水下輕便微小型多功能編碼聲源系統(tǒng)研究

張慶國， 李興武， 連 莉， 顏家雄

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心， 昆明， 650051)

0 引 言

近年來，我國大力推動(dòng)海洋科技向創(chuàng)新引領(lǐng)型轉(zhuǎn)變，各種新型水聲工程裝備不斷涌現(xiàn)[1-3]，如水下無人系統(tǒng)、水下滑翔機(jī)等設(shè)備組成更高復(fù)雜度的水下無人作戰(zhàn)體系[4]。在水下設(shè)備或平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其水下位置信息至關(guān)重要，工程上多采用水下合作目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)位置信息的實(shí)時(shí)測量[5]。水下合作目標(biāo)定位跟蹤按照工作方式主要分為兩種： 同步式和應(yīng)答式。同步式需要在工作前與接收端進(jìn)行時(shí)標(biāo)同步，具有測量精度高、數(shù)據(jù)更新速度快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樾枰嚽巴讲僮鳎褂貌僮髀詾閺?fù)雜；應(yīng)答式無須試前同步操作，可利用查詢與應(yīng)答往返的聲信號(hào)信息進(jìn)行定位跟蹤與通信，具有使用便捷、誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)，但存在數(shù)據(jù)更新速率慢，軟硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜等不足。由于同步式水聲定位系統(tǒng)具有更高的跟蹤精度，在實(shí)際工程應(yīng)用中多采用同步跟蹤方案[6]，而同步聲源便是水聲實(shí)時(shí)定位跟蹤的配套設(shè)備，其性能直接影響甚至決定水聲定位跟蹤系統(tǒng)的性能指標(biāo)及功能實(shí)現(xiàn)。

國外水聲工程裝備技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)品為例，其工作頻率為18～36 kHz，具備水聲定位及應(yīng)答通信功能，尺寸為Φ76 mm、L436 mm。相對(duì)來說，國內(nèi)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(shù)的不斷提高，國內(nèi)水聲工程相關(guān)設(shè)計(jì)和研究技術(shù)發(fā)展迅猛。中國船舶重工集團(tuán)公司第715所研制的聲學(xué)釋放器為國內(nèi)首型水聲工程裝備，工作水深可達(dá)1 000 m；哈爾濱工程大學(xué)研制的深海高精度超短基線定位系統(tǒng)為我國7 000 m載人潛水器“蛟龍”號(hào)、深海纜控潛水器“發(fā)現(xiàn)”號(hào)和深海水下聲學(xué)拖體等提供了水下精確定位服務(wù)[9]。雖然國內(nèi)水聲定位跟蹤技術(shù)研究為國防及民事應(yīng)用提供了及時(shí)的技術(shù)保障，但在小型化水下航行體應(yīng)用中較為薄弱，未見市場有相關(guān)工程類產(chǎn)品級(jí)應(yīng)用。

現(xiàn)有聲源系統(tǒng)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(duì)輕型滑翔機(jī)、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(yàn)測試，以及水下作業(yè)中的高精度實(shí)時(shí)水聲定位跟蹤需求，開展小型化、多功能編碼聲源技術(shù)研究，研制便攜式多功能編碼聲源系統(tǒng)，滿足小型水下航行體的匹配安裝與多目標(biāo)水聲定位跟蹤等多功能測試需要。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體采用一體化集成綜合設(shè)計(jì)方案，將該聲源設(shè)計(jì)為以配套使用為主，同時(shí)兼顧獨(dú)立使用的水聲工程設(shè)備/產(chǎn)品，既可作為常規(guī)水聲定位跟蹤配套聲源，又可獨(dú)立作為水聲遙測與遙控設(shè)備，具有靈活的使用方式和廣闊的應(yīng)用前景。該聲源系統(tǒng)通常與水聲工程設(shè)備配套使用，亦可獨(dú)立作為水聲通信與遙測、遙控設(shè)備使用。系統(tǒng)典型工作情況如圖1所示。

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

文中針對(duì)水下小型航行體的水下定位跟蹤及相關(guān)測控需求，設(shè)計(jì)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(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)的主要要求是：

(1) 具備實(shí)時(shí)水聲定位聲信號(hào)同步或非同步發(fā)射功能，同時(shí)具備實(shí)時(shí)接收遠(yuǎn)端水聲通信或遙控信號(hào)與應(yīng)答功能。

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

(3) 具備多個(gè)水下聲源編碼組網(wǎng)功能，便于水下多系統(tǒng)集群式組隊(duì)使用。

(4) 具備獨(dú)立電源系統(tǒng)，同時(shí)兼顧水下航行體供電(供電系統(tǒng)需具備自動(dòng)切換功能)，以提高連續(xù)長時(shí)工作能力。

(5) 滿足深海1 000 m的獨(dú)立使用條件，兼顧湖海使用環(huán)境。

綜上所述，該聲源系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)水聲定位跟蹤匹配聲信號(hào)發(fā)射，具備水下航行體姿態(tài)參數(shù)的編碼發(fā)射以及接收遠(yuǎn)程水聲指令完成相應(yīng)的控制命令等功能，屬于定位及綜合測控聲源系統(tǒng)。

該方案與水聲工程中常規(guī)聲源或應(yīng)答器設(shè)計(jì)方法不同的是： ①小型聲源在小尺寸基礎(chǔ)上集成深度、姿態(tài)等傳感器，集成高效能電池及相關(guān)控制與處理功能，可設(shè)置為同步或應(yīng)答兩種定位模式，同時(shí)設(shè)計(jì)有全雙工通道，即在定位跟蹤過程中可實(shí)時(shí)接收水面聲學(xué)查詢等命令，并對(duì)其應(yīng)答和執(zhí)行；②考慮到多個(gè)水下目標(biāo)的實(shí)航測試，設(shè)計(jì)聲源可在試前進(jìn)行單獨(dú)編碼設(shè)置，即給每個(gè)水下聲源賦予唯一的編號(hào)，以滿足多目標(biāo)水聲定位測控需求；③綜合調(diào)試設(shè)備與常規(guī)單純?cè)嚽霸O(shè)置不同的是，不僅可以完成對(duì)聲源的試前設(shè)置，還具備試中聲源狀態(tài)查詢和全雙工應(yīng)答與通信功能。

1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

綜合國內(nèi)外類似產(chǎn)品的通用特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前小型滑翔機(jī)湖海試驗(yàn)測試需求，水下便攜式可應(yīng)答同步聲源采用一體化集成設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)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(xù)工作時(shí)間不少于8 h，且工作水深可達(dá)1 000 m，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

(續(xù) 表)

1.3 系統(tǒng)組成

水下便攜式可應(yīng)答同步聲源主要由小型聲源和配套綜合調(diào)試設(shè)備兩部分組成。小型聲源安裝在被測水下目標(biāo)上，可獨(dú)立完成相應(yīng)的水聲定位、水聲遙測及水聲遙控等功能，綜合調(diào)試設(shè)備主要用于聲源的工作參數(shù)設(shè)置，試前同步等相關(guān)操作，同時(shí)也是聲源配套的水面操控平臺(tái)。系統(tǒng)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(biāo)上獨(dú)立工作，綜合調(diào)試設(shè)備在試前通過電纜與小型聲源進(jìn)行連接，對(duì)聲源的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如工作模式、工作頻段、聲源編碼等。同時(shí)，利用GPS(global positioning system，全球定位系統(tǒng))衛(wèi)星信號(hào)處理后進(jìn)行聲源的時(shí)鐘同步，確保聲源內(nèi)部時(shí)鐘與水聲基陣接收端一致。

小型聲源和配套綜合調(diào)試設(shè)備是聲源系統(tǒng)的主要組成部分，如圖3所示。綜合調(diào)試設(shè)備采用組合式設(shè)計(jì)方案，集成應(yīng)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(tài)傳感器和調(diào)試接口組成。如果設(shè)置為應(yīng)答定位模式，則自動(dòng)接收查詢信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答；反之為同步式，試前需進(jìn)行同步設(shè)置。聲源在具體工作中可通過綜合調(diào)試設(shè)備進(jìn)行全雙工查詢與遙控，為水下目標(biāo)的航行安全提供應(yīng)急操控手段。

如圖3所示，綜合調(diào)試設(shè)備上電后選擇小聲源同步模式，之后進(jìn)行高精度恒溫晶振預(yù)熱，以保證小型化聲源內(nèi)部時(shí)鐘工作穩(wěn)定。預(yù)熱完成之后自動(dòng)進(jìn)行同步設(shè)置，并自動(dòng)檢測同步是否成功。如果同步失敗，那么將自動(dòng)重新進(jìn)行同步設(shè)置，并將相關(guān)信息反饋給綜合調(diào)試設(shè)備進(jìn)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(diào)試設(shè)備(見圖3)，根據(jù)本次試驗(yàn)的具體要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可選設(shè)置為同步、應(yīng)答和讀取數(shù)據(jù)三種方式。其中同步模式即為常規(guī)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(qū)域范圍內(nèi)的高精度水聲定位及應(yīng)急遙測、遙控；應(yīng)答式為查詢和應(yīng)答回復(fù)模式的定位跟蹤，實(shí)際會(huì)受限于水聲基陣的查詢情況，多用于長時(shí)遠(yuǎn)航程測量；讀數(shù)模式主要是為了讀取聲源在水下工作時(shí)實(shí)時(shí)解算的深度、姿態(tài)等傳感器原始信息，便于試后分析和比對(duì)。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

圖3 系統(tǒng)工作連接示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

水下便攜式可應(yīng)答同步聲源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分為信號(hào)產(chǎn)生、功率放大以及樣機(jī)研制。其中信號(hào)產(chǎn)生中除了精確產(chǎn)生所需編碼信號(hào)外，還需保證在同步工作模式下長時(shí)穩(wěn)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(gè)較寬頻帶的帶內(nèi)平坦；需要綜合平衡聲源功能、性能與結(jié)構(gòu)、重量、工作時(shí)長之間的矛盾，研制原理樣機(jī)，并進(jìn)行實(shí)航測試。

2.1 信號(hào)產(chǎn)生與功率放大

在水聲定位跟蹤的實(shí)際工程中，常采用頻率、相位等調(diào)制方式，對(duì)于聲源產(chǎn)生來說，多以單頻和調(diào)頻信號(hào)為主[10]，結(jié)合相應(yīng)的編碼算法獲得最終聲源發(fā)射所需的信標(biāo)信號(hào)。因此，聲源系統(tǒng)中信號(hào)的產(chǎn)生必須精確且高效。

為實(shí)時(shí)高精度產(chǎn)生信標(biāo)，采用直接數(shù)字頻率合成(direct digital synthesis， DDS)原理構(gòu)建信號(hào)發(fā)生器，如圖4所示。DDS是一種基于抽樣定理的二維模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化，其本質(zhì)是通過相位量化進(jìn)行頻率合成，具有頻率分辨率高、頻率捷變時(shí)間短、波形失真小等優(yōu)點(diǎn)[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(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)以及低通濾波器組成。

圖4 DDS信號(hào)產(chǎn)生及相位累加原理框圖

如圖4所示，統(tǒng)一在系統(tǒng)時(shí)鐘fc的觸發(fā)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(gòu)成，產(chǎn)生尋址波形存儲(chǔ)器的數(shù)字序列，數(shù)字序列范圍從0到累加器的滿偏值。初始狀態(tài)將相位控制字(P)送給寄存器，它決定所產(chǎn)生波形的起始相位。當(dāng)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，每來一個(gè)時(shí)鐘加法器將頻率控制字(K)與寄存器輸出數(shù)值進(jìn)行相加，再把相加后的結(jié)果送給寄存器數(shù)據(jù)輸入端，寄存器將相位數(shù)據(jù)返回到加法器數(shù)據(jù)輸入端，準(zhǔn)備進(jìn)行下次與頻率控制字的相加，同時(shí)產(chǎn)生尋址波形存儲(chǔ)器所需的地址序列。當(dāng)相位累加器超過滿偏置時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期動(dòng)作。

設(shè)計(jì)中將頻率控制字設(shè)為K，參考時(shí)鐘為fc，相位累加器位數(shù)為N，將一個(gè)周期的余弦信號(hào)幅值編碼存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)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(chǔ)器輸出序列為

(2)

根據(jù)式(2)中輸出信號(hào)展開傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為

(3)

其中，將式(3)中只取實(shí)部表示為S(t)的三角函數(shù)形式：

(4)

由式(3)和式(4)可以看出，輸出信號(hào)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(hào)，還需在DAC輸出端加截止頻率為fc/2的低通濾波器。

DDS產(chǎn)生的信號(hào)頻率為

(5)

式中： 當(dāng)K為1時(shí)，DDS輸出頻率最低，根據(jù)奈奎斯特定律，DDS最大輸出頻率可達(dá)fc/2，但在實(shí)際情況下，為保證輸出精度，規(guī)定每個(gè)周期最低采樣精度為8個(gè)點(diǎn)，于是K最大值為2N/8，輸出最大頻率為fc/8。

信號(hào)頻率分辨率為

(6)

DDS模塊通過可編程邏輯器件構(gòu)建，F(xiàn)PGA通過設(shè)置DDS模塊頻率控制字和相位控制字來改變輸出信號(hào)。考慮到實(shí)際工程中對(duì)聲源主要指標(biāo)的調(diào)整需要，聲源系統(tǒng)中信號(hào)產(chǎn)生部分以FPGA為主，在傳統(tǒng)DDS結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入了參數(shù)調(diào)整模塊，通過FPGA編程，靈活實(shí)現(xiàn)各類調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生，并能通過參數(shù)傳輸方式對(duì)載波抑制和輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試便捷等特點(diǎn)。

采用線性功率放大，同時(shí)加上橋式功放結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高發(fā)射功率，從而提高聲源級(jí)。線性功放與常規(guī)開關(guān)功放相比，線性功放發(fā)射電壓便捷可調(diào)、適應(yīng)與匹配性好，工作可靠性高，并且容易與前級(jí)調(diào)制電路匹配，不易產(chǎn)生脈沖諧波干擾[13]。功率放大組件主要由信號(hào)驅(qū)動(dòng)級(jí)、功率放大級(jí)和匹配網(wǎng)絡(luò)三部分組成，信號(hào)驅(qū)動(dòng)級(jí)由增益控制和推挽驅(qū)動(dòng)將電信號(hào)調(diào)整到合適的范圍，并保證有足夠的驅(qū)動(dòng)電流；功率放大級(jí)由大功率器件和變壓器將信號(hào)放大到足夠的功率輸出；匹配網(wǎng)絡(luò)為LC電路[14]，使不同頻率信號(hào)輸出效率達(dá)到最優(yōu)。

2.2 樣機(jī)研制

水下便攜式可應(yīng)答同步聲源主要安裝在小型水下航行體上，除滿足試驗(yàn)測試及提供應(yīng)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(duì)來說，要求系統(tǒng)聲源發(fā)射聲源級(jí)高，工作時(shí)間長，體積小，重量輕，按照常規(guī)設(shè)計(jì)方法很難實(shí)現(xiàn)，需以總體需求為主綜合設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用一體化集成綜合設(shè)計(jì)方案，壓縮電路尺寸。對(duì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜合設(shè)計(jì)，組件結(jié)構(gòu)緊湊，配合密切，減小了系統(tǒng)尺寸與重量。聲源主體結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)實(shí)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(chǔ)使用條件，同時(shí)降低整體重量，聲源的水密艙選用TC4鈦合金材料，同時(shí)具備良好的耐腐蝕性能。聲源樣機(jī)尺寸為直徑70 mm、長度210 mm，重量1.45 kg；實(shí)際測試連續(xù)工作時(shí)長為12 h(1 s周期，12 h后聲源級(jí)降低3 dB)；深海工作深度采用壓力釜進(jìn)行12.5 MPa的水壓測試，確保滿足深海1 000 m的實(shí)際使用要求。

當(dāng)前國內(nèi)外水下聲源主要用于水下大尺寸目標(biāo)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(jī)等水下航行體，通常采用段體式結(jié)構(gòu)或獨(dú)立式結(jié)構(gòu)。由于受到使用條件及相關(guān)技術(shù)的約束，當(dāng)前聲源存在功能單一、尺寸較大、重量重等不足。本系統(tǒng)主要針對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外聲源用于小型水下航行體實(shí)航測試的需求，設(shè)計(jì)研制一種小型一體化的多功能聲源，本聲源系統(tǒng)與國內(nèi)外常用聲源系統(tǒng)的比較情況如表2所示。

由表2可知，當(dāng)前國內(nèi)外常用的聲源主要用于水下聲學(xué)定位跟蹤測試，在性能指標(biāo)上，國外標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的聲源級(jí)與深度測量精度略高。與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，本文所論述的聲源系統(tǒng)具有尺寸小、重量輕以及功能全等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，設(shè)計(jì)與研制的聲源系統(tǒng)滿足在小型水下航行體上直接安裝的條件，性能滿足設(shè)計(jì)輸入的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

3 試驗(yàn)測試

該聲源系統(tǒng)研制完成后，經(jīng)過相應(yīng)可靠性及環(huán)境試驗(yàn)，具備了實(shí)航安裝測試條件。具體以某小型民用滑翔機(jī)為載體，在國內(nèi)某水域進(jìn)行實(shí)航測試。為了確保水聲定位測量的精度，本次實(shí)航試驗(yàn)以同步式模式為主。首先，在小型滑翔機(jī)上安裝水下聲源，試前利用綜合調(diào)試設(shè)備進(jìn)行參數(shù)與同步設(shè)置；同步完成后，該聲源進(jìn)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(fā)射同步定位信標(biāo)信號(hào)；水聲定位跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行水下小型滑翔機(jī)的定位測量，完成本次實(shí)航試驗(yàn)。實(shí)航水聲定位跟蹤結(jié)果如圖6所示。

表2 國內(nèi)外類似聲源系統(tǒng)對(duì)比表

(a)

(b)

如圖6所示，文中所述的小型聲源可滿足常規(guī)小型水下航行體的匹配安裝要求，并在國內(nèi)某水域進(jìn)行實(shí)航試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該聲源配合某型水聲定位跟蹤系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)超過3 km范圍內(nèi)實(shí)時(shí)定位跟蹤，其定位精度可達(dá)5‰，航行參數(shù)的水聲遙測誤碼率可達(dá)10-5。由此可見，該聲源系統(tǒng)實(shí)時(shí)水聲定位跟蹤精度高(發(fā)射的聲信號(hào)質(zhì)量好，時(shí)延估計(jì)穩(wěn)定可靠)、測量數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，距離較遠(yuǎn)(聲源級(jí)較高)，并且相應(yīng)應(yīng)答控制滿足全雙工要求，具有良好的工程實(shí)用性。

另外，該聲源還在大型水下航行體的實(shí)航試驗(yàn)中配套完成了相應(yīng)的測試驗(yàn)證，為多型水下航行體的實(shí)航試驗(yàn)和多目標(biāo)水下作業(yè)提供了配套定位設(shè)備。

4 結(jié) 語

該小型多功能編碼聲源采用一體化集成綜合設(shè)計(jì)方案，該聲源系統(tǒng)內(nèi)部集成電子電路及電池，利用收發(fā)合置換能器陣及時(shí)頻編碼方式實(shí)現(xiàn)全雙工定位脈沖發(fā)射與遠(yuǎn)程水聲命令信息的接收。該聲源安裝于某小型水下滑翔機(jī)上，通過某湖上實(shí)航試驗(yàn)證明該聲源系統(tǒng)功能及性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)輸入的具體要求。

該聲源系統(tǒng)除可應(yīng)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(fù)雜安裝施工需求和水下集群技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展[15]，為該聲源系統(tǒng)的市場應(yīng)用提供了廣闊的前景。