付傳寶 匡 彪 嚴(yán) 杰 吳家喜

1 引言

近些年水聲遙控技術(shù)越來越得到各國的重視，各國競相加大了研究投入，并取得了一定的成果。水聲遙控除了在水下機器人、海上石油平臺和水下作業(yè)等民用技術(shù)方面有大量的應(yīng)用外，在軍事上也有很好的表現(xiàn)。美國Hi-shear公司生產(chǎn)了型號為Mark 12 Mod 0的水聲遙控點火系統(tǒng)（AFS）可用于銷毀水下各種可爆炸軍械武器，該系統(tǒng)在水面使用鍵盤操作發(fā)出指令代碼，通過換能器發(fā)射，由貼在被銷毀武器表面的設(shè)備接收后執(zhí)行指令，該系統(tǒng)作用距離3km。國內(nèi)各個研究機構(gòu)在水聲遙控領(lǐng)域也投入了大量的研究精力，如西北工業(yè)大學(xué)、中科院聲學(xué)所和哈爾濱工程大學(xué)等。其中西北工業(yè)大學(xué)對水下武器聲遙控安全起爆、水聲遙控引信等技術(shù)進行了深入的研究，其采用頻率編碼信號傳輸外加FSK的擴頻調(diào)制方式，已經(jīng)在工程上得到應(yīng)用。但國內(nèi)各個研究機構(gòu)尚未研制出在市場上應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的產(chǎn)品，只針對某些特定項目而研制，與國外存在一定距離。

為保障UUV等中低速水下航行體的作業(yè)安全，降低母船對其控制的風(fēng)險，設(shè)計了一種可靠的水聲遙控系統(tǒng)，研制了一套水聲遙控信號傳輸樣機，進行了湖上靜態(tài)與動態(tài)試驗。最終系統(tǒng)達(dá)到以下兩種功能：1）完成航行體作業(yè)過程中緊急上浮、下沉等命令的傳輸；2）完成航行體航行中航行模式的調(diào)整、改變等。

2 水聲遙控系統(tǒng)總體方案

水聲遙控系統(tǒng)主要由遙控指令發(fā)射設(shè)備、遙控指令接收設(shè)備和調(diào)試設(shè)備等組成。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。其中遙控指令發(fā)射設(shè)備主要由顯控臺、信道解調(diào)器、信道譯碼器、功率放大器和發(fā)射換能器組成；遙控指令接收設(shè)備裝載于航行體上，由接收換能器、信號調(diào)理器、信道解調(diào)器、信道解碼器和執(zhí)行指令輸出組件等組成；調(diào)試設(shè)備用于系統(tǒng)的前期試驗驗證與功能調(diào)試，其設(shè)備組成與遙控指令接收設(shè)備幾乎一樣，只是增加了一個顯控臺用于調(diào)試過程中，顯示接收指令內(nèi)容。

遙控指令包括啟動、停車、上浮指定深度、下潛指定深度、設(shè)定航行速度、改變航行方向等指令。遙控信標(biāo)體制分為同步、導(dǎo)頻、地址碼和指令信息碼四部分，如圖2所示。同步脈沖用于判斷信號檢測起始位置，為中心頻率10kHz，帶寬4 kHz的正線性調(diào)頻，脈寬5ms；導(dǎo)頻用于多普勒頻偏補償，為10kHz單頻，脈寬5ms；地址碼用于識別遙控目標(biāo)，為兩個單頻的疊加，脈寬共4ms，可識別4個目標(biāo)；指令信息碼用于識別目標(biāo)的指令類型，為6個單頻的疊加，脈寬共12ms，可調(diào)制64個指令。T1為同步脈沖和導(dǎo)頻脈沖之間的保護間隔，為30ms；T2為導(dǎo)頻和地址碼、地址碼和指令信息碼之間的保護間隔，為50ms。

3 水聲遙控系統(tǒng)硬件設(shè)計

水聲遙控設(shè)備主要由遙控指令接收設(shè)備、遙控指令發(fā)射設(shè)備及便攜式調(diào)試設(shè)備等組成。遙控指令發(fā)射設(shè)備一般固定在工作母船上，負(fù)責(zé)遙控指令的生成、編碼、調(diào)制及放大輸出等；遙控指令接收設(shè)備裝載于水下航行體上，負(fù)責(zé)接收工作母船發(fā)出的遙控指令水聲信號，經(jīng)調(diào)理、解調(diào)解碼后，將遙控指令信息發(fā)送給水下航行體執(zhí)行機構(gòu)；便攜式調(diào)試設(shè)備負(fù)責(zé)遙控指令發(fā)射設(shè)備的功能檢測工作，采用與遙控指令接收設(shè)備類似的硬件結(jié)構(gòu)，完成遙控水聲信號的調(diào)理、解調(diào)解碼等，將遙控指令信息顯示出來。

三個設(shè)備硬件采用模塊化設(shè)計，僅外圍芯片有所差異，主要組件數(shù)字信號處理器均基于DSP+FPGA的架構(gòu)，DSP與DDR之間是直接的并行數(shù)據(jù)通信，其他部分與DSP之間的數(shù)據(jù)通信則是要經(jīng)過FPGA的處理，DSP與FPGA之間也是并行的數(shù)據(jù)接口，即AD、DA、DDS、串口等外設(shè)都是與FPGA之間進行數(shù)據(jù)通信的。其核心處理器選用TI公司的TMS320C6455，TMS320C6455的主頻為1.2GHz，外設(shè)中DDR內(nèi)存128Mbytes，F(xiàn)LASH容量4MBytes，DDR用來臨時存儲運算中用到的數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH用來實現(xiàn)DSP的程序加載。數(shù)字信號處理機的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，DSP主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)，作為數(shù)字信號處理板的主處理器，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)板卡上外圍器件的驅(qū)動，包括AD、DA的控制和數(shù)據(jù)的收發(fā)、緩沖等處理，DDS控制及頻率輸出，模擬串口通信協(xié)議實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)收發(fā)。DSP與FPGA之間除了并行的數(shù)據(jù)總線和地址總線外還有幾個預(yù)留的IO信號線，可作為FPGA與DSP之間的中斷信號線，在實際的應(yīng)用中這幾個預(yù)留的IO信號作為FPGA送給DSP的中斷信號，以通知DSP完成收取AD轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)、向DA原始數(shù)據(jù)發(fā)送、接收或發(fā)送串口數(shù)據(jù)等功能。

4 水聲遙控系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 遙控指令發(fā)射軟件

當(dāng)需要發(fā)送遙控指令時，軟件系統(tǒng)將鍵盤響應(yīng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進制數(shù)據(jù)流，經(jīng)過編碼、調(diào)制等操作后，將調(diào)制數(shù)據(jù)發(fā)送至功率放大器，經(jīng)放大后，通過發(fā)射換能器發(fā)出，如圖4為遙控指令發(fā)射流程框圖。

4.2 遙控指令接收軟件

系統(tǒng)上電初始化之后，則進入監(jiān)聽狀態(tài)，如果檢測到同步信號，便對同步信號之后的地址碼和指令碼數(shù)據(jù)包進行接收、存儲和處理。其流程如圖5所示。

DSP處理器詳細(xì)流程如下：EDMA搬完固定長度的數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生EDMA傳輸完成中斷，啟動作為軟中斷的接收函數(shù)receive（）。在receive（）函數(shù)中首先對接收到的數(shù)據(jù)進行FIR濾波，濾除電源可能帶來的工頻干擾，硬件溫漂帶來的直流分量和帶外干擾。為了使同步檢測的更準(zhǔn)確，在檢測同步信號前，先從頻域上檢測CW信號。當(dāng)檢測到CW后，開始檢測CW信號之前的同步信號，檢測同步信號采用本地LFM與接收到的信號做相關(guān)的方法。如果沒檢測到，則等待EDMA傳輸新采集的數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到同步信號時，取出接收的CW信號，進行測頻運算，求出多普勒因子，并根據(jù)此多普勒因子生成受多普勒影響的新的本地LFM，重新進行精確同步。完成同步后便進入數(shù)據(jù)信號的解調(diào)部分，當(dāng)數(shù)據(jù)信號夠一組時，開始解調(diào)與解碼，將解調(diào)出的比特流恢復(fù)成發(fā)送端的二進制數(shù)據(jù)，判斷其指令含義，由串口發(fā)送執(zhí)行命令到執(zhí)行機構(gòu)。

5 弱信號檢測算法

課題組著重研究了時延估計、頻率估計和解調(diào)解碼等接收端數(shù)字信號檢測處理方法。時延估計利用自適應(yīng)更新樣本相關(guān)的方法，提高時延估計精度，再進行時延值精密內(nèi)插，從而保證時延估計精度；頻率估計采用基于FFT的插值頻率估計算法，插值采用拉格朗日與最小二乘擬合算法，其估計頻率精度小于80Hz；解調(diào)解碼采用根據(jù)時間優(yōu)先、脈寬優(yōu)先、幅度優(yōu)先等原則從有效脈沖信號中區(qū)分定位、定深及遙測信號。

在進行弱信號檢測之前，水聲信號的調(diào)理是關(guān)鍵之一，信號調(diào)理采用硬件與軟件相結(jié)合的實現(xiàn)方法。硬件部分包括前置放大、濾波電路等抗噪聲干擾技術(shù)以提高信噪比，換能器接收信號經(jīng)過高速A/D采樣后，通過高階數(shù)字濾波器后進行幅度調(diào)整；軟件部分采用Hilbert變換與相關(guān)算法實現(xiàn)幅度自動均衡以及小波變換消除噪聲的算法，對水聲遙測中起伏大和強噪聲干擾信號進行抑制，然后進行相應(yīng)的檢測與解調(diào)解碼。

時延估計利用自適應(yīng)更新樣本相關(guān)的方法，提高時延估計精度，再進行時延值精密內(nèi)插，從而保證時延估計精度。

頻率估計采用基于FFT的插值頻率估計算法，圖6為基于FFT的插值頻率估計與不插值的仿真誤差比較圖，插值采用拉格朗日與最小二乘擬合算法，圖中x軸為理論中心頻率值，y軸為（估計頻率值-理論中心頻率值）/理論中心頻率值。從仿真結(jié)果看，基于FFT的插值頻率估計算法頻率估計精度很高，但還需要解決硬件實現(xiàn)上帶來的難題。

解調(diào)解碼時，系統(tǒng)接收處理樣機通過對時間、幅度、寬度、頻率、能量等參數(shù)的鑒別來實現(xiàn)有效脈沖信號的檢測，并根據(jù)時間優(yōu)先、脈寬優(yōu)先、幅度優(yōu)先等原則從有效脈沖信號中區(qū)分定位、定深及遙測信號。結(jié)合撫仙湖水聲信道特點，重點考慮高增益、低信噪比情況下的可靠檢測，綜合信號到達(dá)時間、信號幅度、信號寬度、信號能量等參數(shù)的權(quán)重因素與比例，研究時間優(yōu)先、脈寬優(yōu)先、幅度優(yōu)先和時間—能量聯(lián)合等檢測方法，并對同一段水聲信號進行了多次重復(fù)回放檢測，優(yōu)化檢測程序，從而有效的降低傳輸誤碼率。

6 試驗結(jié)果分析與研究

為驗證此方法的性能，開展了湖上靜態(tài)拉距、動態(tài)跑船等試驗。試驗過程：試驗船A攜帶遙控指令接收設(shè)備在距固定有遙控指令發(fā)射設(shè)備的工作母船B半徑6km范圍不同距離點進行靜態(tài)拉距試驗，在距母船半徑6km范圍內(nèi)以不同航行速度進行動態(tài)跑船試驗。

6.1 試驗水域水文條件

圖7為試驗當(dāng)天試驗水域聲速梯度實測結(jié)果。從圖中可以看出，該季節(jié)試驗水域聲速梯度呈明顯的負(fù)梯度現(xiàn)象，換能器吊放在不同水深處時的信道多徑情況以及接收信噪比均會有較大差別。試驗船A與母船B的距離為2000m時，對信道情況進行了測試，多途為15ms如圖8所示。

6.2 試驗結(jié)果與分析

圖9為試驗中經(jīng)水聲信道接收的信號波形，經(jīng)過水聲傳輸，其多途反射明顯，而且由于發(fā)射目標(biāo)的運動，帶來了信號的起伏。

圖10為發(fā)射、接收信號頻譜特性對比，由于多普勒影響，其頻率最高點有相應(yīng)的偏移，采用多普勒修正算法加以補償可得到準(zhǔn)確的頻譜特性。由于諧波、多途反射等影響，接收端信號頻譜能量不均勻，可采用相關(guān)的頻率估計算法進行精確估計。

對跑船試驗數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計10000次頻率估計結(jié)果，信噪比為3dB時其調(diào)制頻譜與解調(diào)結(jié)果對比，頻率檢測偏差在±50Hz以內(nèi)，但隨著作用距離的加大，信噪比會隨之降低，頻率估計會出現(xiàn)誤差，采用卷積糾錯算法控制，可以有效的降低誤碼率。課題組統(tǒng)計了遙控湖試試驗誤碼率結(jié)果如表1所示。從表1可以看出水聲遙控系統(tǒng)設(shè)備誤碼率達(dá)到了10-4數(shù)量級，達(dá)到了項目的指標(biāo)要求。

表1 湖試試驗誤碼率結(jié)果比較

7 結(jié)語

通過對水中多途反射聲信號判別、遠(yuǎn)距離弱信號檢測及解調(diào)解碼等技術(shù)的研究，結(jié)合FSK調(diào)制方式，設(shè)計了一種遠(yuǎn)程遙控方法，實現(xiàn)了對UUV等中低速水下航行體實航時的水聲遙控功能。經(jīng)過模擬試驗數(shù)據(jù)分析，本系統(tǒng)各項指標(biāo)達(dá)到項目技術(shù)要求。

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