1型聲學(xué)釋放器是國內(nèi)少數(shù)的商用聲學(xué)釋放系統(tǒng)，連續(xù)工作時間為90天，釋放作用距離為3000 m[4]。

考慮到支持水下長時間工作的低功耗要求，水聲釋放器通常采用實現(xiàn)簡單方便的非相干頻率調(diào)制解調(diào)方案，如MSP430系列微功耗處理器具有功耗低、精度高、尺寸小等特點，具有5種低功耗工作方式[5]。但由于微功耗處理器運(yùn)算功能比較有限，所以水聲釋放器遙控系統(tǒng)通常采用對特定頻率進(jìn)行非相干檢測喚醒釋放器。而非相干頻率檢測需要較高的接收信噪比，因此常規(guī)水聲釋放器的遙控信號容易被截獲、復(fù)制，從而導(dǎo)致釋放器被非授權(quán)方喚醒并回收，造成重要數(shù)據(jù)丟失等嚴(yán)重后果。

針對上述問題，本文采用兼具低功耗和較高運(yùn)行能力的STM32微處理器設(shè)計了一種具有二級觸發(fā)功能的水聲釋放器遙控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用二級觸發(fā)體制：處理器以極低功耗模式進(jìn)行非相干頻率檢測等待第一級觸發(fā)，以保證系統(tǒng)長期值守；通過第一級觸發(fā)的頻率檢測后，處理器被喚醒進(jìn)行擴(kuò)頻碼的相關(guān)檢測以通過二級觸發(fā)功能，二級觸發(fā)后方可遙控水聲釋放器。由于作為第二級觸發(fā)信號的擴(kuò)頻碼信號可在較低信噪比情況下進(jìn)行檢測，能夠有效防止非授權(quán)方通過截獲、復(fù)制頻率調(diào)制遙控信號導(dǎo)致的釋放器丟失，從而提高水聲釋放器的使用安全性。最后通過海上試驗驗證了本文方案的有效性。

1 具有二級觸發(fā)功能的水聲釋放器遙控方案設(shè)計

本文所設(shè)計的水聲釋放器遙控系統(tǒng)在傳統(tǒng)非相干檢測基礎(chǔ)上增加了二級觸發(fā)模式，以保證長期值守及對擴(kuò)頻信號的相關(guān)檢測能力，從而提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。系統(tǒng)的主要功能模塊包括：

第一級觸發(fā)為非相干頻率檢測，整個水聲釋放器遙控系統(tǒng)保持在低功耗狀態(tài)下進(jìn)行檢測，以達(dá)到長期值守的要求，值守電路負(fù)責(zé)檢測喚醒信號與產(chǎn)生喚醒中斷[6]。值守電路包括前置放大、帶通濾波器、包絡(luò)檢波、比較器等四個功能單元。該部分能夠完成對水聽器接收信號的放大濾波，并進(jìn)行檢波比較，從而喚醒處于休眠狀態(tài)的處理器。在此模式中，微處理器處于低功耗工作模式，以實現(xiàn)釋放器的長時間值守功能。

第二級觸發(fā)為相關(guān)檢測，處理器采集帶通濾波后的接收信號并對其采用拷貝相關(guān)算法進(jìn)行擴(kuò)頻信號檢測。通過檢測后，系統(tǒng)的二級觸發(fā)機(jī)制生效，啟動對釋放器的遙控，可有效提高釋放器使用的安全性。本文系統(tǒng)使用m序列編碼的擴(kuò)頻信號，可在極低信噪比下進(jìn)行檢測，從而降低被截獲概率。具有二級觸發(fā)功能的水聲釋放器遙控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

2.1 硬件設(shè)計

本文遙控系統(tǒng)硬件設(shè)計方案主要由以下幾個部分組成：低功耗運(yùn)放構(gòu)成的前置放大電路、MAX274芯片構(gòu)成的帶通濾波電路、UAF42構(gòu)成的窄帶濾波電路。此外，還包括有源包絡(luò)檢波電路、比較電路、加法電路及其外圍器件組成的信號處理模塊。主控制器采用ARM公司的超低功耗單片機(jī)STM32，結(jié)合其豐富的片上外設(shè)資源和處理能力，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的待機(jī)值守。單片機(jī)在相對簡單的邏輯控制中具有低功耗、低硬件成本、編程易實現(xiàn)等優(yōu)點。

STM32微處理器采用32位Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率為72 MHz，具有較強(qiáng)的信號處理能力，為實時信號能量檢測提供了有利保證；同時，STM32含有3種低功耗模式：休眠、停止和待機(jī)模式，這三種模式為其功耗管理提供了極好的性能保證，在72 MHz時消耗36 mA(所有外設(shè)處于工作狀態(tài))，待機(jī)時下降到2 μA[7]。并具有豐富的內(nèi)部模塊如DMA、11個定時器、多達(dá)112個多功能雙向I/O口均可映像到16個外部中斷等方便系統(tǒng)調(diào)用，在存儲器的零等待周期訪問時可達(dá)1.25 DMips/MHz，具有單周期指令乘法和硬件除法器，其高性能的信號處理能力滿足系統(tǒng)在信號解碼時大量相關(guān)運(yùn)算的需要。

2.2 遙控信號幀格式

淺海信道極其復(fù)雜，在時間、空間、頻率三方面對信號產(chǎn)生極其嚴(yán)重的影響，為了抑制水聲信道頻率選擇性衰落帶來的影響，第一級觸發(fā)信號本文采用時延編碼方式[8]，即利用不同頻率脈沖信號間的時間間隔對遙控指令進(jìn)行編碼。如圖2所示，其中，、、分別為信源中的三種頻率，3種頻率的脈寬一致，但碼元間時延不相同。若值守電路以正確的頻率、時延接收到三種頻率的信源，則啟動第一級觸發(fā)，主控處理器喚醒等待第二級觸發(fā)信號。

圖2為本文遙控信號示意圖，包括了用于進(jìn)行第一級觸發(fā)的頻率調(diào)制信號和進(jìn)行第二級觸發(fā)的擴(kuò)頻信號，其中前者采用較大功率發(fā)射，后者則采用低功率發(fā)射。作為第二級觸發(fā)信號的擴(kuò)頻碼(Pn)，碼元時間寬度為，主控處理器對接收到的Pn信號進(jìn)行拷貝相關(guān)處理，在時間窗內(nèi)，通過對相關(guān)峰的計算來判別是否啟動二級觸發(fā)。

2.3 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)接收機(jī)的工作流程圖如圖3所示，在微控制器STM32沒有收到接收信號的觸發(fā)中斷時，整個系統(tǒng)處于低功耗的休眠模式，此時整個系統(tǒng)的電流消耗只有3 μA。

一級觸發(fā)后STM32處理器喚醒，主頻為72 MHz同時可調(diào)用FFT庫函數(shù)，如完成1024點FFT運(yùn)算只需1.0941 ms，因此可支持高性能的數(shù)字信號處理實現(xiàn)對擴(kuò)頻碼的匹配濾波檢測。

在軟件實現(xiàn)方面，本文方案采用多級防誤動措施，避免受到干擾信號的影響，導(dǎo)致釋放器進(jìn)行釋放動作。軟件處理時序圖如圖4所示。

通過第一級觸發(fā)信號的檢測后喚醒STM32處理器，并開啟采集窗口對信號進(jìn)行采集及相關(guān)檢測，考慮到完成第一級觸發(fā)的時刻受包絡(luò)檢波、電平比較電路影響將存在一定的起伏，發(fā)射信號格式中在擴(kuò)頻信號前設(shè)定一定的保護(hù)間隔；同時，考慮到多徑擴(kuò)展的影響，設(shè)定采集窗寬度大于擴(kuò)頻信號的寬度，以確保STM32處理器開啟采集窗能夠采集到完整的擴(kuò)頻信號(如圖2所示)。

STM32處理器對采集窗內(nèi)采集的接收信號與本地信號進(jìn)行拷貝相關(guān)處理，通過對相關(guān)峰的計算來判別是否啟動二級觸發(fā)。若超過閾值，則啟動二級觸發(fā)，執(zhí)行控制動作；若未超過閾值，則STM32再次進(jìn)入低功耗的休眠模式。

3 海上實驗結(jié)果

為了驗證本文所設(shè)計的水聲遙控系統(tǒng)的性能，在臺灣海峽海域進(jìn)行了本文設(shè)計的二級觸發(fā)釋放器遙控系統(tǒng)實驗。實驗海域水深180 m，接收模塊利用“延平二號”實驗船船載絞車吊放于水下150 m處，發(fā)射換能器從甲板吊放至水面以下3 m深度。系統(tǒng)第一級觸發(fā)信號中心頻率分別設(shè)置為14.25、15.5、16.75 kHz的調(diào)制信號；第二級觸發(fā)信號采用的擴(kuò)頻碼長度=23 ms，采集窗長=50 ms。

海上實驗接收信號經(jīng)過前放、濾波、檢波等得到的第一級觸發(fā)信號處理結(jié)果如圖5所示，圖5(a)為接收的第一級觸發(fā)信號波形圖，圖5(b)~5(d)分別表示經(jīng)過三路檢波比較后的結(jié)果，圖5(e)由三路檢波比較結(jié)果累加得到，可有效保證對STM32處理器的第一級觸發(fā)動作。

第二級觸發(fā)支持低信噪比條件下的擴(kuò)頻信號檢測，由于實驗中獲得的原始接收信號信噪比高，無法評估低信噪比性能，本文采用疊加實測海洋環(huán)境噪聲的方法近似分析了不同信噪比條件下的第二級觸發(fā)性能，以評估本文系統(tǒng)中第二級觸發(fā)信號的低截獲性能。疊加噪聲信號的信噪比(SNR)定義[9]：

(2)

其中：()為實驗接收到的原始高信噪比信號；()為實錄海洋背景噪聲；()為疊加噪聲信號。實驗中為了量化評估第二級觸發(fā)相關(guān)檢測輸出的性能，定義判決因子為

圖6為本文系統(tǒng)STM32處理器中采集的不同信噪比第二級觸發(fā)信號波形及相關(guān)運(yùn)算結(jié)果。圖7為不同疊加噪聲信號信噪比條件下經(jīng)STM32處理器進(jìn)行相關(guān)處理后得到的檢測峰均比曲線圖。從圖7中可看出，第二級觸發(fā)信號的檢測峰均比在信噪比較低的情況下仍可滿足系統(tǒng)設(shè)定的檢測門限要求，實現(xiàn)二級觸發(fā)功能。

通過不同調(diào)制方式組合進(jìn)行復(fù)合調(diào)制來隱藏信號和增加解調(diào)難度是提高系統(tǒng)低截獲概率的有效途徑[10-12]。本文設(shè)計的遙控信號利用頻率調(diào)制和擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行二級觸發(fā)來提高信號隱蔽性，非授權(quán)方僅通過截獲第一級頻率調(diào)制觸發(fā)信號無法實現(xiàn)對釋放器遙控系統(tǒng)的喚醒，從而降低被截獲的概率，提高釋放器使用中的安全性。

4 結(jié)論

針對常規(guī)水聲釋放器采用頻率調(diào)制遙控信號易被截獲、復(fù)制的問題，本文設(shè)計了一種具有二級觸發(fā)功能的水聲釋放器遙控系統(tǒng)，通過在遙控系統(tǒng)中增加對低截獲概率擴(kuò)頻信號的檢測形成二級檢測機(jī)制，遙控信號由頻率遙控信號和低信噪比擴(kuò)頻信號組成，從而可有效防止非授權(quán)方通過截獲、復(fù)制頻率調(diào)制遙控信號導(dǎo)致的釋放器丟失，提高使用的安全性。海上實驗結(jié)果驗證了本文系統(tǒng)的有效性。

致謝：感謝福建省海洋研究所“延平2號”科學(xué)考察船船員為本文試驗工作提供的幫助。

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A two-level remote control system of acoustic release transponder

WU Yan-yi, JIANG Wei-hua, TONG Feng

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian, China)

The acoustic release transponder plays an important role in marine environmental monitoring, underwater construction and marine mapping, and so on. Taking into account the low power requirements to support long lifetime, the traditional acoustic release transponder uses simple frequency modulation and demodulation for signal detection, thus the remote control signal is easily intercepted and copied by unauthorized user. To improve the reliability and safety, a scheme of developing a two-level remote control system is presented by incorporating the classic frequency modulation with the spread spectrum modulation. With the proposed method, following the non-coherent detection of frequency modulation signals, the receiver needs to detect the low SNR spread spectrum signal to finish the two-level remote control. Based on STM32 microprocessor, the design and implementation of the proposed scheme is provided. The offshore experimental results validate the effectiveness of the proposed method.

acoustic remote control; low power consumption; STM32; secondary trigger function

TN929.3

A

1000-3630(2016)-01-0006-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.002

2015-03-14;

2015-05-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(11274259)

吳燕藝(1990－), 女, 福建人, 碩士研究生, 研究方向為水聲通信。

童峰, E-mail: ftong@xmu.edu.cn