基于n-MFSK調(diào)制的激光致聲空-水跨介質(zhì)通信方法

黃金鑫,周志權(quán),曹逸飛,趙 揚(yáng),2*

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 威海 264209,中國(guó);2.威海市智能光聲檢測(cè)與傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 威海 264209,中國(guó))

0 引 言

天空地海潛一體化通信在軍事力量?jī)?chǔ)備和國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的地位日益突出,其中空中平臺(tái)和水下目標(biāo)之間的通信技術(shù)是構(gòu)建天空地海潛一體化通信的重要組成部分。在現(xiàn)有的空海通信方案中,潛行器接收飛機(jī)的信息一般分為上浮延展天線和飛機(jī)投放中繼浮標(biāo)兩種方式[1-2],但這兩種方式在實(shí)際應(yīng)用中存在暴露目標(biāo)的可能性,從而降低了潛行器的隱蔽性。

激光致聲空-水跨介質(zhì)通信通過(guò)熱膨脹或光擊穿機(jī)制在水氣交界面進(jìn)行光聲轉(zhuǎn)換,可以將激光在空氣信道和聲波在海洋信道的傳輸優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái),擺脫空-水界面的限制[3-13]。該通信方式具有無(wú)需在介質(zhì)中部署任何物理?yè)Q能器及中繼器的特點(diǎn),增強(qiáng)了通信目標(biāo)的隱蔽性,是未來(lái)空中平臺(tái)與水下目標(biāo)之間通信的重要方式之一。

自1962年前蘇聯(lián)PROKHOROV和美國(guó)WHITE的研究團(tuán)隊(duì)先后發(fā)現(xiàn)了濃縮介質(zhì)在脈沖激光的作用下產(chǎn)生聲波的現(xiàn)象以來(lái),國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)逐步開(kāi)展光聲轉(zhuǎn)換技術(shù)在水下目標(biāo)探測(cè)、空-水跨介質(zhì)通信等領(lǐng)域的研究工作[14-15]。BLACKMON等人[16-18]從理論上對(duì)激光致聲的線性特性和非線性特性進(jìn)行了分析與研究,并從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了該技術(shù)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用可行性。研究發(fā)現(xiàn):激光致聲的非線性特征受環(huán)境干擾較大,實(shí)際情況下閾值難以控制,不利于保持通信過(guò)程的可靠性。因此,目前研究多利用激光致聲的線性特性,即根據(jù)激光致聲熱膨脹效應(yīng)來(lái)進(jìn)行空中-水下跨介質(zhì)通信,例如ANTONELLI等人基于該效應(yīng)根據(jù)所需的聲波頻段,調(diào)制長(zhǎng)脈沖激光并實(shí)現(xiàn)了通信功能[19]。此外,PENG等人[20]基于該效應(yīng)提出了一種控制激光器重復(fù)頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空中-水下跨介質(zhì)通信的方法。

本文作者在上述研究的基礎(chǔ)上,依次針對(duì)激光致聲空中-水下跨介質(zhì)通信速率的需求,提出了一種多進(jìn)制多頻移鍵控(n-multifrequency shift keying,n-MFSK)調(diào)制方式的激光致聲空-水跨介質(zhì)通信方法,分別在采用長(zhǎng)脈沖法和重復(fù)頻率法的調(diào)制方式基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有激光器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)通信速率的提升效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)與分析,為激光致聲在空中-水下跨介質(zhì)通信領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了一定的參考依據(jù)。

1 熱膨脹機(jī)制

液體中的激光致聲,即在液體中激光能量達(dá)到一定強(qiáng)度激發(fā)產(chǎn)生聲波的過(guò)程。根據(jù)激光相互作用區(qū)域的能量密度與時(shí)空分布,可把液體中光聲效應(yīng)機(jī)制主要分為熱膨脹、汽化與光擊穿3種。與汽化機(jī)制和光擊穿機(jī)制相比,熱膨脹機(jī)制物理過(guò)程簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)上容易實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于另外兩種致聲機(jī)制,熱膨脹機(jī)制致聲原理的研究相對(duì)比較成熟,本文中關(guān)于液體中激光致聲空-水跨介質(zhì)研究將針對(duì)熱膨脹機(jī)制進(jìn)行。

在熱膨脹機(jī)制下,假設(shè)液體為均勻的理想流體,激光激發(fā)水下聲波的轉(zhuǎn)換方程[21]:

(1)

其中:

s=(αc2βE0/cp)·exp(-αz)

(2)

(3)

式中:s為聲壓;c為聲速;x、y、z為空間坐標(biāo)方向距離;t為時(shí)間;α為水的吸收系數(shù);E0為表面激光能量密度;cp為單位質(zhì)量定壓比熱容;H(x,y,z,t)為單位時(shí)間內(nèi)液體吸收并進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的電磁能量密度;β為液體的體積熱膨脹系數(shù)(ρ0為密度,T為溫度,假設(shè)T在過(guò)程中不變,β為常數(shù))。由參考文獻(xiàn)[16],將式(1)傅里葉變換取實(shí)部,得到其激光垂直入射表達(dá)式為:

(4)

其中,

(5)

式中:r為接收點(diǎn)與聲源之間的距離;ω為頻率;A為給定激光偏振情況下激光對(duì)液體的透射率;i為入射角;φ為折射角;n1為空氣中的折射率;n2為液體中的折射率;I0為光強(qiáng);a為光束半徑;I(ω)為激光頻譜;E(ω)為單位時(shí)間吸收并轉(zhuǎn)化為熱量的電磁波能量密度頻譜,可表示為:

(6)

式中:k為波數(shù),與激光波長(zhǎng)有關(guān);μ為水對(duì)激光的吸收系數(shù);θ為觀測(cè)角,即r與垂直向下方向的夾角;τ0為垂直特性延遲時(shí)間;τ1為水平特性延遲時(shí)間。

2 n-MFSK調(diào)制

n-MFSK調(diào)制是在多進(jìn)制頻移鍵控(n-frequency shift keying,n-FSK)調(diào)制基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高通信速率并改善誤比特率。本文中針對(duì)激光致聲空-水跨介質(zhì)長(zhǎng)脈沖法和重復(fù)頻率法,提供n-MFSK調(diào)制方案,整體激光致聲通信原理圖如圖1所示。

圖1 激光致聲通信調(diào)制解調(diào)原理圖Fig.1 Modulation and demodulation principles diagram for laser induced acoustic communication

2.1 長(zhǎng)脈沖法n-MFSK調(diào)制

長(zhǎng)脈沖法是利用某種調(diào)制方法對(duì)長(zhǎng)脈沖激光進(jìn)行調(diào)制的方法,本文中根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]來(lái)選取熱膨脹效應(yīng)下的光聲轉(zhuǎn)換仿真參數(shù),具體參數(shù)如表1所示。使用Nd∶glass激光器,長(zhǎng)脈沖激光波形近似為方形脈沖,在邊緣逐漸下降,該波形可在極端聚焦情況下減少非線性效應(yīng)波形突變的影響。

表1 長(zhǎng)脈沖法仿真參數(shù)[16]Table 1 Simulation parameters of long-pulse-duration laser method[16]

由于水聲信道存在多徑效應(yīng),需選取合適的符號(hào)間隔以減輕符號(hào)間干擾,故本文中選取n-FSK調(diào)制,該調(diào)制系統(tǒng)由多臺(tái)激光器構(gòu)成激光陣列,通過(guò)控制激光器發(fā)射頻率減少由多徑引起的符號(hào)間干擾。以2-FSK為例,將其中一個(gè)調(diào)制頻率記為1,另一個(gè)調(diào)制頻率記為0,兩個(gè)調(diào)制頻率中心頻率都為最佳中心頻率。每臺(tái)激光器,符號(hào)持續(xù)時(shí)間為2 ms,符號(hào)間隔為98 ms,通過(guò)機(jī)械斬波器控制激光頻率變化,例如,傳輸速率為100 bits/s時(shí),需由10臺(tái)激光器組成陣列,以激光器發(fā)射頻率并行發(fā)射。該方案可通過(guò)增加調(diào)制頻率數(shù)量,以減少激光器數(shù)量并提升傳輸速率,但所需帶寬隨傳輸速率呈非線性增加。理論上可采用增加符號(hào)持續(xù)時(shí)間,減少所占帶寬,為此需減少激光器發(fā)射功率,以增加脈沖持續(xù)時(shí)間,這會(huì)導(dǎo)致聲波在水中的聲壓級(jí)(sound pressure level,SPL)和傳輸距離減少。此外,隨著調(diào)制頻率數(shù)量增加,會(huì)降低對(duì)多徑效應(yīng)的抑制,可通過(guò)信道編碼減少多徑效應(yīng),但會(huì)降低傳輸速率。

為此,本文作者提出了另一種調(diào)制方式,即n-MFSK調(diào)制,在一個(gè)符號(hào)間隔期間發(fā)射多個(gè)頻率,以增加調(diào)制頻率數(shù)量。以2-MFSK為例,將兩臺(tái)相同激光器基頻設(shè)為f1和f2,其中,當(dāng)兩臺(tái)激光器均不發(fā)射激光時(shí),記為00;當(dāng)激光器1發(fā)射頻率為f1、激光器2不發(fā)射時(shí),記為01;當(dāng)激光器1不發(fā)射、激光器2發(fā)射頻率為f2時(shí),記為10;當(dāng)激光器1發(fā)射頻率為f1、激光器2發(fā)射頻率為f2時(shí),記為11。當(dāng)傳輸速率達(dá)到100 bits/s時(shí),需要5臺(tái)激光器組成陣列。2-FSK和2-MFSK調(diào)制的時(shí)域和頻域結(jié)果分別如圖2a和圖2b所示。

圖2 長(zhǎng)脈沖法時(shí)域和頻域仿真結(jié)果Fig.2 Long-pulse-duration laser time domain and frequency domain simulation results

該方案的優(yōu)點(diǎn)為通過(guò)激光器頻率組合,增加每個(gè)符號(hào)傳輸比特?cái)?shù)來(lái)提高傳輸速率,并且在使用開(kāi)關(guān)鍵控時(shí),可提高帶寬利用率。

根據(jù)表1中的參數(shù),計(jì)算不同調(diào)制方法下長(zhǎng)脈沖法水下通信距離為[17]:

(7)

式中:Xs為聲源級(jí);Xt為聲傳播損失;Xn為背景噪聲;RSNR為接收器檢測(cè)信噪比;α為海水吸收系數(shù)。

表2為長(zhǎng)脈沖法n-FSK和n-MFSK調(diào)制方法通信速率、帶寬、聲壓級(jí)和水中傳輸距離的比較。其中背景噪聲取3級(jí)海況,RSNR=10 dB,α=0.02 dB/km,聲壓級(jí)作用范圍以137 dB為基準(zhǔn)(依據(jù)表1計(jì)算)。隨著調(diào)制頻率數(shù)量增加,n-MFSK調(diào)制可提高通信速率,并改善頻帶利用率,但聲壓級(jí)和水中傳輸距離會(huì)隨符號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)調(diào)制頻率數(shù)量增加而減小。比較4-FSK和2-MFSK調(diào)制,兩者可達(dá)到相同的通信速率,且2-MFSK只需要1 kHz的帶寬,然而在最壞情況下,當(dāng)一個(gè)符號(hào)持續(xù)時(shí)間傳輸兩個(gè)頻率時(shí),激光能量必須除以2,因此聲壓級(jí)減小到131 dB。這導(dǎo)致水中傳輸距離從4-FSK的708 m減小到355 m,隨著一個(gè)符號(hào)時(shí)間內(nèi)傳輸頻率數(shù)量增加,水中傳輸距離將大幅度減少。因此,當(dāng)采用n-MFSK調(diào)制時(shí),需權(quán)衡通信速率與水中傳輸距離的關(guān)系,根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的調(diào)制方式。

表2 長(zhǎng)脈沖法n-FSK和n-MFSK調(diào)制的比較Table 2 Comparison of n-FSK and n-MFSK modulation by long-pulse-duration laser method

2.2 采用重復(fù)頻率法的n-MFSK調(diào)制

重復(fù)頻率法是基于激光致聲的熱膨脹效應(yīng)通過(guò)控制激光器的重復(fù)頻率產(chǎn)生調(diào)制聲信號(hào)的方法。由于單激光脈沖產(chǎn)生的聲信號(hào)頻譜所占帶寬大,頻帶利用率低,其信號(hào)能量會(huì)在水下發(fā)射嚴(yán)重衰減,易產(chǎn)生畸變,不利于傳輸編碼。因此,需采用產(chǎn)生窄帶且中心頻率可控的聲信號(hào),即高重復(fù)率的激光脈沖信號(hào)。

當(dāng)激光垂直射向水面時(shí),激光脈沖重復(fù)率為fr=1/T,T為激光脈沖周期時(shí),激光脈沖的頻譜可表示為[20]:

(8)

式中:I0(ω)為單脈沖的頻譜;G(ω)頻譜由于諧波關(guān)系呈現(xiàn)梳狀結(jié)構(gòu);N為階數(shù);fr為相鄰譜峰的間距,且其周期可控。將式(8)代入式(4)可得[21]:

(9)

式中:E(ω)與μ、a、θ等參數(shù)有關(guān),其中激光器參數(shù)μ和a是固定的,故只需控制fr使s(r,ω)窄帶特性最好即可。選擇激光器發(fā)射重復(fù)率fr時(shí),要使聲信號(hào)高次諧波被抑制且中心頻率處的能量強(qiáng),因此,激光器的重復(fù)頻率需滿足[20]:

(10)

式中:s(fr)為中心頻率的幅度;s(fmax)為頻譜幅度的最大值;max|s(nfr)|為高次諧波頻譜幅度的最大值,由此,可確定激光器發(fā)射重復(fù)率的范圍。根據(jù)表3中的參數(shù),采用調(diào)QNd∶YAG高重頻激光器,并采用靈敏度為-170 dB的光纖水聽(tīng)器對(duì)聲波進(jìn)行接收,聯(lián)合式(8)～式(10)計(jì)算fr的范圍可得:

表3 重復(fù)頻率法仿真參數(shù)[20]Table 3 Simulation parameters of high repetitive rate method[20]

12 kHz≤fr≤31 kHz

(11)

目前現(xiàn)有的激光器難以從實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)行高速通信研究,由于相鄰激光脈沖產(chǎn)生的聲信號(hào)具有很好的重復(fù)性,故可采用單個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行重頻組合,獲得所需的高重復(fù)率激光。圖3a中將單脈沖激光致聲信號(hào)以fr=21 kHz重頻組合,圖3b是依據(jù)式(9)計(jì)算后得到結(jié)果和單脈沖重頻組合信號(hào)頻譜進(jìn)行對(duì)比。兩者頻譜特征基本吻合,驗(yàn)證了該方案的可行性。

圖3 a—單脈沖激光信號(hào)時(shí)域波形 b—重頻組合信號(hào)時(shí)域波形 c—I0(ω)G(ω)與單脈沖重頻組合頻域波形Fig.3 a—single pulse laser signal time domain waveform b—re-frequency combination signal time domain waveform c—spectrogram with single laser signal re-frequency combination and I0(ω)G(ω)

通過(guò)控制激光器的重復(fù)頻率使其有規(guī)律地變化,從而完成n-FSK和n-MFSK調(diào)制以搭載信息,n-FSK調(diào)制中一個(gè)碼元信號(hào)以重復(fù)頻率fr的N個(gè)激光脈沖激發(fā)聲信號(hào)表示,在符號(hào)間隔(0,T0)中,碼元信號(hào)可表示為:

si(t)=Re[IFFT(s(fr,i))],(i=1,2,…,n)

(12)

故n-FSK調(diào)制信號(hào)可表示為:

(i=1,2,…,n)

(13)

式中:IFFT(s(fr,i))表示對(duì)s(fr,i)進(jìn)行的傅里葉逆變換(inverse fast Fourier transform,IFFT);gτ(t-mT0)是脈寬為τ、周期為T0的門函數(shù)。

n-MFSK調(diào)制中每個(gè)碼元含有零個(gè)、一個(gè)或多個(gè)調(diào)制頻率,單個(gè)碼元信號(hào)可表示為:

(i=1,2,…,n)

(14)

式中:ni取值為0或1,取0代表該碼元含有調(diào)制頻率fr,i,取1代表不含調(diào)制頻率fr,i。

n-MFSK調(diào)制信號(hào)可表示為:

(i=1,2,…,n)

(15)

通過(guò)FSK和MFSK調(diào)制信號(hào)搭載信息,實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)的編碼傳輸。圖4a和圖4b分別對(duì)應(yīng)4-FSK和2-MFSK調(diào)制時(shí)域和頻域波形,符號(hào)間隔為50 ms。

圖4 重復(fù)頻率法時(shí)域波形Fig.4 High repetitive rate method time domain waveforms

4-FSK調(diào)制頻率fr,i根據(jù)式(12)重復(fù)頻率范圍等間隔取值,分別取為13 kHz、17 kHz、21 kHz和25 kHz,代表4個(gè)碼元,每個(gè)碼元用二進(jìn)制依次表示為{00,01,10,11},碼元帶寬約為500 Hz。2-MFSK調(diào)制頻率fr,i分別取為17 kHz和25 kHz,第1個(gè)碼元不包含頻率信息為fr,0,第2個(gè)碼元含有1個(gè)17 kHz頻率信息為fr,1,第3個(gè)碼元含有1個(gè)25 kHz頻率信息為fr,2,第4個(gè)碼元含有兩個(gè)17 kHz和25 kHz頻率信息為fr,1,2,每個(gè)碼元用二進(jìn)制依次表示為{00,01,10,11}。如圖3所示,2-MFSK調(diào)制可減少基頻數(shù)量,同時(shí)提高通信速率并提高帶寬利用率。

表4 重復(fù)頻率法n-FSK和n-MFSK調(diào)制的比較Table 4 Comparison of high repetitive rate method n-FSK and n-MFSK modulation

表4為重復(fù)頻率法n-FSK和n-MFSK調(diào)制的比較。參數(shù)計(jì)算方式與長(zhǎng)脈沖法相同,聲壓級(jí)作用范圍以139 dB為基準(zhǔn)(依據(jù)表2計(jì)算)。對(duì)比n-FSK和n-MFSK調(diào)制,在相同調(diào)制頻率數(shù)量時(shí),n-MFSK調(diào)制可提高通信速率,并提高頻帶利用率,與此同時(shí)代價(jià)是水中通信距離的損失。

3 結(jié) 論

對(duì)提升激光致聲空-水跨介質(zhì)通信速率的方法開(kāi)展了仿真研究工作,得到以下研究結(jié)果。

(a)n-FSK調(diào)制可有效減少符號(hào)間的多徑干擾,長(zhǎng)脈沖法采用激光器陣列的方式實(shí)現(xiàn),而重復(fù)頻率法采用激光器頻率切換的方式實(shí)現(xiàn),兩種方法都可通過(guò)增加調(diào)制頻率數(shù)量提高通信速率,并保持聲壓級(jí)和水下通信范圍不變,但所需帶寬會(huì)隨傳輸速率呈非線性增加。

(b)n-MFSK調(diào)制可在n-FSK調(diào)制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高通信速率,長(zhǎng)脈沖法主要通過(guò)激光陣列的方式,并采用頻率疊加的方式實(shí)現(xiàn),重復(fù)頻率法通過(guò)控制激光器頻率變化時(shí)域上分配時(shí)間段的方式實(shí)現(xiàn)。隨著調(diào)制頻率數(shù)量增加,n-MFSK調(diào)制可提高通信速率,并改善頻帶利用率,但聲壓級(jí)和水中傳輸距離會(huì)隨符號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)調(diào)制頻率數(shù)量的增加而減小。

(c)n-FSK調(diào)制可保證通信速率提升,不會(huì)對(duì)水中傳輸距離造成損失。相比n-FSK,n-MFSK調(diào)制可提高通信速率并改善頻帶利用率,但水中傳輸距離會(huì)受調(diào)制頻率數(shù)量影響。實(shí)際使用時(shí),需在通信速率與水中傳輸距離之間進(jìn)行權(quán)衡,以實(shí)際需求作為調(diào)制方式選擇基準(zhǔn)。

本文作者提出了一種n-MFSK調(diào)制方式,進(jìn)一步提升激光致聲空-水跨介質(zhì)通信速率,分別采用長(zhǎng)脈沖法和重復(fù)頻率法的調(diào)制方式,結(jié)合現(xiàn)有激光器的技術(shù)指標(biāo)分析了通信性能,計(jì)算了通信速率的提升效果,研究結(jié)果對(duì)激光致聲在空-水跨介質(zhì)通信領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用有一定價(jià)值。提供的可選擇方案有助于未來(lái)實(shí)現(xiàn)空中平臺(tái)與水下目標(biāo)之間的通信,長(zhǎng)脈沖激光陣列的方式需搭載于機(jī)載平臺(tái),且占據(jù)較大空間,而重復(fù)頻率激光頻率切換的方式,目前受激光器的重復(fù)頻率等性能指標(biāo)的限制,隨著激光器工藝的提升可作為未來(lái)空-水跨介質(zhì)通信的方案之一。

下一步研究將針對(duì)實(shí)際海試環(huán)境因素影響,特別是環(huán)境噪聲對(duì)于通信誤比特率的影響,開(kāi)展環(huán)境噪聲對(duì)于通信質(zhì)量影響的評(píng)價(jià)工作,包括海洋背景噪聲、潛行器本身的螺旋槳運(yùn)行的機(jī)械噪聲等。