水下輕便微小型多功能編碼聲源系統研究

張慶國， 李興武， 連 莉， 顏家雄

(昆明船舶設備研究試驗中心， 昆明， 650051)

0 引 言

近年來，我國大力推動海洋科技向創新引領型轉變，各種新型水聲工程裝備不斷涌現[1-3]，如水下無人系統、水下滑翔機等設備組成更高復雜度的水下無人作戰體系[4]。在水下設備或平臺進行作業時，其水下位置信息至關重要，工程上多采用水下合作目標定位跟蹤系統來實現水下目標位置信息的實時測量[5]。水下合作目標定位跟蹤按照工作方式主要分為兩種： 同步式和應答式。同步式需要在工作前與接收端進行時標同步，具有測量精度高、數據更新速度快、結構簡單等優點，但因為需要試前同步操作，使用操作略為復雜；應答式無須試前同步操作，可利用查詢與應答往返的聲信號信息進行定位跟蹤與通信，具有使用便捷、誤碼率低等優點，但存在數據更新速率慢，軟硬件結構相對復雜等不足。由于同步式水聲定位系統具有更高的跟蹤精度，在實際工程應用中多采用同步跟蹤方案[6]，而同步聲源便是水聲實時定位跟蹤的配套設備，其性能直接影響甚至決定水聲定位跟蹤系統的性能指標及功能實現。

國外水聲工程裝備技術起步較早，成果豐富，推出了一系列的高性能商用乃至軍用水聲定位產品，如美國的雷神公司(Raytheon Company)、挪威的康斯伯格海事公司(Kongsberg Maritime)、英國的Sonardyne、 CTG公司(Chelsea Technologies Group)等[7]。以Sonardyne公司某型產品為例，其工作頻率為18～36 kHz，具備水聲定位及應答通信功能，尺寸為Φ76 mm、L436 mm。相對來說，國內研究起步較晚，高端民用市場幾乎被國外壟斷[8]。但近年來隨著軍用及民用海洋工程技術的不斷提高，國內水聲工程相關設計和研究技術發展迅猛。中國船舶重工集團公司第715所研制的聲學釋放器為國內首型水聲工程裝備，工作水深可達1 000 m；哈爾濱工程大學研制的深海高精度超短基線定位系統為我國7 000 m載人潛水器“蛟龍”號、深海纜控潛水器“發現”號和深海水下聲學拖體等提供了水下精確定位服務[9]。雖然國內水聲定位跟蹤技術研究為國防及民事應用提供了及時的技術保障，但在小型化水下航行體應用中較為薄弱，未見市場有相關工程類產品級應用。

現有聲源系統通常存在尺寸大、重量大等不足，甚至難以在小型水下航行體上配套安裝。因此，針對輕型滑翔機、觀察型ROV(remote operated vehicle，無人遙控潛水器)等小型水下航行體的水下試驗測試，以及水下作業中的高精度實時水聲定位跟蹤需求，開展小型化、多功能編碼聲源技術研究，研制便攜式多功能編碼聲源系統，滿足小型水下航行體的匹配安裝與多目標水聲定位跟蹤等多功能測試需要。

1 系統設計與研制方案

1.1 系統總體設計方案

系統總體采用一體化集成綜合設計方案，將該聲源設計為以配套使用為主，同時兼顧獨立使用的水聲工程設備/產品，既可作為常規水聲定位跟蹤配套聲源，又可獨立作為水聲遙測與遙控設備，具有靈活的使用方式和廣闊的應用前景。該聲源系統通常與水聲工程設備配套使用，亦可獨立作為水聲通信與遙測、遙控設備使用。系統典型工作情況如圖1所示。

對于小型化水下航行體的定位跟蹤及綜合測控系統來講，水聲基陣接收端可采用多種形式，但配套聲源系統成為主要關鍵設備，需解決小型、輕量化與多功能、獨立工作之間的矛盾平衡問題。

文中針對水下小型航行體的水下定位跟蹤及相關測控需求，設計一種可在深海使用的小型一體化多功能編碼聲源。該聲源系統技術設計的主要要求是：

(1) 具備實時水聲定位聲信號同步或非同步發射功能，同時具備實時接收遠端水聲通信或遙控信號與應答功能。

(2) 具備尺寸小、重量輕以及連續工作時間長等特點，以滿足小型水下航行體實航測試安裝與使用需求。

(3) 具備多個水下聲源編碼組網功能，便于水下多系統集群式組隊使用。

(4) 具備獨立電源系統，同時兼顧水下航行體供電(供電系統需具備自動切換功能)，以提高連續長時工作能力。

(5) 滿足深海1 000 m的獨立使用條件，兼顧湖海使用環境。

綜上所述，該聲源系統具備實時水聲定位跟蹤匹配聲信號發射，具備水下航行體姿態參數的編碼發射以及接收遠程水聲指令完成相應的控制命令等功能，屬于定位及綜合測控聲源系統。

該方案與水聲工程中常規聲源或應答器設計方法不同的是： ①小型聲源在小尺寸基礎上集成深度、姿態等傳感器，集成高效能電池及相關控制與處理功能，可設置為同步或應答兩種定位模式，同時設計有全雙工通道，即在定位跟蹤過程中可實時接收水面聲學查詢等命令，并對其應答和執行；②考慮到多個水下目標的實航測試，設計聲源可在試前進行單獨編碼設置，即給每個水下聲源賦予唯一的編號，以滿足多目標水聲定位測控需求；③綜合調試設備與常規單純試前設置不同的是，不僅可以完成對聲源的試前設置，還具備試中聲源狀態查詢和全雙工應答與通信功能。

1.2 系統主要技術指標

綜合國內外類似產品的通用特點，結合當前小型滑翔機湖海試驗測試需求，水下便攜式可應答同步聲源采用一體化集成設計方案，設計聲源外形尺寸為直徑70 mm，長度200 mm，重量不大于1.5 kg，連續工作時間不少于8 h，且工作水深可達1 000 m，其主要技術指標如表1所示。

表1 主要技術指標

(續 表)

1.3 系統組成

水下便攜式可應答同步聲源主要由小型聲源和配套綜合調試設備兩部分組成。小型聲源安裝在被測水下目標上，可獨立完成相應的水聲定位、水聲遙測及水聲遙控等功能，綜合調試設備主要用于聲源的工作參數設置，試前同步等相關操作，同時也是聲源配套的水面操控平臺。系統原理框圖如圖2所示。

如圖2所示，小型聲源安裝在水下目標上獨立工作，綜合調試設備在試前通過電纜與小型聲源進行連接，對聲源的工作參數進行設置，如工作模式、工作頻段、聲源編碼等。同時，利用GPS(global positioning system，全球定位系統)衛星信號處理后進行聲源的時鐘同步，確保聲源內部時鐘與水聲基陣接收端一致。

小型聲源和配套綜合調試設備是聲源系統的主要組成部分，如圖3所示。綜合調試設備采用組合式設計方案，集成應答與顯控功能，基本原理在此不做詳述。小型聲源主要由組合換能器、電子水密艙、深度傳感器、姿態傳感器和調試接口組成。如果設置為應答定位模式，則自動接收查詢信號進行應答；反之為同步式，試前需進行同步設置。聲源在具體工作中可通過綜合調試設備進行全雙工查詢與遙控，為水下目標的航行安全提供應急操控手段。

如圖3所示，綜合調試設備上電后選擇小聲源同步模式，之后進行高精度恒溫晶振預熱，以保證小型化聲源內部時鐘工作穩定。預熱完成之后自動進行同步設置，并自動檢測同步是否成功。如果同步失敗，那么將自動重新進行同步設置，并將相關信息反饋給綜合調試設備進行顯示。

1.4 基本工作流程

聲源在具體使用前，需利用綜合調試設備(見圖3)，根據本次試驗的具體要求進行參數設置，可選設置為同步、應答和讀取數據三種方式。其中同步模式即為常規高精度同步式水聲定位跟蹤模式，為水下小型航行體提供位置信息，特別適用于一定區域范圍內的高精度水聲定位及應急遙測、遙控；應答式為查詢和應答回復模式的定位跟蹤，實際會受限于水聲基陣的查詢情況，多用于長時遠航程測量；讀數模式主要是為了讀取聲源在水下工作時實時解算的深度、姿態等傳感器原始信息，便于試后分析和比對。

圖2 系統原理框圖

圖3 系統工作連接示意圖

2 關鍵技術分析

水下便攜式可應答同步聲源系統關鍵技術分為信號產生、功率放大以及樣機研制。其中信號產生中除了精確產生所需編碼信號外，還需保證在同步工作模式下長時穩定工作，確保同步精度；功率放大需兼顧18～36 kHz與9～14 kHz兩個較寬頻帶的帶內平坦；需要綜合平衡聲源功能、性能與結構、重量、工作時長之間的矛盾，研制原理樣機，并進行實航測試。

2.1 信號產生與功率放大

在水聲定位跟蹤的實際工程中，常采用頻率、相位等調制方式，對于聲源產生來說，多以單頻和調頻信號為主[10]，結合相應的編碼算法獲得最終聲源發射所需的信標信號。因此，聲源系統中信號的產生必須精確且高效。

為實時高精度產生信標，采用直接數字頻率合成(direct digital synthesis， DDS)原理構建信號發生器，如圖4所示。DDS是一種基于抽樣定理的二維模擬信號與數字信號的轉化，其本質是通過相位量化進行頻率合成，具有頻率分辨率高、頻率捷變時間短、波形失真小等優點[11-12]。DDS主要由頻率控制字、相位控制字、相位寄存器、波形存儲器、數模轉換器(D/A)以及低通濾波器組成。

圖4 DDS信號產生及相位累加原理框圖

如圖4所示，統一在系統時鐘fc的觸發下工作，其相位累加器是DDS的核心組成部分。相位累加器由N位加法器和N位相位寄存器構成，產生尋址波形存儲器的數字序列，數字序列范圍從0到累加器的滿偏值。初始狀態將相位控制字(P)送給寄存器，它決定所產生波形的起始相位。當信號產生時，每來一個時鐘加法器將頻率控制字(K)與寄存器輸出數值進行相加，再把相加后的結果送給寄存器數據輸入端，寄存器將相位數據返回到加法器數據輸入端，準備進行下次與頻率控制字的相加，同時產生尋址波形存儲器所需的地址序列。當相位累加器超過滿偏置時，就會產生一次溢出，完成一個周期動作。

設計中將頻率控制字設為K，參考時鐘為fc，相位累加器位數為N，將一個周期的余弦信號幅值編碼存儲在波形存儲器中，則第n周期相位累加器輸出序列為

θ(n)=mod(nK, 2N)

(1)

波形存儲器輸出序列為

(2)

根據式(2)中輸出信號展開傅里葉級數表達式為

(3)

其中，將式(3)中只取實部表示為S(t)的三角函數形式：

(4)

由式(3)和式(4)可以看出，輸出信號除包括主頻f0外，還存在頻率分布為fc±f0、 2fc±f0等非諧波分量，因此為得到主頻為f0的信號，還需在DAC輸出端加截止頻率為fc/2的低通濾波器。

DDS產生的信號頻率為

(5)

式中： 當K為1時，DDS輸出頻率最低，根據奈奎斯特定律，DDS最大輸出頻率可達fc/2，但在實際情況下，為保證輸出精度，規定每個周期最低采樣精度為8個點，于是K最大值為2N/8，輸出最大頻率為fc/8。

信號頻率分辨率為

(6)

DDS模塊通過可編程邏輯器件構建，FPGA通過設置DDS模塊頻率控制字和相位控制字來改變輸出信號。考慮到實際工程中對聲源主要指標的調整需要，聲源系統中信號產生部分以FPGA為主，在傳統DDS結構的基礎上，引入了參數調整模塊，通過FPGA編程，靈活實現各類調制信號的產生，并能通過參數傳輸方式對載波抑制和輸出功率進行實時調整，具有結構簡單、調試便捷等特點。

采用線性功率放大，同時加上橋式功放結構，進一步提高發射功率，從而提高聲源級。線性功放與常規開關功放相比，線性功放發射電壓便捷可調、適應與匹配性好，工作可靠性高，并且容易與前級調制電路匹配，不易產生脈沖諧波干擾[13]。功率放大組件主要由信號驅動級、功率放大級和匹配網絡三部分組成，信號驅動級由增益控制和推挽驅動將電信號調整到合適的范圍，并保證有足夠的驅動電流；功率放大級由大功率器件和變壓器將信號放大到足夠的功率輸出；匹配網絡為LC電路[14]，使不同頻率信號輸出效率達到最優。

2.2 樣機研制

水下便攜式可應答同步聲源主要安裝在小型水下航行體上，除滿足試驗測試及提供應急操控等安全措施外，亦不能明顯影響航行體水下航行性能。相對來說，要求系統聲源發射聲源級高，工作時間長，體積小，重量輕，按照常規設計方法很難實現，需以總體需求為主綜合設計。系統采用一體化集成綜合設計方案，壓縮電路尺寸。對電路功耗、抗干擾性、功率放大電路所需的線圈、電容及匹配電路和結構進行了綜合設計，組件結構緊湊，配合密切，減小了系統尺寸與重量。聲源主體結構以及系統實物如圖5所示。

(a)

(b)

(c)

如圖5所示，為滿足深海1 000 m的基礎使用條件，同時降低整體重量，聲源的水密艙選用TC4鈦合金材料，同時具備良好的耐腐蝕性能。聲源樣機尺寸為直徑70 mm、長度210 mm，重量1.45 kg；實際測試連續工作時長為12 h(1 s周期，12 h后聲源級降低3 dB)；深海工作深度采用壓力釜進行12.5 MPa的水壓測試，確保滿足深海1 000 m的實際使用要求。

當前國內外水下聲源主要用于水下大尺寸目標的配套安裝，如ROV、 AUV(自主式水下潛水器)、 UUV(無人潛航器)、水下滑翔機等水下航行體，通常采用段體式結構或獨立式結構。由于受到使用條件及相關技術的約束，當前聲源存在功能單一、尺寸較大、重量重等不足。本系統主要針對當前國內外聲源用于小型水下航行體實航測試的需求，設計研制一種小型一體化的多功能聲源，本聲源系統與國內外常用聲源系統的比較情況如表2所示。

由表2可知，當前國內外常用的聲源主要用于水下聲學定位跟蹤測試，在性能指標上，國外標準產品的聲源級與深度測量精度略高。與現有產品相比，本文所論述的聲源系統具有尺寸小、重量輕以及功能全等優點。

綜上所述，設計與研制的聲源系統滿足在小型水下航行體上直接安裝的條件，性能滿足設計輸入的相關技術指標。

3 試驗測試

該聲源系統研制完成后，經過相應可靠性及環境試驗，具備了實航安裝測試條件。具體以某小型民用滑翔機為載體，在國內某水域進行實航測試。為了確保水聲定位測量的精度，本次實航試驗以同步式模式為主。首先，在小型滑翔機上安裝水下聲源，試前利用綜合調試設備進行參數與同步設置；同步完成后，該聲源進入等待入水同步工作；入水后，聲源檢測入水傳感器及深度傳感器，滿足綜合判斷條件后，聲源發射同步定位信標信號；水聲定位跟蹤系統實時進行水下小型滑翔機的定位測量，完成本次實航試驗。實航水聲定位跟蹤結果如圖6所示。

表2 國內外類似聲源系統對比表

(a)

(b)

如圖6所示，文中所述的小型聲源可滿足常規小型水下航行體的匹配安裝要求，并在國內某水域進行實航試驗。試驗結果證明，該聲源配合某型水聲定位跟蹤系統可實現超過3 km范圍內實時定位跟蹤，其定位精度可達5‰，航行參數的水聲遙測誤碼率可達10-5。由此可見，該聲源系統實時水聲定位跟蹤精度高(發射的聲信號質量好，時延估計穩定可靠)、測量數據連續可靠，距離較遠(聲源級較高)，并且相應應答控制滿足全雙工要求，具有良好的工程實用性。

另外，該聲源還在大型水下航行體的實航試驗中配套完成了相應的測試驗證，為多型水下航行體的實航試驗和多目標水下作業提供了配套定位設備。

4 結 語

該小型多功能編碼聲源采用一體化集成綜合設計方案，該聲源系統內部集成電子電路及電池，利用收發合置換能器陣及時頻編碼方式實現全雙工定位脈沖發射與遠程水聲命令信息的接收。該聲源安裝于某小型水下滑翔機上，通過某湖上實航試驗證明該聲源系統功能及性能指標均滿足設計輸入的具體要求。

該聲源系統除可應用于多種小型水下航行體的水下定位測量外，亦可在中、大型水下航行體上便捷安裝，特別是近年來隨著水下多ROV復雜安裝施工需求和水下集群技術應用的發展[15]，為該聲源系統的市場應用提供了廣闊的前景。