陣列式水聲傳感器在水下通信中的應用

張 雷，何 寧，龔雨心，何志毅

(桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林 541004)

0 引言

水聲通信是通過海洋介質(zhì)傳播和接收聲波信號，結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，利用聲波進行海洋開發(fā)和研究的一門新興技術(shù)。目前水下通信主要包括潛艇之間的通信、水下機器人數(shù)據(jù)采集傳輸、海洋石油工業(yè)的遙控等，信號傳輸方式有電磁波通信、藍綠光通信、聲波通信。在水下環(huán)境中，電磁波衰減非常大，即使使用甚低頻(小于10 kHz)，配上兆瓦級的發(fā)射功率和龐大的天線，在海水中的穿透力只能達到100 m左右，數(shù)據(jù)傳輸速率小于100 b/s．藍綠激光是利用水下信道低損耗窗口，在視距范圍內(nèi)實現(xiàn)通信，依據(jù)不同海域其光衰減不同，易受到水下環(huán)境的影響，由于水中顆粒的散射作用，通信距離急劇下降。聲波在水中的衰減很小，是唯一能在水中長距離傳播的能量形式[1-2]。

由于淺海水下環(huán)境的復雜性及水聲信道的特殊性，長距離、高速率可靠通信一直是水下通信中的難題。傳統(tǒng)方法是提高單個陣元發(fā)射功率來提高通信距離，此時需要陣元具有較大的表面積以避免空化，但在較高的工作頻率下，增大陣元表面積會犧牲指向性或者無法合理地兼顧指向性等指標。研究表明：采用指向性良好的陣列式水聲傳感可提高系統(tǒng)通信距離，抑制多途效應，限制了接收視場角，增加了系統(tǒng)的保密性[3]。

1 水聲信道與傳播原理

1．1水聲信道特性

水聲信道是一個復雜多變的信道，它具有傳輸衰減、多徑傳播和頻散效應等特性，隨著信號頻率和傳輸距離的增加，傳輸衰減影響增大。淺海水聲信道是由海面與海底之間形成了一種聲道，聲波在其中傳播時，被限制在上下邊界之內(nèi)。以一定出射角的聲線沿水聲信道進行傳播，當遇到海面、海底時發(fā)生界面反射，每一次界面反射意味著聲波能量的損失，歷經(jīng)不同時延和衰減的聲線在接收端疊加導致信號起伏。

水聲環(huán)境中多徑傳播是水聲通信信道的重要特性，它形成機理是聲線彎曲和海底、海面的反射，海水內(nèi)部結(jié)構(gòu)如潮汐、內(nèi)波、紊流等的影響，以及聲源和接收機平臺的運動等，通常淺海的多途效應比深海嚴重得多[4]。實際水聲通信應用中，往往采用發(fā)射基陣形式控制多途傳播現(xiàn)象。

1．2水聲信號傳輸原理

水聲通信利用水作為傳播介質(zhì)，通過聲波與水相互作用將信息傳輸?shù)侥康牡?。水聲轉(zhuǎn)換是水下聲通信的關(guān)鍵技術(shù)，在通信兩端由水聲換能器負責完成電/聲和聲/電的轉(zhuǎn)換，圖1為水聲通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[5]。

圖1 水聲通信系統(tǒng)框圖

圖1中，發(fā)射端將信號進行一定的編碼調(diào)制和傳輸匹配處理，保證水聲傳感獲得高效率發(fā)射，接收端采用水聽器完成聲信號接收，通過適當?shù)姆糯鬄V波，降低環(huán)境噪聲影響，最后進行解碼還原發(fā)射端信息。水聲通信中聲學信道特性決定了整個水聲通信系統(tǒng)的性能。

2 水聲換能器基陣特性仿真與分析

2．1發(fā)射基陣指向性的仿真

發(fā)射基陣是由若干換能器按一定排列形式組成的陣列，常見的平面陣有矩形陣、圓形陣、環(huán)形陣等[6]。發(fā)射基陣的參數(shù)包括陣元半徑、工作波長、陣元數(shù)目、陣元間距等。文中選用陣元型號為DYW-500-F，-3 dB波束寬度為4．2°，工作頻率f=500 kHz，陣元半徑R=43 mm．發(fā)射端陣列形式采用圖2所示的矩形陣，d1、d2分別為X方向和Y方向陣元間距，M、N是X方向和Y方向陣元數(shù)目。

圖2 發(fā)射端矩形陣列

半徑為R的圓形活塞陣元的指向性函數(shù)為[7]

(1)

式中：k為波數(shù)，k=2π/λ；波長λ=v/f；水中聲速v=1 500 m/s．

仿真得到單個陣元指向性圖如圖3所示。

圖3 單個陣元指向性

由半徑為R的圓形活塞陣元構(gòu)成矩形陣，該基陣的指向性函數(shù)為[7]

(2)

直角坐標系下基陣指向性圖如圖4所示。

圖4 基陣指向性

對比圖3和圖4可知：采用多個陣元進行組陣后，基陣的波束寬度要明顯大于單個陣元的波束寬度，以下分析陣元間距和數(shù)目對指向性的影響，得出最優(yōu)的基陣指向性圖。

設(shè)陣元個數(shù)M=N=2，圖5為不同陣元間距下基陣指向性。

(a)陣元間距d1=d2=λ/4的指向性圖

(b)陣元間距d1=d2=λ/2的指向性圖

(c)陣元間距d1=d2=3λ/4的指向性圖

(d)陣元間距d1=d2=λ的指向性圖

由圖5可知，當d1=d2=λ/4時，基陣指向角最大且沒有旁瓣產(chǎn)生；當d1=d2=λ/2時，指向角減小亦沒有旁瓣產(chǎn)生；當d1=d2=3λ/4時，指向角進一步減小且有1個較小旁瓣產(chǎn)生；當d1=d2=λ時，指向角最小且旁瓣最大。因此可知，在陣元數(shù)目一定的情況下，當陣元間距逐漸增大時，基陣的指向角逐漸變得尖銳，旁瓣逐漸出現(xiàn)且幅度不斷增大；選擇陣元間距d=λ/2既可抑制旁瓣產(chǎn)生又可獲得一定指向性。

當基陣的陣元數(shù)目變化時，基陣指向性也隨之改變。以陣元間距為d1=d2=λ/2進行仿真討論。

圖6為指向性隨陣元數(shù)的變化情況。

(a)陣元數(shù)目M=N=2的指向性圖

(b)陣元數(shù)目M=N=3的指向性圖

(c)陣元數(shù)目M=N=4的指向性圖

(d)陣元數(shù)目M=N=5的指向性圖

由仿真可知，當采用2×2基陣時，指向角最大且沒有旁瓣產(chǎn)生；采用3×3基陣時，基陣指向角減小且有1個較小旁瓣產(chǎn)生；采用4×4基陣時基陣指向角進一步減小，旁瓣數(shù)量不變但幅度增大；采用5×5基陣時，基陣指向角最小，旁瓣幅度進一步增大，數(shù)量增加到2個。因此，在陣元間距一定的情況下，逐漸增加陣元個數(shù)時，基陣指向角逐漸減小，旁瓣逐漸產(chǎn)生且其幅度和數(shù)量不斷增加，但增加的趨勢在減小。

3 實驗系統(tǒng)設(shè)計與測試

3．1發(fā)射基陣的驅(qū)動與匹配

壓電換能器依靠高壓脈沖激勵產(chǎn)生機械振動向外輻射聲波，激勵電壓過小，輻射聲功率很?。患铍妷哼^大有可能使陣元發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞，因此應合理設(shè)計發(fā)射基陣驅(qū)動電路以提高能量利用率，保證各個陣元安全高效地工作于諧振頻率?；囼?qū)動電路部分包括陣元間的連接形式、功率的放大和阻抗匹配等。

陣元間的連接形式可采用串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)等[8]。當陣元間采用并聯(lián)形式時，負載阻抗增大，匹配特性受到破壞；當采用串聯(lián)形式時，由于每個陣元阻抗不同，工作時各陣元的功率特性不一致。為提高發(fā)射陣的輻射聲功率，采取了對每個陣元使用單獨的功率放大電路和匹配電路，如圖7所示。

圖7 單個陣元功率放大和阻抗匹配電路

圖7中，功率放大電路由IRF840單極型MOSFET和脈沖變壓器構(gòu)成。電路中，已調(diào)信號經(jīng)CD4069升壓到+12 V后輸入到IRF840的柵極，保證MOS管可靠導通，控制MOS管的導通和關(guān)斷來產(chǎn)生高壓脈沖信號。

由于組成基陣的陣元間會有細微的差異，為保證每個陣元兩端信號幅度一致，需對每個陣元單獨進行阻抗匹配。陣元的阻抗匹配分為抗的匹配和阻的匹配。抗的匹配是指在陣元兩端并聯(lián)或者串聯(lián)1個反向電抗，使陣元由電抗性負載變?yōu)榧冏栊载撦d。當陣元抗的匹配完成后可視為純電阻，在前級電路的等效電阻與陣元的電阻相同時陣元上才能獲得最大功率，即能量最大傳輸定理[9]。阻的匹配通過脈沖變壓器來實現(xiàn)。圖7中由并聯(lián)在陣元兩端的電感L1實現(xiàn)抗的匹配，而脈沖變壓器TRANS1實現(xiàn)阻的匹配。

3．2水下傳輸測試分析

系統(tǒng)采用ASK調(diào)制，載波500 kHz，基帶信號100 kHz，已調(diào)信號經(jīng)功率放大和阻抗匹配后由發(fā)射基陣發(fā)出。接收端經(jīng)過前置放大、檢波、脈沖整形后恢復出相應的基帶信號。

由于室內(nèi)規(guī)則水池小，壁面和池底均帶來多徑反射，影響系統(tǒng)測試，因此選擇室外開闊水塘進行系統(tǒng)通信測試。水塘平均水深5 m，發(fā)射端和接收端深度為2．5 m，收發(fā)端水平距離100 m，圖8所示為場外試驗系統(tǒng)。

圖8 室外試驗測試圖

測試發(fā)射端分別采用單個陣元和基陣時接收端信號波形。

由圖9可知發(fā)射端采用單個陣元時，由于輻射聲功率較小，接收端信號幅度只有336 mV；而采用基陣時，提高了輻射聲功率，接收端信號幅度明顯增大，峰峰值達到1．96 V，接收端增益增加15 dB，有效提高了接收端信噪比。

(a)單個陣元發(fā)射時接收端波形

(b)3×3基陣發(fā)射時接收端波形

基陣指向性與多途效應存在一定關(guān)系，良好的指向性可以有效抑制多途效應。當陣元數(shù)目一定時，發(fā)射基陣輻射聲功率不變。測試中采用2×2基陣結(jié)構(gòu)，通過改變陣元間距調(diào)整基陣波束寬度，圖10給出了d1=d2=6λ/8和d1=d2=3λ/8兩種陣列結(jié)構(gòu)的接收端信號測試波形，其波束寬度分別為27°和49°．

(a)陣元間距為6λ/8時接收端波形

(b)陣元間距為3λ/8時接收端波形

由圖10可知，接收信號中多途信號的幅度隨著發(fā)射波束寬度增加逐漸增大。當陣元間距為6λ/8時，多徑效應不明顯；陣元間距為3λ/8時，多徑效應已經(jīng)非常嚴重。因此，基陣指向性越好，對多途效應抑制越明顯。根據(jù)實際系統(tǒng)應用需求，應綜合考慮基陣體積、系統(tǒng)成本及接收端對準等因素，波束寬度一般選擇在10°～30°之間。

4 結(jié)束語

針對淺海近程水聲信道特點，分析了水下信號傳輸特性，提出采用基陣結(jié)構(gòu)與指向性發(fā)射控制改善多途效應的方法，通過仿真與實驗對單個陣元和基陣的指向性與功率進行分析對比。實驗測試結(jié)果表明：水下傳感發(fā)射基陣指向性與傳輸性能有一定關(guān)系，適當控制聲陣列發(fā)射角可有效抑制多途效應，有利于接收端信噪比和系統(tǒng)性能改善。

參考文獻：

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作者簡介：張雷(1985—)，碩士研究生，研究方向為水聲通信與水下傳感技術(shù)。E-mail：larryzh2006@163．com