擴(kuò)頻技術(shù)在淺海水聲測(cè)距中的應(yīng)用

畢 彥 景永剛 陳夢(mèng)英

（1.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室 上海200032； 2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所東海站 上海200032）

擴(kuò)頻技術(shù)在淺海水聲測(cè)距中的應(yīng)用

畢 彥1景永剛2陳夢(mèng)英2

（1.海軍駐上海地區(qū)水聲導(dǎo)航系統(tǒng)軍事代表室 上海200032； 2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所東海站 上海200032）

傳統(tǒng)的水聲系統(tǒng)由于主要使用單頻脈沖信號(hào)，因而無(wú)法克服距離分辨力和作用距離之間的矛盾。文中主要研究如何將擴(kuò)頻編碼m序列編碼技術(shù)應(yīng)用到水聲測(cè)距中的方法，既詳細(xì)分析了淺海水聲多途信道的特點(diǎn)，也給出了用于水聲測(cè)距的擴(kuò)頻數(shù)字模型，并進(jìn)行系統(tǒng)性能仿真與水池試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：增加m序列碼元周期和減小脈寬能夠增加測(cè)量精度，頻譜越寬則抗干擾性越強(qiáng)。該項(xiàng)研究為擴(kuò)頻技術(shù)在水聲測(cè)距與定位中的實(shí)際應(yīng)用提供了較好參考。

擴(kuò)頻技術(shù)；水聲測(cè)距；m序列

引 言

淺海域無(wú)論在軍事上還是在民用上都是十分重要的戰(zhàn)略區(qū)域。由于淺海聲信道是一個(gè)極其復(fù)雜的隨機(jī)時(shí)-空-頻變信道，其主要特征表現(xiàn)為復(fù)雜性、多變性、強(qiáng)多途、高噪聲和有限的使用頻帶寬度。在這種復(fù)雜的信道中實(shí)現(xiàn)信息傳輸，不僅通信速率低，可靠性差，而且傳輸距離較近［1］。

傳統(tǒng)的水聲跟蹤定位系統(tǒng)主要使用單頻脈沖信號(hào)。單頻脈沖信號(hào)無(wú)法克服距離分辨力和作用距離之間的矛盾。在淺海中，嚴(yán)重的多途也會(huì)影響單頻脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的測(cè)量精度，且單頻脈沖信號(hào)保密性差，不易隱蔽，很容易被敵方識(shí)別、截取和攻擊。這些弱點(diǎn)限制了單頻信號(hào)的應(yīng)用。擴(kuò)頻技術(shù)可以克服單頻信號(hào)的弱點(diǎn)。

近年來(lái)國(guó)外的IXSEA公司和Sonardyne公司已研制成功基于擴(kuò)頻技術(shù)的水聲跟蹤定位系統(tǒng)。Sonardyne公司開(kāi)發(fā)的Fusion系列，擁有通用的現(xiàn)代化硬件處理平臺(tái)，使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，能夠同時(shí)支持傳統(tǒng)的單頻脈沖信號(hào)和寬帶信號(hào)。這套設(shè)備目前已應(yīng)用于很多領(lǐng)域，比如：Grand Banks水冰、新加坡海峽、非洲西部深水區(qū)和墨西哥海灣。據(jù)介紹，Sonardyne公司的設(shè)備工作在中頻，利用擴(kuò)頻技術(shù)獲得很高的距離分辨能力，在距離為780 m時(shí)，測(cè)量精度可以達(dá)到1 cm［2］。目前國(guó)內(nèi)雖然也有一些研究［3-4］，但尚無(wú)同類(lèi)產(chǎn)品，在這個(gè)領(lǐng)域還很薄弱，開(kāi)展此方面的研究工作很有必要。

1 水聲擴(kuò)頻技術(shù)

擴(kuò)頻技術(shù)是現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸中采用的信道復(fù)用新技術(shù)，其信號(hào)所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息的最小帶寬。頻帶的展寬是通過(guò)編碼和調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)調(diào)整及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。由于水聲擴(kuò)頻技術(shù)是發(fā)射端用擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，將信號(hào)送到水聲信道中傳輸，接收端用相關(guān)解調(diào)技術(shù)，從而大大擴(kuò)展了信號(hào)的頻譜，使其具有抗干擾、抗噪聲、抗多途、保密性、隱蔽性、多值復(fù)用、高精度測(cè)量等一系列優(yōu)良性能［5-6］。但水聲信道復(fù)雜多變，很多在雷達(dá)信道中成熟的技術(shù)在聲納中卻無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。因而研究水聲信道的特點(diǎn)是把擴(kuò)頻技術(shù)引入到水聲技術(shù)中的必要環(huán)節(jié)。

1.1 淺海水聲信道特點(diǎn)

我國(guó)的沿海地區(qū)多為淺海，淺海是指聲傳播明顯地受海面和海底邊界影響的海域。在分析淺海聲場(chǎng)時(shí)，除考慮直達(dá)聲以外，還必須考慮經(jīng)過(guò)一次和多次海面、海底的反射聲，總聲場(chǎng)等于直達(dá)聲和這些反射聲的疊加。淺海中聲傳播損失依賴(lài)于海面、海水介質(zhì)和海底的許多物理參數(shù)，而且擴(kuò)頻信號(hào)為高頻信號(hào)。綜合以上特點(diǎn)，本文選用高斯射線(xiàn)束（GRAB）聲線(xiàn)傳播理論，對(duì)高頻信號(hào)在淺海中傳輸?shù)男诺罌_激響、接收信號(hào)進(jìn)行仿真研究?；谏渚€(xiàn)聲學(xué)理論的GRAB方法適用于高頻情況，形象直觀、數(shù)學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)單，可非常有效地解決海洋中的聲場(chǎng)問(wèn)題。其聲壓幅值等參數(shù)都與頻率有關(guān)，且因GRAB的計(jì)算結(jié)果是基于亥姆霍茲方程的頻域解，因此，當(dāng)發(fā)射信號(hào)為寬帶信號(hào)時(shí)，接收信號(hào)的時(shí)域波形求解問(wèn)題可以解決［7］。

假設(shè)發(fā)射信號(hào)為被調(diào)制的偽隨機(jī)序列，其中心頻率30 kHz、脈寬20 ms、碼元寬度63/20 ms、碼元數(shù)63。海深取為120 m、聲源深度30 m、接收點(diǎn)深度75 m，與聲源橫向距離1.3 km。海水密度均勻、恒定聲速，發(fā)射信號(hào)聲壓幅值為1，由GRAB求得的信道沖擊響應(yīng)函數(shù)和接收信號(hào)時(shí)域波形如圖1和下頁(yè)圖2所示。

由圖1可以看出，淺海多途效應(yīng)非常嚴(yán)重，而從圖2中還可以看出，寬帶信號(hào)由于頻散效應(yīng)相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的幅值是起伏的。

圖 2 淺海信道中接收信號(hào)時(shí)域波形

1.2 水聲擴(kuò)頻的實(shí)現(xiàn)

水聲擴(kuò)頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)編碼和調(diào)制將單頻信號(hào)的頻段展寬，其中編碼一般是通過(guò)偽隨機(jī)碼或偽隨機(jī)序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于擴(kuò)頻信號(hào)的時(shí)間帶寬積，可在寬的信號(hào)帶寬條件下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高可靠的水聲測(cè)距。本文使用應(yīng)用最為廣泛的m序列編碼，序列長(zhǎng)度為N、碼元寬度為T(mén)c，它的相關(guān)函數(shù)是［8］：

由式（1）可知，擴(kuò)頻信號(hào)的自相關(guān)峰尖銳，能量主要集中在-Tc≤τ≤Tc之間。當(dāng)信道存在多徑時(shí)，只要多徑時(shí)延超過(guò)偽隨機(jī)碼的一個(gè)碼元寬度，則經(jīng)過(guò)匹配處理后，可消除或減弱這種多徑干擾的影響。下面給出直接序列系統(tǒng)應(yīng)用到水聲測(cè)距中的系統(tǒng)模型，如圖3、圖4所示。

圖3 m序列發(fā)射端

圖4 m序列接收端

圖5 m序列的匹配濾波器

在該系統(tǒng)中，匹配濾波器的階數(shù)為m序列的周期，沖激響應(yīng)是m序列的鏡像函數(shù)，傳輸函數(shù)是m序列頻譜的復(fù)共軛，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。m個(gè)匹配濾波器對(duì)應(yīng)著m個(gè)不同的發(fā)送端。

1.3 擴(kuò)頻技術(shù)測(cè)距能力

水聲測(cè)距都有兩個(gè)重要的參數(shù)：最大測(cè)量距離和距離分辨力，其中最大測(cè)量距離與發(fā)送功率、脈沖寬度T成一定的正比例關(guān)系。也就是說(shuō)發(fā)送功率越大，脈沖寬度T越大，最大測(cè)量距離越遠(yuǎn)。

直接序列系統(tǒng)測(cè)距的最小距離分辨能力如下，詳細(xì)的推導(dǎo)請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)［5］。

式中：c為聲速；Tc為碼元寬度。

由式（2）可見(jiàn)，測(cè)距分辨能力僅與擴(kuò)頻碼的碼元寬度Tc有關(guān)。擴(kuò)頻技術(shù)測(cè)距有效地解決了CW信號(hào)最大測(cè)量距離和距離分辨能力之間的矛盾。

2 系統(tǒng)性能仿真

假設(shè)收發(fā)端已經(jīng)取得同步，仿真的參數(shù)如下：中心頻率f0=30 kHz；脈寬20 ms；m序列周期N=63；碼片時(shí)間Tc=20/63 ms；信噪比10 dB。

存在多途時(shí)，接收端接收信號(hào)的時(shí)域波形如圖6所示，匹配濾波器輸出如圖7所示。從圖7可以看到匹配濾波器的輸出依然具有尖銳的峰值。這說(shuō)明圖3～圖6所示的直接序列系統(tǒng)模型的抵抗多途干擾能力很好，能夠用于淺海等多途徑嚴(yán)重的水域。

圖6 m序列擴(kuò)頻信號(hào)

圖7 匹配濾波器輸出

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖8 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，在水池進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。該水池的尺寸為：10 m×5 m×5 m，池壁和池底為普通混凝土，不能吸聲，所以存在嚴(yán)重多途，這正好可以用來(lái)檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的直接序列系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。該系統(tǒng)的算法與控制界面由C++Builder編寫(xiě)。其中，發(fā)送端的任意波形發(fā)生器采用NI公司的NI 6733數(shù)據(jù)采集卡，使用C++Builder編寫(xiě)界面。NI 6733輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器后送入換能器。接收端采用NI公司的NI 4461數(shù)據(jù)采集卡，水聽(tīng)器出來(lái)的信號(hào)先經(jīng)過(guò)一個(gè)可以起放大作用的帶通濾波器，再送入NI 4461進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理，結(jié)果送入上位機(jī)中。

圖9與圖10分別是N=31和N=127的m序列的試驗(yàn)截圖。由圖9與圖10中帶通濾波器的輸出波形可以看出，多途干擾非常嚴(yán)重，原本只有20 ms的信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于20 ms。匹配濾波器輸出圖中第一個(gè)波形是接收信號(hào)的局部放大圖。在這種惡劣的情況下，匹配濾波器的輸出(最底下的波形)依然有明顯的峰值，說(shuō)明我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)抗多途干擾的能力較好。比較圖9和圖10后發(fā)現(xiàn)，碼元長(zhǎng)度越長(zhǎng)，匹配濾波器輸出效果越好。

圖9 N=31擴(kuò)頻系統(tǒng)水池試驗(yàn)波形

圖10 N=127擴(kuò)頻系統(tǒng)水池試驗(yàn)波形

4 結(jié) 論

本文對(duì)于淺海水聲測(cè)距的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，進(jìn)行了仿真和水池實(shí)驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

（1）直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)用于水聲跟蹤定位系統(tǒng)時(shí)，m序列碼元寬度決定了測(cè)量精度，增加m序列周期和減小脈寬都能增加測(cè)量精度，但是要考慮到換能器的帶寬和水聲信道的帶寬。

（2）在水聲技術(shù)研究中，多途傳播引起的干擾始終是個(gè)難以解決的問(wèn)題。該擴(kuò)頻系統(tǒng)是排除干擾，即是設(shè)法將較強(qiáng)而穩(wěn)定的有用信號(hào)分離出來(lái)，排除其它路徑來(lái)的干擾信號(hào)，也就是采用分集接收處理的方法。效果較好。

（3）擴(kuò)頻系統(tǒng)擴(kuò)展的頻譜越寬，相關(guān)檢測(cè)或匹配濾波的處理增益就越高，抗干擾性能就越強(qiáng)。對(duì)于單頻干擾、其他偽隨機(jī)調(diào)制信號(hào)的干擾，擴(kuò)頻系統(tǒng)都有抑制干擾、提高輸出信噪比的作用。

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Application of spread spectrum technology in underwater acoustic distance measurement system in shallow sea

BI Yan1JING Yong-gang2CHEN Meng-ying2

(1. Shanghai Representative Office of Military in Underwater Acoustic Navigation System, Shanghai 200032, China; 2. Shanghai Acoustics Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China)

Since the traditional underwater system usually uses single frequency pulse signal, there is a contradiction between range ambiguity and ranging accuracy. This paper mainly studies the application of the m-sequence spread spectrum technology into the underwater acoustic distance measurement system. It analyzes in detail the multipath feature of the underwater channel, and presents the model of the direct-sequence spreadspectrum, as well as the system performance simulation and the pool testing certification. The results show that the increase of the m-sequence symbol period and the reduce of the pulse width can improve the measurement accuracy, and the wider the spectrum, the stronger the anti-interference. It can be a good reference for the practical application of the spread spectrum technology in the underwater acoustic distance measurement..

spread spectrum technology; underwater acoustic distance measurement; m-sequence

TB556

A

1001-9855（2014）01-0077-05

中科院聲學(xué)所東海站知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目。

2013-04-02；

2013-05-05

畢 彥（1976-），男，工程師，研究方向：水聲導(dǎo)航技術(shù)。

景永剛（1974-），男，副研究員，研究方向：水聲信號(hào)處理。

陳夢(mèng)英（1986-），女，碩士，研究方向：水聲信號(hào)處理。

圖 1 信道時(shí)域沖激響應(yīng)函數(shù)