基于氣槍聲源的遠(yuǎn)程水聲通信方法

張曉亮，趙安邦，易可佳，曾財(cái)高，皇甫立，潘悅

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基于氣槍聲源的遠(yuǎn)程水聲通信方法

張曉亮1，趙安邦2，易可佳1，曾財(cái)高2，皇甫立1，潘悅1

(1. 水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100036；2. 哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001)

提出一種利用氣槍作為聲源的遠(yuǎn)程水聲通信遙控的方法，以擴(kuò)大水下遙控范圍，支持水下多平臺(tái)、多節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作。從氣槍聲源產(chǎn)生脈沖信號(hào)的聲源級(jí)、頻率和多次發(fā)射的一致性等分析了作為水聲通信信號(hào)聲源的可行性；高聲源級(jí)、低頻段保證了脈沖信號(hào)在水下可遠(yuǎn)距離傳播；高一致性保證了氣槍聲源脈沖信號(hào)具有可編碼性和高的檢測(cè)正確率。針對(duì)指令級(jí)遠(yuǎn)程遙控信息傳輸需求，提出了時(shí)延脈沖編碼方法和信號(hào)檢測(cè)識(shí)別方法。針對(duì)不同水文環(huán)境條件進(jìn)行了仿真分析，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水聲通信遙控提供了一種可選的技術(shù)途徑，支持水下遠(yuǎn)距離多節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作。

氣槍聲源；遠(yuǎn)程遙控；脈沖編碼；水聲通信

0 引言

隨著水下作業(yè)平臺(tái)由單平臺(tái)向多平臺(tái)協(xié)同作業(yè)方向的發(fā)展，單純依靠單平臺(tái)設(shè)備已無(wú)法滿(mǎn)足水下作業(yè)需求，需要通過(guò)控制水下無(wú)人潛器等小型節(jié)點(diǎn)與母船的配合，實(shí)施多節(jié)點(diǎn)協(xié)同的體系化作業(yè)，這種協(xié)同范圍可達(dá)數(shù)百公里，需要有效的通信手段來(lái)支持。而水聲通信技術(shù)能夠支持水下作業(yè)節(jié)點(diǎn)在更遠(yuǎn)的距離進(jìn)行遙控工作，是拓展水下協(xié)同工作能力的關(guān)鍵。

在實(shí)際應(yīng)用中，近距離高速率的水聲通信技術(shù)已經(jīng)非常成熟，可以實(shí)現(xiàn)圖像、音頻等信號(hào)的傳輸，而遠(yuǎn)距離的水聲通信受傳輸信道、環(huán)境干擾等因素影響，仍然存在諸多難以解決的技術(shù)問(wèn)題，如傳播損失隨著頻率和傳播距離的增加而增大，可利用的信號(hào)帶寬非常有限等。因此，低頻、大功率聲源是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水聲通信的必要條件。

本文提出將氣槍聲源作為水聲通信聲源，對(duì)其產(chǎn)生的低頻大功率脈沖聲信號(hào)通過(guò)合理的調(diào)制編碼，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離水聲通信，預(yù)期能夠達(dá)到上百公里的通信距離，滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離低速率水聲遙控需求。

1 氣槍聲源介紹

氣槍聲源利用高壓氣艙存儲(chǔ)的高壓氣體，在水下瞬間釋放而產(chǎn)生強(qiáng)聲波。由于其出色的低頻大功率特性，已被廣泛應(yīng)用于海洋地質(zhì)調(diào)查、石油勘探、地震波研究等領(lǐng)域。目前，應(yīng)用最為廣泛的氣槍聲源商用產(chǎn)品以美國(guó)Bolt公司生產(chǎn)的BOLT氣槍聲源、美國(guó)ION公司生產(chǎn)的SLEEVE氣槍聲源和法國(guó)CGG公司生產(chǎn)的G氣槍聲源為代表，其結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同，如圖1所示[1]。

由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體經(jīng)高壓氣管進(jìn)入氣槍聲源返回腔內(nèi)，當(dāng)通過(guò)控制設(shè)備使電磁閥通電后，主氣室排氣口打開(kāi)，主氣室內(nèi)的高壓氣體和返回腔內(nèi)的高壓氣體同時(shí)迅速釋放到水中，完成一次發(fā)聲，產(chǎn)生脈沖聲波。氣槍聲源產(chǎn)生的是脈沖串形式的聲波，但能量主要集中在主壓力脈沖，其脈沖波形理論波形與實(shí)際波形如圖2所示[2]。

2 遠(yuǎn)程水聲通信方法

本文提出的遠(yuǎn)程水聲通信方法是利用氣槍聲源在水下瞬間釋放高壓氣體產(chǎn)生的低頻大功率脈沖聲信號(hào)作為通信信號(hào)，利用其可遠(yuǎn)距離傳播的特性，采用脈沖時(shí)延編碼方式對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水聲通信，需重點(diǎn)解決瞬時(shí)脈沖信號(hào)的編碼、檢測(cè)和識(shí)別問(wèn)題。

2.1 遠(yuǎn)程傳播能力分析

由上面的介紹可知，氣槍聲源產(chǎn)生的聲波信號(hào)是以脈沖形式輻射的，研究其聲源級(jí)和譜特性，需對(duì)聲脈沖信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。圖3為實(shí)測(cè)的水下氣槍聲源信號(hào)的頻譜圖[3]，可以看出，水下氣槍聲源產(chǎn)生的聲脈沖能量大、頻率低，聲源級(jí)峰值可達(dá)210 dB，聲波能量主要集中在300 Hz以下頻段，在水介質(zhì)中的吸收損失小，適合于遠(yuǎn)距離傳播。按聲吶方程理論計(jì)算，假設(shè)海洋背景噪聲級(jí)為75 dB，在滿(mǎn)足最低可檢測(cè)信噪比條件下，聲源級(jí)為210 dB的信號(hào)傳播距離可達(dá)300 km以上。

為了獲得更高的發(fā)射聲源級(jí)，同時(shí)滿(mǎn)足連續(xù)發(fā)射的需求，還可以采用多個(gè)氣槍聲源組陣的方式形成聲源陣列，如圖4所示。該方法產(chǎn)生的聲波能量大，頻率較低，可通過(guò)調(diào)節(jié)氣艙壓力和釋放口大小改變聲源級(jí)、脈沖寬度和頻率。

2.2 脈沖信號(hào)仿真方法

氣槍聲源產(chǎn)生的強(qiáng)聲脈沖波是由氣泡在水中的振蕩引起的壓力波，可以根據(jù)自由場(chǎng)氣泡阻尼振蕩理論仿真氣槍聲源產(chǎn)生的強(qiáng)聲脈沖信號(hào)，支持本文提出的方法研究。

氣泡半徑的非線(xiàn)性二階微分方程見(jiàn)式(1)：

水中壓力波場(chǎng)見(jiàn)式(2)：

理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)情況有較大的差距，表現(xiàn)在子波振幅衰減程度比實(shí)測(cè)緩慢，子波振蕩的周期逐漸減小的幅度比實(shí)測(cè)小。最主要的原因是能量損失，理論氣槍模型對(duì)氣槍激發(fā)時(shí)的能量損失和轉(zhuǎn)換考慮不全。須對(duì)初始的氣槍壓力和容積作如下修正：

2.3 脈沖信號(hào)編碼方法

由于氣槍聲源在相同的聲源結(jié)構(gòu)和觸發(fā)條件下，多次觸發(fā)產(chǎn)生的聲脈沖信號(hào)之間具有較好的一致性，如圖5所示[5]。由圖5可知，某次試驗(yàn)中氣槍聲源多次發(fā)射統(tǒng)計(jì)相關(guān)系數(shù)為0.996，波形一致性非常高。因此，氣槍聲源產(chǎn)生的聲脈沖信號(hào)特征具有可控性和可重復(fù)性，可通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)時(shí)延和氣艙壓力等可變參數(shù)對(duì)連續(xù)觸發(fā)的脈沖串進(jìn)行編碼，用于指令級(jí)水聲通信。

在實(shí)施遠(yuǎn)程低速率水聲通信的同時(shí)，考慮到平臺(tái)和信息的隱蔽性與安全性，只發(fā)送指令級(jí)信息，如“啟動(dòng)”、“工作模式n”、“待機(jī)”等，對(duì)通信帶寬要求不高，不需要很復(fù)雜的編碼調(diào)制通信方式，可采用脈沖時(shí)延編碼方式進(jìn)行指令編碼，可以利用多個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來(lái)表示信息，有脈沖表示“1”，無(wú)脈沖表示“0”，圖6利用短脈沖之間時(shí)間間隔方式表示“啟動(dòng)”和“待機(jī)”兩種信息。

最適合信道傳輸?shù)木幋a形式應(yīng)該是白噪聲形式，也就是碼元“0”和碼元“1”不應(yīng)該過(guò)多相連，符合白噪聲的形式。所以?xún)?yōu)化碼本的第一步就是要去掉碼元連續(xù)為“1”和碼元連續(xù)為“0”個(gè)數(shù)較多的指令碼序列。首先剔除掉這些序列，其次選取的主要準(zhǔn)則是相關(guān)度較低，且序列的碼距較大?？梢圆捎肎old序列等偽隨機(jī)序列的方法來(lái)生成編碼序列。以四個(gè)氣槍聲源為例，編碼時(shí)長(zhǎng)10 s，編碼間隔為1 s，以相關(guān)度最小，碼元間距最大為最優(yōu)準(zhǔn)則挑選編碼指令，控制脈沖發(fā)射時(shí)延間隔，設(shè)計(jì)指令信號(hào)集如表1所示。

表1 編碼指令集

2.4 信號(hào)的檢測(cè)與識(shí)別方法

發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)信道傳輸，在接收端被接收機(jī)接收，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)與估計(jì)，主要是確定信號(hào)在時(shí)間軸上的位置，根據(jù)事先約定的編碼方式譯碼，解析指令信息。

氣槍聲源產(chǎn)生的水聲脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離傳輸、海底海面反射等影響，信號(hào)畸變和多途干擾嚴(yán)重，對(duì)編碼脈沖信號(hào)的檢測(cè)識(shí)別是該遠(yuǎn)程水聲通信方法的難點(diǎn)?？刹捎媚嫦蛟O(shè)計(jì)方法，針對(duì)典型水聲信道建立傳播模型，對(duì)脈沖寬度、脈沖編碼、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)拿}沖畸變進(jìn)行分析。通過(guò)仿真和實(shí)際測(cè)量建立起傳輸信道與脈沖展寬和時(shí)延間隔的關(guān)系，以接收端可準(zhǔn)確可靠檢測(cè)識(shí)別通信信號(hào)為基本要求，反推發(fā)射端應(yīng)設(shè)定的發(fā)射脈沖參數(shù)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，調(diào)整發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度和脈沖間隔，保證接收端能夠接收到一致性較好的通信信號(hào)。通信信號(hào)的檢測(cè)可采用匹配濾波、雙α濾波檢測(cè)[6-8]、相關(guān)檢測(cè)和互累積量檢測(cè)[9]等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)遠(yuǎn)距離傳播后的弱脈沖信號(hào)的檢測(cè)，處理框圖如圖7所示。

本文研究中采用了匹配濾波與雙濾波相結(jié)合的檢測(cè)方法。匹配濾波器就是一種在輸入為確知信號(hào)加白噪聲的情況下，使得到的輸出信噪比最大的最佳線(xiàn)性濾波器，使用匹配濾波器可以有效地提高信噪比。經(jīng)過(guò)匹配濾波之后的信號(hào)再采用雙濾波對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決，準(zhǔn)確判斷脈沖位置。此外，根據(jù)雙濾波器的特性，不僅可以跟蹤信號(hào)還可以起到平滑作用。當(dāng)值趨于0時(shí)，主要呈現(xiàn)跟蹤特性，當(dāng)值趨于1時(shí)，主要呈現(xiàn)濾波平滑作用。兩個(gè)濾波器工作時(shí)分別利用它們的跟蹤和平滑特性。根據(jù)信道情況設(shè)定一個(gè)合適的幅值作為判決門(mén)限，當(dāng)時(shí)，判定同步信號(hào)的到來(lái)，在前后一段范圍內(nèi)搜索確定脈沖峰的精確位置。

通信信號(hào)識(shí)別則采用指令集匹配方法，根據(jù)通信需求，事先約定好通信信號(hào)的脈沖寬度、頻率范圍、脈沖間隔、脈沖個(gè)數(shù)等，建立通信指令信號(hào)集，在接收端對(duì)接收到的聲波信號(hào)進(jìn)行匹配。

2.5 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的遠(yuǎn)程水聲通信方法的原理，對(duì)上述方法進(jìn)行了仿真分析，仿真處理流程圖如圖8所示。

主要的仿真條件和參數(shù)設(shè)置如下：

(1) 海區(qū)條件參數(shù)

考慮到本文提出的遠(yuǎn)程水聲通信方法的應(yīng)用背景，設(shè)定海區(qū)深度200 m，等深度，海水密度為1024 kg/m3，海底密度為1971 kg/m3，海底介質(zhì)聲速為1749 m/s，海底吸聲系數(shù)為0.37 dB/λ，水中聲速1500 m/s，聲速梯度分布為等聲速分布、正梯度分布、負(fù)梯度分布。本文只列出等聲速分布的仿真結(jié)果。

(2) 發(fā)射接收參數(shù)

氣槍聲源發(fā)射器深度為10 m，發(fā)射脈沖峰值聲源級(jí)為210 dB；接收水聽(tīng)器距離海底5 m，通信距離為200 km。

(3) 氣槍聲源參數(shù)

氣槍壓力為2000 Psi，容積為150 in3，熱力學(xué)參數(shù)為1.13。

生成的氣槍聲源脈沖仿真波形如圖9所示。

信道沖擊響應(yīng)和傳播損失仿真如圖10、11所示。選取通信指令序列“1010101010”，經(jīng)水聲信道傳輸衰減后的接收信號(hào)波形如圖12所示。經(jīng)匹配濾波后的波形輸出如圖13所示。

經(jīng)雙濾波后的波形輸出如圖14所示。經(jīng)位置凈化處理后，估計(jì)的脈沖時(shí)延位置如圖15所示，由仿真估計(jì)結(jié)果可知，能準(zhǔn)確估計(jì)出脈沖的時(shí)延信息，并與通信指令序列相匹配，驗(yàn)證了本文提出的遠(yuǎn)程水聲通信方法在原理上是有效的。

Fig14 Waveform of double α filter output

2.6 性能優(yōu)化分析

水聲信號(hào)的檢測(cè)和估計(jì)受接收信噪比影響較大，本文對(duì)不同接收信噪比條件下的誤碼率進(jìn)行了仿真統(tǒng)計(jì)，如圖16所示。提高接收信噪比的途徑有兩種，一是盡可能提高發(fā)射聲源級(jí)，即合理化設(shè)計(jì)氣槍聲源工作參數(shù)；二是接收端采用水聽(tīng)器陣列接收，提高空間增益，具體優(yōu)化措施可根據(jù)工程實(shí)現(xiàn)需求而定。

脈沖信號(hào)的一致性也是影響通信性能的重要因素之一，通過(guò)對(duì)不同信噪比條件下，不同脈沖信號(hào)的一致性進(jìn)行誤碼率的統(tǒng)計(jì)仿真，信號(hào)一致性越高，則通信誤碼率越低，如圖17所示。由前面分析可知，氣槍聲源產(chǎn)生的脈沖信號(hào)一致性在90%以上，能夠滿(mǎn)足通信要求。

多途對(duì)水聲通信性能的影響是非常大的，并且不易消除，也是水聲通信中最常見(jiàn)也是最難克服的一個(gè)問(wèn)題。本文在研究過(guò)程中對(duì)消除多途影響的方法進(jìn)行了仿真研究，增大編碼間隔能有效消除多途影響，在相同信噪比、相同地形和聲速分布情況下，通信誤碼率隨著編碼間隔的增大越來(lái)越小。建議編碼間隔大于兩倍多途時(shí)間，以此來(lái)降低或者去除多途的影響。

此外，還可通過(guò)多源組陣多次連續(xù)發(fā)射來(lái)增加信號(hào)的時(shí)域帶寬積，提高匹配濾波的增益，從而提高通信的檢測(cè)概率，降低通信系統(tǒng)的誤碼率，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)健性。

3 結(jié)論

氣槍聲源產(chǎn)生的強(qiáng)聲脈沖波具有聲源級(jí)高、頻率低、易編碼等諸多優(yōu)點(diǎn)，擁有傳統(tǒng)換能器所不具備的性能優(yōu)勢(shì)，將氣槍聲源用于水聲通信，通信距離能夠滿(mǎn)足低速率遠(yuǎn)程遙控水下作業(yè)設(shè)備的需求。本文針對(duì)具體應(yīng)用情況，從脈沖編碼方式、檢測(cè)識(shí)別方法兩方面提出了具體的技術(shù)解決途徑，并進(jìn)行了仿真分析，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控水下作業(yè)設(shè)備提供了一種新途徑，能夠保障指揮船在更遠(yuǎn)的距離對(duì)水下作業(yè)設(shè)備實(shí)施有效控制?？紤]到氣槍聲源產(chǎn)生的信號(hào)形式單一，編碼方式有限，在實(shí)際復(fù)雜水聲信道條件下的性能，還需做進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

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Air-gun based remote underwater acoustic communication

ZHANG Xiao-liang1, ZHAO An-bang2, YI Ke-jia1, ZENG Cai-gao2, HUANG Fu-li1, PAN Yue1

(1.Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory,Beijing100036, China;2.Harbin Engineering University,Harbin 150001,Heilongjiang, China)

In order to remotely control long–distance underwater acoustic communication and to effectively extend action range, this paper proposes a method of using air-gun as a sound source for underwater acoustic remote control. Taking commercial air-gun as an example, the feasibility of the air-gun used for remote underwater acoustic communication is analyzed from three aspects: sound source level, frequency and consistency. High source level and low frequency ensure that sound pulse emitted by air-gun can be spread over a long range underwater and high consistency ensures that the sound pulse could be coded and detected accurately. According to the need for transmission of the instruction level remote information, the time-delay pulse coding method and signal detection method are proposed. The simulation is carried out in different hydrological conditions, and shows that the proposed methods are an achievable approach to remotely controlled underwater acoustic antagonistic equipment such as acoustic decoy, to provide reliable communication for long distance underwater operation from mother ship and to support cooperative work of far multi-nodes.

airgun source; remote control; pulse coding; acoustic communication

TB556

A

1000-3630(2015)-03-0269-06

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.016

2014-06-20;

2014-10-08

張曉亮(1979－), 男, 陜西岐山人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樗暭八晫?duì)抗技術(shù)。

張曉亮, E-mail: zxl.seri@163.com