畢 彥 景永剛 陳夢英

（1.海軍駐上海地區(qū)水聲導航系統(tǒng)軍事代表室 上海200032； 2.中國科學院聲學所東海站 上海200032）

擴頻技術在淺海水聲測距中的應用

畢 彥1景永剛2陳夢英2

（1.海軍駐上海地區(qū)水聲導航系統(tǒng)軍事代表室 上海200032； 2.中國科學院聲學所東海站 上海200032）

傳統(tǒng)的水聲系統(tǒng)由于主要使用單頻脈沖信號，因而無法克服距離分辨力和作用距離之間的矛盾。文中主要研究如何將擴頻編碼m序列編碼技術應用到水聲測距中的方法，既詳細分析了淺海水聲多途信道的特點，也給出了用于水聲測距的擴頻數(shù)字模型，并進行系統(tǒng)性能仿真與水池試驗驗證。結果表明：增加m序列碼元周期和減小脈寬能夠增加測量精度，頻譜越寬則抗干擾性越強。該項研究為擴頻技術在水聲測距與定位中的實際應用提供了較好參考。

擴頻技術；水聲測距；m序列

引 言

淺海域無論在軍事上還是在民用上都是十分重要的戰(zhàn)略區(qū)域。由于淺海聲信道是一個極其復雜的隨機時-空-頻變信道，其主要特征表現(xiàn)為復雜性、多變性、強多途、高噪聲和有限的使用頻帶寬度。在這種復雜的信道中實現(xiàn)信息傳輸，不僅通信速率低，可靠性差，而且傳輸距離較近［1］。

傳統(tǒng)的水聲跟蹤定位系統(tǒng)主要使用單頻脈沖信號。單頻脈沖信號無法克服距離分辨力和作用距離之間的矛盾。在淺海中，嚴重的多途也會影響單頻脈沖信號到達時刻的測量精度，且單頻脈沖信號保密性差，不易隱蔽，很容易被敵方識別、截取和攻擊。這些弱點限制了單頻信號的應用。擴頻技術可以克服單頻信號的弱點。

近年來國外的IXSEA公司和Sonardyne公司已研制成功基于擴頻技術的水聲跟蹤定位系統(tǒng)。Sonardyne公司開發(fā)的Fusion系列，擁有通用的現(xiàn)代化硬件處理平臺，使用數(shù)字信號處理技術，能夠同時支持傳統(tǒng)的單頻脈沖信號和寬帶信號。這套設備目前已應用于很多領域，比如：Grand Banks水冰、新加坡海峽、非洲西部深水區(qū)和墨西哥海灣。據(jù)介紹，Sonardyne公司的設備工作在中頻，利用擴頻技術獲得很高的距離分辨能力，在距離為780 m時，測量精度可以達到1 cm［2］。目前國內雖然也有一些研究［3-4］，但尚無同類產品，在這個領域還很薄弱，開展此方面的研究工作很有必要。

1 水聲擴頻技術

擴頻技術是現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸中采用的信道復用新技術，其信號所占的頻帶寬度遠大于所傳信息的最小帶寬。頻帶的展寬是通過編碼和調制的方法實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端則用相同的擴頻碼進行相關調整及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。由于水聲擴頻技術是發(fā)射端用擴頻碼序列進行擴頻調制，將信號送到水聲信道中傳輸，接收端用相關解調技術，從而大大擴展了信號的頻譜，使其具有抗干擾、抗噪聲、抗多途、保密性、隱蔽性、多值復用、高精度測量等一系列優(yōu)良性能［5-6］。但水聲信道復雜多變，很多在雷達信道中成熟的技術在聲納中卻無法達到預期效果。因而研究水聲信道的特點是把擴頻技術引入到水聲技術中的必要環(huán)節(jié)。

1.1 淺海水聲信道特點

我國的沿海地區(qū)多為淺海，淺海是指聲傳播明顯地受海面和海底邊界影響的海域。在分析淺海聲場時，除考慮直達聲以外，還必須考慮經過一次和多次海面、海底的反射聲，總聲場等于直達聲和這些反射聲的疊加。淺海中聲傳播損失依賴于海面、海水介質和海底的許多物理參數(shù)，而且擴頻信號為高頻信號。綜合以上特點，本文選用高斯射線束（GRAB）聲線傳播理論，對高頻信號在淺海中傳輸?shù)男诺罌_激響、接收信號進行仿真研究?；谏渚€聲學理論的GRAB方法適用于高頻情況，形象直觀、數(shù)學計算簡單，可非常有效地解決海洋中的聲場問題。其聲壓幅值等參數(shù)都與頻率有關，且因GRAB的計算結果是基于亥姆霍茲方程的頻域解，因此，當發(fā)射信號為寬帶信號時，接收信號的時域波形求解問題可以解決［7］。

假設發(fā)射信號為被調制的偽隨機序列，其中心頻率30 kHz、脈寬20 ms、碼元寬度63/20 ms、碼元數(shù)63。海深取為120 m、聲源深度30 m、接收點深度75 m，與聲源橫向距離1.3 km。海水密度均勻、恒定聲速，發(fā)射信號聲壓幅值為1，由GRAB求得的信道沖擊響應函數(shù)和接收信號時域波形如圖1和下頁圖2所示。

由圖1可以看出，淺海多途效應非常嚴重，而從圖2中還可以看出，寬帶信號由于頻散效應相應時間點的幅值是起伏的。

圖 2 淺海信道中接收信號時域波形

1.2 水聲擴頻的實現(xiàn)

水聲擴頻技術的實現(xiàn)方法是通過編碼和調制將單頻信號的頻段展寬，其中編碼一般是通過偽隨機碼或偽隨機序列來實現(xiàn)的。由于擴頻信號的時間帶寬積，可在寬的信號帶寬條件下實現(xiàn)遠距離、高可靠的水聲測距。本文使用應用最為廣泛的m序列編碼，序列長度為N、碼元寬度為Tc，它的相關函數(shù)是［8］：

由式（1）可知，擴頻信號的自相關峰尖銳，能量主要集中在-Tc≤τ≤Tc之間。當信道存在多徑時，只要多徑時延超過偽隨機碼的一個碼元寬度，則經過匹配處理后，可消除或減弱這種多徑干擾的影響。下面給出直接序列系統(tǒng)應用到水聲測距中的系統(tǒng)模型，如圖3、圖4所示。

圖3 m序列發(fā)射端

圖4 m序列接收端

圖5 m序列的匹配濾波器

在該系統(tǒng)中，匹配濾波器的階數(shù)為m序列的周期，沖激響應是m序列的鏡像函數(shù)，傳輸函數(shù)是m序列頻譜的復共軛，其結構如圖5所示。m個匹配濾波器對應著m個不同的發(fā)送端。

1.3 擴頻技術測距能力

水聲測距都有兩個重要的參數(shù)：最大測量距離和距離分辨力，其中最大測量距離與發(fā)送功率、脈沖寬度T成一定的正比例關系。也就是說發(fā)送功率越大，脈沖寬度T越大，最大測量距離越遠。

直接序列系統(tǒng)測距的最小距離分辨能力如下，詳細的推導請參閱參考文獻［5］。

式中：c為聲速；Tc為碼元寬度。

由式（2）可見，測距分辨能力僅與擴頻碼的碼元寬度Tc有關。擴頻技術測距有效地解決了CW信號最大測量距離和距離分辨能力之間的矛盾。

2 系統(tǒng)性能仿真

假設收發(fā)端已經取得同步，仿真的參數(shù)如下：中心頻率f0=30 kHz；脈寬20 ms；m序列周期N=63；碼片時間Tc=20/63 ms；信噪比10 dB。

存在多途時，接收端接收信號的時域波形如圖6所示，匹配濾波器輸出如圖7所示。從圖7可以看到匹配濾波器的輸出依然具有尖銳的峰值。這說明圖3～圖6所示的直接序列系統(tǒng)模型的抵抗多途干擾能力很好，能夠用于淺海等多途徑嚴重的水域。

圖6 m序列擴頻信號

圖7 匹配濾波器輸出

3 試驗驗證

圖8 試驗結構圖

為了驗證系統(tǒng)的可行性，在水池進行了實驗。該水池的尺寸為：10 m×5 m×5 m，池壁和池底為普通混凝土，不能吸聲，所以存在嚴重多途，這正好可以用來檢測本文設計的直接序列系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)的結構圖如圖8所示。該系統(tǒng)的算法與控制界面由C++Builder編寫。其中，發(fā)送端的任意波形發(fā)生器采用NI公司的NI 6733數(shù)據(jù)采集卡，使用C++Builder編寫界面。NI 6733輸出的信號經過功率放大器后送入換能器。接收端采用NI公司的NI 4461數(shù)據(jù)采集卡，水聽器出來的信號先經過一個可以起放大作用的帶通濾波器，再送入NI 4461進行數(shù)據(jù)采集并進行相應的信號處理，結果送入上位機中。

圖9與圖10分別是N=31和N=127的m序列的試驗截圖。由圖9與圖10中帶通濾波器的輸出波形可以看出，多途干擾非常嚴重，原本只有20 ms的信號到達接收端時，遠遠長于20 ms。匹配濾波器輸出圖中第一個波形是接收信號的局部放大圖。在這種惡劣的情況下，匹配濾波器的輸出(最底下的波形)依然有明顯的峰值，說明我們設計的系統(tǒng)抗多途干擾的能力較好。比較圖9和圖10后發(fā)現(xiàn)，碼元長度越長，匹配濾波器輸出效果越好。

圖9 N=31擴頻系統(tǒng)水池試驗波形

圖10 N=127擴頻系統(tǒng)水池試驗波形

4 結 論

本文對于淺海水聲測距的直接序列擴頻系統(tǒng)，進行了仿真和水池實驗。主要結論如下：

（1）直接序列擴頻系統(tǒng)用于水聲跟蹤定位系統(tǒng)時，m序列碼元寬度決定了測量精度，增加m序列周期和減小脈寬都能增加測量精度，但是要考慮到換能器的帶寬和水聲信道的帶寬。

（2）在水聲技術研究中，多途傳播引起的干擾始終是個難以解決的問題。該擴頻系統(tǒng)是排除干擾，即是設法將較強而穩(wěn)定的有用信號分離出來，排除其它路徑來的干擾信號，也就是采用分集接收處理的方法。效果較好。

（3）擴頻系統(tǒng)擴展的頻譜越寬，相關檢測或匹配濾波的處理增益就越高，抗干擾性能就越強。對于單頻干擾、其他偽隨機調制信號的干擾，擴頻系統(tǒng)都有抑制干擾、提高輸出信噪比的作用。

［1］ KILFOYLE D B， BAGGEROER A B. The state of the art in underwater acoustic telemetry［J］. IEEE Journal of Oceanic Engineering， 2000，25：4-27.

［2］ 王華亮. 擴頻技術在水聲跟蹤定位系統(tǒng)中的應用［D］.上海： 中國科學院聲學研究所， 2010：1-2.

［3］ 宋磊， 王大成，梁珊珊，等. 擴頻技術在水聲定位系統(tǒng)中的應用研究［J］ . 聲學技術， 2007，26（5）：102-104.

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［5］ 田日才. 擴頻通信［M］．北京：清華大學出版社，2004.

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Application of spread spectrum technology in underwater acoustic distance measurement system in shallow sea

BI Yan1JING Yong-gang2CHEN Meng-ying2

(1. Shanghai Representative Office of Military in Underwater Acoustic Navigation System, Shanghai 200032, China; 2. Shanghai Acoustics Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China)

Since the traditional underwater system usually uses single frequency pulse signal, there is a contradiction between range ambiguity and ranging accuracy. This paper mainly studies the application of the m-sequence spread spectrum technology into the underwater acoustic distance measurement system. It analyzes in detail the multipath feature of the underwater channel, and presents the model of the direct-sequence spreadspectrum, as well as the system performance simulation and the pool testing certification. The results show that the increase of the m-sequence symbol period and the reduce of the pulse width can improve the measurement accuracy, and the wider the spectrum, the stronger the anti-interference. It can be a good reference for the practical application of the spread spectrum technology in the underwater acoustic distance measurement..

spread spectrum technology; underwater acoustic distance measurement; m-sequence

TB556

A

1001-9855（2014）01-0077-05

中科院聲學所東海站知識創(chuàng)新工程項目。

2013-04-02；

2013-05-05

畢 彥（1976-），男，工程師，研究方向：水聲導航技術。

景永剛（1974-），男，副研究員，研究方向：水聲信號處理。

陳夢英（1986-），女，碩士，研究方向：水聲信號處理。

圖 1 信道時域沖激響應函數(shù)