水下AIS信標裝置的設計與研究

吳家瑋

摘 要：傳統的AIS信標對于水面以下的情況不能實現有效信息傳輸。所以，本文設計出一種能夠在水下環境主動發射聲波信號的AIS信標，使之滿足水下環境的工作需求。具體方法是將電子線路、發聲裝置、電池等部件組裝成一種可被潛水者佩戴、救生衣安裝或者各種水下潛器搭載的小型水下發聲裝置。通過編寫程序使之以主動方式發出擴頻聲信號，該信號能夠被水下接收裝置探測和識別。通過將AIS信標放置于水下進行實驗，利用水下接收裝置接收水下信號，通過計算機處理后可以正確顯示出信標信號所攜帶的信息。

關鍵詞：水聲通信 擴頻技術 AIS聲信標

中圖分類號：TN929.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0114-03

AIS系統是船舶自動識別系統（Automatic Identification System）的簡稱，傳統的AIS信標能夠發送用于船只識別、目標追蹤、信息交流等的無線電信號。但是對于失事船只、水下潛器、潛水員或者落水者等處于水面以下的情況，只能使用聲波發送信號。所以，筆者希望設計出一種能夠在水下環境主動發射聲波信號的AIS信標，使之滿足水下環境的工作需求。

1 總體設計方案

系統總體設計方案如圖1所示。

將電子線路、發聲裝置、電池等部件組裝成一種可被潛水者佩戴、固定在救生衣或者各種水下潛器搭載的小型水下發聲裝置（AIS聲信標）。通過對該裝置內部芯片編寫程序使之能夠以主動方式在水下發出聲波信號。信號經過擴頻模塊、載波調制模塊之后在水中傳播，通過水聽器（一種接收水下聲信號的裝置）被探測和識別，然后傳輸到水上的計算機中，在計算機中進行處理，最終能夠識別出AIS聲信標所攜帶的信息。

2 水下擴頻通信原理介紹

傳統AIS信標是作用于水面上的，利用現有的無線電通信，能將船舶、水面艦艇、水上工作設備等裝置的信息傳輸到一個統一的接收平臺上。水上通常使用的無線電通信方式是以電磁波為載體，電磁波在水中傳播時，能量被水大量吸收，隨著傳輸距離快速衰減，能夠傳輸的距離十分有限，無法在水下無法遠距離傳播。

聲波是迄今為止人類已知的唯一能在水下遠距離傳輸的信息載體。而聲波在水下有著良好的傳播性能，頻率范圍在1Hz～50kHz之間的聲波在水中的衰減較少，可以實現較遠距離的傳輸。而且使用聲波作為水聲通信的載體，設備簡單，只需使用水聲換能器將電、聲信號進行轉換即可實現信息傳播。所以本文選擇超過人耳聽力范圍的聲音信號進行水下信息傳播，避免造成恐慌。

在知道聲音頻率范圍的基礎上，需要確定聲音以什么樣的形式進行傳播，利用直接序列擴頻技術將信息調制到聲信號上，這樣，一個聲信號就可以攜帶多種信息了。

直接序列擴頻，概括來講，就是直接用不同形式的擴頻序列與待傳輸的信號相乘（模二相加），得到一組擴頻后的混合信號波形，該信號波形可以攜帶多個信息，這多個較短的信號可以組合成為一個較長的攜帶多種信息的新信號。直接序列擴頻的流程如圖2所示。

原始信號與不同形式的擴頻序列進行相乘（擴頻調制），然后傳送給載波調制器中，讓擴頻后的信號以聲信號形式從聲信標輻射出去，達到水下信息傳輸的要求。擴頻調制模塊的簡易流程如圖3所示。

3 聲信標的硬件實現

聲信標硬件方面，需要實現聲信標在水下發射攜帶信息的聲信號的功能。

水下聲信號的調制過程在低功耗單片機里完成。信標的序列號、用戶信息、載體信息等數據預先存入單片機的內存中，對應的擴頻序列也預存在單片機內存中。單片機通過程序完成信號的調制并將存儲好的信號波形發送至功率放大器。功率放大器將信號放大后推動換能器，向水中輻射聲波。通過控制功率放大器的輸出功率，以滿足聲波的不同傳輸距離的要求。

水下聲信號接收設備由水聽器、前置放大器、解調器和顯示模塊等4部分組成，如圖4所示。

在接收端，利用水聽器接收水下聲信號，將聲信號轉換成電信號，由于來自AIS信標的水下聲信號經過遠距離傳輸，接收到的信號非常弱，所以需要將電信號送入前置放大器進行放大，以便于對接收信號進行處理。放大后的信號送入解調器進行解調，提取出信號所攜帶的信息，輸出至顯示模塊上。

4 實驗流程

根據上述電路設計思路，連接電路圖，制作能實現實驗所需功能的電路板，利用水密膠將電路板密封以使得電路在水下能正常運行。

我們在水池中模擬海洋的水下環境，首先驗證AIS信標的聲信號發射功能，然后驗證AIS信標所發射的信息是否能夠完整讀取。

4.1 AIS信標發射功能驗證試驗

首先接通AIS信標的電源并用繩子將信標吊放到水中。在水池的另一側使用水聽器接收水下聲信號并用示波器觀察接收到的信號。如果在示波器的屏幕上觀察到信標發出的信號，則證明水下AIS信標能夠向水中發射聲波信號。

4.2 水下AIS信標信息讀取實驗

首先使AIS信標正常工作，方法如上述實驗。將接收裝置的水聽器吊放在水池另一側，將接收到的信號經過放大器放大之后，送入解調器，還原出其攜帶的信息并與預設的聲信標發射的信息進行對比。如果接收裝置能夠正確還原信息，則證明本設計AIS信標能夠正常工作，具備對沉船、潛水員、水下機器人、救生衣等設備進行識別、目標追蹤以及信息交互等功能。

5 結果分析

根據實驗步驟完成實驗，在實驗（1）中能在示波器上看到信號，證明制作的水下AIS信標可以正常發射聲信號。在實驗（2）中，利用接收設備解調接收信號，得到的信息與初始設置相符，即可以確定水下AIS信標能夠將信標的序列號、用戶信息、載體信息等預存信息發送至接收裝置，實現對水下目標的定位和識別。

6 結語

本文設計完成了一個水下AIS信標的設計，通過單片機編程完成信號的調制工作，通過功率放大器驅動換能器發射攜帶相關參數信息的聲波并利用接收設備來接收和分析信號，達到識別聲信標的目的。通過制作AIS信標，利用擴頻方法編寫相關程序并在水池中進行實驗的方式驗證所制作的水下AIS信標的性能。

經實驗驗證，該聲信標能夠發射聲信號并在接收端可以分析出聲波攜帶的信息，達到利用接收設備檢測水下聲信標輻射信息進行船只識別、目標追蹤、信息交流等作用，達到預期目的。

參考文獻

[1] 李瑞云.船載航行數據記錄儀的應用與管理[D].大連：大連海事大學，2003.

[2] 黃麗卿，胡穩才，邵哲平.AIS輸出數據包的解包技術研究[J].集美大學學報：自然科學版，2005（1）：37-41.

[3] 王勇，孟軍.現代水聲通信技術發展探討[J].信息通信，2014（8）：168-169.