呂杏利　何 寧

基頻可調(diào)編碼控制的激光聲水下目標(biāo)遙感實現(xiàn)

呂杏利何 寧

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

受重復(fù)頻率的制約，綜合傳輸通用性及數(shù)據(jù)傳輸速率，提出利用基頻可調(diào)編碼調(diào)制，實現(xiàn)激光器輸出以光跳頻方式發(fā)射信息，完成對水下目標(biāo)的遙感控制。探討激光致聲的原理，設(shè)計基頻可調(diào)編碼的調(diào)制方法，使用波長1.06μm的大功率激光器搭建通信系統(tǒng)，激光脈沖與水介質(zhì)作用產(chǎn)生光聲效應(yīng)，完成空中平臺與水下目標(biāo)之間的激光聲通信，驗證了水下語音通信及目標(biāo)控制的可行性。

激光聲；基頻編碼；水聲通信；水下遙感

1　引言

目前陸上移動通信技術(shù)日趨完善，但水下利用聲波進(jìn)行數(shù)字語音通信卻剛剛起步。近年來由于軍事和海洋開發(fā)的需求，人們越來越重視水聲語音通信系統(tǒng)的研究和開發(fā)。軍用方面，建立水聲數(shù)字語音通信系統(tǒng)可以用于解決潛艇之間、艦艇與潛艇之間、艦艇與蛙人以及蛙人與蛙人之間的信息和命令的傳達(dá)問題；民用方面，可以廣泛應(yīng)用于無纜水下機(jī)器人、工業(yè)用海岸遙測和水下人工智能等領(lǐng)域［1-2］。

綜合分析常用的激光聲實現(xiàn)空中到水下的數(shù)字通信方式，如二進(jìn)制振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、脈沖相位調(diào)制（PPM）等［3-5］的特點，本系統(tǒng)提出基頻可調(diào)的ASK編碼控制激光脈沖，系統(tǒng)實現(xiàn)了基于可變基頻編碼控制的激光聲水下通信并實現(xiàn)了水下目標(biāo)遙感，其具有保密性好、穩(wěn)定性和可靠性高的優(yōu)點，為實現(xiàn)激光聲水下目標(biāo)遙感提供了新的通信方式。

本系統(tǒng)通過控制水下LED燈的點亮與熄滅，驗證了該系統(tǒng)具備激光聲水下目標(biāo)遙感功能的開發(fā)可行性，為豐富激光聲水下通信的應(yīng)用研究打下了基礎(chǔ)。

2　激光致聲原理

高功率激光脈沖聚焦于液體中，與液體介質(zhì)相互作用會產(chǎn)生聲波，形成的聲源叫做激光聲。激光致聲的機(jī)理有多種，主要包含三種：汽化、熱膨脹、光擊穿［6-7］，這三種激光致聲機(jī)制與激光脈沖的能量以及激光與液體介質(zhì)相互作用區(qū)域的能量密度有關(guān)。三種致聲機(jī)理的光聲轉(zhuǎn)換效率不同，汽化機(jī)制的效率可達(dá)1%，光擊穿的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)10%～30%，而熱膨脹機(jī)制的效率則低于0.01%。光擊穿機(jī)制能產(chǎn)生較高的聲源級，但現(xiàn)有聚焦設(shè)備難以實現(xiàn)將機(jī)載激光器發(fā)射的脈沖聚焦于海面以下；且聲脈沖重復(fù)性低不利于編碼傳輸。

當(dāng)激光脈沖輻射的能量密度較小時，激光聲信號的激發(fā)機(jī)理是熱膨脹。液體介質(zhì)中經(jīng)光輻射作用的物質(zhì)受熱膨脹而產(chǎn)生聲波。對于理想情況下均勻流體（以水為例），熱膨脹機(jī)制下，激光激發(fā)聲波的非齊次波動方程可表示為［8］：

式中，p為聲壓，c為水下聲速，β為體膨脹系數(shù)，Cp為水的比熱，H（x，y，z，t）為單位時間單位體積液體吸收并轉(zhuǎn)化成的熱量密度，與激光和作用液體煤質(zhì)的特性密切相關(guān)。

熱膨脹機(jī)制下，假設(shè)激光脈沖加熱區(qū)域是一個小球體，則得到聲壓脈沖的表達(dá)式為：

其中，Ea為吸收的激光總能量；γ0為激光加熱區(qū)的半徑；該式表示的激光聲脈沖波形是一個雙極性脈沖，在正脈沖后面緊跟著一個負(fù)脈沖，正負(fù)脈沖幅度均為：

激光聲在熱膨脹（線性階段）機(jī)制下的轉(zhuǎn)化效率可表示為：

式中，c表示液體中的聲速，d為液體密度，A為激光在液體中的透射系數(shù)。M為激光光束強度的調(diào)制指數(shù)。I0為入射激光的強度。增大激光強度可以提高激光聲轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)光強增大到一定程度后，激光聲的產(chǎn)生機(jī)制變?yōu)榉蔷€性過程的汽化或者光擊穿機(jī)制，則該熱膨脹的轉(zhuǎn)化效率公式不再適合。

3　基頻可調(diào)ASK編碼控制原理

無線激光通信采用幅度鍵控（ASK）調(diào)制方式，激光器受脈沖控制，則ASK調(diào)制后的信號可以表示為：

其中，

s（t）二進(jìn)制的基帶信號，是隨機(jī)單極性脈沖；an為的第n個碼元所對應(yīng)的電平值（0，+1），且是一個隨機(jī)量，即以概率P出現(xiàn)時為“1”，以概率1-P出現(xiàn)時為“0”；Is為碼元持續(xù)時間；g（t）為某種脈沖波形［9］。P（t）表示激光脈沖信號的功率；當(dāng)基帶信號s（t）發(fā)生變化時，P（t）受控于基帶信號s（t）的變化而得到已調(diào)制的信號。若基帶信號頻率固定不變，則激光器的輸出脈沖的頻率固定不變。

受單基頻控制的ASK激光調(diào)制信號可表示為：

如果基帶信號的頻率是可調(diào)的，則激光器的脈沖重復(fù)頻率是可變的。這種方式稱為基頻可調(diào)的ASK調(diào)制方式［10］。

激光器的發(fā)光速率受控于外部驅(qū)動脈沖頻率，若調(diào)制信號單基頻確定，則經(jīng)過ASK調(diào)制后的激光脈沖的頻率是固定不變的；若驅(qū)動激光器的可調(diào)信號脈沖以一定的頻率變化，則激光脈沖的重復(fù)頻率也跟隨以一定頻率重復(fù)發(fā)射脈沖。

4　ASK編碼的幀結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用基頻可調(diào)ASK編碼方式，不同于跳頻的載波頻率的跳變，而是碼元寬度受到控制，兩碼元間距的跳變，對應(yīng)的是幀與幀之間重復(fù)頻率的跳變，從而實現(xiàn)激光脈沖以光跳頻的方式發(fā)射信息。

基頻可調(diào)的ASK幀結(jié)構(gòu)如下圖所示：

本系統(tǒng)采用基頻可調(diào)ASK編碼方式，不同于跳頻的載波頻率的跳變，而是碼元寬度受到控制，兩碼元間距的跳變，對應(yīng)的是幀與幀之間重復(fù)頻率的跳變，從而實現(xiàn)激光脈沖以光跳頻的方式發(fā)射信息。

基頻可調(diào)的ASK幀結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　ASK幀結(jié)構(gòu)

考慮到傳輸?shù)耐ㄓ眯院蛿?shù)據(jù)傳輸速率，采用了簡單的幀格式。根據(jù)通信雙方的要求，設(shè)置起始位為1bit高電平；有信息輸出時，輸出為對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀；無信號輸出時，輸出顯示為低電平，其間隔定義為該幀數(shù)據(jù)所用基頻；數(shù)據(jù)位為8bit，其高低電平由傳輸?shù)?位信息決定，同時碼元間隔保持與起始位定義的基頻一致；最后以1bit高電平為幀結(jié)束標(biāo)志。

5　水下目標(biāo)控制系統(tǒng)的設(shè)計

激光聲水下目標(biāo)遙感的實現(xiàn)，是通過將編碼控制的激光脈沖經(jīng)過光學(xué)聚焦系統(tǒng)打在水中，產(chǎn)生激光聲信號，聲信號攜帶編碼信息在水信道中傳輸，水下控制目標(biāo)接到編碼激光聲信號后，進(jìn)行解碼并執(zhí)行控制命令。 激光致聲水下目標(biāo)遙感通信系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示。

圖2　激光聲數(shù)字通信系統(tǒng)基本組成框圖

5.1激光致聲水下目標(biāo)遙感系統(tǒng)電路設(shè)計

水聲數(shù)字通信是數(shù)字通信在水聲信道的一個特殊應(yīng)用?？紤]到水下目標(biāo)要求接受及控制電路的損耗要足夠小，本方案中收發(fā)兩端采用的主控MCU是宏晶科技生產(chǎn)的STC89C51RC作為微控制器（MCU）。實驗所用的調(diào)Q Nd YAG激光器輸出脈沖波長為1.06μm，脈沖寬度10ns，光束半徑6mm，輸出激光單脈沖能量50-300mJ可調(diào)；水聽器的工作頻率在0.2～200kHz之間，接收靈敏度大于等于（-188.5±2.5）dB，指向性為全向的，在不接放大器的情況下，其響應(yīng)頻段為0～200KHz。

系統(tǒng)發(fā)射端帶有編碼的信號經(jīng)激光器后轉(zhuǎn)化為帶編碼的光信號，經(jīng)光聲效應(yīng)后轉(zhuǎn)化為帶編碼的聲信號，聲脈沖信號經(jīng)過放大整形變?yōu)榻邮斩说腡TL電平信號，然后送入接收端的MCU進(jìn)行解碼及數(shù)據(jù)識別，將其中的信息轉(zhuǎn)為能處理的數(shù)字信號。

在發(fā)射端，將24位撥碼數(shù)據(jù)的TTL電平作為外部觸發(fā)經(jīng)過調(diào)制來驅(qū)動激光器產(chǎn)生激光脈沖。已調(diào)激光經(jīng)光聲互作用轉(zhuǎn)換為水下聲信號。在接收端，通過水聽器對聲脈沖進(jìn)行接收采集，并轉(zhuǎn)換成電信號。由于水聽器接收到的信號非常微弱，需要設(shè)計水聽器的前置放大電路。由于水環(huán)境中噪聲的干擾，水聽器輸出的信號中噪聲比較大，往往會大于放大器的內(nèi)部噪聲。要降低經(jīng)放大器輸出信號中噪聲信號，需綜合考慮放大電路的電路設(shè)計并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。系統(tǒng)設(shè)計的水聽器前置放大電路如圖3所示，水聽器前置放大電路主器件為TI公司生產(chǎn)的OPA2134，電路設(shè)計中，為了發(fā)揮它的高阻抗特性，選用了正向放大方式。為了得到更加平滑的波形，電路又設(shè)計了兩級主放大電路，如圖4所示，主放大器輸出的信號送到濾波整形電路。

圖3　水聽器前置放大電路

圖4　主放大電路

5.2標(biāo)ASK基頻可調(diào)的編解碼軟件設(shè)計

系統(tǒng)發(fā)射端的編碼方式采用單極性歸零碼，用脈沖保持的寬度來表示“0”和“1”，接收端解碼與發(fā)射端的編碼要求對應(yīng)，雙方規(guī)定“0”電平保持寬度比“1”電平保持寬度要寬。這種碼型的特征是：一個碼字內(nèi)不僅存在電平的變化，也存在電平寬度的變化。發(fā)射端發(fā)出的編碼信號由起始碼、結(jié)束碼以及8位數(shù)據(jù)碼組成，每個8位數(shù)據(jù)加載的頻率都不一樣，分別為14Hz，16Hz，20Hz。由于每個頻率段“0”和“1”的脈沖寬度不一樣，碼元的寬度是通過設(shè)置延時實現(xiàn)的。

在解碼程序中，通過外部中斷觸發(fā)，開始對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。對數(shù)據(jù)采樣的同時持續(xù)監(jiān)測信號中非采樣位置是否出現(xiàn)高電平，非采樣位置若有高電平出現(xiàn)則說明幀頭判斷出錯，本次數(shù)據(jù)無效。同時在幀尾處進(jìn)行幀尾檢測，若檢測不到幀尾，說明數(shù)據(jù)幀格式不完整，數(shù)據(jù)無效。若檢測到有效的數(shù)據(jù)幀則進(jìn)行拆幀工作，恢復(fù)出8位數(shù)據(jù)。

調(diào)制的軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5　ASK調(diào)制軟件流程圖

圖6　ASK基頻可調(diào)解碼軟件流程圖

6　實驗結(jié)果及分析

硬件試驗中，數(shù)字調(diào)制電路將24位撥碼數(shù)據(jù)拆分為三個字節(jié)，并按一定規(guī)則將三字節(jié)編成不同的三幀數(shù)字信號以設(shè)定基頻順序輸出控制激光器發(fā)射。數(shù)字基帶的測試中設(shè)定24位撥碼，每個二進(jìn)制8位碼均為01010101，即：01010101 01010101 01010101，同時設(shè)定三基頻分別為14Hz、16Hz、20Hz，用示波器測試ASK基頻可調(diào)的激光聲信號如圖7所示。

圖7　三基頻數(shù)字基帶波形

第一幀為基頻14Hz信號，第二幀為基頻16Hz信號，第三幀為基頻20Hz信號，最后一幀為下一組數(shù)據(jù)的第一幀基頻14Hz信號。波形圖中可清晰的看到基頻為14Hz的信號，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀為1 01010101 1。對比前面設(shè)置的幀格式，前一個碼元1為幀起始位，作用是標(biāo)定本幀數(shù)據(jù)所使用的基頻；緊跟其后的是01010101八位數(shù)據(jù)，為24位數(shù)據(jù)拆分得到的單字節(jié)；最后一個1為結(jié)束符，表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

圖8　光電轉(zhuǎn)換后的波形與整形后的波形

圖9　局部放大后的波形

從圖8可以看出，上半部分波形為光經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)換為電信號的波形，下面的波形為整形后的波形。從圖中可以看到光電轉(zhuǎn)換后的波形夾有噪聲雜波。經(jīng)過放大整形處理后，形成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波。下半部分是經(jīng)數(shù)字整形電路后的數(shù)字波形，傳輸字節(jié)分別為0X55、0X55、0X55。從局部放大波形圖9中可知，放大后的波形穩(wěn)定，同時數(shù)字波形與放大后的模擬波形相位差小，能較好的還原發(fā)射調(diào)制端發(fā)出的數(shù)字信號。

解碼軟件設(shè)計中，當(dāng)單片機(jī)連續(xù)檢測到三組編碼后，運用邏輯運算功能，對三組碼進(jìn)行比較，其中兩次一致，才認(rèn)為是有用的信息，單片機(jī)再根據(jù)碼的信息進(jìn)行相應(yīng)的控制，本試驗中，通過收到發(fā)端發(fā)送來的十進(jìn)制碼“85”，即十六進(jìn)制0x55，實現(xiàn)單片機(jī)控制LED燈點亮，收到別的碼元，LED燈熄滅。本試驗中，受激光器重頻的制約， 通信速率較低， 隨著高功率及高重頻激光器技術(shù)的成熟， 激光聲通信的速率可得到逐步提高。

7　結(jié)束語

本文發(fā)射端MCU（STC89C5151單片機(jī)）通過并-串轉(zhuǎn)換接口讀入24位撥碼開關(guān)的設(shè)定狀態(tài)，將數(shù)據(jù)分為三組，同時按照系統(tǒng)設(shè)置的跳頻點將三組數(shù)據(jù)分配到以3個不同基頻點組成的3個基頻不同的ASK數(shù)據(jù)幀，觸發(fā)激光脈沖，進(jìn)過光-聲-電的轉(zhuǎn)化，將激光聲信號傳輸?shù)男畔⒒謴?fù)出來并根據(jù)解碼出的指令去控制相對應(yīng)的LED燈的點亮與熄滅。實驗結(jié)果表明，基于ASK編碼控制的激光聲水下目標(biāo)遙感的實現(xiàn)，為空中平臺到水下通信提供了新的解決方案，其重要性毋庸置疑。隨著大功率激光器的高功率及高重頻技術(shù)的實現(xiàn)，激光聲通信的速率可將進(jìn)一步得到提高，激光聲水下目標(biāo)遙感技術(shù)將更加成熟。

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Implementation of laser acoustic underwater target remote sensing in the method fundamental frequency tunable control

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Laser acoustic； fundamental frequency code； underwater acoustic communication； targer remote sensing

Q813.11

A

1008-1151（2016）02-0032-04

2016-01-12

呂杏利（1985－），女，河南鄭州人，桂林電子科技大學(xué)碩士研究生，從事光傳輸及測量；何寧（1958－），男，廣西桂林人，桂林電子科技大學(xué)研究員，從事光通信及光檢測方向研究。