北極高速水聲通信實驗初步研究

文洪濤，楊燕明，黃清華，周小平，周鴻濤

北極高速水聲通信實驗初步研究

文洪濤1，楊燕明1，黃清華2，周小平2，周鴻濤1

(1. 自然資源部第三海洋研究所，福建廈門 361005；2. 廈門聲戎科技有限公司，福建廈門 361005)

因海冰覆蓋和獨特的聲速剖面特征，北極水聲信道有其特殊性，為研究、開發和利用北極，需要開展北極水聲通信研究。2017年夏季在北冰洋中心區開展了一次距離1.26 km、通信速率為1.2 kbps的冰下水聲通信實驗。實驗結果表明通信系統的載波頻率偏高、聲接收端背景噪聲級較高以及水聲信道上界面的海冰分布較為復雜是導致實驗結果誤碼率偏高的主要原因，提出了相應的改進措施和建議。實驗過程中，水聲通信設備系統工作良好無故障。此次實驗為極地水聲通信裝備的研制、極地水聲通信的研究與應用積累了寶貴經驗。

北極；水聲通信；水聲信道；海冰

0 引言

因全球變暖，海冰融化，北極地區在航運、漁業和石油天然氣開發等方面所呈現出的巨大商業和戰略價值使其成為國際社會焦點[1]，加強北極的科學考察研究具有重要意義。其中極地聲學研究可追溯到第二次世界大戰后，1947年美國就成立“北極潛艇實驗室”，并在1958年8月13日，其核潛艇鸚鵡螺號到達北極點[2]。因海冰覆蓋，在北極直接利用衛星系統進行水下通信和導航十分困難，使得水聲通信成為潛艇等水下航行器在冰下進行信息傳輸的主要方式[3]。近年來，國外十分重視北極的冰下水聲通信，美國2011年在北極進行了潛艇通信的“深海傳呼機”試驗[2,4]。該試驗利用冰基浮標、自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)和水下滑翔機等在北極開展了冰下水聲通信和導航的試驗研究[5-7]，其特點是采用低頻載波實現遠距離通信，通信距離可從幾十公里到幾百公里，但因帶寬有限，通信速率僅為幾比特到十幾比特。

近年來，我國科學家也日益關注極地聲學的研究[2-3,8-12]。在北極水聲通信方面，相關學者開展了冰下水聲信道的仿真研究[13-14]。為降低多途效應和實現低信噪比下的水聲通信，采用參量陣技術[15-16]和直序擴頻系統[16]進行研究，并在松花江進行了冰下實驗驗證。此外，還開展了多輸入輸出[17]和多用戶檢測[18]的冰下水聲通信研究，并在渤海進行了冰下實驗驗證。

目前國內還未見到北極冰下水聲通信實驗研究成果的公開文獻報道，本文針對中國第八次北極科學考察開展的一次北極冰下高速水聲通信實驗，對實驗情況進行介紹，對實驗結果進行研究分析，以期為我國以后的北極水聲通信實驗研究提供有益的參考和寶貴經驗。

1 實驗背景及系統介紹

北京時間2017年8月4日，在北冰洋中心區開展了一次冰下水聲通信實驗，實驗站位位置如圖1所示，圖中為聲信號發射位置，為聲信號接收位置，二者相距約1 260 m，站位處水深約為2 047 m。圖2給出了實驗原理示意圖。實驗時，以浮冰觀測站為平臺，在浮冰上鉆孔，將發射換能器布放至水深55 m處；以考察船為平臺，將接收水聽器同樣布放至水深55 m處。實驗過程中，調查船處于漂泊狀態，但出于安全考慮，主輔機沒有關閉，所以接收端背景噪聲較高。實驗期間的平均風速為10.13 m·s-1。實驗海區的實測聲速剖面如圖3所示，為北冰洋典型的聲速正梯度剖面，并形成“半聲道”現象。根據現場觀測結果，聲發射冰站和考察船之間的聲通信路徑上海冰覆蓋率不高，約為40%～50%，這是因為考察船位于無冰水道上。從考察船拍攝的冰站照片如圖4所示，圖中聲發射冰站和考察船之間的海冰分布情況為：冰站浮冰-無冰水道-浮冰-無冰水道，這種冰、水交替的海面反而增加了水聲信道上界面的復雜性，不利于聲信號的傳播。

圖1 冰下水聲通信實驗站位圖

圖2 冰下水聲通信實驗布設圖

圖3 聲速剖面圖

圖4 從考察船眺望聲信號發射冰站

實驗所用設備為廈門聲戎科技有限公司的水聲通信機，發射端為UDD-630N發射單元，由發射顯控系統、電池供電系統、功率放大器和發射換能器等部分組成；接收端為UAM-630接收單元，由接收水聽器、電池供電系統和采集存儲控制系統等組成。該設備采用的是多載波多頻移鍵控(Multi-Carrier-Multiple Frequency Shift Keying, MC-MFSK)通信系統，該通信系統的基本框架結構如圖5所示。圖5中，信源由發射機的現場可編程陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)芯片完成前向糾錯編碼(Forward Error Correction, FEC)，基帶數據映射和快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)。再插入由喚醒序列、地址碼、信號和偽隨機序列(Pseudo-Noise, PN)碼同步頭等一系列編碼，經數字模擬轉換器(Digital to Analog Converter, DAC)數模轉換成模擬信號后，通過功率放大器驅動水聲換能器在水中發射出去。聲信號經過水聲信道傳播后由接收端的水聽器接收，經放大濾波后由模數轉換模擬數字轉換器(Analog to Digital Converter, ADC)電路轉換成數字信號，再送入FPGA芯片進行解碼。解碼時先對接收到的數字信號進行快速傅立葉變換，再經過基帶數據解調，最后通過FEC譯碼，得到信源信息。通信系統的帶寬為5 120 Hz；載波中心頻率為30 kHz；聲傳輸速率最大為1.2 kbps。采用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)調制方式，共分成128個子載波，其中120個子載波用于傳輸信息，每個OFDM傳輸30 bit。聲信號發射端的冰站實驗現場照片如圖6所示。

圖5 MC-MFSK通信系統的基本框架結構

圖6 聲信號發射端的冰站實驗現場照片

2 實驗結果與討論

本次實驗發送數據的幀信號結構如圖7所示，由喚醒部分、獲取部分和數據部分組成。圖8、9分別給出了發射信號和接收信號的時域和頻域結構，可以看出，接收端存在多個干擾脈沖，且背景噪聲級顯著升高。接收端采用相關接收機，接收信號與多個信號計算相關值，然后進行比較，找出具有最大相關峰值的信號，再把這個信號解映射到對應的比特值，圖10為接收端同步信號的相關處理結果。

實驗過程中聲信號發射單元共依次發射了7個數據包，其中第2、3、5、6、7包有應答，第1和第4包無應答。第1包數據是由于DM365芯片中log文件的保存出現問題，沒有顯示出該數據包的信息，通過殘留信息可以將第一包數據用現場可編程門陣列(FPGA)解碼出來，并上報。第4包數據的同步信號Chirp可以檢測到，但是導頻碼的誤碼率高，在FPGA的層面上就選擇丟包。在接收端解碼后數據包將與發送原始數據包進行每比特對比，并統計誤碼個數。誤碼率等于誤碼比特數/數據包比特數。有應答的接收數據的誤碼率統計如表1所示。

從表1統計結果來看，本次實驗的誤碼率偏高，綜合分析可能有以下幾個原因：

(1) 實驗的載波頻率偏高。已知北極冰下聲傳播有較強的選頻衰減特性，頻率為15～30 Hz的聲波傳播最佳，在30 Hz以上，隨著頻率的升高，衰減急劇增加[2]。考慮到通信速率和通信帶寬的需求，本水聲通信實驗系統的載波頻率為30 kHz，在今后的實驗中為了提高通信距離和降低誤碼率可適當降低載波頻率。

圖7 幀信號的結構

(a) 時域波形