扩频技术在浅海水声测距中的应用

毕 彦 景永刚 陈梦英

（1.海军驻上海地区水声导航系统军事代表室 上海200032； 2.中国科学院声学所东海站 上海200032）

扩频技术在浅海水声测距中的应用

毕 彦1景永刚2陈梦英2

（1.海军驻上海地区水声导航系统军事代表室 上海200032； 2.中国科学院声学所东海站 上海200032）

传统的水声系统由于主要使用单频脉冲信号，因而无法克服距离分辨力和作用距离之间的矛盾。文中主要研究如何将扩频编码m序列编码技术应用到水声测距中的方法，既详细分析了浅海水声多途信道的特点，也给出了用于水声测距的扩频数字模型，并进行系统性能仿真与水池试验验证。结果表明：增加m序列码元周期和减小脉宽能够增加测量精度，频谱越宽则抗干扰性越强。该项研究为扩频技术在水声测距与定位中的实际应用提供了较好参考。

扩频技术；水声测距；m序列

引 言

浅海域无论在军事上还是在民用上都是十分重要的战略区域。由于浅海声信道是一个极其复杂的随机时-空-频变信道，其主要特征表现为复杂性、多变性、强多途、高噪声和有限的使用频带宽度。在这种复杂的信道中实现信息传输，不仅通信速率低，可靠性差，而且传输距离较近［1］。

传统的水声跟踪定位系统主要使用单频脉冲信号。单频脉冲信号无法克服距离分辨力和作用距离之间的矛盾。在浅海中，严重的多途也会影响单频脉冲信号到达时刻的测量精度，且单频脉冲信号保密性差，不易隐蔽，很容易被敌方识别、截取和攻击。这些弱点限制了单频信号的应用。扩频技术可以克服单频信号的弱点。

近年来国外的IXSEA公司和Sonardyne公司已研制成功基于扩频技术的水声跟踪定位系统。Sonardyne公司开发的Fusion系列，拥有通用的现代化硬件处理平台，使用数字信号处理技术，能够同时支持传统的单频脉冲信号和宽带信号。这套设备目前已应用于很多领域，比如：Grand Banks水冰、新加坡海峡、非洲西部深水区和墨西哥海湾。据介绍，Sonardyne公司的设备工作在中频，利用扩频技术获得很高的距离分辨能力，在距离为780 m时，测量精度可以达到1 cm［2］。目前国内虽然也有一些研究［3-4］，但尚无同类产品，在这个领域还很薄弱，开展此方面的研究工作很有必要。

1 水声扩频技术

扩频技术是现代数据传输中采用的信道复用新技术，其信号所占的频带宽度远大于所传信息的最小带宽。频带的展宽是通过编码和调制的方法实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关调整及恢复所传信息数据。由于水声扩频技术是发射端用扩频码序列进行扩频调制，将信号送到水声信道中传输，接收端用相关解调技术，从而大大扩展了信号的频谱，使其具有抗干扰、抗噪声、抗多途、保密性、隐蔽性、多值复用、高精度测量等一系列优良性能［5-6］。但水声信道复杂多变，很多在雷达信道中成熟的技术在声纳中却无法达到预期效果。因而研究水声信道的特点是把扩频技术引入到水声技术中的必要环节。

1.1 浅海水声信道特点

我国的沿海地区多为浅海，浅海是指声传播明显地受海面和海底边界影响的海域。在分析浅海声场时，除考虑直达声以外，还必须考虑经过一次和多次海面、海底的反射声，总声场等于直达声和这些反射声的叠加。浅海中声传播损失依赖于海面、海水介质和海底的许多物理参数，而且扩频信号为高频信号。综合以上特点，本文选用高斯射线束（GRAB）声线传播理论，对高频信号在浅海中传输的信道冲激响、接收信号进行仿真研究。基于射线声学理论的GRAB方法适用于高频情况，形象直观、数学计算简单，可非常有效地解决海洋中的声场问题。其声压幅值等参数都与频率有关，且因GRAB的计算结果是基于亥姆霍兹方程的频域解，因此，当发射信号为宽带信号时，接收信号的时域波形求解问题可以解决［7］。

假设发射信号为被调制的伪随机序列，其中心频率30 kHz、脉宽20 ms、码元宽度63/20 ms、码元数63。海深取为120 m、声源深度30 m、接收点深度75 m，与声源横向距离1.3 km。海水密度均匀、恒定声速，发射信号声压幅值为1，由GRAB求得的信道冲击响应函数和接收信号时域波形如图1和下页图2所示。

由图1可以看出，浅海多途效应非常严重，而从图2中还可以看出，宽带信号由于频散效应相应时间点的幅值是起伏的。

图 2 浅海信道中接收信号时域波形

1.2 水声扩频的实现

水声扩频技术的实现方法是通过编码和调制将单频信号的频段展宽，其中编码一般是通过伪随机码或伪随机序列来实现的。由于扩频信号的时间带宽积，可在宽的信号带宽条件下实现远距离、高可靠的水声测距。本文使用应用最为广泛的m序列编码，序列长度为N、码元宽度为Tc，它的相关函数是［8］：

由式（1）可知，扩频信号的自相关峰尖锐，能量主要集中在-Tc≤τ≤Tc之间。当信道存在多径时，只要多径时延超过伪随机码的一个码元宽度，则经过匹配处理后，可消除或减弱这种多径干扰的影响。下面给出直接序列系统应用到水声测距中的系统模型，如图3、图4所示。

图3 m序列发射端

图4 m序列接收端

图5 m序列的匹配滤波器

在该系统中，匹配滤波器的阶数为m序列的周期，冲激响应是m序列的镜像函数，传输函数是m序列频谱的复共轭，其结构如图5所示。m个匹配滤波器对应着m个不同的发送端。

1.3 扩频技术测距能力

水声测距都有两个重要的参数：最大测量距离和距离分辨力，其中最大测量距离与发送功率、脉冲宽度T成一定的正比例关系。也就是说发送功率越大，脉冲宽度T越大，最大测量距离越远。

直接序列系统测距的最小距离分辨能力如下，详细的推导请参阅参考文献［5］。

式中：c为声速；Tc为码元宽度。

由式（2）可见，测距分辨能力仅与扩频码的码元宽度Tc有关。扩频技术测距有效地解决了CW信号最大测量距离和距离分辨能力之间的矛盾。

2 系统性能仿真

假设收发端已经取得同步，仿真的参数如下：中心频率f0=30 kHz；脉宽20 ms；m序列周期N=63；码片时间Tc=20/63 ms；信噪比10 dB。

存在多途时，接收端接收信号的时域波形如图6所示，匹配滤波器输出如图7所示。从图7可以看到匹配滤波器的输出依然具有尖锐的峰值。这说明图3～图6所示的直接序列系统模型的抵抗多途干扰能力很好，能够用于浅海等多途径严重的水域。

图6 m序列扩频信号

图7 匹配滤波器输出

3 试验验证

图8 试验结构图

为了验证系统的可行性，在水池进行了实验。该水池的尺寸为：10 m×5 m×5 m，池壁和池底为普通混凝土，不能吸声，所以存在严重多途，这正好可以用来检测本文设计的直接序列系统。试验系统的结构图如图8所示。该系统的算法与控制界面由C++Builder编写。其中，发送端的任意波形发生器采用NI公司的NI 6733数据采集卡，使用C++Builder编写界面。NI 6733输出的信号经过功率放大器后送入换能器。接收端采用NI公司的NI 4461数据采集卡，水听器出来的信号先经过一个可以起放大作用的带通滤波器，再送入NI 4461进行数据采集并进行相应的信号处理，结果送入上位机中。

图9与图10分别是N=31和N=127的m序列的试验截图。由图9与图10中带通滤波器的输出波形可以看出，多途干扰非常严重，原本只有20 ms的信号到达接收端时，远远长于20 ms。匹配滤波器输出图中第一个波形是接收信号的局部放大图。在这种恶劣的情况下，匹配滤波器的输出(最底下的波形)依然有明显的峰值，说明我们设计的系统抗多途干扰的能力较好。比较图9和图10后发现，码元长度越长，匹配滤波器输出效果越好。

图9 N=31扩频系统水池试验波形

图10 N=127扩频系统水池试验波形

4 结 论

本文对于浅海水声测距的直接序列扩频系统，进行了仿真和水池实验。主要结论如下：

（1）直接序列扩频系统用于水声跟踪定位系统时，m序列码元宽度决定了测量精度，增加m序列周期和减小脉宽都能增加测量精度，但是要考虑到换能器的带宽和水声信道的带宽。

（2）在水声技术研究中，多途传播引起的干扰始终是个难以解决的问题。该扩频系统是排除干扰，即是设法将较强而稳定的有用信号分离出来，排除其它路径来的干扰信号，也就是采用分集接收处理的方法。效果较好。

（3）扩频系统扩展的频谱越宽，相关检测或匹配滤波的处理增益就越高，抗干扰性能就越强。对于单频干扰、其他伪随机调制信号的干扰，扩频系统都有抑制干扰、提高输出信噪比的作用。

［1］ KILFOYLE D B， BAGGEROER A B. The state of the art in underwater acoustic telemetry［J］. IEEE Journal of Oceanic Engineering， 2000，25：4-27.

［2］ 王华亮. 扩频技术在水声跟踪定位系统中的应用［D］.上海： 中国科学院声学研究所， 2010：1-2.

［3］ 宋磊， 王大成，梁珊珊，等. 扩频技术在水声定位系统中的应用研究［J］ . 声学技术， 2007，26（5）：102-104.

［4］ 马晓民. 水声扩频技术在水下轨迹测量中的应用［J］.声学与电子工程， 2001，62（2）：1-6.

［5］ 田日才. 扩频通信［M］．北京：清华大学出版社，2004.

［6］ 刘序旻，赵齐民，杨颖，等.舰船总体水声兼容性设计综述［J］．船舶，2013（3）：31-33.

［7］ RODRíGUEZ O C. General Description of the BELLHOP Ray Tracing Program［R］. 2007： 1-8.

［8］ 曾兴雯. 扩频频谱通信及其多址技术［M］. 西安： 西安电子科技大学出版社. 2004.

Application of spread spectrum technology in underwater acoustic distance measurement system in shallow sea

BI Yan1JING Yong-gang2CHEN Meng-ying2

(1. Shanghai Representative Office of Military in Underwater Acoustic Navigation System, Shanghai 200032, China; 2. Shanghai Acoustics Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China)

Since the traditional underwater system usually uses single frequency pulse signal, there is a contradiction between range ambiguity and ranging accuracy. This paper mainly studies the application of the m-sequence spread spectrum technology into the underwater acoustic distance measurement system. It analyzes in detail the multipath feature of the underwater channel, and presents the model of the direct-sequence spreadspectrum, as well as the system performance simulation and the pool testing certification. The results show that the increase of the m-sequence symbol period and the reduce of the pulse width can improve the measurement accuracy, and the wider the spectrum, the stronger the anti-interference. It can be a good reference for the practical application of the spread spectrum technology in the underwater acoustic distance measurement..

spread spectrum technology; underwater acoustic distance measurement; m-sequence

TB556

A

1001-9855（2014）01-0077-05

中科院声学所东海站知识创新工程项目。

2013-04-02；

2013-05-05

毕 彦（1976-），男，工程师，研究方向：水声导航技术。

景永刚（1974-），男，副研究员，研究方向：水声信号处理。

陈梦英（1986-），女，硕士，研究方向：水声信号处理。

图 1 信道时域冲激响应函数