一種水下航行體水聲遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

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(lái)越得到各國(guó)的重視，各國(guó)競(jìng)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(jī)器人、海上石油平臺(tái)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(guó)Hi-shear公司生產(chǎn)了型號(hào)為Mark 12 Mod 0的水聲遙控點(diǎn)火系統(tǒng)（AFS）可用于銷(xiāo)毀水下各種可爆炸軍械武器，該系統(tǒng)在水面使用鍵盤(pán)操作發(fā)出指令代碼，通過(guò)換能器發(fā)射，由貼在被銷(xiāo)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(guó)內(nèi)各個(gè)研究機(jī)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(duì)水下武器聲遙控安全起爆、水聲遙控引信等技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，其采用頻率編碼信號(hào)傳輸外加FSK的擴(kuò)頻調(diào)制方式，已經(jīng)在工程上得到應(yīng)用。但國(guó)內(nèi)各個(gè)研究機(jī)構(gòu)尚未研制出在市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的產(chǎn)品，只針對(duì)某些特定項(xiàng)目而研制，與國(guó)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(duì)其控制的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了一種可靠的水聲遙控系統(tǒng)，研制了一套水聲遙控信號(hào)傳輸樣機(jī)，進(jìn)行了湖上靜態(tài)與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。最終系統(tǒng)達(dá)到以下兩種功能：1）完成航行體作業(yè)過(guò)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(tái)、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(hào)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(yàn)驗(yàn)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(gè)顯控臺(tái)用于調(diào)試過(guò)程中，顯示接收指令內(nèi)容。

遙控指令包括啟動(dòng)、停車(chē)、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(hào)檢測(cè)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(bǔ)償，為10kHz單頻，脈寬5ms；地址碼用于識(shí)別遙控目標(biāo)，為兩個(gè)單頻的疊加，脈寬共4ms，可識(shí)別4個(gè)目標(biāo)；指令信息碼用于識(shí)別目標(biāo)的指令類(lèi)型，為6個(gè)單頻的疊加，脈寬共12ms，可調(diào)制64個(gè)指令。T1為同步脈沖和導(dǎo)頻脈沖之間的保護(hù)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(hù)間隔，為50ms。

3 水聲遙控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(hào)，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(jī)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(cè)工作，采用與遙控指令接收設(shè)備類(lèi)似的硬件結(jié)構(gòu)，完成遙控水聲信號(hào)的調(diào)理、解調(diào)解碼等，將遙控指令信息顯示出來(lái)。

三個(gè)設(shè)備硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，僅外圍芯片有所差異，主要組件數(shù)字信號(hào)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(guò)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(jìn)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(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)運(yùn)算中用到的數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH用來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP的程序加載。數(shù)字信號(hào)處理機(jī)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(hào)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(dòng)，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(shí)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(gè)預(yù)留的IO信號(hào)線，可作為FPGA與DSP之間的中斷信號(hào)線，在實(shí)際的應(yīng)用中這幾個(gè)預(yù)留的IO信號(hào)作為FPGA送給DSP的中斷信號(hào)，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(jì)

4.1 遙控指令發(fā)射軟件

當(dāng)需要發(fā)送遙控指令時(shí)，軟件系統(tǒng)將鍵盤(pán)響應(yīng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，經(jīng)過(guò)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(guò)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(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，如果檢測(cè)到同步信號(hào)，便對(duì)同步信號(hào)之后的地址碼和指令碼數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收、存儲(chǔ)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(zhǎng)度的數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生EDMA傳輸完成中斷，啟動(dòng)作為軟中斷的接收函數(shù)receive（）。在receive（）函數(shù)中首先對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR濾波，濾除電源可能帶來(lái)的工頻干擾，硬件溫漂帶來(lái)的直流分量和帶外干擾。為了使同步檢測(cè)的更準(zhǔn)確，在檢測(cè)同步信號(hào)前，先從頻域上檢測(cè)CW信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到CW后，開(kāi)始檢測(cè)CW信號(hào)之前的同步信號(hào)，檢測(cè)同步信號(hào)采用本地LFM與接收到的信號(hào)做相關(guān)的方法。如果沒(méi)檢測(cè)到，則等待EDMA傳輸新采集的數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到同步信號(hào)時(shí)，取出接收的CW信號(hào)，進(jìn)行測(cè)頻運(yùn)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(jìn)行精確同步。完成同步后便進(jìn)入數(shù)據(jù)信號(hào)的解調(diào)部分，當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)夠一組時(shí)，開(kāi)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(jìn)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(jī)構(gòu)。

5 弱信號(hào)檢測(cè)算法

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

在進(jìn)行弱信號(hào)檢測(cè)之前，水聲信號(hào)的調(diào)理是關(guān)鍵之一，信號(hào)調(diào)理采用硬件與軟件相結(jié)合的實(shí)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(hào)經(jīng)過(guò)高速A/D采樣后，通過(guò)高階數(shù)字濾波器后進(jìn)行幅度調(diào)整；軟件部分采用Hilbert變換與相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)幅度自動(dòng)均衡以及小波變換消除噪聲的算法，對(duì)水聲遙測(cè)中起伏大和強(qiáng)噪聲干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，然后進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)與解調(diào)解碼。

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

頻率估計(jì)采用基于FFT的插值頻率估計(jì)算法，圖6為基于FFT的插值頻率估計(jì)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(jì)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(jì)算法頻率估計(jì)精度很高，但還需要解決硬件實(shí)現(xiàn)上帶來(lái)的難題。

解調(diào)解碼時(shí)，系統(tǒng)接收處理樣機(jī)通過(guò)對(duì)時(shí)間、幅度、寬度、頻率、能量等參數(shù)的鑒別來(lái)實(shí)現(xiàn)有效脈沖信號(hào)的檢測(cè)，并根據(jù)時(shí)間優(yōu)先、脈寬優(yōu)先、幅度優(yōu)先等原則從有效脈沖信號(hào)中區(qū)分定位、定深及遙測(cè)信號(hào)。結(jié)合撫仙湖水聲信道特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮高增益、低信噪比情況下的可靠檢測(cè)，綜合信號(hào)到達(dá)時(shí)間、信號(hào)幅度、信號(hào)寬度、信號(hào)能量等參數(shù)的權(quán)重因素與比例，研究時(shí)間優(yōu)先、脈寬優(yōu)先、幅度優(yōu)先和時(shí)間—能量聯(lián)合等檢測(cè)方法，并對(duì)同一段水聲信號(hào)進(jìn)行了多次重復(fù)回放檢測(cè)，優(yōu)化檢測(cè)程序，從而有效的降低傳輸誤碼率。

6 試驗(yàn)結(jié)果分析與研究

為驗(yàn)證此方法的性能，開(kāi)展了湖上靜態(tài)拉距、動(dòng)態(tài)跑船等試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程：試驗(yàn)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(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)拉距試驗(yàn)，在距母船半徑6km范圍內(nèi)以不同航行速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)跑船試驗(yàn)。

6.1 試驗(yàn)水域水文條件

圖7為試驗(yàn)當(dāng)天試驗(yàn)水域聲速梯度實(shí)測(cè)結(jié)果。從圖中可以看出，該季節(jié)試驗(yàn)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(shí)的信道多徑情況以及接收信噪比均會(huì)有較大差別。試驗(yàn)船A與母船B的距離為2000m時(shí)，對(duì)信道情況進(jìn)行了測(cè)試，多途為15ms如圖8所示。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖9為試驗(yàn)中經(jīng)水聲信道接收的信號(hào)波形，經(jīng)過(guò)水聲傳輸，其多途反射明顯，而且由于發(fā)射目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，帶來(lái)了信號(hào)的起伏。

圖10為發(fā)射、接收信號(hào)頻譜特性對(duì)比，由于多普勒影響，其頻率最高點(diǎn)有相應(yīng)的偏移，采用多普勒修正算法加以補(bǔ)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(hào)頻譜能量不均勻，可采用相關(guān)的頻率估計(jì)算法進(jìn)行精確估計(jì)。

對(duì)跑船試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)10000次頻率估計(jì)結(jié)果，信噪比為3dB時(shí)其調(diào)制頻譜與解調(diào)結(jié)果對(duì)比，頻率檢測(cè)偏差在±50Hz以內(nèi)，但隨著作用距離的加大，信噪比會(huì)隨之降低，頻率估計(jì)會(huì)出現(xiàn)誤差，采用卷積糾錯(cuò)算法控制，可以有效的降低誤碼率。課題組統(tǒng)計(jì)了遙控湖試試驗(yàn)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(jí)，達(dá)到了項(xiàng)目的指標(biāo)要求。

表1 湖試試驗(yàn)誤碼率結(jié)果比較

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水中多途反射聲信號(hào)判別、遠(yuǎn)距離弱信號(hào)檢測(cè)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(jì)了一種遠(yuǎn)程遙控方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)UUV等中低速水下航行體實(shí)航時(shí)的水聲遙控功能。經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，本系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到項(xiàng)目技術(shù)要求。

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