阵列式水声传感器在水下通信中的应用

2014-03-22龚雨心何志毅

仪表技术与传感器 2014年11期

张雷，何宁，龚雨心，何志毅

(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004)

0 引言

水声通信是通过海洋介质传播和接收声波信号，结合现代电子技术和数字信号处理技术，利用声波进行海洋开发和研究的一门新兴技术。目前水下通信主要包括潜艇之间的通信、水下机器人数据采集传输、海洋石油工业的遥控等，信号传输方式有电磁波通信、蓝绿光通信、声波通信。在水下环境中，电磁波衰减非常大，即使使用甚低频(小于10 kHz)，配上兆瓦级的发射功率和庞大的天线，在海水中的穿透力只能达到100 m左右，数据传输速率小于100 b/s．蓝绿激光是利用水下信道低损耗窗口，在视距范围内实现通信，依据不同海域其光衰减不同，易受到水下环境的影响，由于水中颗粒的散射作用，通信距离急剧下降。声波在水中的衰减很小，是唯一能在水中长距离传播的能量形式[1-2]。

由于浅海水下环境的复杂性及水声信道的特殊性，长距离、高速率可靠通信一直是水下通信中的难题。传统方法是提高单个阵元发射功率来提高通信距离，此时需要阵元具有较大的表面积以避免空化，但在较高的工作频率下，增大阵元表面积会牺牲指向性或者无法合理地兼顾指向性等指标。研究表明：采用指向性良好的阵列式水声传感可提高系统通信距离，抑制多途效应，限制了接收视场角，增加了系统的保密性[3]。

1 水声信道与传播原理

1．1水声信道特性

水声信道是一个复杂多变的信道，它具有传输衰减、多径传播和频散效应等特性，随着信号频率和传输距离的增加，传输衰减影响增大。浅海水声信道是由海面与海底之间形成了一种声道，声波在其中传播时，被限制在上下边界之内。以一定出射角的声线沿水声信道进行传播，当遇到海面、海底时发生界面反射，每一次界面反射意味着声波能量的损失，历经不同时延和衰减的声线在接收端叠加导致信号起伏。

水声环境中多径传播是水声通信信道的重要特性，它形成机理是声线弯曲和海底、海面的反射，海水内部结构如潮汐、内波、紊流等的影响，以及声源和接收机平台的运动等，通常浅海的多途效应比深海严重得多[4]。实际水声通信应用中，往往采用发射基阵形式控制多途传播现象。

1．2水声信号传输原理

水声通信利用水作为传播介质，通过声波与水相互作用将信息传输到目的地。水声转换是水下声通信的关键技术，在通信两端由水声换能器负责完成电/声和声/电的转换，图1为水声通信系统的基本结构[5]。

图1 水声通信系统框图

图1中，发射端将信号进行一定的编码调制和传输匹配处理，保证水声传感获得高效率发射，接收端采用水听器完成声信号接收，通过适当的放大滤波，降低环境噪声影响，最后进行解码还原发射端信息。水声通信中声学信道特性决定了整个水声通信系统的性能。

2 水声换能器基阵特性仿真与分析

2．1发射基阵指向性的仿真

发射基阵是由若干换能器按一定排列形式组成的阵列，常见的平面阵有矩形阵、圆形阵、环形阵等[6]。发射基阵的参数包括阵元半径、工作波长、阵元数目、阵元间距等。文中选用阵元型号为DYW-500-F，-3 dB波束宽度为4．2°，工作频率f=500 kHz，阵元半径R=43 mm．发射端阵列形式采用图2所示的矩形阵，d1、d2分别为X方向和Y方向阵元间距，M、N是X方向和Y方向阵元数目。

图2 发射端矩形阵列

半径为R的圆形活塞阵元的指向性函数为[7]

(1)

式中：k为波数，k=2π/λ；波长λ=v/f；水中声速v=1 500 m/s．

仿真得到单个阵元指向性图如图3所示。

图3 单个阵元指向性

由半径为R的圆形活塞阵元构成矩形阵，该基阵的指向性函数为[7]

(2)

直角坐标系下基阵指向性图如图4所示。

图4 基阵指向性

对比图3和图4可知：采用多个阵元进行组阵后，基阵的波束宽度要明显大于单个阵元的波束宽度，以下分析阵元间距和数目对指向性的影响，得出最优的基阵指向性图。

设阵元个数M=N=2，图5为不同阵元间距下基阵指向性。

(a)阵元间距d1=d2=λ/4的指向性图

(b)阵元间距d1=d2=λ/2的指向性图

(c)阵元间距d1=d2=3λ/4的指向性图

(d)阵元间距d1=d2=λ的指向性图

由图5可知，当d1=d2=λ/4时，基阵指向角最大且没有旁瓣产生；当d1=d2=λ/2时，指向角减小亦没有旁瓣产生；当d1=d2=3λ/4时，指向角进一步减小且有1个较小旁瓣产生；当d1=d2=λ时，指向角最小且旁瓣最大。因此可知，在阵元数目一定的情况下，当阵元间距逐渐增大时，基阵的指向角逐渐变得尖锐，旁瓣逐渐出现且幅度不断增大；选择阵元间距d=λ/2既可抑制旁瓣产生又可获得一定指向性。

当基阵的阵元数目变化时，基阵指向性也随之改变。以阵元间距为d1=d2=λ/2进行仿真讨论。

图6为指向性随阵元数的变化情况。

(a)阵元数目M=N=2的指向性图

(b)阵元数目M=N=3的指向性图

(c)阵元数目M=N=4的指向性图

(d)阵元数目M=N=5的指向性图

由仿真可知，当采用2×2基阵时，指向角最大且没有旁瓣产生；采用3×3基阵时，基阵指向角减小且有1个较小旁瓣产生；采用4×4基阵时基阵指向角进一步减小，旁瓣数量不变但幅度增大；采用5×5基阵时，基阵指向角最小，旁瓣幅度进一步增大，数量增加到2个。因此，在阵元间距一定的情况下，逐渐增加阵元个数时，基阵指向角逐渐减小，旁瓣逐渐产生且其幅度和数量不断增加，但增加的趋势在减小。

3 实验系统设计与测试

3．1发射基阵的驱动与匹配

压电换能器依靠高压脉冲激励产生机械振动向外辐射声波，激励电压过小，辐射声功率很小；激励电压过大有可能使阵元发生不可逆转的损坏，因此应合理设计发射基阵驱动电路以提高能量利用率，保证各个阵元安全高效地工作于谐振频率。基阵驱动电路部分包括阵元间的连接形式、功率的放大和阻抗匹配等。

阵元间的连接形式可采用串联、并联、串并联等[8]。当阵元间采用并联形式时，负载阻抗增大，匹配特性受到破坏；当采用串联形式时，由于每个阵元阻抗不同，工作时各阵元的功率特性不一致。为提高发射阵的辐射声功率，采取了对每个阵元使用单独的功率放大电路和匹配电路，如图7所示。

图7 单个阵元功率放大和阻抗匹配电路

图7中，功率放大电路由IRF840单极型MOSFET和脉冲变压器构成。电路中，已调信号经CD4069升压到+12 V后输入到IRF840的栅极，保证MOS管可靠导通，控制MOS管的导通和关断来产生高压脉冲信号。

由于组成基阵的阵元间会有细微的差异，为保证每个阵元两端信号幅度一致，需对每个阵元单独进行阻抗匹配。阵元的阻抗匹配分为抗的匹配和阻的匹配。抗的匹配是指在阵元两端并联或者串联1个反向电抗，使阵元由电抗性负载变为纯阻性负载。当阵元抗的匹配完成后可视为纯电阻，在前级电路的等效电阻与阵元的电阻相同时阵元上才能获得最大功率，即能量最大传输定理[9]。阻的匹配通过脉冲变压器来实现。图7中由并联在阵元两端的电感L1实现抗的匹配，而脉冲变压器TRANS1实现阻的匹配。

3．2水下传输测试分析

系统采用ASK调制，载波500 kHz，基带信号100 kHz，已调信号经功率放大和阻抗匹配后由发射基阵发出。接收端经过前置放大、检波、脉冲整形后恢复出相应的基带信号。

由于室内规则水池小，壁面和池底均带来多径反射，影响系统测试，因此选择室外开阔水塘进行系统通信测试。水塘平均水深5 m，发射端和接收端深度为2．5 m，收发端水平距离100 m，图8所示为场外试验系统。

图8 室外试验测试图

测试发射端分别采用单个阵元和基阵时接收端信号波形。

由图9可知发射端采用单个阵元时，由于辐射声功率较小，接收端信号幅度只有336 mV；而采用基阵时，提高了辐射声功率，接收端信号幅度明显增大，峰峰值达到1．96 V，接收端增益增加15 dB，有效提高了接收端信噪比。

(a)单个阵元发射时接收端波形

(b)3×3基阵发射时接收端波形

基阵指向性与多途效应存在一定关系，良好的指向性可以有效抑制多途效应。当阵元数目一定时，发射基阵辐射声功率不变。测试中采用2×2基阵结构，通过改变阵元间距调整基阵波束宽度，图10给出了d1=d2=6λ/8和d1=d2=3λ/8两种阵列结构的接收端信号测试波形，其波束宽度分别为27°和49°．

(a)阵元间距为6λ/8时接收端波形

(b)阵元间距为3λ/8时接收端波形

由图10可知，接收信号中多途信号的幅度随着发射波束宽度增加逐渐增大。当阵元间距为6λ/8时，多径效应不明显；阵元间距为3λ/8时，多径效应已经非常严重。因此，基阵指向性越好，对多途效应抑制越明显。根据实际系统应用需求，应综合考虑基阵体积、系统成本及接收端对准等因素，波束宽度一般选择在10°～30°之间。