水下通信定位識(shí)別一體化波形優(yōu)化方法

徐媛媛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

由于電磁波在水中傳播時(shí)衰減嚴(yán)重，而聲波是人類(lèi)迄今為止已知的唯一能在水中遠(yuǎn)距離傳播的能量形式，海洋中的探測(cè)、通信、定位、導(dǎo)航和識(shí)別主要是利用聲波實(shí)現(xiàn)的[1]。因此，對(duì)水下通信定位識(shí)別一體化波形優(yōu)化的研究主要集中在對(duì)水聲通信、定位、識(shí)別的研究之上。

水聲通信技術(shù)經(jīng)歷了從模擬通信階段到數(shù)字通信的發(fā)展過(guò)程。主要分為采用非相干調(diào)制和相干調(diào)制兩大類(lèi)。非相干調(diào)制方式在抗強(qiáng)多途干擾、大信號(hào)起伏和低信噪比上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但帶寬利用率較低。相干調(diào)制方式的傳輸速率更高，但存在計(jì)算復(fù)雜度高的問(wèn)題[2]。

水下目標(biāo)定位的主要手段是依賴(lài)于幾何原理的水聲學(xué)定位方法。按照接收基陣的尺寸或應(yīng)答器基陣的基線(xiàn)長(zhǎng)度來(lái)分類(lèi)，水聲定位技術(shù)可以分為長(zhǎng)基線(xiàn)、短基線(xiàn)和超短基線(xiàn)三種。長(zhǎng)基線(xiàn)和短基線(xiàn)系統(tǒng)多采用距離——距離系統(tǒng)，而超短基線(xiàn)系統(tǒng)多采用距離——方位系統(tǒng)。按照工作方式可分為同步式水聲定位系統(tǒng)和異步式水聲定位系統(tǒng)，分別采用球面（或雙曲面）交匯的方法得到目標(biāo)在信號(hào)發(fā)射時(shí)刻的相對(duì)或絕對(duì)坐標(biāo)。

身份識(shí)別是水下各平臺(tái)協(xié)同應(yīng)用中需要解決的首要問(wèn)題之一。主要分為協(xié)同識(shí)別和非協(xié)同識(shí)別兩種?！皡f(xié)同”識(shí)別中目標(biāo)的身份屬性信息是采用事先約定的方式進(jìn)行交換的。非協(xié)同方式中識(shí)別方不需要被識(shí)別目標(biāo)的配合,通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)方式獲取目標(biāo)的物理特征和輻射信號(hào)后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取、分類(lèi)和特征匹配實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)身份屬性的判別。所以協(xié)同識(shí)別方式信息獲取速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、識(shí)別率高、容易建立安全和保密的信息交換方式[3-4]。

目前，水下通信、定位、識(shí)別技術(shù)多是從單一技術(shù)的研究為主，缺少對(duì)集水聲通信、定位和識(shí)別功能于一體的多功能系統(tǒng)的研究。因此，為解決水下各平臺(tái)間的信息分發(fā)、態(tài)勢(shì)共享和指揮控制等協(xié)同應(yīng)用問(wèn)題，需要實(shí)現(xiàn)水下通信、定位、識(shí)別一體化波形優(yōu)化技術(shù)，為水下網(wǎng)絡(luò)化信息系統(tǒng)的研制與發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 方法流程

步驟1：根據(jù)系統(tǒng)指定的發(fā)射聲源級(jí)SL、傳輸距離r和聲納指向性指數(shù)DI，通過(guò)聲傳播損失經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)圖1和海洋環(huán)境噪聲譜曲線(xiàn)圖2，確定水聲傳輸波形信號(hào)的中心頻率f，執(zhí)行步驟2。

圖1 水下聲傳播損失經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)圖

聲傳播損失TL計(jì)算公式如下：

步驟2：根據(jù)系統(tǒng)指定的發(fā)射聲源級(jí)SL、傳輸距離r和聲納指向性指數(shù)DI，通過(guò)被動(dòng)聲納方程選擇合適的水聲傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬Δf1，執(zhí)行步驟3。

圖2 深海環(huán)境噪聲譜曲線(xiàn)圖

噪聲級(jí)NL計(jì)算公式如下：

被動(dòng)聲納方程如下：

步驟 3：根據(jù)得到的水聲傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬Δf1和中心頻率f，通過(guò)被動(dòng)聲納方程計(jì)算得到系統(tǒng)指定發(fā)射聲源級(jí)SL、傳輸距離r和聲納指向性指數(shù)DI條件下的傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)檢測(cè)閾DT，執(zhí)行步驟4。

步驟 4：根據(jù)得到的水聲傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)檢測(cè)閾DT，以及系統(tǒng)指定的誤碼率指標(biāo)，確定水聲傳輸波形信號(hào)的調(diào)制方式和編碼方式，執(zhí)行步驟5。

步驟 5：根據(jù)得到的水聲傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)的調(diào)制方式和編碼方式，以及系統(tǒng)定位的工作方式，確定水聲傳輸波形的同步信號(hào)形式及信號(hào)頻帶范圍Δf2，執(zhí)行步驟6。

步驟 6：根據(jù)得到的水聲傳輸波形的同步信號(hào)形式及信號(hào)頻帶范圍Δf2，若滿(mǎn)足系統(tǒng)定位的最小分辨距離指標(biāo)Δd，執(zhí)行步驟7；若不滿(mǎn)足距離分辨率指標(biāo)，執(zhí)行步驟 3，修正之前得到的傳輸波形信號(hào)的帶寬Δf1。

步驟 7：根據(jù)得到的水聲傳輸波形的同步信號(hào)形式及信號(hào)頻帶范圍Δf2，以及系統(tǒng)指定的定位工作方式和傳感器節(jié)點(diǎn)距離r，選擇合適的水聲傳輸波形同步信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度T，執(zhí)行步驟8。

步驟 8：根據(jù)得到的水聲傳輸波形同步信號(hào)時(shí)長(zhǎng)T，計(jì)算通信定位識(shí)別一體化波形的敵我識(shí)別概率。若滿(mǎn)足系統(tǒng)識(shí)別功能指標(biāo)，執(zhí)行步驟 9；若不滿(mǎn)足系統(tǒng)識(shí)別功能指標(biāo)，執(zhí)行步驟 7，修正之前得到的同步信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度T。

圖3 水下通信定位識(shí)別一體化波形優(yōu)化方法工作流程圖

步驟 9：根據(jù)得到的水聲傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)的調(diào)制方式和編碼方式，以及同步信號(hào)形式、頻帶范圍Δf2和時(shí)長(zhǎng)T，計(jì)算得到通信定位識(shí)別一體化波形的信息傳輸速率。

2 實(shí)例說(shuō)明

（1）根據(jù)系統(tǒng)指定的發(fā)射聲源級(jí)SL=150dB、傳輸距離r=5km和聲納指向性指數(shù)DI=0，通過(guò)圖2所示的聲傳播損失經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)和圖3所示的海洋環(huán)境噪聲譜曲線(xiàn)，確定水聲傳輸波形信號(hào)的中心頻率f=6kHz 。

（2）根據(jù)系統(tǒng)指定的發(fā)射聲源級(jí)SL、傳輸距離r和聲納指向性指數(shù)DI，通過(guò)被動(dòng)聲納方程選擇水聲傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬Δf1=4kHz。

（3）根據(jù)得到的水聲傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬Δf1=4kHz和中心頻率f=6kHz，通過(guò)被動(dòng)聲納方程計(jì)算得到系統(tǒng)指定發(fā)射聲源級(jí)SL、傳輸距離r和聲納指向性指數(shù)DI條件下的傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)檢測(cè)閾DT=-1 2dB 。

（4）根據(jù)得到的水聲傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)檢測(cè)閾DT，以及系統(tǒng)指定的誤碼率指標(biāo)BER＜10-4，確定水聲傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)采用未編碼的（8，255）循環(huán)移位擴(kuò)頻的BPSK調(diào)制方式。

（5）根據(jù)得到的水聲傳輸波形信號(hào)的調(diào)制方式和編碼方式，以及系統(tǒng)采用基于短基線(xiàn)的異步式距離——距離水聲定位方式，確定水聲傳輸波形的同步信號(hào)形式為與數(shù)據(jù)信號(hào)并行的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度為 255，信號(hào)頻帶范圍為Δf2=4kHz 。

（6）根據(jù)得到的水聲傳輸波形的同步信號(hào)形式及信號(hào)頻帶范圍Δf2，計(jì)算得到最小分辨距離Δd=0.75m ，滿(mǎn)足系統(tǒng)定位的距離分辨率指標(biāo)Δd＜1m 。

（7）根據(jù)得到的水聲傳輸波形的同步信號(hào)形式及信號(hào)頻帶范圍Δf2，以及系統(tǒng)指定的定位工作方式和傳感器節(jié)點(diǎn)距離r，選擇水聲傳輸波形同步信號(hào)的擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度為 255，同步信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度T=127.5ms 。

（8）根據(jù)得到的水聲傳輸波形同步信號(hào)時(shí)長(zhǎng)T，計(jì)算通信定位識(shí)別一體化波形的敵我識(shí)別概率，滿(mǎn)足系統(tǒng)識(shí)別功能指標(biāo)。

（9）根據(jù)得到的水聲傳輸波形數(shù)據(jù)信號(hào)的調(diào)制方式和編碼方式，以及同步信號(hào)形式、頻帶范圍Δf2和時(shí)長(zhǎng)T，計(jì)算得到通信定位識(shí)別一體化波形的信息傳輸速率Rb=62bits/s 。

依據(jù)水下通信定位識(shí)別一體化波形優(yōu)化方法設(shè)計(jì)的波形，在發(fā)射聲源級(jí)SL=150dB 、傳輸距離r=5km 和聲納指向性指數(shù)DI=0條件下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了Rb=62bits/s 的誤碼率BER＜10-4的通信功能、5km范圍內(nèi)最小分辨距離Δd＜1m的距離——實(shí)現(xiàn)了距離方式定位功能和敵我識(shí)別概率的識(shí)別功能。

3 結(jié)語(yǔ)

水下通信定位識(shí)別一體化波形優(yōu)化設(shè)計(jì)流程與方法，針對(duì)現(xiàn)有水下多功能一體化系統(tǒng)研究的不足，提出了一種基于水聲傳輸波形的多功能優(yōu)化設(shè)計(jì)流程和方法，與傳統(tǒng)的傳輸波形設(shè)計(jì)相比，在波形設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮定位和識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)一套傳輸波形實(shí)現(xiàn)水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信、定位和識(shí)別三種功能，可以有效促進(jìn)水下作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的形成以及態(tài)勢(shì)信息的分發(fā)與共享，為提升水下多平臺(tái)協(xié)同能力提供重要基礎(chǔ)。