極淺海域波浪滑翔器跨介質(zhì)通信實驗

楊義軍，姚俊輝，陳東升，童 峰，蘭維瑤

（1. 廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361005；2. 廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361005；3. 廈門大學(xué) 水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點實驗室，福建 廈門 361005）

0 引言

由于海洋的資源和空間在國家經(jīng)濟社會發(fā)展中占有重要地位，在建設(shè)海洋強國的戰(zhàn)略指導(dǎo)下，我國開展了大量的海洋探測設(shè)備研發(fā)。構(gòu)建海天跨界質(zhì)通信網(wǎng)絡(luò)是保證國家海洋主權(quán)進行海洋資源勘探和開發(fā)的重要技術(shù)。

由于水和空氣交界面的限制，跨介質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸是海洋研究的一大難關(guān)，構(gòu)建水下設(shè)備和水上終端進行跨介質(zhì)通信的海洋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)需要一種無人化、輕便化、隱蔽性強的設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點。國內(nèi)外研究團隊都對該領(lǐng)域進行實驗嘗試，NOAA/PMEL將NeMONet系統(tǒng)部署在東太平洋胡安德富卡脊沿岸距海岸482.803 2 km、水深1 500 m處，該系統(tǒng)能夠?qū)⒖茖W(xué)數(shù)據(jù)從海洋深處通過浮標(biāo)作為中繼直接傳輸?shù)疥懙亟邮战K端[1]。

法國的YOYO系統(tǒng)通過平臺在1 000 m深度采集測量數(shù)據(jù)后傳給水面浮標(biāo)后通過衛(wèi)星傳回岸上基站[2]。中國科學(xué)院水聲環(huán)境特性重點實驗室設(shè)計了一種用于淺海水聲通信的浮標(biāo)，并與水下運動平臺進行通信，在海上試驗中，浮標(biāo)無線通信距離達到 15.2 km，誤碼率不大于 10–6[3]。

2020年9月中國船舶集團有限公司第七一〇研究所王海軍課題組在海南進行基于“海鰩”波浪滑翔器的輔助通信網(wǎng)絡(luò)海上應(yīng)用實驗[4]。

上述大多研究、實驗都是基于浮標(biāo)這一不可控制物體作為中繼節(jié)點，位置不可實時依照需求進行改變。而實驗的海域多在深海、開闊海洋開展，水深較深、水文條件較為穩(wěn)定。

瀕海、島礁、碼頭港口、油氣工程相關(guān)海域往往屬于水深淺于20 m的極淺海域，這類極淺海域水深較淺，潮流、各類水下噪聲復(fù)雜，而靠近海岸的極淺海域中上述環(huán)境因素造成的影響更加明顯，對利用波浪滑翔器平臺開展跨介質(zhì)信息探測、感知、通信等工作造成極大挑戰(zhàn)。

針對極淺海域特點以及波浪滑翔器的優(yōu)勢，本文基于波浪滑翔器進行水聲、無線通信整合，在平均深度12 m 的廈門港海域開展海試實驗，并對實驗結(jié)果進行分析，以此評估通信鏈路的可靠性，為復(fù)雜淺海域跨介質(zhì)通信系統(tǒng)研究提供參考。

1 淺海環(huán)境

淺海水聲信道是一個時間-空間-頻率變化、強多徑干擾的信道。主要受以下幾方面因素影響：首先，當(dāng)聲波在海水中傳播時，隨著傳播距離的增加聲波的能量會被海水吸收，且頻率越高造成的損失越嚴(yán)重；其次，聲波在傳播過程中受邊界條件（海面和海底）影響，在海面或者淺海海底會產(chǎn)生聲射線的反射，造成聲波在多條路徑上傳播，這一現(xiàn)象被稱為多途效應(yīng)。

由于不同路徑的聲波能量衰減不同，到達接收端的時間也不同，因此會使接收信號在時域上表現(xiàn)出波形混疊造成碼間干擾，這一現(xiàn)象在淺海域中尤為突出。

海洋中的潮汐、波浪、船舶噪聲等海洋環(huán)境噪聲[5]的存在引起信號失真和信噪比降低對于水聲通信的效果有著直接影響，在淺海環(huán)境下環(huán)境噪聲高，且聲波在海水中傳輸?shù)膿p耗較大，使得接收信號的信噪比降低。低信噪比條件下不利于信號接收和解調(diào)。此外，由于海洋時變特性導(dǎo)致的海水介質(zhì)變化和收發(fā)端之間相對運動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)會使信號長度被壓縮或拉長，同時導(dǎo)致信號的載頻頻率發(fā)生偏移對解調(diào)產(chǎn)生影響[6]。

2 波浪滑翔器

波浪滑翔器是一種利用波浪動力來進行驅(qū)動的無人自主航行器，它能夠充分吸收海洋中長期存在的波浪能源將其轉(zhuǎn)換為前進動力，這種利用波浪能源產(chǎn)生動力的技術(shù)使無人航行器的無限續(xù)航成為可能。

波浪滑翔器主要由水面浮體平臺、水下的“滑翔機”和連接這2部分的纜繩組成，如圖1所示。水面浮體平臺搭載控制單元、太陽能電池板、通信導(dǎo)航模塊和各種傳感器等[7]。太陽能電池板能夠通過太陽能持續(xù)為波浪滑翔器上的設(shè)備進行供電；控制單元模塊能夠根據(jù)指令或是設(shè)定對搭載的儀器設(shè)備進行操控；北斗導(dǎo)航模塊能夠?qū)崟r確定波浪滑翔器的位置，實現(xiàn)波浪滑翔器按預(yù)定路線自主航行；無線通信模塊如數(shù)傳電臺，能夠通過無線鏈路快速傳遞波浪滑翔器采集的信息或是接收控制指令實現(xiàn)在岸上進行遠距離操控。

圖1 波浪滑翔器結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of wave glider

水下滑翔機由上下運動的水翼和尾部用于轉(zhuǎn)向的舵機結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)水面浮體平臺跟隨波浪上下運動時就會通過纜繩帶動水下“滑翔機”一起運動，水下“滑翔機”的翼板在水的作用下上下翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生驅(qū)動整體向前運動的力，而通過方向舵則可以控制整機的運動方向[8]。

3 水聲通信機

考慮到淺海信道惡劣傳輸特性，水聲通信調(diào)制方式采用直接序列擴頻結(jié)合DBPSK調(diào)制（二進制差分相位鍵控調(diào)制）其無需提取載波，并且抗頻漂、抗相位慢抖動能力強。

具體過程為原始信息進行差分編碼后使用偽隨機碼進行序列擴頻，經(jīng)載波調(diào)制后得到發(fā)射序列s（t）如式（1）所示。

接收端，將帶通濾波器輸出的時域信號與本地擴頻信息進行相關(guān)解擴后延遲一個碼元與前面碼元相乘進行解差分，經(jīng)判決后輸出解調(diào)后的信息[6，9]。

接收到的采樣信號為

其中Fs為采樣率，本地信號為

其與接收信號進行相關(guān)運算得到相關(guān)值COR（n）如下式所示：

當(dāng)n=FsTbk時，上式可表示為

式中，R1R2為偽隨機碼和載波的自相關(guān)值。

由此可得到差分編碼后的信息碼bk，通過解差分、信道估計適配處理[10]并結(jié)合高效信道編碼解碼從而恢復(fù)原始信息。該技術(shù)方案結(jié)合擴頻、信道估計適配、編碼解碼等手段，從而改善復(fù)雜淺海域下的通信性能。

4 實驗設(shè)置與結(jié)果分析

4.1 設(shè)備整合

波浪滑翔器搭載的水聲通信機實物如圖2所示，其載頻為15.5 kHz，通信速率60 bps，尺寸小，便于進行波浪滑翔機平臺整合，能穩(wěn)定工作。

圖2 水聲通信機Fig. 2 Underwater acoustic communication machine

前面對于波浪滑翔器、水聲通信機和通信方式進行了簡單的介紹，闡明了波浪滑翔器這一無人自主航行器的水上浮體和水下驅(qū)動體的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點在進行水下和水上跨介質(zhì)通信時的作為中繼節(jié)點的應(yīng)用優(yōu)勢。在通信方式上使用了直接序列擴頻這一抗干擾能力強的調(diào)制技術(shù)，并結(jié)合波浪滑翔機能耗的因素設(shè)計了低功耗的通信機，整合后成為天海通信的中繼節(jié)點，配合波浪滑翔器上集成的無線通信模塊和船上指揮控制終端以及船載甲板單元通信機進行通信，實現(xiàn)無線電轉(zhuǎn)水聲，水聲轉(zhuǎn)無線電的天海通信網(wǎng)絡(luò)。后基于這一整套設(shè)備開展本次海試實驗，實驗系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 實驗系統(tǒng)框圖Fig. 3 Block diagram of experimental system

4.2 實驗流程

實驗海域為廈門港海域，潮汐類型為典型的半日潮，實驗當(dāng)天天氣晴朗，海面狀況良好實驗所處海域平均水深約 12 m。船載甲板單元通信機從船邊布放于水深3 m處，并在下方懸掛鉛魚以保證通信機水下姿態(tài)穩(wěn)定。

與之前波浪滑翔器水聲通信類似工作[4]不同，本文設(shè)計的波浪滑翔器搭載水聲通信機固定在波浪滑翔器臍帶纜上如圖1所示，考慮到極淺海域如將水聲通信機固定在水下滑翔體上有可能因水深過淺導(dǎo)致通信機與海底產(chǎn)生碰撞損壞通信機。

波浪滑翔器操控界面如圖4所示，通過操控終端進行相應(yīng)操作，以及觀察波浪滑翔器的運動軌跡。在波浪滑翔器行進的過程中，通過無線鏈路操縱集成在波浪滑翔器的水面浮體平臺上的船載控制終端，可通過波浪滑翔器搭載水聲通信機與船載通信機甲板單位進行水聲通信，同時通過船載自容式水聽器采集收到的信號。

圖4 波浪滑翔器操作界面Fig. 4 Operation interface of wave glider

實驗船投放波浪滑翔器按照設(shè)定航線自主航行。波浪滑翔器移動過程中，每隔一段時間就多次進行無線轉(zhuǎn)水聲、水聲轉(zhuǎn)無線的跨介質(zhì)通信實驗，具體過程如下。

無線轉(zhuǎn)水聲：由甲板無線操作終端向波浪滑翔器下達信號發(fā)送指令，波浪滑翔器控制模塊收到指令后控制水聲通信機發(fā)送信號。實驗船甲板單元通信機接收到信號后將接收數(shù)據(jù)傳遞到上位機。

水聲轉(zhuǎn)無線：操作人員通過上位機由甲板單元發(fā)送指令信號，波浪滑翔器水聲通信機接收到信號后進行處理，處理結(jié)果經(jīng)由數(shù)傳電臺反饋給甲板無線操作終端。

4.3 實驗數(shù)據(jù)分析

實驗中水聲通信接收信號如圖5所示。上方為時域波形，下方為時頻圖。實驗中進行了12次水聲通信，每次實驗時間約為10 min，聲源信號級為180 dB，信噪比約為15 dB，最大通信距離6 km，實驗過程中均實現(xiàn)無誤碼通信。

圖5 水聲通信接收波形和時頻圖Fig. 5 Diagram of underwater acoustic communication receiving waveform and time-frequency

波浪滑翔機水聲通信實驗結(jié)果表明，在波浪滑翔器運動過程中通信機之間相互通信可實現(xiàn)無誤碼效果。證明了擴頻通信制式水聲通信機在波浪滑翔器上使用的可行性，驗證了在極淺海域依托波浪滑翔機構(gòu)建穩(wěn)定水聲無線跨介質(zhì)鏈路的有效性。

5 結(jié)束語

在國家海洋強國戰(zhàn)略下，提高海洋信息立體感知能力，為維護海洋權(quán)益、發(fā)展海洋經(jīng)濟、保護海洋生態(tài)提供信息支持，要求建立穩(wěn)定可靠的跨介質(zhì)海天通信鏈路。而水下收集的數(shù)據(jù)反饋到陸地接收端，需要把聲學(xué)信號轉(zhuǎn)換為空氣中的電磁信號。目前大多以浮標(biāo)等錨定設(shè)備作為跨介質(zhì)[1-3，11]通信節(jié)點，但是由于近岸極淺海域中人員密集，商業(yè)活動較多，海洋環(huán)境復(fù)雜，需要按照實際情況進行位置調(diào)整，如在港口布置通信節(jié)點時需要注意避開船只；當(dāng)因信號受到物體遮擋時需要調(diào)整通信節(jié)點的位置以獲得最佳接收信號。波浪滑翔器作為一種能實現(xiàn)長期續(xù)航和自主航行的新型無人航行器，能夠長期在海上進行工作，在其上搭載水聲通信機后即可構(gòu)成移動通信節(jié)點，可根據(jù)應(yīng)用需求和實際環(huán)境進行動態(tài)調(diào)整。因此基于波浪滑翔器平臺的跨介質(zhì)通信鏈路有良好的應(yīng)用前景。

本文針對極淺海域水聲信道復(fù)雜的情況，采用擴頻體制水聲通信機依托波浪滑翔器平臺與其本身集成的無線通信模塊進行結(jié)合，構(gòu)成跨介質(zhì)海天通信鏈路節(jié)點，并在廈門港極淺海域進行跨介質(zhì)海試實驗，驗證了系統(tǒng)有效性。本文工作可對極淺海域海天跨介質(zhì)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供參考。