郭英歌， 陳晶晶

(中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所東海研究站， 上海 201815)

0 引 言

淺剖地層剖面測量是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法[1]. 淺剖地層剖面設(shè)備常用于近海工程、 海洋底質(zhì)調(diào)查、 大洋科考等. 淺地層剖面設(shè)備將較低頻率聲信號以Burst信號形式發(fā)出， 利用海水介質(zhì)傳播， 穿透地層介質(zhì)反射得到回波聲信號能量， 構(gòu)成地層結(jié)構(gòu)信息. 在淺海探測中聲信號在海水中行進(jìn)路程較短， 在完成一個方向聲信號的發(fā)射與接收后再進(jìn)行下一個方向的探測， 在航速適當(dāng)?shù)那闆r下也并不會影響探測效率和效果. 所以， 對于淺海探測其效率提高還不是關(guān)鍵問題. 但是大深度海洋探測中， 聲信號在海水中行進(jìn)路程往往需要數(shù)秒， 而海水中數(shù)據(jù)并不是探測目的. 若仍如淺海探測等待單個方向探測結(jié)束再進(jìn)行下一次工作， 會出現(xiàn)航速快時結(jié)果稀疏， 航速慢時效率低下的情況. 目前， 深水聲學(xué)探測設(shè)備較常見的是應(yīng)用Multiping技術(shù)來解決這個問題[2]， 如Teledyne集團(tuán)生產(chǎn)的ChirpⅢ設(shè)備和PARASOUND[3-4]， SyQwest 公司生產(chǎn)的Bathy2010TMCHIRP 設(shè)備[5]. 這些設(shè)備在深海探測過程中， 以小時延連續(xù)發(fā)射聲信號， 增加海水空間中的探測信號， 并在接收端以一定的時間間隔接收信號. 不可避免的， 在海底走勢發(fā)生較大變化， 及底質(zhì)結(jié)構(gòu)存在差異的情況下， 不同時刻發(fā)射的回波聲信號有可能發(fā)生混疊， 接收端無法確定當(dāng)前信號是哪個探測位置的結(jié)果. 因此， 不同時刻發(fā)出的聲信號被要求接收端在時間域上一定可以分離. 發(fā)射換能器的帶寬有限， 同時帶寬較寬的聲信號有較高的地層分辨率[6]. 如果將若干個窄帶聲信號作為發(fā)射信號， 在接收端可以利用工作頻帶分離不同信號， 但是會降低地層分辨率. 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是可以將基帶信號的頻譜通過某種調(diào)制擴(kuò)展到遠(yuǎn)大于原基帶信號帶寬的系統(tǒng)[7]394. 利用編碼序列可以實現(xiàn)多用戶公用一個頻帶. 混沌序列基于非線性系統(tǒng)， 在時域上有隨機(jī)混亂現(xiàn)象， 頻譜呈現(xiàn)為寬帶白噪聲特性， 序列的自相關(guān)峰尖銳， 序列間的互相關(guān)結(jié)果平坦[8]， 可以有效抵抗信號間混疊， 較適合深海Multiping系統(tǒng).

1 混沌信號模型

混沌是指對初始條件的微小變化具有高度敏感依賴性的非線性系統(tǒng)的行為[8]. 確定的混沌系統(tǒng)會具有某些隨機(jī)性現(xiàn)象所具有的特征. 如時域上的隨機(jī)混亂現(xiàn)象； 長期的不可預(yù)測性； 頻域上的寬帶白噪聲特性； 強(qiáng)自相關(guān)特性弱互相關(guān)特性. 這些特征都幫助混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的序列特性優(yōu)于M序列、 Gold序列等偽隨機(jī)序列[9].

常規(guī)方式是將混沌序列二值化， 即將混沌序列的值按照與中值做比較轉(zhuǎn)換為0或1， 再通過FSK， PSK等方式進(jìn)行二進(jìn)制調(diào)制. 也有根據(jù)帶寬與頻率的關(guān)系， 對序列進(jìn)行調(diào)制[9]. 不同的調(diào)制方式需要不同的量化方式， 因而也需要不同的篩選方式. 下面兩節(jié)具體介紹不同調(diào)制方式下混沌序列的篩選流程.

1.1 量化-頻移鍵控(Quantization-Frequency Shift Key)信號流程

量化-頻移鍵控的序列編碼模式需要將混沌序列二值化， 之后通過序列平衡性、 游程及自相關(guān)參數(shù)進(jìn)行篩選， 經(jīng)過數(shù)字調(diào)制后得到期望信號. 具體流程如圖 1 所示.

圖 1 量化-頻移鍵控信號流程

1.2 頻帶分離的調(diào)頻調(diào)制信號模型

調(diào)頻調(diào)制序列模型不同于FSK量化調(diào)制， 它只是調(diào)整序列值的范圍， 通過自相關(guān)和互相關(guān)特性對序列進(jìn)行篩選， 保證相位連續(xù)的頻率調(diào)制即可得到期望信號. 具體流程如圖 2 所示.

圖 2 相位連續(xù)的調(diào)頻調(diào)制信號流程

將系統(tǒng)工作帶寬分成兩個部分， 相同編碼信號可以在不同頻帶工作， 而且不同編碼的信號也更易分離. 雖然這樣做降低了工作帶寬， 但基于混沌序列的調(diào)頻信號相關(guān)峰仍舊尖銳， 可以通過之后的仿真和試驗得到驗證.

常見的混沌序列包括Logistic序列、 Kent序列及Chebyshev序列等. 中南大學(xué)的李克輝等[10]通過混沌擴(kuò)頻多用戶系統(tǒng)對多種混沌映射的性能進(jìn)行了仿真， 結(jié)果證明3 種混沌序列均具有優(yōu)良的擴(kuò)頻性能、 抗干擾性能和抗多徑性能， 其中Chebyshev序列擴(kuò)頻特性最好. 本文的仿真和試驗部分選擇Chebyshev序列， 使用上述兩種調(diào)制方式對信號混疊分離效果進(jìn)行對比驗證.

2 仿真與分析

2.1 仿真信號模型

量化FSK調(diào)制信號取經(jīng)過量化篩選得到的混沌序列， 長度為64， 調(diào)制頻率f1=17 kHz,f2=23 kHz, 設(shè)置信號采樣率為102 kHz， “1”對應(yīng) 2個周期的s1=sin(2πf1t)， “-1”對應(yīng)4個周期的s2=sin(2πf2t).

頻帶分離的調(diào)頻調(diào)制序列取優(yōu)化篩選得到的混沌序列， 長度為64， 調(diào)制中心頻率f0=20 kHz, 頻帶寬度B1=B2=3.5 kHz, 設(shè)置信號采樣率為102 kHz， 序列中各個點(diǎn)的值對應(yīng)的頻率計算公式為fi=f0+Biai， 信號模型為4個周期的正弦信號si=sin(2πfit+φi)， 取φi+1=2πfit+φi每一個碼元的起始相位， 保證相位連續(xù).

2.2 仿真實驗

根據(jù)上述信號調(diào)制模型得到編碼信號， 將兩個相同調(diào)制方式的信號以不同幅值混疊， 再加入不同信噪比的帶內(nèi)噪聲， 最后， 通過匹配濾波分離混疊信號， 從而驗證混沌序列在該調(diào)制方式下的抗混疊性能. 帶內(nèi)噪聲是將高斯白噪聲通過頻帶范圍的帶通濾波器得到的干擾信號， 信號與帶內(nèi)噪聲的能量比是此時信噪比. 錯誤率是做了1 000次測試中定位錯誤的概率， 之后的錯誤率與此處相同. 根據(jù)信號的帶寬及采樣率， 接收信號每點(diǎn)間隔1/fs， 定位錯誤是指濾波信號與正確定位相差大于4個點(diǎn)的情況.

圖 3～圖 5 分別是在混疊信號與帶內(nèi)噪聲信噪比分別為0 dB, -3 dB, -6 dB， 混疊兩個混沌信號長度分別為信號長度的1/2, 3/4和全部混疊情況， 兩個混疊信號能量比分別為0 dB, 3 dB, 6 dB, 9 dB時的分離情況， 其中能量較小的信號為晚到達(dá)信號.

圖 3 無噪聲時混沌序列混疊信號分離

圖 4 -3 dB信噪比混沌序列混疊信號分離

圖 5 -6 dB信噪比混沌序列混疊信號分離

通過圖中數(shù)據(jù)走勢可以看出頻帶分離的調(diào)頻調(diào)制序列表現(xiàn)優(yōu)于FSK調(diào)制序列， 隨著混疊信號幅值比的增大， 頻帶分離的調(diào)頻調(diào)制序列錯誤率明顯小于FSK調(diào)制序列.

3 實驗與分析

為了驗證混沌序列經(jīng)過量化FSK調(diào)制及連續(xù)相位調(diào)頻調(diào)制的信號在混疊后的分離能力， 本次實驗將信號尺度及環(huán)境尺度縮小， 在1.25 m的水池中展開， 同時將信號中心頻率提高到 1.1 MHz. 實驗裝置布設(shè)如圖 6 所示， 發(fā)射換能器中心頻率為1.1 MHz， 帶寬為200 kHz； 實驗在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下， 水溫13.5 ℃展開， 水中聲速為1 461 m/s.

圖 6 實驗裝置布設(shè)

為了使用單一聲源產(chǎn)生混疊信號， 設(shè)置信號源將以小時延連續(xù)發(fā)射兩個調(diào)制序列T1與T2， 時延間隔取當(dāng)前調(diào)制序列時長.同時使用水聽器接收信號， 可以接收到直達(dá)信號R1與R2， 及水池壁的反射信號R1′與R2′.控制水聽器位置， 可使水池壁反射信號串中的第一個信號R1′與直達(dá)波脈沖串中第二個信號R2發(fā)生不同程度的混疊.從混疊信號中分離出能量較小的水池壁反射信號R1′，T1對應(yīng)的回波信號， 它與直達(dá)波中R1的距離差就是水聽器與水池壁的距離. 再與直接測量的距離對比， 可以確認(rèn)混疊分離結(jié)果的效果.

3.1 量化FSK調(diào)制

混沌序列量化FSK調(diào)制信號混疊1/2, 3/4及全部混疊的測量結(jié)果采樣率為6.25 MHz， 分別提取T1,T2對應(yīng)的匹配濾波結(jié)果.如圖 7～圖 9 所示， 淺灰色部分是接收信號， 中灰色實線是T1濾波結(jié)果， 黑色虛線是T2濾波結(jié)果.橫軸點(diǎn)數(shù)對應(yīng)采樣點(diǎn)數(shù)， 縱軸對應(yīng)信號及濾波結(jié)果的歸一化幅值.觀察T2濾波結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 在2 500點(diǎn)之前沒有R2及R2′到達(dá)， 應(yīng)無峰值結(jié)果部分卻存在峰值， 此時量化FSK調(diào)制方式無法得到正確的結(jié)果.

圖 7 混疊1/2長度的結(jié)果

圖 8 混疊3/4長度的結(jié)果

圖 9 全部混疊的結(jié)果

3.2 連續(xù)相位調(diào)頻調(diào)制

分別將混沌序列連續(xù)相位調(diào)頻調(diào)制信號混疊1/2, 3/4及全部混疊的測量結(jié)果進(jìn)行降采樣至采樣率6.25 MHz后， 分別提取T1，T2對應(yīng)的匹配濾波結(jié)果.如圖10～圖 12 所示， 淺灰色部分是接收信號， 中灰色實線是T1濾波結(jié)果， 黑色虛線是T2濾波結(jié)果. 橫軸點(diǎn)對應(yīng)采樣點(diǎn)， 縱軸對應(yīng)信號及濾波結(jié)果的歸一化幅值. 可以看出在有信號到達(dá)的位置相關(guān)峰值較大， 形成尖銳包絡(luò)， 在沒有信號到達(dá)的位置幾乎沒有相關(guān)峰值.

圖 10 混疊1/2長度的結(jié)果

圖 11 混疊3/4長度的結(jié)果

圖 12 全部混疊的結(jié)果

表 1 是連續(xù)相位調(diào)頻調(diào)制混疊分離結(jié)果， 通過確定R1與R1′，R2與R2′的采樣點(diǎn)位置， 并且計算它們之間的距離差， 與已知水聽器與水池壁距離做比較， 求得距離相對誤差， 驗證混沌連續(xù)相位調(diào)頻調(diào)制在信號混疊分離的有效性. 觀察表中結(jié)果可以看出， 混沌序列連續(xù)相位調(diào)頻調(diào)制信號在混疊后可以實現(xiàn)有效分離.

表 1 連續(xù)相位調(diào)頻調(diào)制混疊分離結(jié)果

3.3 實驗結(jié)論

通過對兩種不同調(diào)制方式混沌信號的混疊分離實驗可以看出， 量化FSK調(diào)制模型在實驗環(huán)境無法分離混疊信號. 調(diào)頻混沌序列在相同條件下濾波提取結(jié)果尖銳， 能夠正確分離混疊信號.

4 結(jié) 論

本文對混沌序列進(jìn)行信號混疊分離的能力進(jìn)行討論. 使用具有較好自相關(guān)特性及擴(kuò)頻特性的Chebyshev序列， 介紹了兩種量化方式下不同調(diào)制方法的序列篩選流程， 其中， 二值化后使用FSK調(diào)制的信號表現(xiàn)不好， 而頻帶分離相位連續(xù)的調(diào)頻調(diào)制方式可以有效分離時頻混疊的信號.