一种水下航行体水声遥控系统设计与实现∗

付传宝 匡 彪 严 杰 吴家喜

1 引言

近些年水声遥控技术越来越得到各国的重视，各国竞相加大了研究投入，并取得了一定的成果。水声遥控除了在水下机器人、海上石油平台和水下作业等民用技术方面有大量的应用外，在军事上也有很好的表现。美国Hi-shear公司生产了型号为Mark 12 Mod 0的水声遥控点火系统（AFS）可用于销毁水下各种可爆炸军械武器，该系统在水面使用键盘操作发出指令代码，通过换能器发射，由贴在被销毁武器表面的设备接收后执行指令，该系统作用距离3km。国内各个研究机构在水声遥控领域也投入了大量的研究精力，如西北工业大学、中科院声学所和哈尔滨工程大学等。其中西北工业大学对水下武器声遥控安全起爆、水声遥控引信等技术进行了深入的研究，其采用频率编码信号传输外加FSK的扩频调制方式，已经在工程上得到应用。但国内各个研究机构尚未研制出在市场上应用广泛、技术成熟的产品，只针对某些特定项目而研制，与国外存在一定距离。

为保障UUV等中低速水下航行体的作业安全，降低母船对其控制的风险，设计了一种可靠的水声遥控系统，研制了一套水声遥控信号传输样机，进行了湖上静态与动态试验。最终系统达到以下两种功能：1）完成航行体作业过程中紧急上浮、下沉等命令的传输；2）完成航行体航行中航行模式的调整、改变等。

2 水声遥控系统总体方案

水声遥控系统主要由遥控指令发射设备、遥控指令接收设备和调试设备等组成。其系统构成如图1所示。其中遥控指令发射设备主要由显控台、信道解调器、信道译码器、功率放大器和发射换能器组成；遥控指令接收设备装载于航行体上，由接收换能器、信号调理器、信道解调器、信道解码器和执行指令输出组件等组成；调试设备用于系统的前期试验验证与功能调试，其设备组成与遥控指令接收设备几乎一样，只是增加了一个显控台用于调试过程中，显示接收指令内容。

遥控指令包括启动、停车、上浮指定深度、下潜指定深度、设定航行速度、改变航行方向等指令。遥控信标体制分为同步、导频、地址码和指令信息码四部分，如图2所示。同步脉冲用于判断信号检测起始位置，为中心频率10kHz，带宽4 kHz的正线性调频，脉宽5ms；导频用于多普勒频偏补偿，为10kHz单频，脉宽5ms；地址码用于识别遥控目标，为两个单频的叠加，脉宽共4ms，可识别4个目标；指令信息码用于识别目标的指令类型，为6个单频的叠加，脉宽共12ms，可调制64个指令。T1为同步脉冲和导频脉冲之间的保护间隔，为30ms；T2为导频和地址码、地址码和指令信息码之间的保护间隔，为50ms。

3 水声遥控系统硬件设计

水声遥控设备主要由遥控指令接收设备、遥控指令发射设备及便携式调试设备等组成。遥控指令发射设备一般固定在工作母船上，负责遥控指令的生成、编码、调制及放大输出等；遥控指令接收设备装载于水下航行体上，负责接收工作母船发出的遥控指令水声信号，经调理、解调解码后，将遥控指令信息发送给水下航行体执行机构；便携式调试设备负责遥控指令发射设备的功能检测工作，采用与遥控指令接收设备类似的硬件结构，完成遥控水声信号的调理、解调解码等，将遥控指令信息显示出来。

三个设备硬件采用模块化设计，仅外围芯片有所差异，主要组件数字信号处理器均基于DSP+FPGA的架构，DSP与DDR之间是直接的并行数据通信，其他部分与DSP之间的数据通信则是要经过FPGA的处理，DSP与FPGA之间也是并行的数据接口，即AD、DA、DDS、串口等外设都是与FPGA之间进行数据通信的。其核心处理器选用TI公司的TMS320C6455，TMS320C6455的主频为1.2GHz，外设中DDR内存128Mbytes，FLASH容量4MBytes，DDR用来临时存储运算中用到的数据，FLASH用来实现DSP的程序加载。数字信号处理机的整体结构如图3所示。其中，DSP主要负责数据的调制解调，作为数字信号处理板的主处理器，FPGA负责板卡上外围器件的驱动，包括AD、DA的控制和数据的收发、缓冲等处理，DDS控制及频率输出，模拟串口通信协议实现串口数据收发。DSP与FPGA之间除了并行的数据总线和地址总线外还有几个预留的IO信号线，可作为FPGA与DSP之间的中断信号线，在实际的应用中这几个预留的IO信号作为FPGA送给DSP的中断信号，以通知DSP完成收取AD转换完成的数据、向DA原始数据发送、接收或发送串口数据等功能。

4 水声遥控系统软件设计

4.1 遥控指令发射软件

当需要发送遥控指令时，软件系统将键盘响应转换为相应的二进制数据流，经过编码、调制等操作后，将调制数据发送至功率放大器，经放大后，通过发射换能器发出，如图4为遥控指令发射流程框图。

4.2 遥控指令接收软件

系统上电初始化之后，则进入监听状态，如果检测到同步信号，便对同步信号之后的地址码和指令码数据包进行接收、存储和处理。其流程如图5所示。

DSP处理器详细流程如下：EDMA搬完固定长度的数据后，产生EDMA传输完成中断，启动作为软中断的接收函数receive（）。在receive（）函数中首先对接收到的数据进行FIR滤波，滤除电源可能带来的工频干扰，硬件温漂带来的直流分量和带外干扰。为了使同步检测的更准确，在检测同步信号前，先从频域上检测CW信号。当检测到CW后，开始检测CW信号之前的同步信号，检测同步信号采用本地LFM与接收到的信号做相关的方法。如果没检测到，则等待EDMA传输新采集的数据。当检测到同步信号时，取出接收的CW信号，进行测频运算，求出多普勒因子，并根据此多普勒因子生成受多普勒影响的新的本地LFM，重新进行精确同步。完成同步后便进入数据信号的解调部分，当数据信号够一组时，开始解调与解码，将解调出的比特流恢复成发送端的二进制数据，判断其指令含义，由串口发送执行命令到执行机构。

5 弱信号检测算法

课题组着重研究了时延估计、频率估计和解调解码等接收端数字信号检测处理方法。时延估计利用自适应更新样本相关的方法，提高时延估计精度，再进行时延值精密内插，从而保证时延估计精度；频率估计采用基于FFT的插值频率估计算法，插值采用拉格朗日与最小二乘拟合算法，其估计频率精度小于80Hz；解调解码采用根据时间优先、脉宽优先、幅度优先等原则从有效脉冲信号中区分定位、定深及遥测信号。

在进行弱信号检测之前，水声信号的调理是关键之一，信号调理采用硬件与软件相结合的实现方法。硬件部分包括前置放大、滤波电路等抗噪声干扰技术以提高信噪比，换能器接收信号经过高速A/D采样后，通过高阶数字滤波器后进行幅度调整；软件部分采用Hilbert变换与相关算法实现幅度自动均衡以及小波变换消除噪声的算法，对水声遥测中起伏大和强噪声干扰信号进行抑制，然后进行相应的检测与解调解码。

时延估计利用自适应更新样本相关的方法，提高时延估计精度，再进行时延值精密内插，从而保证时延估计精度。

频率估计采用基于FFT的插值频率估计算法，图6为基于FFT的插值频率估计与不插值的仿真误差比较图，插值采用拉格朗日与最小二乘拟合算法，图中x轴为理论中心频率值，y轴为（估计频率值-理论中心频率值）/理论中心频率值。从仿真结果看，基于FFT的插值频率估计算法频率估计精度很高，但还需要解决硬件实现上带来的难题。

解调解码时，系统接收处理样机通过对时间、幅度、宽度、频率、能量等参数的鉴别来实现有效脉冲信号的检测，并根据时间优先、脉宽优先、幅度优先等原则从有效脉冲信号中区分定位、定深及遥测信号。结合抚仙湖水声信道特点，重点考虑高增益、低信噪比情况下的可靠检测，综合信号到达时间、信号幅度、信号宽度、信号能量等参数的权重因素与比例，研究时间优先、脉宽优先、幅度优先和时间—能量联合等检测方法，并对同一段水声信号进行了多次重复回放检测，优化检测程序，从而有效的降低传输误码率。

6 试验结果分析与研究

为验证此方法的性能，开展了湖上静态拉距、动态跑船等试验。试验过程：试验船A携带遥控指令接收设备在距固定有遥控指令发射设备的工作母船B半径6km范围不同距离点进行静态拉距试验，在距母船半径6km范围内以不同航行速度进行动态跑船试验。

6.1 试验水域水文条件

图7为试验当天试验水域声速梯度实测结果。从图中可以看出，该季节试验水域声速梯度呈明显的负梯度现象，换能器吊放在不同水深处时的信道多径情况以及接收信噪比均会有较大差别。试验船A与母船B的距离为2000m时，对信道情况进行了测试，多途为15ms如图8所示。

6.2 试验结果与分析

图9为试验中经水声信道接收的信号波形，经过水声传输，其多途反射明显，而且由于发射目标的运动，带来了信号的起伏。

图10为发射、接收信号频谱特性对比，由于多普勒影响，其频率最高点有相应的偏移，采用多普勒修正算法加以补偿可得到准确的频谱特性。由于谐波、多途反射等影响，接收端信号频谱能量不均匀，可采用相关的频率估计算法进行精确估计。

对跑船试验数据进行分析，统计10000次频率估计结果，信噪比为3dB时其调制频谱与解调结果对比，频率检测偏差在±50Hz以内，但随着作用距离的加大，信噪比会随之降低，频率估计会出现误差，采用卷积纠错算法控制，可以有效的降低误码率。课题组统计了遥控湖试试验误码率结果如表1所示。从表1可以看出水声遥控系统设备误码率达到了10-4数量级，达到了项目的指标要求。

表1 湖试试验误码率结果比较

7 结语

通过对水中多途反射声信号判别、远距离弱信号检测及解调解码等技术的研究，结合FSK调制方式，设计了一种远程遥控方法，实现了对UUV等中低速水下航行体实航时的水声遥控功能。经过模拟试验数据分析，本系统各项指标达到项目技术要求。

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