水下AIS信標(biāo)裝置的設(shè)計(jì)與研究

吳家瑋

摘 要：傳統(tǒng)的AIS信標(biāo)對(duì)于水面以下的情況不能實(shí)現(xiàn)有效信息傳輸。所以，本文設(shè)計(jì)出一種能夠在水下環(huán)境主動(dòng)發(fā)射聲波信號(hào)的AIS信標(biāo)，使之滿足水下環(huán)境的工作需求。具體方法是將電子線路、發(fā)聲裝置、電池等部件組裝成一種可被潛水者佩戴、救生衣安裝或者各種水下潛器搭載的小型水下發(fā)聲裝置。通過(guò)編寫(xiě)程序使之以主動(dòng)方式發(fā)出擴(kuò)頻聲信號(hào)，該信號(hào)能夠被水下接收裝置探測(cè)和識(shí)別。通過(guò)將AIS信標(biāo)放置于水下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用水下接收裝置接收水下信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理后可以正確顯示出信標(biāo)信號(hào)所攜帶的信息。

關(guān)鍵詞：水聲通信 擴(kuò)頻技術(shù) AIS聲信標(biāo)

中圖分類號(hào)：TN929.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（b）-0114-03

AIS系統(tǒng)是船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System）的簡(jiǎn)稱，傳統(tǒng)的AIS信標(biāo)能夠發(fā)送用于船只識(shí)別、目標(biāo)追蹤、信息交流等的無(wú)線電信號(hào)。但是對(duì)于失事船只、水下潛器、潛水員或者落水者等處于水面以下的情況，只能使用聲波發(fā)送信號(hào)。所以，筆者希望設(shè)計(jì)出一種能夠在水下環(huán)境主動(dòng)發(fā)射聲波信號(hào)的AIS信標(biāo)，使之滿足水下環(huán)境的工作需求。

1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

將電子線路、發(fā)聲裝置、電池等部件組裝成一種可被潛水者佩戴、固定在救生衣或者各種水下潛器搭載的小型水下發(fā)聲裝置（AIS聲信標(biāo)）。通過(guò)對(duì)該裝置內(nèi)部芯片編寫(xiě)程序使之能夠以主動(dòng)方式在水下發(fā)出聲波信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻模塊、載波調(diào)制模塊之后在水中傳播，通過(guò)水聽(tīng)器（一種接收水下聲信號(hào)的裝置）被探測(cè)和識(shí)別，然后傳輸?shù)剿系挠?jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，最終能夠識(shí)別出AIS聲信標(biāo)所攜帶的信息。

2 水下擴(kuò)頻通信原理介紹

傳統(tǒng)AIS信標(biāo)是作用于水面上的，利用現(xiàn)有的無(wú)線電通信，能將船舶、水面艦艇、水上工作設(shè)備等裝置的信息傳輸?shù)揭粋€(gè)統(tǒng)一的接收平臺(tái)上。水上通常使用的無(wú)線電通信方式是以電磁波為載體，電磁波在水中傳播時(shí)，能量被水大量吸收，隨著傳輸距離快速衰減，能夠傳輸?shù)木嚯x十分有限，無(wú)法在水下無(wú)法遠(yuǎn)距離傳播。

聲波是迄今為止人類已知的唯一能在水下遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男畔⑤d體。而聲波在水下有著良好的傳播性能，頻率范圍在1Hz～50kHz之間的聲波在水中的衰減較少，可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的傳輸。而且使用聲波作為水聲通信的載體，設(shè)備簡(jiǎn)單，只需使用水聲換能器將電、聲信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)信息傳播。所以本文選擇超過(guò)人耳聽(tīng)力范圍的聲音信號(hào)進(jìn)行水下信息傳播，避免造成恐慌。

在知道聲音頻率范圍的基礎(chǔ)上，需要確定聲音以什么樣的形式進(jìn)行傳播，利用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)將信息調(diào)制到聲信號(hào)上，這樣，一個(gè)聲信號(hào)就可以攜帶多種信息了。

直接序列擴(kuò)頻，概括來(lái)講，就是直接用不同形式的擴(kuò)頻序列與待傳輸?shù)男盘?hào)相乘（模二相加），得到一組擴(kuò)頻后的混合信號(hào)波形，該信號(hào)波形可以攜帶多個(gè)信息，這多個(gè)較短的信號(hào)可以組合成為一個(gè)較長(zhǎng)的攜帶多種信息的新信號(hào)。直接序列擴(kuò)頻的流程如圖2所示。

原始信號(hào)與不同形式的擴(kuò)頻序列進(jìn)行相乘（擴(kuò)頻調(diào)制），然后傳送給載波調(diào)制器中，讓擴(kuò)頻后的信號(hào)以聲信號(hào)形式從聲信標(biāo)輻射出去，達(dá)到水下信息傳輸?shù)囊?。擴(kuò)頻調(diào)制模塊的簡(jiǎn)易流程如圖3所示。

3 聲信標(biāo)的硬件實(shí)現(xiàn)

聲信標(biāo)硬件方面，需要實(shí)現(xiàn)聲信標(biāo)在水下發(fā)射攜帶信息的聲信號(hào)的功能。

水下聲信號(hào)的調(diào)制過(guò)程在低功耗單片機(jī)里完成。信標(biāo)的序列號(hào)、用戶信息、載體信息等數(shù)據(jù)預(yù)先存入單片機(jī)的內(nèi)存中，對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻序列也預(yù)存在單片機(jī)內(nèi)存中。單片機(jī)通過(guò)程序完成信號(hào)的調(diào)制并將存儲(chǔ)好的信號(hào)波形發(fā)送至功率放大器。功率放大器將信號(hào)放大后推動(dòng)換能器，向水中輻射聲波。通過(guò)控制功率放大器的輸出功率，以滿足聲波的不同傳輸距離的要求。

水下聲信號(hào)接收設(shè)備由水聽(tīng)器、前置放大器、解調(diào)器和顯示模塊等4部分組成，如圖4所示。

在接收端，利用水聽(tīng)器接收水下聲信號(hào)，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于來(lái)自AIS信標(biāo)的水下聲信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸，接收到的信號(hào)非常弱，所以需要將電信號(hào)送入前置放大器進(jìn)行放大，以便于對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理。放大后的信號(hào)送入解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，提取出信號(hào)所攜帶的信息，輸出至顯示模塊上。

4 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)上述電路設(shè)計(jì)思路，連接電路圖，制作能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所需功能的電路板，利用水密膠將電路板密封以使得電路在水下能正常運(yùn)行。

我們?cè)谒刂心M海洋的水下環(huán)境，首先驗(yàn)證AIS信標(biāo)的聲信號(hào)發(fā)射功能，然后驗(yàn)證AIS信標(biāo)所發(fā)射的信息是否能夠完整讀取。

4.1 AIS信標(biāo)發(fā)射功能驗(yàn)證試驗(yàn)

首先接通AIS信標(biāo)的電源并用繩子將信標(biāo)吊放到水中。在水池的另一側(cè)使用水聽(tīng)器接收水下聲信號(hào)并用示波器觀察接收到的信號(hào)。如果在示波器的屏幕上觀察到信標(biāo)發(fā)出的信號(hào)，則證明水下AIS信標(biāo)能夠向水中發(fā)射聲波信號(hào)。

4.2 水下AIS信標(biāo)信息讀取實(shí)驗(yàn)

首先使AIS信標(biāo)正常工作，方法如上述實(shí)驗(yàn)。將接收裝置的水聽(tīng)器吊放在水池另一側(cè)，將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大之后，送入解調(diào)器，還原出其攜帶的信息并與預(yù)設(shè)的聲信標(biāo)發(fā)射的信息進(jìn)行對(duì)比。如果接收裝置能夠正確還原信息，則證明本設(shè)計(jì)AIS信標(biāo)能夠正常工作，具備對(duì)沉船、潛水員、水下機(jī)器人、救生衣等設(shè)備進(jìn)行識(shí)別、目標(biāo)追蹤以及信息交互等功能。

5 結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)（1）中能在示波器上看到信號(hào)，證明制作的水下AIS信標(biāo)可以正常發(fā)射聲信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)（2）中，利用接收設(shè)備解調(diào)接收信號(hào)，得到的信息與初始設(shè)置相符，即可以確定水下AIS信標(biāo)能夠?qū)⑿艠?biāo)的序列號(hào)、用戶信息、載體信息等預(yù)存信息發(fā)送至接收裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的定位和識(shí)別。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)完成了一個(gè)水下AIS信標(biāo)的設(shè)計(jì)，通過(guò)單片機(jī)編程完成信號(hào)的調(diào)制工作，通過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射攜帶相關(guān)參數(shù)信息的聲波并利用接收設(shè)備來(lái)接收和分析信號(hào)，達(dá)到識(shí)別聲信標(biāo)的目的。通過(guò)制作AIS信標(biāo)，利用擴(kuò)頻方法編寫(xiě)相關(guān)程序并在水池中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證所制作的水下AIS信標(biāo)的性能。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該聲信標(biāo)能夠發(fā)射聲信號(hào)并在接收端可以分析出聲波攜帶的信息，達(dá)到利用接收設(shè)備檢測(cè)水下聲信標(biāo)輻射信息進(jìn)行船只識(shí)別、目標(biāo)追蹤、信息交流等作用，達(dá)到預(yù)期目的。

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