一種水下無人航行器水聲遙控方法研究*

蘇 軍

（91388部隊(duì)94分隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

隨著水下無人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，UUV 通過搭載任務(wù)單元越來越多的應(yīng)用于水下地形探測、偵察搜索監(jiān)視、管線巡視檢測等領(lǐng)域。由于受自身感知和自主決策能力限制，UUV 在水下長期航行時(shí)，外界的信息支持和人為干預(yù)就顯得十分必要，可極大提高UUV執(zhí)行任務(wù)的效率［1～2］。

目前，對水下航行器水聲遙控一般采用多元頻移鍵控（MFSK）、擴(kuò)頻通信等技術(shù)。MFSK 技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單，可以采用非相干檢測技術(shù)，但對多普勒頻移較為敏感，在航行器快速機(jī)動(dòng)時(shí)，通信距離和誤碼性能較差；擴(kuò)頻通信一般采用偽隨機(jī)碼對信息進(jìn)行調(diào)制，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但接收端需保持嚴(yán)格時(shí)間同步，增加了較大開銷，對能量受限的UUV來說顯得較為突出。

Chirp 擴(kuò)頻（CSS）是利用其頻率在整個(gè)帶寬上的線性變化的正弦脈沖信號來傳輸信息，不需要偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻，也不需要嚴(yán)格時(shí)間同步，一般用于低速、低功耗的雷達(dá)和水聲通信系統(tǒng)中。雙曲調(diào)頻信號（HFM）相對于Chirp 信號（LFM），具有嚴(yán)格意義上的多普勒不變性，且相關(guān)檢測旁瓣較小，更適用于相對運(yùn)動(dòng)的通信系統(tǒng)中［3～4］。

文章針對水下航行器遙控通信問題，采用雙曲調(diào)頻信號（HFM）擴(kuò)頻調(diào)制方法，其本身即作為通信前導(dǎo)信號，用于符號同步、信道估計(jì)等，同時(shí)也可以攜帶數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對水下航行器的遙控通信。

2 HFM信號特性分析

線性調(diào)頻信號（Linear Frequency Modulation，LFM）是聲吶常用信號，其瞬時(shí)頻率呈線性變化，具有產(chǎn)生簡單、近似多普勒不變性等優(yōu)點(diǎn)，但其并不是嚴(yán)格的多普勒不敏感，其匹配濾波后的旁瓣較大。而雙曲調(diào)頻信號HFM 則正好彌補(bǔ)了這個(gè)不足，雙曲調(diào)頻信號的帶通形式表示為［5～6］

式中f1為信號的起始頻率；f2為信號的截止頻率；T為信號時(shí)長。與LFM 不同，HFM 信號瞬時(shí)頻率不呈線性增長，而是以雙曲線的形式增長。其瞬時(shí)頻率可表示為

由式（2）可以看出，fs(0)=f1，fs(T)=f2。瞬時(shí)頻率在起始頻率f1和截止頻率f2之間，連續(xù)單調(diào)，且服從雙曲分布。

假設(shè)HFM 信號經(jīng)過多途信道后的多普勒擴(kuò)展因子為a，那么接收端的HFM 信號瞬時(shí)頻率可以表示為

可以推導(dǎo)出，當(dāng)Δt0滿足：

下面等式成立：

由式（5）得出，對于HFM 信號，其多普勒擴(kuò)展可等效于頻率調(diào)制函數(shù)在時(shí)間上的平移，接收信號的調(diào)制特性保持不變，因此，HFM 信號具有嚴(yán)格的多普勒不變性［7～8］。

當(dāng)選用起始頻率6kHz，截止頻率為9 kHz，時(shí)長0.02s 的HFM 信號，其時(shí)域波形、時(shí)頻圖和模糊度函數(shù)圖如圖1、2 所示。在目標(biāo)相對運(yùn)動(dòng)速度為0 m/s、3 m/s、5m/s、10 m/s 時(shí)的相關(guān)檢測結(jié)果如圖3所示。

圖1 HFM信號時(shí)域波形和時(shí)頻圖

圖2 HFM信號模糊度圖

圖3 HFM信號不同速度下的相關(guān)檢測

從上述圖中可以看出，HFM 信號時(shí)延分辨率較高，在相對運(yùn)動(dòng)10 m/s 時(shí)，相關(guān)檢測峰值仍比較尖銳。

3 M元HFM信號擴(kuò)頻水聲通信

系統(tǒng)將兩個(gè)信息比特采用Gray 編碼映射為四個(gè)可能的HFM信號脈沖，這種映射使2比特信息同時(shí)被譯錯(cuò)的可能性大為降低，映射關(guān)系如表1 所示［9～10］。

表1 數(shù)據(jù)比特和HFM的映射關(guān)系

HFM擴(kuò)頻水聲通信原理如圖4所示。

圖4 HFM擴(kuò)頻水聲通信原理框圖

系統(tǒng)發(fā)送端將用戶二進(jìn)制數(shù)據(jù)比特先進(jìn)行Gray 編碼映射，再經(jīng)串并轉(zhuǎn)換分為多組，接著用不同HFM 信號進(jìn)行擴(kuò)頻，多個(gè)擴(kuò)頻信號疊加形成數(shù)據(jù)幀，而后添加前導(dǎo)信號，進(jìn)行發(fā)送。經(jīng)水聲信道后，接收端通過前導(dǎo)信號進(jìn)行定時(shí)同步，接著用本地HFM 信號與接收信號做相關(guān)檢測，并串轉(zhuǎn)換，解映射后，譯碼恢復(fù)出用戶二進(jìn)制數(shù)據(jù)［11～12］。

4 計(jì)算機(jī)仿真研究

利用Matlab進(jìn)行算法仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)仿真參數(shù)為采用4HFM-SS 調(diào)制，信息比特流用Gray 編碼映射為4 個(gè)正負(fù)斜率HFM 信號，采樣頻率設(shè)置為48kHz，采用重采樣模擬相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移；信號所占頻帶約為4kHz，一幀信號持續(xù)時(shí)間2s左右，通信速率大約為50bps。

仿真信道根據(jù)淺海典型水文條件由采用某水聲信道模擬軟件給出，模擬海深約為50m；聲源位于水平距離0m、垂直深度10m 的位置；接收機(jī)位于水平距離5000m、垂直深度20m 的位置；從聲源到接收機(jī)共有41 條多徑。其局部特稱聲線圖如圖5所示。模擬信道的沖激響應(yīng)如圖6 所示。因?yàn)椋?）如果反射聲線到達(dá)時(shí)間已經(jīng)超過信號的接收時(shí)間，那接收信號便不再受此多途影響；2）多次反射聲線能量衰減很大，其作用可以忽略。所以仿真時(shí)可以選取其中部分路徑。

圖5 模擬水聲信道特征聲線圖（局部）

圖6 模擬的水聲信道沖激響應(yīng)

背景噪聲采用帶限的高斯白噪聲。

在模擬水聲信道和帶限高斯白噪聲背景下，圖7 為經(jīng)過信道和白噪聲加擾后的時(shí)域、頻域信號，圖8 是接收信號與本地同步碼相關(guān)檢測的結(jié)果，圖9 是在模擬信道條件下-10dB、-5dB 信噪比情況下與Chirp擴(kuò)頻通信（CSS）方案通信誤碼性能比較。

圖7 經(jīng)過模擬水聲信道的信號（SNR=-5）

圖8 接收信號與本地HFM相關(guān)檢測結(jié)果

圖9 誤碼率仿真結(jié)果

從以上仿真結(jié)果看出，采用HFM 信號擴(kuò)頻水聲通信方案，100 比特?cái)?shù)據(jù)的通信發(fā)射信號持續(xù)時(shí)間在2s左右，在淺海典型水聲信道、-5dB信噪比條件下即可實(shí)現(xiàn)無誤碼傳輸，系統(tǒng)的穩(wěn)健性要明顯好于Chirp擴(kuò)頻（CSS）方案。

5 結(jié)語

文章著眼目前水下無人航行器自主能力不高，尚需外界適時(shí)信息支持和遙控干預(yù)的需求，分析并設(shè)計(jì)了一種基于CSS 擴(kuò)頻理論的HFM 信號擴(kuò)頻水聲通信方案，理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，該方法簡單、可靠，且抗多途、多普勒性能優(yōu)異，在淺海典型水聲信道-5dB 信噪比條件下即可實(shí)現(xiàn)無誤碼傳輸，系統(tǒng)的穩(wěn)健性要明顯好于Chirp 擴(kuò)頻通信（CSS）方案，具有良好的應(yīng)用前景。