張慶國，李興武，沈 雁，連 莉

（昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，云南 昆明 650051）

隨著世界各國對海洋資源的大力開發(fā)[1-2]，以及海防軍事需求的不斷提升[3]，直接推動了多種不同用途水下航行體或水下設(shè)備的研制，從而加快了水下航行體相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。如傳統(tǒng)的UUV（Unmanned Underwater Vehicle）、AUV（Autonomous Underwater Vehicle）、ROV（Remote Operated Vehicle），以及不斷擴(kuò)展的水下無人系統(tǒng)、水下滑翔機(jī)等，甚至可利用上述各種水下設(shè)備組建更高復(fù)雜度的水下無人作戰(zhàn)體系[4]。

無論是在水下航行體（或稱“水下平臺”）的研制過程中，還是實際水下作業(yè)時，均需對平臺的當(dāng)前位置信息、航行狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，同時亦需具備一定的遠(yuǎn)程應(yīng)急遙控手段，為水下平臺的試驗測試、實航作業(yè)等提供相應(yīng)的測量與控制手段，確保其試驗有效性和作業(yè)安全性。在工程上，通常采用適裝聲源的方式配合水聲定位系統(tǒng)完成水下平臺的實時定位跟蹤，利用應(yīng)答器等專用設(shè)備安裝在水下平臺上實現(xiàn)水聲遙測與遙控等功能。但上述常規(guī)聲源或應(yīng)答器雖能滿足水下平臺的基本測控需求，但也存在功能單一、適裝性差，以及重量重、尺寸大等不足，甚至無法在具備低功耗、小尺寸等特點的小型水下平臺上安裝。由此可見，常規(guī)聲源和應(yīng)答器占用了水下平臺上極為寶貴的空間和動力，與其綜合測控需求矛盾逐漸突出，甚至在一定程度上成為了制約其發(fā)展的瓶頸因素之一。

高精度水聲定位跟蹤多采用水下合作目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，配合聲源（含信標(biāo)）實現(xiàn)水下目標(biāo)位置信息的實時測量[5]。按照工作方式主要分為兩種：同步式和應(yīng)答式。同步式需要在工作前與接收端進(jìn)行時標(biāo)同步，具有測量精度高、數(shù)據(jù)更新率快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但因為需要同步操作和長時保持，使用操作略為復(fù)雜，且成本較高；應(yīng)答式無需同步操作，利用查詢與應(yīng)答往返的聲信號進(jìn)行定位跟蹤，具有使用便捷、靈活性高等優(yōu)點，但存在數(shù)據(jù)更新速率慢，軟硬件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜等不足。由于同步式水聲定位系統(tǒng)具有更高的跟蹤精度，實際工程應(yīng)用中多采用同步跟蹤方案[6]。水聲遙測遙控主要利用多種編碼方式構(gòu)建水聲通信鏈路，從而實現(xiàn)一定距離內(nèi)的有效信息傳輸。如水聲通信上常用的水聲通信機(jī)、水聲應(yīng)答器等，多采用類似水聲定位跟蹤技術(shù)中的應(yīng)答方式。

國外水聲工程技術(shù)起步較早，推出一系列商用乃至軍用水聲定位及通信系列產(chǎn)品。如美國的雷神公司（Raytheon Company）、挪威的康斯伯格海事公司（Kongsberg Maritime）、英國的 Sonardyne、CTG 公司（Chelsea Technologies Group）等[7]。以英國 Sonardyne公司UM-8370 型產(chǎn)品為例，工作頻率為18～36 kHz，具備水聲定位及應(yīng)答通訊功能，尺寸是直徑為76 mm，長度為436 mm。相較國外來看，我國相關(guān)研究起步較晚，國內(nèi)民用市場幾乎被國外產(chǎn)品壟斷[8]。但近年來，隨著軍事及民用海洋工程技術(shù)的不斷擴(kuò)展，國內(nèi)水聲工程相關(guān)設(shè)計和技術(shù)研究發(fā)展迅猛。中國船舶重工集團(tuán)公司715 所的聲學(xué)釋放器為國內(nèi)首型，工作水深可達(dá)1 000 m；哈爾濱工程大學(xué)的深海高精度超短基線定位系統(tǒng)，為我國“蛟龍”號、“發(fā)現(xiàn)”號和深海水下聲學(xué)拖體等多種水下潛器提供了水下精確定位服務(wù)[9]。國內(nèi)水聲定位跟蹤技術(shù)研究能為國防及民事應(yīng)用提供技術(shù)保障，但在小型化水下航行體應(yīng)用中較為薄弱，尚未出現(xiàn)同時具備同步聲源和雙工水聲遙測遙控功能的聲源系統(tǒng)工程應(yīng)用。

本文針對小型滑翔機(jī)和便攜式ROV 等小型水下航行體的水下試驗測試，水下作業(yè)中的高精度實時定位跟蹤及遠(yuǎn)程遙測與遙控，以及小型化水下航行體的實用性等實際需求，開展小型化、多功能同步編碼聲源技術(shù)研究，以滿足小型水下航行體對聲源系統(tǒng)的集成化、多功能，以及便攜匹配安裝等需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計

對于小型化水下航行體的定位跟蹤及綜合測控系統(tǒng)來講，水聲基陣接收端可采用多種形式，但配套聲源系統(tǒng)成為了關(guān)鍵設(shè)備，需解決小型、輕量化與多功能、長時獨立工作之間的矛盾平衡問題。該聲源系統(tǒng)主要設(shè)計輸入是，小型水下航行體的實時水聲定位跟蹤、水聲遙測，以及應(yīng)急水聲遙控等實航測試及操控需求。除了需要滿足小型水下航行體的小型、輕量化安裝要求外，還需滿足1 000 m 海深的獨立工作條件，具備實時水聲定位跟蹤匹配聲信號發(fā)射，具備水下航行體姿態(tài)參數(shù)的編碼發(fā)射，以及接收遠(yuǎn)程水聲指令完成相應(yīng)的控制命令等功能，屬于綜合測控聲源系統(tǒng)。

水下便攜式可應(yīng)答同步編碼聲源系統(tǒng)主要由小型聲源和配套綜合調(diào)試設(shè)備兩部分組成。小型聲源安裝在被測水下目標(biāo)上，獨立完成相應(yīng)的水聲定位、水聲遙測及水聲遙控等功能，綜合調(diào)試設(shè)備主要用于聲源的工作參數(shù)設(shè)置，試前同步等相關(guān)操作，同時亦為聲源配套的水面的操控平臺。如單獨作為水聲定位跟蹤使用，可在試前對小型聲源進(jìn)行同步及設(shè)定后，由聲源自行保持同步狀態(tài)，脫離綜合調(diào)試設(shè)備獨立工作。系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

如圖1 所示，小型聲源安裝在水下目標(biāo)上獨立工作，綜合調(diào)試設(shè)備在試前通過電纜與小型聲源進(jìn)行連接，對聲源的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如工作模式、工作頻段、聲源編碼等。同時，利用GPS（Global Positioning System）等衛(wèi)星信號處理后進(jìn)行聲源的時鐘同步后，利用內(nèi)部高穩(wěn)晶振加相應(yīng)處理算法，確保聲源內(nèi)部時鐘與水聲基陣接收端一致，進(jìn)一步確保水聲定位跟蹤精度。

該方案與水聲工程中常規(guī)聲源或應(yīng)答器設(shè)計方法不同的是：（1）小型聲源在小尺寸基礎(chǔ)上集成深度、姿態(tài)等傳感器，集成高效能電池及相關(guān)控制與處理功能，可設(shè)置為同步或應(yīng)答兩種定位模式，同時設(shè)計有全雙工通道，即在定位跟蹤過程中可實時接收水面聲學(xué)查詢等命令并對其應(yīng)答和執(zhí)行；（2）考慮到多個水下目標(biāo)的實航測試，設(shè)計聲源可在試前進(jìn)行單獨編碼設(shè)置，即給每個水下聲源賦予唯一的編號，滿足多目標(biāo)水聲定位測控需求；（3）綜合調(diào)試設(shè)備與常規(guī)單純試前設(shè)置不同的是，不僅完成對聲源的試前設(shè)置，還具備試中聲源狀態(tài)查詢和全雙工應(yīng)答與通訊功能。

1.1 組成及原理

小型聲源和配套綜合調(diào)試設(shè)備是聲源系統(tǒng)的主要組成部分（圖2）。綜合調(diào)試設(shè)備采用組合式設(shè)計方案，集成應(yīng)答與顯控功能，基本原理不做詳述。小型聲源主要由組合換能器、電子水密艙、深度傳感器、姿態(tài)傳感器和調(diào)試接口組成。設(shè)置為應(yīng)答定位模式，則自動接收查詢信號進(jìn)行應(yīng)答；反之為同步式，試前需進(jìn)行同步設(shè)置。聲源在具體工作中可通過綜合調(diào)試設(shè)備進(jìn)行全雙工進(jìn)行查詢與遙控，為水下目標(biāo)的航行安全提供應(yīng)急操控手段。

圖2 系統(tǒng)工作連接示意圖

如圖2 所示，綜合調(diào)試設(shè)備上電后選擇小聲源同步模式，之后進(jìn)行高精度恒溫晶振預(yù)熱，以保證小型化聲源內(nèi)部時鐘工作穩(wěn)定。預(yù)熱完成之后自動進(jìn)行同步設(shè)置，并自動檢測同步是否成功，如同步失敗將自動重新進(jìn)行同步設(shè)置，并將相關(guān)信息反饋給綜合調(diào)試設(shè)備進(jìn)行顯示。聲源內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 聲源內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)框圖

聲源具體設(shè)置時可選同步、應(yīng)答和讀數(shù)3 種方式。讀數(shù)模式主要是為了讀取聲源在水下工作時實時解算的深度、姿態(tài)等傳感器原始信息，便于試后分析和比對；同步模式即為常規(guī)高精度同步式水聲定位跟蹤模式，為水下小型航行體提供位置信息；應(yīng)答式為查詢和應(yīng)答回復(fù)模式的定位跟蹤，實際會受限于水聲基陣的查詢情況。

1.2 聲源信標(biāo)結(jié)構(gòu)

該聲源系統(tǒng)能將水聲定位跟蹤和水聲遙測遙控功能進(jìn)行集成一體化設(shè)計，主要是設(shè)計了一種以時頻編碼結(jié)合信道糾錯編碼的聲信標(biāo)結(jié)構(gòu)。

該信標(biāo)結(jié)構(gòu)不僅充分考慮多個水下目標(biāo)之間的聲信號干擾和自身的碼間信號干擾，還在大量試驗測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從信標(biāo)結(jié)構(gòu)上降低水聲信道的多途反射疊加和多普勒影響。同時，考慮湖海聲信道的差異化設(shè)計，以及實際工程的可實現(xiàn)性（如聲源的占空比、實際功率等）。以同步式聲源為例，其信標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 同步式聲源信標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4 所示，同步脈沖為系統(tǒng)工作的統(tǒng)一時序基準(zhǔn)，目標(biāo)1～5 代表了5 個不同的水下航行體。其中t和Δt均為動態(tài)編碼調(diào)整參數(shù)，隨著遙測遙控信息或者不同目標(biāo)位置等實時信息進(jìn)行一定規(guī)則下的調(diào)整。

1.3 聲源安裝結(jié)構(gòu)

當(dāng)前水下航行體除了類似于水下無人集群形式外，同時也在小型化、低噪聲、遠(yuǎn)程長航時等方向發(fā)展，應(yīng)用方向覆蓋環(huán)境監(jiān)測、水下安防及相關(guān)軍事攻防等相關(guān)專業(yè)。聲源系統(tǒng)除兼顧常規(guī)大中型水下航行體綜合測控要求外，主要針對小型水下航行體的適應(yīng)性安裝與使用。因此，聲源系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計需綜合考慮，在小型輕量化的基礎(chǔ)上兼顧通用性和實用性。該聲源系統(tǒng)采用一體式為主，分體式為輔的結(jié)構(gòu)形式，其安裝結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 聲源安裝結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5 所示，小型聲源尺寸是直徑為70 mm，長度為200 mm，重量為1.45 kg，即可獨立安裝在水下小型航行體上，亦可分體安裝在航行體內(nèi)，解決小型水下航行體的適配安裝問題。同時考慮到航行體的外部整體結(jié)構(gòu)流體性，可將聲源的換能器陣替換為共形結(jié)構(gòu)（圖5-b）。確保聲源安裝后，不存在常規(guī)凸起結(jié)構(gòu)，從而不對水下航行體的航行造成擾流等干擾。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

水下便攜式可應(yīng)答同步聲源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)為信號產(chǎn)生、功率放大，以及樣機(jī)研制兩部分。其中信號產(chǎn)生中除了精確產(chǎn)生所需編碼信號外，還需保證在同步工作模式下下長時工作穩(wěn)定性，確保同步精度；功率放大需兼顧 18～36 kHz 與 9～14 kHz 兩個較寬頻帶的帶內(nèi)平坦；需要綜合平衡聲源功能及性能與結(jié)構(gòu)、重量、工作時長之間的矛盾，研制原理樣機(jī)，并進(jìn)行實航測試。

2.1 信號產(chǎn)生與功率放大

水聲定位跟蹤中實際工程中，常采用頻率、相位等調(diào)制方式，對于聲源產(chǎn)生來說，多以單頻和調(diào)頻信號為主[10]，結(jié)合相應(yīng)的編碼算法獲得最終聲源發(fā)射所需信標(biāo)信號。因此，聲源系統(tǒng)中信號產(chǎn)生必須精確且高效。

為實時高精度產(chǎn)生信標(biāo)，采用直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesis，DDS）原理構(gòu)建信號發(fā)生器，DDS 是一種基于抽樣定理的二維模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化，其本質(zhì)是通過相位量化進(jìn)行頻率合成，具有頻率分辨率高、頻率捷變時間短、波形失真小等優(yōu)點[11-12]。DDS 主要由頻率控制字、相位控制字、相位累加器、波形存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以及低通濾波器組成，原理結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 DDS 信號產(chǎn)生及相位累加原理框圖

如圖6 所示，統(tǒng)一在系統(tǒng)時鐘fc的觸發(fā)下工作，其相位累加器是DDS 的核心組成部分。相位累加器由N位加法器和N位相位寄存器構(gòu)成，產(chǎn)生尋址波形存儲器的數(shù)字序列，數(shù)字序列范圍從0 到累加器的滿偏值。初始狀態(tài)將相位控制字P送給寄存器，它決定所產(chǎn)生波形的起始相位。當(dāng)信號產(chǎn)生時，每來一個時鐘加法器將頻率控制字K與寄存器輸出數(shù)值進(jìn)行相加，再把相加后的結(jié)果送給寄存器數(shù)據(jù)輸入端，寄存器將相位數(shù)據(jù)返回到加法器數(shù)據(jù)輸入端準(zhǔn)備進(jìn)行下次與頻率控制字的相加，同時產(chǎn)生尋址波形存儲器所需的地址序列。當(dāng)相位累加器超過滿偏置時就產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期動作，詳見圖4。

設(shè)計中將頻率控制字設(shè)為K，參考時鐘為fc，相位累加器位數(shù)為N，將一個周期的余弦信號幅值編碼存儲在波形存儲器中，則第n周期相位累加器輸出序列為：

波形存儲器輸出序列為：

根據(jù)式（2）中輸出信號展開傅立葉級數(shù)表達(dá)式為：

其中，將式（3）中只取實部表示為s(t)的三角函數(shù)形式為：

從式（3）和式（4）可以看出，輸出信號除包括主頻f0，還存在頻率分布為fc±f0，2fc±f0，……的非諧波分量，因此為得到主頻為f0的信號，還需在DAC 輸出端加截止頻率為fc/2 的低通濾波器。

DDS 產(chǎn)生的信號頻率為：

式中：當(dāng)K為1 時DDS 輸出頻率最低，根據(jù)奈奎斯特定律DDS 最大輸出頻率可達(dá)fc/2，但實際情況下為保證輸出精度，規(guī)定每個周期最低采樣精度8個點，于是K最大值為2N/8，輸出最大頻率為fc/8。

信號頻率分辨率為：

DDS 模塊通過可編程邏輯器件構(gòu)建，F(xiàn)PGA 通過設(shè)置DDS 模塊頻率控制字和相位控制字來改變輸出信號?？紤]到實際工程中對聲源主要指標(biāo)的調(diào)整需要，聲源系統(tǒng)中信號產(chǎn)生部分以FPGA 為主，在傳統(tǒng)DDS 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，引入?yún)?shù)調(diào)整模塊，通過FPGA 編程，靈活實現(xiàn)各類調(diào)制信號的產(chǎn)生，并能通過參數(shù)傳輸方式對載波抑制和輸出功率進(jìn)行實時調(diào)整，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試便捷等特點。

功率放大組件采用線性功放結(jié)構(gòu)，與常規(guī)開關(guān)功放相比較，線性功放發(fā)射電壓便捷可調(diào)、適應(yīng)與匹配性好，工作可靠性高，并且容易與前級調(diào)制電路匹配，不易產(chǎn)生脈沖諧波干擾[13]。因此，這里采用線性功率放大，同時加上橋式功放結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高發(fā)射功率，進(jìn)而提高聲源級。具體通過控制前級輸入信號大小來調(diào)節(jié)輸出信號，從而控制所發(fā)出聲信號強(qiáng)度。功率放大組件主要由于信號驅(qū)動級、功率放大級和匹配網(wǎng)絡(luò)三部分組成，信號驅(qū)動級由增益控制和推挽驅(qū)動將電信號調(diào)整到合適的范圍，并保證有足夠的驅(qū)動電流；功率放大級由大功率器件和變壓器將信號放大到足夠的功率輸出；匹配網(wǎng)絡(luò)為LC 電路[14]，使不同頻率信號輸出效率達(dá)到最優(yōu)。

2.2 樣機(jī)研制

水下便攜式可應(yīng)答同步聲源主要安裝在小型水下航行體上，除滿足試驗測試及應(yīng)急操控等安全措施等要求外，亦不能較大影響航行體水下航行性能。相對來說要求聲源發(fā)射聲源級高，工作時間長，體積小，重量輕，如按照常規(guī)設(shè)計方法很難實現(xiàn)。

本文采用了一體化集成式設(shè)計方案，大規(guī)模壓縮電路尺寸。對電路功耗、抗干擾性、功率放大電路所需的線圈、電容及匹配電路進(jìn)行了充分計算，并盡可能減小所有器件及組件的尺寸合眾路。如采用容量較高的鋰聚合物電池，利用高精度恒溫晶振替代傳統(tǒng)銣鐘、銫鐘等大尺寸時鐘源等。聲源實物如圖7 所示。

圖7 聲源實物圖

如圖7 所示，為了滿足深海1 000 m 的使用環(huán)境條件，同時降低整體重量，聲源的水密艙選用TC4鈦合金材料，同時具備良好的耐腐蝕性能。聲源樣機(jī)尺寸是直徑為70 mm，長度為200 mm，重量為1.45 kg；實際測試連續(xù)工作時長為12 h（1 s 周期，12 h 后聲源級降低3 dB）；深海工作深度采用壓力釜進(jìn)行12.5 Mpa 的水壓測試，確保滿足深海1 000 m 的實際使用要求。綜上所述，設(shè)計與研制的聲源系統(tǒng)，尤其是直接安裝在小型水下航行體上的聲源滿足實際安裝所需條件，滿足設(shè)計輸入的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

3 試驗測試

該聲源系統(tǒng)研制完成后，經(jīng)過相應(yīng)可靠性及環(huán)境試驗，具備實航測試條件。具體以某小型民用滑翔機(jī)為載體，在國內(nèi)某水域進(jìn)行實航測試。為了確保水聲定位測量的精度和數(shù)據(jù)率，本次實航試驗以同步式模式為主。首先，在小型滑翔機(jī)上安裝水下聲源，試前利用綜合調(diào)試設(shè)備進(jìn)行參數(shù)與同步設(shè)置；同步完成后，該聲源進(jìn)入等待入水進(jìn)行同步工作；入水后，聲源檢測如水傳感器及深度傳感器，滿足綜合判斷條件后，聲源發(fā)射同步定位信標(biāo)信號；水聲定位跟蹤系統(tǒng)實時進(jìn)行水下小型滑翔機(jī)的定位測量，完成本次實航試驗。實航水聲定位跟蹤結(jié)果如圖8 所示。

圖8 實航試驗測量結(jié)果圖

如圖8 所示，本文研制的小型聲源可滿足常規(guī)小型水下航行體的匹配安裝要求，并在國內(nèi)某水域進(jìn)行實航試驗。試驗結(jié)果證明，該聲源配合某型水聲定位跟蹤系統(tǒng)可實現(xiàn)超過3 km 范圍內(nèi)實時定位跟蹤，其定位精度可達(dá)5‰，航行參數(shù)的水聲遙測誤碼率可達(dá)10-5。由此可見，該聲源系統(tǒng)實時水聲定位跟蹤精度高（發(fā)射的聲信號質(zhì)量好，時延精度長時可靠）、測量數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，距離較遠(yuǎn)（聲源級較高），并且相應(yīng)應(yīng)答控制滿足全雙工要求，具有良好的工程實用性。

另外，該聲源還在大型水下航行體的實航試驗中配套完成相應(yīng)測試驗證，為多型水下航行體的實航試驗與水下作業(yè)提供配套定位設(shè)備。

4 結(jié)論

針對小型水下航行體試驗測試及水下作業(yè)實際需求，開展水下便攜式可應(yīng)答同步聲源系統(tǒng)技術(shù)研究。采用鈦合金一體式結(jié)構(gòu)封裝聲源內(nèi)部高度集成的電子設(shè)備及電池，利用收發(fā)合置換能器時頻編碼方式實現(xiàn)全雙工定位脈沖發(fā)射與遠(yuǎn)程水聲命令信息的接收。

通過某小型水下滑翔機(jī)的湖上實航試驗，試驗證明該聲源系統(tǒng)功能及性能指標(biāo)均滿足設(shè)計輸入的具體要求。該聲源系統(tǒng)與國外同類產(chǎn)品（UM-8370）相比較具有體積小、重量輕，便于安裝等特點，同時具備水聲定位聲信號受控發(fā)射，以及全雙工水聲應(yīng)答與水聲遙測、遙控等復(fù)雜功能。除可應(yīng)用與多種小型水下航行體的水下定位測量外，亦可在中、大型水下航行體上便捷安裝，特別是近年來結(jié)合水下無人作戰(zhàn)平臺與水下集群技術(shù)發(fā)展[15]，為該聲源系統(tǒng)的應(yīng)用場景提供了廣闊空間。