水聲測(cè)距通信一體化技術(shù)分析及試驗(yàn)*

胡安平，高 銳，張建春

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，西安710068)

1 引 言

水聲信號(hào)在水下具有衰減小、傳輸距離遠(yuǎn)的特性，因此在水下通信及導(dǎo)航定位工程應(yīng)用中，一般采用水聲信號(hào)作為信息傳輸?shù)氖走x信號(hào)。水聲通信技術(shù)已從早期的模擬水聲通信逐步轉(zhuǎn)向水聲數(shù)字通信［1］，在水下用來傳輸語音、文本、圖像及視頻信息［2］。水聲導(dǎo)航定位技術(shù)可以根據(jù)基元之間的基線長(zhǎng)度，分為長(zhǎng)基線、短基線、超短基線定位系統(tǒng)幾類，可以用于水下載體導(dǎo)航定位及資源勘探水下定位，長(zhǎng)基線和短基線定位是通過測(cè)量水聲從發(fā)射端到接收端的傳輸時(shí)間轉(zhuǎn)換到距離，根據(jù)多組距離測(cè)量量來解算目標(biāo)的位置，超短基線定位是通過相位測(cè)量和測(cè)距相結(jié)合進(jìn)行定位解算［3］。水聲通信及水聲導(dǎo)航在民用和軍事方面均有廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的水聲通信設(shè)備和水聲導(dǎo)航設(shè)備是各自獨(dú)立的設(shè)備，但無論水聲通信還是水聲導(dǎo)航，都是借助于水聲信息傳輸，均受到水聲信道隨機(jī)時(shí)－空－頻變參、強(qiáng)多徑、快起伏和嚴(yán)格帶限等特異性影響［4］，具有一些共性的特點(diǎn)，有必要開展水聲定位與通信的一體化研究。本文從實(shí)現(xiàn)水聲測(cè)距和水聲通信一體化的技術(shù)體制入手，先采用仿真來分析水聲測(cè)距通信共用同步頭一體化的性能，然后設(shè)計(jì)水池測(cè)試方案來對(duì)水聲測(cè)距通信一體化開展水池測(cè)試驗(yàn)證，通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了水聲測(cè)距一體化的可行性及其性能。

2 水聲測(cè)距通信一體化技術(shù)分析

水聲通信和水聲測(cè)距定位均需要在發(fā)射端發(fā)射水聲信號(hào)，接收端通過接收水聲信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)各自功能。水聲通信和水聲測(cè)距的硬件前端基本相同，信息流程在發(fā)射端均需通過信源編碼、信號(hào)調(diào)制、功率驅(qū)動(dòng)、水聲換能器發(fā)射等過程，在接收端均需要通過水聽器信號(hào)接收放大、信息解調(diào)、信息解碼等過程，由于水聲通信和水聲測(cè)距定位有很多共同之處，因此，在一套水聲硬件設(shè)備上，通過軟件處理等方式，可以實(shí)現(xiàn)水聲測(cè)距定位和水聲通信的功能一體化。

2.1 水聲測(cè)距通信一體化技術(shù)體制

在一對(duì)水聲收發(fā)裝置上要實(shí)現(xiàn)水聲通信與測(cè)距的功能一體化，有3 種實(shí)現(xiàn)方式:第一種是以時(shí)分工作方式，在不同的時(shí)隙上分別發(fā)射水聲通信調(diào)制信號(hào)和水聲導(dǎo)航測(cè)距調(diào)制信號(hào)，在接收端分別對(duì)水聲通信信號(hào)和水聲導(dǎo)航測(cè)距信號(hào)進(jìn)行接收處理，這樣以時(shí)分方式分別進(jìn)行水聲通信和水聲測(cè)距;第二種是頻分工作方式，即發(fā)射端的水聲通信和水聲測(cè)距定位信號(hào)采用不同的工作頻率，這樣在接收端通過頻率濾波，可以同時(shí)處理和解調(diào)水聲通信和水聲測(cè)距信息;第三種是將水聲通信和水聲測(cè)距信號(hào)通過共用同步頭融為一體，在發(fā)射端發(fā)射經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的水聲信號(hào)，在接收端通過同步解調(diào)等信息處理，通過接收一組在同一頻率上的水聲信號(hào)，既完成水聲測(cè)距，也可以解調(diào)得到水聲通信數(shù)據(jù)。這3 種技術(shù)體制的優(yōu)缺點(diǎn)分析比對(duì)如表1所示。顯然，第三種體制是一種較好的工作方式，因此，本文后面介紹采用第三種方式實(shí)現(xiàn)水聲測(cè)距與通信的一體化。

表1 水聲測(cè)距通信一體化技術(shù)體制比較Table 1 Comparison between underwater acoustic communication integration ranging technology systems

水聲測(cè)距有同步測(cè)距和非同步測(cè)距兩種:同步測(cè)距就是指發(fā)射端與接收端的時(shí)間同步，通過測(cè)量水聲信號(hào)發(fā)射時(shí)刻和接收時(shí)刻的時(shí)間差來得到距離值;非同步測(cè)距則是指發(fā)射端和接收端的時(shí)間不同步，發(fā)射端和接收端以應(yīng)答的方式通過測(cè)量水聲信號(hào)往返時(shí)間來得到發(fā)射端和接收端的測(cè)距，測(cè)距是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)。

2.2 水聲測(cè)距通信一體化總體設(shè)計(jì)

水聲測(cè)距通信一體化總體方案設(shè)計(jì)采用了軟件無線電的設(shè)計(jì)理念，中央處理硬件電路采用通用小型化、低功耗數(shù)字信號(hào)處理器板硬件架構(gòu)，水聲通信和測(cè)距的信號(hào)處理在ADI 公司DSP 和Xilinx 公司FPGA 上用軟件完成。為了降低體積和成本，水聲信號(hào)發(fā)送和接收共用一個(gè)水聲換能器，其工作頻率為10～20 kHz，接收靈敏度響應(yīng)為－190 ±3 dB@15 kHz(re 1 V /μPa @1 m)。水聲信息傳輸采用半雙工工作模式，在測(cè)距通信一體化工作方式下，信息傳輸速率可以軟件設(shè)置為47 b/s、85 b/s、151 b/s，在低速率下可以保障復(fù)雜海況下水聲測(cè)距和通信的聯(lián)通性及可靠性。

下面介紹水聲測(cè)距通信一體化處理涉及關(guān)鍵技術(shù)。

(1)海洋環(huán)境對(duì)水聲測(cè)距通信的影響及應(yīng)對(duì)技術(shù)

海洋介質(zhì)是個(gè)非常復(fù)雜的聲傳播信道，受到各種自然條件、地理?xiàng)l件和隨機(jī)因素的影響，致使水聲信道有很大的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，需要解決在復(fù)雜海況下的可靠水聲通信和測(cè)距問題。采用擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)對(duì)水聲信號(hào)低信噪比接收處理，并對(duì)水聲信號(hào)多徑情況識(shí)別和區(qū)分。

(2)水聲傳播速度實(shí)時(shí)修正技術(shù)

海洋水聲傳播速度受到溫度、鹽分等多種因素的影響，使得水聲速度隨海洋環(huán)境特性而發(fā)生改變，水聲速度參數(shù)的精確性將直接影響水聲測(cè)距的精度。采用分層理論和費(fèi)馬原理，根據(jù)收發(fā)兩端的水聲信號(hào)傳輸路徑，通過查表的方式來實(shí)時(shí)修正水聲傳輸速度。

(3)水聲自適應(yīng)信息發(fā)送及接收技術(shù)

海洋環(huán)境的多變性使得水聲信息傳輸?shù)男诺罆?huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，曾經(jīng)可靠建立的水聲信息傳輸條件將會(huì)發(fā)生變化，不能保證水聲信息傳輸總是可靠聯(lián)通。通過水聲信號(hào)收發(fā)兩端根據(jù)水聲環(huán)境自適應(yīng)地調(diào)整水聲信息收發(fā)的頻率、速率和功率等級(jí)，可保證水聲信息收發(fā)的可靠性。

(4)水聲測(cè)距通信一體化處理技術(shù)

水聲測(cè)距和水聲通信在水聲信號(hào)的A/D 采樣前端采用相同的放大和處理通道，在數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)標(biāo)志來區(qū)分是進(jìn)行測(cè)距處理還是通信處理，測(cè)距處理需要進(jìn)行精確的延時(shí)估計(jì)和時(shí)序控制，測(cè)距的參數(shù)也用來更好地接收解調(diào)通信數(shù)據(jù)。

2.3 水聲測(cè)距通信共用同步頭方式分析

水聲測(cè)距和水聲通信因其實(shí)現(xiàn)功能目的不同，因此信號(hào)處理的要求也不相同。水聲測(cè)距主要是測(cè)量發(fā)射端與接收端之間的水聲傳播時(shí)間乘以水聲傳播速度實(shí)現(xiàn)，因此，在水聲傳播速度已知的情況下，水聲測(cè)距主要解決水聲信號(hào)發(fā)射與接收時(shí)間差測(cè)量的精確性［5］。若要精確測(cè)量到達(dá)時(shí)間，則需要水聲測(cè)距信號(hào)在接收端有精細(xì)的時(shí)間分辨率。水聲通信則需要將發(fā)射端的信息解調(diào)并提取出來，水聲數(shù)據(jù)通信能有效進(jìn)行，首先需要進(jìn)行信號(hào)同步，信號(hào)同步的性能好壞將直接影響數(shù)據(jù)是否能正確接收，水聲信號(hào)同步將隨著數(shù)據(jù)通信的速率提高，信號(hào)同步的時(shí)間精度也要提高。因此，采用有較高精度時(shí)間分辨率的水聲通信同步頭信號(hào)，可以用來在一組水聲通信信號(hào)內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)距定位與通信功能。

早期的水聲定位系統(tǒng)中，大多使用模擬電子電路和簡(jiǎn)單的窄帶連續(xù)波信號(hào)脈沖，但這種猝發(fā)純音信號(hào)受限于一些特定的工作通道，由于水聲環(huán)境的復(fù)雜性［6］，使得水聲信號(hào)在接收端的時(shí)間分辨率下降，并且也不適合用來進(jìn)行水聲通信，因此，窄帶信號(hào)不適合用于水聲測(cè)距通信一體化中作為信號(hào)同步方式。

水聲通信以及定位系統(tǒng)已向?qū)挾?、?shù)字化方向發(fā)展［7］，水聲測(cè)距通過發(fā)射一個(gè)收發(fā)雙方約定的寬帶脈沖，接收端通過互相關(guān)等手段估計(jì)出時(shí)延，進(jìn)而解算出收發(fā)兩端的距離。水聲通信系統(tǒng)為了正確地截取碼元，也需要采用寬帶脈沖作為同步頭以提高同步精度。因此測(cè)距和通信都要求發(fā)射一個(gè)寬帶脈沖，這就可以共用通信同步頭作為測(cè)距的發(fā)射脈沖。

常用的同步頭波形有線性調(diào)頻、雙曲調(diào)頻、偽隨機(jī)擴(kuò)頻等形式，它們?cè)诙嗥绽杖菹?、時(shí)延估計(jì)精度等方面表現(xiàn)出不同的性能。假設(shè)信號(hào)頻帶為0.01～4.01 kHz、脈沖寬度為500 ms，下面通過仿真來分析各種同步頭的性能。線性調(diào)頻信號(hào)、雙曲調(diào)頻信號(hào)和偽隨機(jī)擴(kuò)頻信號(hào)的模糊度圖如圖1所示。

圖1 線性調(diào)頻、雙曲線調(diào)頻及偽隨機(jī)擴(kuò)頻信號(hào)模糊度圖Fig.1 Ambiguity diagrams of linear FM hyperbolic FM and pseudo－random spreading signal

由圖1可見，對(duì)于不同類型的同步頭，其多普勒容限和時(shí)延估計(jì)精度是有差異的，其中線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)延分辨力和頻移分辨力大約分別為0.1 ms和0.8 Hz，雙曲調(diào)頻信號(hào)的時(shí)延分辨力和頻移分辨力大約分別為6 ms和0.88 Hz，偽隨機(jī)擴(kuò)頻的時(shí)延分辨力和頻移分辨力大約分別為0.07 ms和0.9 Hz。

由仿真結(jié)果可以看出，線性調(diào)頻信號(hào)的頻移分辨力是最好的，而偽隨機(jī)擴(kuò)頻的時(shí)延分辨力是最佳的。如果想要兼顧時(shí)延分辨力和頻移分辨力，可以考慮將線性調(diào)頻信號(hào)和偽隨機(jī)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行組合，一個(gè)用來測(cè)時(shí)延，一個(gè)用來測(cè)頻移。若是發(fā)射端和接收端以很慢速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則可以只用偽隨機(jī)擴(kuò)頻的同步頭方式。

3 水聲測(cè)距通信一體化測(cè)距誤差及誤碼率仿真分析

采用共用寬帶同步頭方式實(shí)現(xiàn)水聲測(cè)距通信一體化，根據(jù)設(shè)置參數(shù)不同，將會(huì)對(duì)測(cè)距定位和通信產(chǎn)生不同的影響，對(duì)測(cè)距需要考慮測(cè)量精度，而對(duì)于通信則分析誤碼率。下面采用仿真的辦法［8］，分別對(duì)測(cè)距精度和誤碼率進(jìn)行分析。

3.1 水聲測(cè)距誤差分析

在進(jìn)行水聲測(cè)距通信一體化共用同步頭測(cè)距誤差分析時(shí)，分別采用線性調(diào)頻、雙曲線調(diào)頻、偽隨機(jī)擴(kuò)頻3 種不同的同步頭方式進(jìn)行仿真分析。

(1)信噪比對(duì)水聲測(cè)距精度影響分析

考慮到通信可靠解調(diào)需要較好的信噪比，因此，將水聲測(cè)距通信一體化的同步頭檢測(cè)和測(cè)距的工作信噪比設(shè)置在－15～20 dB之間。當(dāng)接收到水聲信號(hào)信噪比較低、無法完成正確解調(diào)時(shí)，可以通過同步頭檢測(cè)和距離估計(jì)判斷聲源點(diǎn)的位置(結(jié)合接收陣列的定向)，引導(dǎo)接收平臺(tái)向聲源靠近，以實(shí)現(xiàn)可靠通信信號(hào)接收并得到導(dǎo)航電文信息。例如，可靠水聲通信距離為5 km時(shí)，如果同步頭檢測(cè)所需信噪比相比通信可靠解調(diào)信噪比低12 dB，則在20 km處就可對(duì)聲源進(jìn)行測(cè)距。

水聲信號(hào)在不同信噪比下的測(cè)距誤差仿真時(shí)，選用的水聲信號(hào)帶寬4 kHz、脈沖寬度200 ms，接收端的模擬信號(hào)采樣頻率為32 kHz，在基帶情況下進(jìn)行仿真。先不考慮多普勒頻移和多徑的問題，不同波形的同步頭測(cè)距誤差統(tǒng)計(jì)在不同信噪比下的結(jié)果見圖2(a)。顯然，信噪比越大，測(cè)距精度越高，3 種波形中偽隨機(jī)擴(kuò)頻信號(hào)受信噪比的影響最小。由于相關(guān)處理的增益較高，因此在信噪比大于－10 dB時(shí)，這3 種同步頭的測(cè)距誤差都較小，測(cè)距誤差主要受限于采樣頻率。

(2)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)多普勒對(duì)水聲測(cè)距精度影響分析

在水聲通信中，特別是與運(yùn)動(dòng)對(duì)象進(jìn)行通信的過程中，由于發(fā)射與接收平臺(tái)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，另外，水介質(zhì)的不均勻性和水中暗流等，多普勒效應(yīng)是不可避免的。多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的頻率擴(kuò)展、時(shí)間選擇性衰落、頻率偏移等畸變，但其最直接的影響表現(xiàn)為信號(hào)的伸縮，即改變了信號(hào)在時(shí)間域的長(zhǎng)度，信號(hào)的伸縮將給信息同步解調(diào)造成壓力，使整個(gè)水聲信息傳輸系統(tǒng)的性能不斷下降，因此，多普勒的影響不容忽視。對(duì)于不同的同步頭，多普勒頻移分辨力和多普勒容限是不同的，下面通過仿真來分析不同同步頭在多普勒方面對(duì)水聲測(cè)距精度的影響。

在仿真中，同樣選用信號(hào)帶寬為4 kHz，脈沖寬度為200 ms，信噪比為5 dB。不同波形的同步頭測(cè)距誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2(b)所示，可見多普勒對(duì)測(cè)距精度影響較大，其中多普勒頻移對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)的影響最小。為減小多普勒對(duì)測(cè)距精度的影響，可考慮多種信號(hào)組合的方式，比如先用線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行粗同步，然后再用偽隨機(jī)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行細(xì)同步。

(3)信道多徑對(duì)水聲測(cè)距精度影響分析

在水聲信道中，多徑的存在是水聲信號(hào)在傳播過程中產(chǎn)生嚴(yán)重畸變的一個(gè)原因。例如，在聲源發(fā)射一個(gè)脈沖，由于多徑效應(yīng)，在接收端將收到一串畸變了的脈沖，對(duì)于水聲測(cè)距通信共用同步頭的情況，也受到水聲多徑的影響。下面通過仿真，分析不同同步頭在多徑情況下對(duì)水聲測(cè)距精度的影響。

在仿真中，假設(shè)多徑時(shí)延分別為0 s、0.006 83 s、0.012 75 s、0.016 41 s、0.026 083 s 和0.031 167 s，相應(yīng)的歸一化幅值分別為1、0.627 36、0.604 36、0.486 34、0.279 74 和0.264 22。仿真中同樣選用信號(hào)帶寬為4 kHz，脈沖寬度為200 ms，信噪比為5 dB。仿真結(jié)果如圖2(c)所示，由仿真結(jié)果可知，多徑條數(shù)越多，對(duì)測(cè)距精度影響越大，相比較而言，多徑對(duì)雙曲調(diào)頻信號(hào)的影響最小。為了降低多徑對(duì)測(cè)距精度的影響，可考慮使用時(shí)間反轉(zhuǎn)處理方法［9］，來提升多徑環(huán)境下的測(cè)距精度。

圖2 水聲測(cè)距精度仿真分析Fig.2 Simulation analysis of underwater acoustic ranging accuracy

3.2 水聲通信誤碼率分析

在水聲測(cè)距通信一體化應(yīng)用中，考慮同步頭和數(shù)據(jù)傳輸均采用偽隨機(jī)擴(kuò)頻的情況下，對(duì)直接序列擴(kuò)頻(DSSS)調(diào)制不同的擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度下的通信誤碼率進(jìn)行仿真分析［10］。

圖3為在加性高斯白噪聲(AWGN)信道下，采用直接序列擴(kuò)頻調(diào)制時(shí)的誤碼率仿真結(jié)果。仿真條件為:100 個(gè)碼元，碼片長(zhǎng)度0.000 25 s，帶寬4 kHz(4～8 kHz)，采樣頻率32 kHz，分別采用長(zhǎng)度為255、511 和1 023的擴(kuò)頻碼調(diào)制，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸率分別為15.686 b/s、7.828 b/s和3.91 b/s，信噪比范圍為［－30 dB，10 dB］。從仿真結(jié)果可以看出，對(duì)應(yīng)各種調(diào)制方式，分別在信噪比大于－24 dB、－20 dB和－17 dB時(shí)，誤碼率降為零。偽隨機(jī)擴(kuò)頻調(diào)制擴(kuò)頻碼越長(zhǎng)，就可以在更低的信噪比下工作，但信息傳輸速率也就越慢。仿真結(jié)果只考慮了白噪聲情況，未考慮多徑及其他干擾情況。

圖3 AWGN 信道DSSS 調(diào)制誤碼率曲線Fig.3 AWGN channel DSSS modulation error rate curve

4 水聲測(cè)距通信一體化水池測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證水聲測(cè)距與通信一體化的性能，這里以中科院聲學(xué)所的uaelm 水聲通信modem 為基礎(chǔ)，采用9 階的m 序列碼進(jìn)行偽隨機(jī)擴(kuò)頻，在進(jìn)行通信的同時(shí)進(jìn)行測(cè)距。水聲測(cè)距通信一體化試驗(yàn)采用的載頻為12 kHz，數(shù)據(jù)通信速率47 b/s，所采用的m 序列碼的碼片寬度為0.5 ms，因此相關(guān)函數(shù)具有的時(shí)間分辨率為0.5 ms，對(duì)應(yīng)的測(cè)距精度約為0.75 m。由于在水池中進(jìn)行的是固定點(diǎn)測(cè)試，因此沒有考慮多普勒效應(yīng)。

圖4是水聲測(cè)距通信一體化測(cè)試的設(shè)備組成及連接示意圖，采用單向通信測(cè)距的模式進(jìn)行水池測(cè)試。圖4中，水聲發(fā)射控制裝置將所要發(fā)送的串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送給水聲發(fā)射modem，并發(fā)送觸發(fā)脈沖來啟動(dòng)水聲modem 發(fā)送水聲測(cè)距通信信息，發(fā)射端的觸發(fā)脈沖也送給時(shí)間間隔測(cè)量裝置安捷倫53131A 計(jì)數(shù)器的開門輸入端，當(dāng)水聲接收modem接收到水聲測(cè)距通信信息后，首先進(jìn)行同步處理，并在獲得同步的時(shí)刻，輸出接收觸發(fā)脈沖到安捷倫53131A 計(jì)數(shù)器的關(guān)門輸入端，隨后將解調(diào)解碼后的通信接收數(shù)據(jù)通過串口輸出到計(jì)算機(jī)的串口。通過測(cè)量53131A 計(jì)數(shù)器的開門脈沖信號(hào)和關(guān)門脈沖信號(hào)之間的時(shí)間長(zhǎng)度，減掉水聲modem 的固定處理時(shí)間(時(shí)間處理精度為微秒量級(jí))，就可以得到水聲測(cè)距通信一體化的水聲發(fā)射到接收之間的傳輸時(shí)間，由于53131A 計(jì)數(shù)器的時(shí)間間隔測(cè)量精度達(dá)到1 ns，因此，可以精確測(cè)量水聲信號(hào)發(fā)射和接收之間的傳輸時(shí)間。

圖4 水聲測(cè)距通信一體化水池測(cè)試連接示意圖Fig.4 Connection diagram of underwater acoustic ranging and communication integration pool test

在水池試驗(yàn)中，水聲modem 和水聲換能器之間采用饋線連接，通過調(diào)整水聲發(fā)射換能器和接收換能器的相對(duì)位置，可以獲得不同收發(fā)距離下的水聲測(cè)距通信一體化測(cè)量數(shù)據(jù)。通過比較水聲modem發(fā)射端和接收端的發(fā)射接收數(shù)據(jù)，可以獲得通信誤碼率。

在水池試驗(yàn)時(shí)，將發(fā)射水聲換能器位置固定，位于水下1 m，水聲接收換能器的位置分別位于第1 點(diǎn)(距發(fā)射點(diǎn)3.6 m)、第2 點(diǎn)(距發(fā)射點(diǎn)5.7 m)、第3點(diǎn)(距發(fā)射點(diǎn)6.4 m)、第4 點(diǎn)(距發(fā)射點(diǎn)8.6 m)水下1 m和水下3 m進(jìn)行40 組以上的水聲測(cè)距通信一體化測(cè)試，在通信數(shù)據(jù)量約為15 kB下通信誤碼率為0。水聲換能器接收點(diǎn)與水聲換能器發(fā)射點(diǎn)的距離可以用測(cè)量尺測(cè)量作為準(zhǔn)確值，每個(gè)由計(jì)數(shù)器測(cè)量的水聲傳播時(shí)間乘以水聲速度(按照1 500 m/s計(jì)算)得到水聲測(cè)距值，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上測(cè)定的距離與準(zhǔn)確值相比較的測(cè)距誤差統(tǒng)計(jì)如圖5所示，可以得到測(cè)距誤差小于1 m(95%)。

圖5 水聲測(cè)距通信一體化水池試驗(yàn)測(cè)距誤差結(jié)果Fig.5 Ranging error in underwater acoustic ranging and communication integration pool test

經(jīng)過水池試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了采用9 階的m 序列碼進(jìn)行通信測(cè)距一體化信息傳輸，時(shí)間測(cè)量分辨率可以達(dá)到預(yù)計(jì)的0.5 ms精度，在較低通信速率下有良好的通信誤碼性能，若能采用修正后的水聲傳播速度進(jìn)行測(cè)距計(jì)算，則測(cè)距誤差可以進(jìn)一步減小。

5 結(jié)束語

本文通過理論分析、仿真分析以及水池試驗(yàn)測(cè)試說明了水聲測(cè)距通信一體化技術(shù)的可行性，并驗(yàn)證了水聲測(cè)距通信一體化的性能。后面還將在湖上或海上進(jìn)行遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)測(cè)試，進(jìn)一步測(cè)試在外場(chǎng)情況下的水聲測(cè)距通信一體化性能。

我們所開展的水聲測(cè)距通信一體化研究中，在滿足測(cè)距精度的情況下，信息傳輸?shù)乃俾嗜杂写岣?，尚未?shí)現(xiàn)水聲通信測(cè)距的又快又準(zhǔn)。本文相比已發(fā)表的水聲通信和水聲導(dǎo)航論文，側(cè)重點(diǎn)在于研究水聲通信測(cè)距的一體化。另外，在滿足多變海洋環(huán)境下的實(shí)際工作性能還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證，水聲測(cè)距和通信的作用距離仍然較近，這些都有待今后進(jìn)一步深入研究。

通過水聲測(cè)距通信一體化，可以借助于測(cè)距信息優(yōu)化基于水聲信道特性的水聲信號(hào)處理，提升水下通信的性能。通過水聲測(cè)距通信一體化技術(shù)的研究，有助于研制集制導(dǎo)、導(dǎo)航、通信、控制等多種功能于一體的水下水聲設(shè)備，提升水下載體所攜帶水聲設(shè)備小型化和低功耗性能，在未來的水下軍事和民用中有廣泛的應(yīng)用前景。

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