一種具有二級觸發功能的水聲釋放器遙控系統

吳燕藝，江偉華，童峰

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一種具有二級觸發功能的水聲釋放器遙控系統

吳燕藝，江偉華，童峰

(廈門大學水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室，福建廈門361005)

水聲釋放器在海洋環境監測、水下施工和海洋測繪等領域發揮著重要作用。考慮到長期值守對低功耗的要求，傳統水聲釋放器采用簡單的非相干頻率調制解調方法進行遙控，要求遙控信號有較高的信噪比，因此易被非授權方截獲、復制從而導致丟失。基于STM32微處理器設計了一種頻率調制結合擴頻調制的二級觸發釋放器遙控系統，該系統在通過作為第一級觸發的頻率檢測后，需對低信噪比擴頻信號檢測進行二級觸發，從而提高系統的可靠性、安全性。海上實驗結果表明了該方案的有效性。

水聲遙控；低功耗；STM32；二級觸發

0 引言

水聲釋放器是一種常用的水聲遙控設備，在水下工程、地震測量、石油探測、水文分析等方面都有廣泛應用。法國Oceano Technologies公司[1]、美國的Benthos公司[2]等開發了系列化的水聲釋放器產品，可滿足不同海洋條件下的需要。國內研制的釋放器在工作水深、應答距離、連續工作時間和可靠性方面與國外先進水平相比較還有一定的差距。西北工業大學基于自主研制的短基線水下定位系統進行應答釋放器設計[3]。杭州瑞聲海洋儀器有限公司的SFO-1型聲學釋放器是國內少數的商用聲學釋放系統，連續工作時間為90天，釋放作用距離為3000 m[4]。

考慮到支持水下長時間工作的低功耗要求，水聲釋放器通常采用實現簡單方便的非相干頻率調制解調方案，如MSP430系列微功耗處理器具有功耗低、精度高、尺寸小等特點，具有5種低功耗工作方式[5]。但由于微功耗處理器運算功能比較有限，所以水聲釋放器遙控系統通常采用對特定頻率進行非相干檢測喚醒釋放器。而非相干頻率檢測需要較高的接收信噪比，因此常規水聲釋放器的遙控信號容易被截獲、復制，從而導致釋放器被非授權方喚醒并回收，造成重要數據丟失等嚴重后果。

針對上述問題，本文采用兼具低功耗和較高運行能力的STM32微處理器設計了一種具有二級觸發功能的水聲釋放器遙控系統。該系統采用二級觸發體制：處理器以極低功耗模式進行非相干頻率檢測等待第一級觸發，以保證系統長期值守；通過第一級觸發的頻率檢測后，處理器被喚醒進行擴頻碼的相關檢測以通過二級觸發功能，二級觸發后方可遙控水聲釋放器。由于作為第二級觸發信號的擴頻碼信號可在較低信噪比情況下進行檢測，能夠有效防止非授權方通過截獲、復制頻率調制遙控信號導致的釋放器丟失，從而提高水聲釋放器的使用安全性。最后通過海上試驗驗證了本文方案的有效性。

1 具有二級觸發功能的水聲釋放器遙控方案設計

本文所設計的水聲釋放器遙控系統在傳統非相干檢測基礎上增加了二級觸發模式，以保證長期值守及對擴頻信號的相關檢測能力，從而提高系統的安全性和可靠性。系統的主要功能模塊包括：

第一級觸發為非相干頻率檢測，整個水聲釋放器遙控系統保持在低功耗狀態下進行檢測，以達到長期值守的要求，值守電路負責檢測喚醒信號與產生喚醒中斷[6]。值守電路包括前置放大、帶通濾波器、包絡檢波、比較器等四個功能單元。該部分能夠完成對水聽器接收信號的放大濾波，并進行檢波比較，從而喚醒處于休眠狀態的處理器。在此模式中，微處理器處于低功耗工作模式，以實現釋放器的長時間值守功能。

第二級觸發為相關檢測，處理器采集帶通濾波后的接收信號并對其采用拷貝相關算法進行擴頻信號檢測。通過檢測后，系統的二級觸發機制生效，啟動對釋放器的遙控，可有效提高釋放器使用的安全性。本文系統使用m序列編碼的擴頻信號，可在極低信噪比下進行檢測，從而降低被截獲概率。具有二級觸發功能的水聲釋放器遙控系統框圖如圖1所示。

2 系統實現方案

2.1 硬件設計

本文遙控系統硬件設計方案主要由以下幾個部分組成：低功耗運放構成的前置放大電路、MAX274芯片構成的帶通濾波電路、UAF42構成的窄帶濾波電路。此外，還包括有源包絡檢波電路、比較電路、加法電路及其外圍器件組成的信號處理模塊。主控制器采用ARM公司的超低功耗單片機STM32，結合其豐富的片上外設資源和處理能力，負責整個系統的待機值守。單片機在相對簡單的邏輯控制中具有低功耗、低硬件成本、編程易實現等優點。

STM32微處理器采用32位Cortex-M3內核，最高工作頻率為72 MHz，具有較強的信號處理能力，為實時信號能量檢測提供了有利保證；同時，STM32含有3種低功耗模式：休眠、停止和待機模式，這三種模式為其功耗管理提供了極好的性能保證，在72 MHz時消耗36 mA(所有外設處于工作狀態)，待機時下降到2 μA[7]。并具有豐富的內部模塊如DMA、11個定時器、多達112個多功能雙向I/O口均可映像到16個外部中斷等方便系統調用，在存儲器的零等待周期訪問時可達1.25 DMips/MHz，具有單周期指令乘法和硬件除法器，其高性能的信號處理能力滿足系統在信號解碼時大量相關運算的需要。

2.2 遙控信號幀格式

淺海信道極其復雜，在時間、空間、頻率三方面對信號產生極其嚴重的影響，為了抑制水聲信道頻率選擇性衰落帶來的影響，第一級觸發信號本文采用時延編碼方式[8]，即利用不同頻率脈沖信號間的時間間隔對遙控指令進行編碼。如圖2所示，其中，、、分別為信源中的三種頻率，3種頻率的脈寬一致，但碼元間時延不相同。若值守電路以正確的頻率、時延接收到三種頻率的信源，則啟動第一級觸發，主控處理器喚醒等待第二級觸發信號。

圖2為本文遙控信號示意圖，包括了用于進行第一級觸發的頻率調制信號和進行第二級觸發的擴頻信號，其中前者采用較大功率發射，后者則采用低功率發射。作為第二級觸發信號的擴頻碼(Pn)，碼元時間寬度為，主控處理器對接收到的Pn信號進行拷貝相關處理，在時間窗內，通過對相關峰的計算來判別是否啟動二級觸發。

2.3 軟件實現

系統接收機的工作流程圖如圖3所示，在微控制器STM32沒有收到接收信號的觸發中斷時，整個系統處于低功耗的休眠模式，此時整個系統的電流消耗只有3 μA。

一級觸發后STM32處理器喚醒，主頻為72 MHz同時可調用FFT庫函數，如完成1024點FFT運算只需1.0941 ms，因此可支持高性能的數字信號處理實現對擴頻碼的匹配濾波檢測。

在軟件實現方面，本文方案采用多級防誤動措施，避免受到干擾信號的影響，導致釋放器進行釋放動作。軟件處理時序圖如圖4所示。

通過第一級觸發信號的檢測后喚醒STM32處理器，并開啟采集窗口對信號進行采集及相關檢測，考慮到完成第一級觸發的時刻受包絡檢波、電平比較電路影響將存在一定的起伏，發射信號格式中在擴頻信號前設定一定的保護間隔；同時，考慮到多徑擴展的影響，設定采集窗寬度大于擴頻信號的寬度，以確保STM32處理器開啟采集窗能夠采集到完整的擴頻信號(如圖2所示)。

STM32處理器對采集窗內采集的接收信號與本地信號進行拷貝相關處理，通過對相關峰的計算來判別是否啟動二級觸發。若超過閾值，則啟動二級觸發，執行控制動作；若未超過閾值，則STM32再次進入低功耗的休眠模式。

3 海上實驗結果

為了驗證本文所設計的水聲遙控系統的性能，在臺灣海峽海域進行了本文設計的二級觸發釋放器遙控系統實驗。實驗海域水深180 m，接收模塊利用“延平二號”實驗船船載絞車吊放于水下150 m處，發射換能器從甲板吊放至水面以下3 m深度。系統第一級觸發信號中心頻率分別設置為14.25、15.5、16.75 kHz的調制信號；第二級觸發信號采用的擴頻碼長度=23 ms，采集窗長=50 ms。

海上實驗接收信號經過前放、濾波、檢波等得到的第一級觸發信號處理結果如圖5所示，圖5(a)為接收的第一級觸發信號波形圖，圖5(b)~5(d)分別表示經過三路檢波比較后的結果，圖5(e)由三路檢波比較結果累加得到，可有效保證對STM32處理器的第一級觸發動作。

第二級觸發支持低信噪比條件下的擴頻信號檢測，由于實驗中獲得的原始接收信號信噪比高，無法評估低信噪比性能，本文采用疊加實測海洋環境噪聲的方法近似分析了不同信噪比條件下的第二級觸發性能，以評估本文系統中第二級觸發信號的低截獲性能。疊加噪聲信號的信噪比(SNR)定義[9]：

(2)

其中：()為實驗接收到的原始高信噪比信號；()為實錄海洋背景噪聲；()為疊加噪聲信號。實驗中為了量化評估第二級觸發相關檢測輸出的性能，定義判決因子為

圖6為本文系統STM32處理器中采集的不同信噪比第二級觸發信號波形及相關運算結果。圖7為不同疊加噪聲信號信噪比條件下經STM32處理器進行相關處理后得到的檢測峰均比曲線圖。從圖7中可看出，第二級觸發信號的檢測峰均比在信噪比較低的情況下仍可滿足系統設定的檢測門限要求，實現二級觸發功能。

通過不同調制方式組合進行復合調制來隱藏信號和增加解調難度是提高系統低截獲概率的有效途徑[10-12]。本文設計的遙控信號利用頻率調制和擴頻技術相結合進行二級觸發來提高信號隱蔽性，非授權方僅通過截獲第一級頻率調制觸發信號無法實現對釋放器遙控系統的喚醒，從而降低被截獲的概率，提高釋放器使用中的安全性。

4 結論

針對常規水聲釋放器采用頻率調制遙控信號易被截獲、復制的問題，本文設計了一種具有二級觸發功能的水聲釋放器遙控系統，通過在遙控系統中增加對低截獲概率擴頻信號的檢測形成二級檢測機制，遙控信號由頻率遙控信號和低信噪比擴頻信號組成，從而可有效防止非授權方通過截獲、復制頻率調制遙控信號導致的釋放器丟失，提高使用的安全性。海上實驗結果驗證了本文系統的有效性。

致謝：感謝福建省海洋研究所“延平2號”科學考察船船員為本文試驗工作提供的幫助。

[1] 陳學良. 水聲應答器硬件及軟件設計[D].哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2012.

[2] 夏冬. 聲學釋放器數字電路設計與實現[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2010.

XIA Dong. Digital circuit design and implementation for acoustic release system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2010.

[3] 徐飛翔, 李斌,楊杰. 基于MSP430的低功耗深海應答釋放器設計[J]. 計算機測量與控制, 2010, 18(5): 1148-1150.

XU Feixiang, LI Bin, YANG Jie. Design of acoustic release transponder for seep water deployment[J]. Computer Measurement & Control, 2010, 18(5): 1148-1150.

[4] 王琪. 聲學釋放系統數字平臺設計及在同步定位系統中應用[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2009.

WANG Qi. The design of Acoustic release system digital platform and application in the synchronous positioning system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2009.

[5] 楊微, 秦華偉. 基于MSP430的深海低功耗數據采集系統[J]. 機電工程, 2009, 26(5): 16-19.

YANG Wei, QIN Huawei. Low power-consumption deep-sea data logger based on MSP430[J]. Mechanical & Electrical Engineering Magazine, 2009, 26(5): 16-19.

[6] 陳君, 萬洪杰, 王學偉. 基于DSP和MSP430的水聲應答器設計[J]. 計算機工程與設計, 2012, 33(10): 3817-3820, 3886.

CHEN Jun, WAN Hongjie, WANG Xuewei. Design of acoustic responder based on DSP and MSP430[J]. Computer Engineering and Design, 2012, 33(10): 3817-3820, 3886.

[7] 陳鑫, 秦宏偉. 基于Cortex-M3內核的STM32微控制器研究與電路設計[J]. 大慶師范學院學報, 2013, 33(6): 44-47.

CHEN Xin, QIN Hongwei. The research of microcontroller STM32 and circuit design based on Cortex-M3[J]. Journal of Daqing Normal University, 2013, 33(6): 44-47.

[8] 惠俊英, 劉麗, 劉宏, 等. Pattern—時延差編碼水聲通信研究[J]. 聲學學報, 1999, 24(6): 561-573.

HUI Junying, LIU Li, LIU Hong, et al. A study of pattern time delay coding underwater acoustic communication[J]. Acta Acustica, 1999, 24(6): 561-573.

[9] Narayanan A, Member S, Wang D. A CASA-Based System for Long-Term SNR Estimation[J]. IEEE Transactions on Audio Speech & Language Processing, 2012, 20(9): 2518-2527.

[10] 何惠江, 劉軍凱, 劉雪辰, 等. 聲納低截獲技術方法與策略研究[J]. 魚雷技術, 2010, 18(2): 99-103.

HE Huijiang, LIU Junkai, LIU Xuechen, et al. Techniques for low probability of intercept sonar[J]. Torpedo Technology, 2010, 18(2): 99-103.

[11] 黃鵬剛. 低截獲概率雷達技術研究[J].現代電子技術, 2003, 27(18): 24-28.

HUANG Penggang. Analysis of low probability of intercept radartechnology[J]. Modern Electronic Technology, 2003, 27(18): 24-28.

[12] 王燕, 韓成龍, 范展, 等. 一種低截獲水聲遙控信號的設計方法及性能分析[J]. 聲學技術, 2014, 33(3): 260-264.

WANG Yan, HAN Chenglong, FAN Zhan, et al. The design and performance analysis of a low intercept probability signal for underwater acoustic remote control[J]. Technical Acoustics, 2014, 33(3): 260-264.

A two-level remote control system of acoustic release transponder

WU Yan-yi, JIANG Wei-hua, TONG Feng

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian, China)

The acoustic release transponder plays an important role in marine environmental monitoring, underwater construction and marine mapping, and so on. Taking into account the low power requirements to support long lifetime, the traditional acoustic release transponder uses simple frequency modulation and demodulation for signal detection, thus the remote control signal is easily intercepted and copied by unauthorized user. To improve the reliability and safety, a scheme of developing a two-level remote control system is presented by incorporating the classic frequency modulation with the spread spectrum modulation. With the proposed method, following the non-coherent detection of frequency modulation signals, the receiver needs to detect the low SNR spread spectrum signal to finish the two-level remote control. Based on STM32 microprocessor, the design and implementation of the proposed scheme is provided. The offshore experimental results validate the effectiveness of the proposed method.

acoustic remote control; low power consumption; STM32; secondary trigger function

TN929.3

A

1000-3630(2016)-01-0006-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.002

2015-03-14;

2015-05-27

國家自然科學基金資助項目(11274259)

吳燕藝(1990－), 女, 福建人, 碩士研究生, 研究方向為水聲通信。

童峰, E-mail: ftong@xmu.edu.cn