基頻可調編碼控制的激光聲水下目標遙感實現

呂杏利　何 寧

基頻可調編碼控制的激光聲水下目標遙感實現

呂杏利何 寧

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

受重復頻率的制約，綜合傳輸通用性及數據傳輸速率，提出利用基頻可調編碼調制，實現激光器輸出以光跳頻方式發射信息，完成對水下目標的遙感控制。探討激光致聲的原理，設計基頻可調編碼的調制方法，使用波長1.06μm的大功率激光器搭建通信系統，激光脈沖與水介質作用產生光聲效應，完成空中平臺與水下目標之間的激光聲通信，驗證了水下語音通信及目標控制的可行性。

激光聲；基頻編碼；水聲通信；水下遙感

1　引言

目前陸上移動通信技術日趨完善，但水下利用聲波進行數字語音通信卻剛剛起步。近年來由于軍事和海洋開發的需求，人們越來越重視水聲語音通信系統的研究和開發。軍用方面，建立水聲數字語音通信系統可以用于解決潛艇之間、艦艇與潛艇之間、艦艇與蛙人以及蛙人與蛙人之間的信息和命令的傳達問題；民用方面，可以廣泛應用于無纜水下機器人、工業用海岸遙測和水下人工智能等領域［1-2］。

綜合分析常用的激光聲實現空中到水下的數字通信方式，如二進制振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、脈沖相位調制（PPM）等［3-5］的特點，本系統提出基頻可調的ASK編碼控制激光脈沖，系統實現了基于可變基頻編碼控制的激光聲水下通信并實現了水下目標遙感，其具有保密性好、穩定性和可靠性高的優點，為實現激光聲水下目標遙感提供了新的通信方式。

本系統通過控制水下LED燈的點亮與熄滅，驗證了該系統具備激光聲水下目標遙感功能的開發可行性，為豐富激光聲水下通信的應用研究打下了基礎。

2　激光致聲原理

高功率激光脈沖聚焦于液體中，與液體介質相互作用會產生聲波，形成的聲源叫做激光聲。激光致聲的機理有多種，主要包含三種：汽化、熱膨脹、光擊穿［6-7］，這三種激光致聲機制與激光脈沖的能量以及激光與液體介質相互作用區域的能量密度有關。三種致聲機理的光聲轉換效率不同，汽化機制的效率可達1%，光擊穿的轉化效率可達10%～30%，而熱膨脹機制的效率則低于0.01%。光擊穿機制能產生較高的聲源級，但現有聚焦設備難以實現將機載激光器發射的脈沖聚焦于海面以下；且聲脈沖重復性低不利于編碼傳輸。

當激光脈沖輻射的能量密度較小時，激光聲信號的激發機理是熱膨脹。液體介質中經光輻射作用的物質受熱膨脹而產生聲波。對于理想情況下均勻流體（以水為例），熱膨脹機制下，激光激發聲波的非齊次波動方程可表示為［8］：

式中，p為聲壓，c為水下聲速，β為體膨脹系數，Cp為水的比熱，H（x，y，z，t）為單位時間單位體積液體吸收并轉化成的熱量密度，與激光和作用液體煤質的特性密切相關。

熱膨脹機制下，假設激光脈沖加熱區域是一個小球體，則得到聲壓脈沖的表達式為：

其中，Ea為吸收的激光總能量；γ0為激光加熱區的半徑；該式表示的激光聲脈沖波形是一個雙極性脈沖，在正脈沖后面緊跟著一個負脈沖，正負脈沖幅度均為：

激光聲在熱膨脹（線性階段）機制下的轉化效率可表示為：

式中，c表示液體中的聲速，d為液體密度，A為激光在液體中的透射系數。M為激光光束強度的調制指數。I0為入射激光的強度。增大激光強度可以提高激光聲轉換效率。當光強增大到一定程度后，激光聲的產生機制變為非線性過程的汽化或者光擊穿機制，則該熱膨脹的轉化效率公式不再適合。

3　基頻可調ASK編碼控制原理

無線激光通信采用幅度鍵控（ASK）調制方式，激光器受脈沖控制，則ASK調制后的信號可以表示為：

其中，

s（t）二進制的基帶信號，是隨機單極性脈沖；an為的第n個碼元所對應的電平值（0，+1），且是一個隨機量，即以概率P出現時為“1”，以概率1-P出現時為“0”；Is為碼元持續時間；g（t）為某種脈沖波形［9］。P（t）表示激光脈沖信號的功率；當基帶信號s（t）發生變化時，P（t）受控于基帶信號s（t）的變化而得到已調制的信號。若基帶信號頻率固定不變，則激光器的輸出脈沖的頻率固定不變。

受單基頻控制的ASK激光調制信號可表示為：

如果基帶信號的頻率是可調的，則激光器的脈沖重復頻率是可變的。這種方式稱為基頻可調的ASK調制方式［10］。

激光器的發光速率受控于外部驅動脈沖頻率，若調制信號單基頻確定，則經過ASK調制后的激光脈沖的頻率是固定不變的；若驅動激光器的可調信號脈沖以一定的頻率變化，則激光脈沖的重復頻率也跟隨以一定頻率重復發射脈沖。

4　ASK編碼的幀結構

本系統采用基頻可調ASK編碼方式，不同于跳頻的載波頻率的跳變，而是碼元寬度受到控制，兩碼元間距的跳變，對應的是幀與幀之間重復頻率的跳變，從而實現激光脈沖以光跳頻的方式發射信息。

基頻可調的ASK幀結構如下圖所示：

本系統采用基頻可調ASK編碼方式，不同于跳頻的載波頻率的跳變，而是碼元寬度受到控制，兩碼元間距的跳變，對應的是幀與幀之間重復頻率的跳變，從而實現激光脈沖以光跳頻的方式發射信息。

基頻可調的ASK幀結構如圖1所示：

圖1　ASK幀結構

考慮到傳輸的通用性和數據傳輸速率，采用了簡單的幀格式。根據通信雙方的要求，設置起始位為1bit高電平；有信息輸出時，輸出為對應的數據幀；無信號輸出時，輸出顯示為低電平，其間隔定義為該幀數據所用基頻；數據位為8bit，其高低電平由傳輸的8位信息決定，同時碼元間隔保持與起始位定義的基頻一致；最后以1bit高電平為幀結束標志。

5　水下目標控制系統的設計

激光聲水下目標遙感的實現，是通過將編碼控制的激光脈沖經過光學聚焦系統打在水中，產生激光聲信號，聲信號攜帶編碼信息在水信道中傳輸，水下控制目標接到編碼激光聲信號后，進行解碼并執行控制命令。 激光致聲水下目標遙感通信系統的基本架構如圖2所示。

圖2　激光聲數字通信系統基本組成框圖

5.1激光致聲水下目標遙感系統電路設計

水聲數字通信是數字通信在水聲信道的一個特殊應用。考慮到水下目標要求接受及控制電路的損耗要足夠小，本方案中收發兩端采用的主控MCU是宏晶科技生產的STC89C51RC作為微控制器（MCU）。實驗所用的調Q Nd YAG激光器輸出脈沖波長為1.06μm，脈沖寬度10ns，光束半徑6mm，輸出激光單脈沖能量50-300mJ可調；水聽器的工作頻率在0.2～200kHz之間，接收靈敏度大于等于（-188.5±2.5）dB，指向性為全向的，在不接放大器的情況下，其響應頻段為0～200KHz。

系統發射端帶有編碼的信號經激光器后轉化為帶編碼的光信號，經光聲效應后轉化為帶編碼的聲信號，聲脈沖信號經過放大整形變為接收端的TTL電平信號，然后送入接收端的MCU進行解碼及數據識別，將其中的信息轉為能處理的數字信號。

在發射端，將24位撥碼數據的TTL電平作為外部觸發經過調制來驅動激光器產生激光脈沖。已調激光經光聲互作用轉換為水下聲信號。在接收端，通過水聽器對聲脈沖進行接收采集，并轉換成電信號。由于水聽器接收到的信號非常微弱，需要設計水聽器的前置放大電路。由于水環境中噪聲的干擾，水聽器輸出的信號中噪聲比較大，往往會大于放大器的內部噪聲。要降低經放大器輸出信號中噪聲信號，需綜合考慮放大電路的電路設計并進行相應優化。系統設計的水聽器前置放大電路如圖3所示，水聽器前置放大電路主器件為TI公司生產的OPA2134，電路設計中，為了發揮它的高阻抗特性，選用了正向放大方式。為了得到更加平滑的波形，電路又設計了兩級主放大電路，如圖4所示，主放大器輸出的信號送到濾波整形電路。

圖3　水聽器前置放大電路

圖4　主放大電路

5.2標ASK基頻可調的編解碼軟件設計

系統發射端的編碼方式采用單極性歸零碼，用脈沖保持的寬度來表示“0”和“1”，接收端解碼與發射端的編碼要求對應，雙方規定“0”電平保持寬度比“1”電平保持寬度要寬。這種碼型的特征是：一個碼字內不僅存在電平的變化，也存在電平寬度的變化。發射端發出的編碼信號由起始碼、結束碼以及8位數據碼組成，每個8位數據加載的頻率都不一樣，分別為14Hz，16Hz，20Hz。由于每個頻率段“0”和“1”的脈沖寬度不一樣，碼元的寬度是通過設置延時實現的。

在解碼程序中，通過外部中斷觸發，開始對收到的數據進行采樣。對數據采樣的同時持續監測信號中非采樣位置是否出現高電平，非采樣位置若有高電平出現則說明幀頭判斷出錯，本次數據無效。同時在幀尾處進行幀尾檢測，若檢測不到幀尾，說明數據幀格式不完整，數據無效。若檢測到有效的數據幀則進行拆幀工作，恢復出8位數據。

調制的軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5　ASK調制軟件流程圖

圖6　ASK基頻可調解碼軟件流程圖

6　實驗結果及分析

硬件試驗中，數字調制電路將24位撥碼數據拆分為三個字節，并按一定規則將三字節編成不同的三幀數字信號以設定基頻順序輸出控制激光器發射。數字基帶的測試中設定24位撥碼，每個二進制8位碼均為01010101，即：01010101 01010101 01010101，同時設定三基頻分別為14Hz、16Hz、20Hz，用示波器測試ASK基頻可調的激光聲信號如圖7所示。

圖7　三基頻數字基帶波形

第一幀為基頻14Hz信號，第二幀為基頻16Hz信號，第三幀為基頻20Hz信號，最后一幀為下一組數據的第一幀基頻14Hz信號。波形圖中可清晰的看到基頻為14Hz的信號，其傳輸的數據幀為1 01010101 1。對比前面設置的幀格式，前一個碼元1為幀起始位，作用是標定本幀數據所使用的基頻；緊跟其后的是01010101八位數據，為24位數據拆分得到的單字節；最后一個1為結束符，表示一幀數據的結束。

圖8　光電轉換后的波形與整形后的波形

圖9　局部放大后的波形

從圖8可以看出，上半部分波形為光經光檢測器轉換為電信號的波形，下面的波形為整形后的波形。從圖中可以看到光電轉換后的波形夾有噪聲雜波。經過放大整形處理后，形成標準的脈沖波。下半部分是經數字整形電路后的數字波形，傳輸字節分別為0X55、0X55、0X55。從局部放大波形圖9中可知，放大后的波形穩定，同時數字波形與放大后的模擬波形相位差小，能較好的還原發射調制端發出的數字信號。

解碼軟件設計中，當單片機連續檢測到三組編碼后，運用邏輯運算功能，對三組碼進行比較，其中兩次一致，才認為是有用的信息，單片機再根據碼的信息進行相應的控制，本試驗中，通過收到發端發送來的十進制碼“85”，即十六進制0x55，實現單片機控制LED燈點亮，收到別的碼元，LED燈熄滅。本試驗中，受激光器重頻的制約， 通信速率較低， 隨著高功率及高重頻激光器技術的成熟， 激光聲通信的速率可得到逐步提高。

7　結束語

本文發射端MCU（STC89C5151單片機）通過并-串轉換接口讀入24位撥碼開關的設定狀態，將數據分為三組，同時按照系統設置的跳頻點將三組數據分配到以3個不同基頻點組成的3個基頻不同的ASK數據幀，觸發激光脈沖，進過光-聲-電的轉化，將激光聲信號傳輸的信息恢復出來并根據解碼出的指令去控制相對應的LED燈的點亮與熄滅。實驗結果表明，基于ASK編碼控制的激光聲水下目標遙感的實現，為空中平臺到水下通信提供了新的解決方案，其重要性毋庸置疑。隨著大功率激光器的高功率及高重頻技術的實現，激光聲通信的速率可將進一步得到提高，激光聲水下目標遙感技術將更加成熟。

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Implementation of laser acoustic underwater target remote sensing in the method fundamental frequency tunable control

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Laser acoustic； fundamental frequency code； underwater acoustic communication； targer remote sensing

Q813.11

A

1008-1151（2016）02-0032-04

2016-01-12

呂杏利（1985－），女，河南鄭州人，桂林電子科技大學碩士研究生，從事光傳輸及測量；何寧（1958－），男，廣西桂林人，桂林電子科技大學研究員，從事光通信及光檢測方向研究。