毛恒熙,雷開卓,史文濤,李 棣,辛天祺

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072)

基于水下等離子體的脈沖通信發(fā)射機(jī)

毛恒熙,雷開卓,史文濤,李 棣,辛天祺

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072)

水下聲通信是海洋中最主要的通信方式，在時變空變隨機(jī)多途的惡劣信道中實現(xiàn)可靠的超遠(yuǎn)程水聲通信，是一項亟待解決的難題;論文提出了一種利用水下等離子體脈沖信號、采用脈沖定寬時序編碼調(diào)制方案的超遠(yuǎn)程水聲通信體制，研制了一種基于水下等離子體的微型脈沖聲源，搭建了基于該聲源的脈沖通信發(fā)射機(jī)，實現(xiàn)了入水自動檢測、休眠定時切換、發(fā)射頻率可調(diào)、碼元調(diào)制編碼等脈沖通信功能;經(jīng)水池試驗驗證，該發(fā)射機(jī)在Φ60×600 mm體積內(nèi)聲源級達(dá)217 dB，較好地實現(xiàn)預(yù)設(shè)脈沖信號的發(fā)射。

水下等離子體聲源；聲脈沖；發(fā)射機(jī)；水聲通信；脈沖定寬時序編碼調(diào)制

0 引言

水下等離子體聲源，是一種高功率、超寬帶、能產(chǎn)生比傳統(tǒng)換能器更高的聲源級的新型聲源[1]，具有裝置體積小、頻響范圍寬、聲源級高、電聲轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)射方式可調(diào)和可編程控制等顯著特點。水下等離子體聲源發(fā)射水中脈沖，其產(chǎn)生的聲脈沖的聲輻射頻譜在幾十赫茲到幾萬赫茲之間，覆蓋了所有水聲設(shè)備的工作頻率，且在低頻段具有很強(qiáng)的聲功率；此外其聲源級高，傳播距離遠(yuǎn)，因而是一種理想的水下脈沖聲源[2]。

脈沖通信是目前信息領(lǐng)域研究的一個前沿?zé)狳c問題。脈沖通信信息的調(diào)制通常采用脈沖寬度調(diào)制 (PWM, pulse width modulation)、脈沖幅度調(diào)制(PAM, pulse amplitude modulation)和脈沖位置調(diào)制(PPM, pulse position modulation)方式。

針對等離體聲源的特點，本文利用不同電壓控制脈沖的重復(fù)頻率，提出了脈沖定寬時序編碼調(diào)制方法。所設(shè)計的微型等離子體聲源充分考慮水下通信的實際需要，實現(xiàn)了發(fā)射裝置小型化、入水自動工作、發(fā)射頻率和工作周期可調(diào)、發(fā)射聲源級高且穩(wěn)定等功能。論文介紹了所設(shè)計等離子體聲源各個部件的參數(shù)配置和基本原理，進(jìn)一步采用脈沖定寬時序編碼調(diào)制方法，通過水聽器接收，從而實現(xiàn)預(yù)設(shè)脈沖編碼發(fā)射。經(jīng)實際測驗表明，具有聲源級高、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點[3]。

1 水下等離子體脈沖聲源結(jié)構(gòu)及原理

水下等離子體脈沖聲源主要由充電系統(tǒng)、儲能電容、觸發(fā)電路、觸發(fā)開關(guān)、主控系統(tǒng)和放電電極組成[4]，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。充電系統(tǒng)為儲能電容充電，當(dāng)儲能電容電壓達(dá)到預(yù)定值時，觸發(fā)電路發(fā)出一個高壓脈沖，導(dǎo)通觸發(fā)開關(guān)，從而使放電回路接通，這樣儲能電容器儲存的能量全部加在放電電極上，使放電電極間發(fā)生激烈的高壓放電，形成水下等離子體，并在放電過程中產(chǎn)生激波和氣泡波兩類聲波——利用它們可產(chǎn)生強(qiáng)聲脈沖信號[5]?？刂朴|發(fā)電路的高壓點火脈沖，可通過觸發(fā)開關(guān)控制強(qiáng)聲脈沖信號產(chǎn)生時機(jī)，即可對脈沖位置進(jìn)行編碼；也可控制充電系統(tǒng)的充電速度，讓觸發(fā)開關(guān)自觸發(fā)從而實現(xiàn)對脈沖頻率進(jìn)行編碼。

圖1 水下等離子體脈沖聲源結(jié)構(gòu)原理圖

本文研制的微型水下等離子體脈沖聲源由供電模塊、高壓生成模塊、儲能電容、觸發(fā)模塊、控制模塊和放電電極構(gòu)成。下面分模塊敘述其結(jié)構(gòu)和原理。

1.1 供電模塊

一般電池儲能有限，僅能夠維持十幾次放電，并且隨著電池放電內(nèi)阻增加，帶負(fù)載能力下降，導(dǎo)致充電時間變長。所以我們經(jīng)過查閱相關(guān)資料及詳細(xì)調(diào)研，通過研究分析設(shè)計數(shù)種電池串并聯(lián)方案，最終選定方案2串4并電池組合，實現(xiàn)了微型脈沖聲源供電要求6～7.5 V。

1.2 高壓生成模塊

高壓發(fā)生器的作用在于把供電低壓變換成直流高壓輸出，并在短時間內(nèi)對高壓脈沖電容進(jìn)行充電，達(dá)到設(shè)定的充電電壓?；疽笫禽斎腚娏鞔?、輸出直流電壓高、能長時間穩(wěn)定工作、絕緣強(qiáng)度高、充電時間盡量小，所以要求高壓發(fā)生器的功率較大(達(dá)30 W左右)。此外，根據(jù)對整個系統(tǒng)體積的要求，高壓充電部分所占的體積也應(yīng)越小越好。經(jīng)過市場調(diào)研，選擇了JL-6X型高壓發(fā)生器，體積小，重量輕。

1.3 儲能電容

儲能電容起著儲存、釋放能量的作用。對于儲能系統(tǒng)，要求電容大容量、高耐壓、低損耗、低感抗。同時本脈沖聲源對電容高壓儲能，工作時高壓放電，要求脈沖電容器能夠承受10 kV以上高壓，故選用高壓脈沖電容作為儲能單元。經(jīng)調(diào)研，在保證性能的情況下，我們得到了體積較小、適裝性較好、重量輕的高壓脈沖電容，通過多只并聯(lián)方式提高能量，減小寄生電感。

1.4 控制模塊

1)休眠定時切換系統(tǒng)。脈沖聲源的連續(xù)長時間工作會導(dǎo)致放電電極的損壞，休眠定時切換系統(tǒng)的作用即在于可使聲源在工作一段時間后自動休息，從而避免了人工反復(fù)的拆卸。微型高功率脈沖聲源脈沖發(fā)射周期控制系統(tǒng)由“555定時器”構(gòu)成，具體由NE555芯片及片外定值電容、定值電阻及可變電阻組成,構(gòu)成多諧振蕩器，組成信號發(fā)生電路。通過改變可變電阻阻值的大小，控制輸出方波的占空比，進(jìn)而設(shè)定不同的放電周期。

放電周期計算公式為:

(1)

2)發(fā)射頻率控制系統(tǒng)。儲能電容充電時間的控制是由改變儲能電容的充電電流實現(xiàn)的，即在供電模塊與高壓發(fā)生器之間增加了DC-DC電壓變換電路，實現(xiàn)了供電電壓6～9 V與輸出電壓3～7 V間的變換。改變高壓生成模塊供電電壓就改變了輸出充電電流，從而改變電容充電時間，實現(xiàn)了對發(fā)射頻率的調(diào)控。此模塊在實際應(yīng)用中將用于脈沖的編碼調(diào)制。

3)入水自動工作系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，需要聲源入水自動工作，故設(shè)計了入水檢測模塊。此模塊是通過比較器判決入水工作和離水的電壓來實現(xiàn)的。離水時電路為開路狀態(tài)，此時電壓值較低，比較器輸出低電平，系統(tǒng)不工作；入水時由于水溶液的導(dǎo)電性電路導(dǎo)通，此時電壓值為高，比較器輸出高電平，系統(tǒng)開始工作。

1.5 觸發(fā)模塊

觸發(fā)開關(guān)的作用是在導(dǎo)通之前把充電回路和放電回路分離開來，保證充電過程和能量存儲順利完成并在兩端的電壓達(dá)到一定大小時迅速擊穿導(dǎo)通，使儲能電容上儲存的能量在極短的時間內(nèi)(μS量級)釋放到放電電極兩端，完成水下放電過程。目前在水下脈沖聲源裝置中，最常用的觸發(fā)開關(guān)類型是半導(dǎo)體開關(guān)和和場畸變火花間隙開關(guān)。由于本模塊為自觸發(fā)方式，故采用CF-1A型觸發(fā)器。

1.6 放電電極

放電電極作用在于在觸發(fā)開關(guān)提供的瞬間高壓下將電極間的水溶液擊穿，形成等離子體通道，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的聲脈沖。目前在等離子體脈沖聲源裝置中，常用的電極類型有電弧放電電極和電暈放電電極兩種。由于本裝置設(shè)計聲源級目標(biāo)在210 dB以上，故選擇能產(chǎn)生強(qiáng)烈聲脈沖效果的“尖-尖”型電弧放電電極，以同時具備銅的高導(dǎo)電率、低損耗率和鎢的高熔點等優(yōu)點的銅鎢合金為電極材料。

本小節(jié)介紹了所研制的微型聲源的結(jié)構(gòu)和工作原理，由于其獨到的控制模塊，不僅實現(xiàn)了發(fā)射頻率控制和自動工作，而且使得基于等離體聲源的通信應(yīng)用成為可能。

2 基于等離子體聲源的脈沖通信發(fā)射機(jī)

2.1 脈沖通信發(fā)射機(jī)總體思路

在實際應(yīng)用中可將該聲源應(yīng)用為脈沖通信發(fā)射機(jī)，構(gòu)成脈沖通信系統(tǒng)如圖2所示，包括發(fā)射端和接收端兩部分。在發(fā)射端，DSP對預(yù)發(fā)送的信息加密處理后進(jìn)行信道編碼，信道編碼包括糾錯編碼和交織，以便進(jìn)行差錯分析，提高系統(tǒng)的可靠性。之后對編碼信號進(jìn)行程控數(shù)字調(diào)制，經(jīng)過相應(yīng)電路驅(qū)動等離子體脈沖聲源產(chǎn)生調(diào)制后的強(qiáng)聲脈沖串，并借助定向發(fā)射進(jìn)入水聲信道。經(jīng)過水聲信道后，接收端接收信號并解碼得到發(fā)射信息。

圖2 通信系統(tǒng)整體原理框圖

2.2 跳時脈位調(diào)制TH-PPM發(fā)射信號模型

脈幅調(diào)制(PAM)和脈位調(diào)制(PPM)是脈沖調(diào)制的兩種常用方法。PAM是通過改變脈沖幅度的大小來傳遞信息的調(diào)制技術(shù)，但窄帶脈沖在遠(yuǎn)距離傳播時峰值衰減嚴(yán)重[6]，因此該調(diào)制方法不適用于水下遠(yuǎn)程通信。

經(jīng)典的脈沖位置調(diào)制方式，是指將信息調(diào)制到碼元出現(xiàn)在時間窗的位置信息中。結(jié)合PPM的方式，如圖3所示，用預(yù)先編碼的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行時移鍵控，稱為跳時脈位調(diào)制(TH-PPM,time-hopping position modulation)。對于抑制多個頻帶干擾的能力[7]，TH-PPM要明顯優(yōu)于常用的直接序列擴(kuò)頻調(diào)制(DS-SS,direct-sequence spread-spectrum)和調(diào)頻調(diào)制(FH-SS,frequency hopping spread-spectrum)。

一般的2-PPM結(jié)合預(yù)先編碼的單用戶TH-PPM信號可表示為：

(2)

式中,Ep是單個脈沖的能量；Tf是脈沖的平均重復(fù)時間；cj是編碼中的第j個碼；Tc是編碼的單位時移；cjTc是編碼對第j個脈沖的附加時移；δ是2-PPM的調(diào)制指數(shù)；d(j/Ns)∈{0,1}是待發(fā)送的二進(jìn)制信息數(shù)據(jù)，取j/Ns的整數(shù)部分；W(t)是發(fā)射的窄脈沖波形。

但PPM 調(diào)制在加性高斯白噪聲的環(huán)境下，誤碼率相對較高，而且脈沖信號將出現(xiàn)線譜[8]。線譜不僅使超寬帶脈沖系統(tǒng)的信號難于滿足一定的頻譜要求，而且會降低功率的利用率。

圖3 可進(jìn)行時移鍵控的TH-PPM

2.3 脈沖定寬時序編碼調(diào)制發(fā)射信號模型

結(jié)合本系統(tǒng)的實際情況，考慮到調(diào)制的可實現(xiàn)性，提出了一種時域定寬的脈沖編碼調(diào)制方式。

(3)

式中,碼元個數(shù)為k；mj∈{0,1}是偽隨機(jī)序列，周期為q；Ti表示對應(yīng)碼元的重復(fù)周期；Tj表示偽隨機(jī)序列的周期。

圖4 脈沖定寬時序編碼調(diào)制原理圖

如圖4所示，通過電壓變換系統(tǒng)，發(fā)射一定時寬的特定頻率脈沖記作一個碼元，將編碼信息和偽隨機(jī)碼通過可編程的電壓變換系統(tǒng)發(fā)射，實現(xiàn)脈沖定寬時序編碼調(diào)制。這樣雖然犧牲了部分傳輸速 率，但其誤碼率也將會大大降低。

偽隨機(jī)序列的作用在于實現(xiàn)通信加密，如圖5所示，將這種二進(jìn)制數(shù)字信息和一個周期很長的偽隨機(jī)序列模2相加，這樣得出的加密序列在信道中傳輸，他人竊聽后也不可理解其內(nèi)容，只有在接收端加上同樣的偽隨機(jī)序列，才能恢復(fù)原發(fā)送消息。

圖5 偽隨機(jī)序列加密原理框圖

從公式(3)可以看出，相較于TH-PPM調(diào)制，脈沖定寬時序編碼調(diào)制的方式由于其脈沖間隔在單位發(fā)射周期內(nèi)不變，所以更適合本系統(tǒng)。

3 脈沖定寬時序的發(fā)射實驗

3.1 實驗系統(tǒng)搭建

實驗水池環(huán)境：長3 m寬1 m深1 m，鹽度：28 mS。

脈沖發(fā)射裝置即為研制的水下等離子體微型聲源。聲脈沖測量系統(tǒng)由靈敏度為-206 dB的BK8104水聽器和HIKIO8860數(shù)據(jù)采集儀所組成。水聽器將測量到的聲脈沖的壓力信號變換成電荷信號。經(jīng)內(nèi)置的放大器放大變換為電信號后送入數(shù)據(jù)記錄儀采集、存儲、顯示。

3.2 單一頻率脈沖的發(fā)射性能實驗

分別以30 s工作周期，4 V、5 V、6 V、7 V電壓供電，連續(xù)發(fā)射5 組脈沖；同步接收。采樣頻率：500 kHz,，通道數(shù)：1，數(shù)據(jù)長度：40秒(截取5 s～35 s部分)。

聲源級SL可由公式(4)換算得(假設(shè)發(fā)射器無指向性)：

SL=206+20·lgs+20lgVo(dB)

(4)

式中,SL為聲源級，單位為dB；s為水聽器距聲源的距離，單位為m;Vo為水聽器檢測到的電壓。

經(jīng)實驗測得的脈沖頻率和聲源級如表1所示。

表1 發(fā)射脈沖頻率和聲源級

3.3 單一頻率脈沖串的編碼發(fā)射

為了簡化對脈沖定寬時序調(diào)制的分析，作如下假設(shè): (1)調(diào)制不采用偽隨機(jī)序列。在脈沖定寬時序調(diào)制中，偽隨機(jī)碼的主要作用是利用其具有隨機(jī)噪聲的特性，實現(xiàn)了一定程度的通信加密，故在驗證發(fā)射性能時，可不采用偽隨機(jī)碼；(2)碼元的個數(shù)為2。調(diào)節(jié)DC-DC變換器，使輸出電壓為6 V，連續(xù)發(fā)射脈沖40秒，記錄脈沖串時域波形如圖6所示；調(diào)節(jié)DC-DC變換器輸出為7 V，連續(xù)發(fā)射脈沖40秒，記錄脈沖串時域波形如圖7所示。

圖6 40 s內(nèi)6 V脈沖串時域波形

圖7 40 s內(nèi)7 V脈沖串時域波形

從圖6和圖7可以看出，5～35 s的時間間隔內(nèi)，6 V供電產(chǎn)生了10個脈沖，7 V供電產(chǎn)生了14個脈沖，區(qū)分度明顯，且聲源級穩(wěn)定[9]、單個脈沖的聲源級上偏差較低(<1%)，波特率高，適合編碼。故本文將6 V編碼為0碼元，7 V編為1碼元。

3.4 任意編碼通訊發(fā)射實驗

以30 s工作周期發(fā)射碼元0101，重復(fù)發(fā)射5 組編碼；同步接收，數(shù)據(jù)采集儀所記錄時域波形如圖8所示。由圖8可知，發(fā)射0101的脈沖串波形較為平穩(wěn)，實際接收該發(fā)射信號時只需在約定的時間內(nèi)檢測脈沖的數(shù)目即可。這種脈沖脈沖定寬時序編碼調(diào)制方式有著誤碼率低、穩(wěn)定的優(yōu)點[10]。

圖8 0101脈沖串時域波形

若實際有需要，可以進(jìn)一步拓展發(fā)射電壓，從而增加碼元的個數(shù)來提高傳輸速率。同時也可輔以信道編碼、添加偽隨機(jī)序列等方法適應(yīng)實際的編碼需要。

4 結(jié)論

本文使用的等離子體脈沖聲源，在Φ60×600 mm體積內(nèi)發(fā)射聲源級達(dá)217 dB，而且實現(xiàn)了入水自動工作、發(fā)射頻率可調(diào)及休眠定時切換等功能，操作方便，較同類聲源有著質(zhì)量輕、體積小、聲源級高的優(yōu)點，在行業(yè)界處于領(lǐng)先地位。

發(fā)射信號為脈沖信號，具有瞬時、高頻帶等特點，很難通過提取載波頻率來分析發(fā)射信號，具有良好的頻域隱蔽性。

整機(jī)編碼通信發(fā)射實驗表明，該聲源能穩(wěn)定、高效地發(fā)射預(yù)設(shè)類型水聲信號。隨著水下等離子體聲源技術(shù)的不斷發(fā)展，該發(fā)射機(jī)將在水下通信、海洋資源開發(fā)及海上軍事防務(wù)發(fā)揮其獨特優(yōu)勢。

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Pulse Communication Transmitter Based on Underwater Plasma

Mao Hengxi,Lei Kaizhuo, Shi Wentao,Li Di,Xin Tianqi

(College of Marine, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Under water acoustic communication is a main form of the communications in oceans, but urgent solutions are needed to overcome one intractable problem of that: how to establish remote underwater acoustic communication and ensure its reliability and stability in such unfavorable underwater acoustic channels that are random temporal, spatially variable and of multipath. This paper proposes to build up a remote underwater communication system with the utilization of underwater plasma pulse signal and fixed width temporal order coding modulation. A micro underwater acoustic pulse source based on underwater plasma is designed and tested, based on which a transmitter for pulse communication is established. Several functions for pulse communication of the device is achieved: automatic start in water, clocked dormancy system, adjustable emission frequency and the encoding and decoding of code elements. With the results of underwater experiments, the transmitter behaves well in the emission of pulse signals that are set previously, and the source level can reach 217 dB with the volume of Φ60×600 mm.

underwater plasma sound source; acoustic pulse; transmitter; underwater acoustic communication; fixed width temporal order coding modulation

2016-03-28；

2016-04-26。

國家自然科學(xué)基金(61501374,61531015);國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目基金(201510699033)。

毛恒熙(1994-)，男，山東菏澤人，主要從事電子信息工程方向的研究。

1671-4598(2016)07-0307-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.083

TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A