深水探测中混沌信号的应用仿真

2022-06-20郭英歌陈晶晶

测试技术学报 2022年3期

郭英歌，陈晶晶

(中国科学院声学研究所东海研究站，上海 201815)

0 引言

浅剖地层剖面测量是一种基于水声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法[1]. 浅剖地层剖面设备常用于近海工程、海洋底质调查、大洋科考等. 浅地层剖面设备将较低频率声信号以Burst信号形式发出，利用海水介质传播，穿透地层介质反射得到回波声信号能量，构成地层结构信息. 在浅海探测中声信号在海水中行进路程较短，在完成一个方向声信号的发射与接收后再进行下一个方向的探测，在航速适当的情况下也并不会影响探测效率和效果. 所以，对于浅海探测其效率提高还不是关键问题. 但是大深度海洋探测中，声信号在海水中行进路程往往需要数秒，而海水中数据并不是探测目的. 若仍如浅海探测等待单个方向探测结束再进行下一次工作，会出现航速快时结果稀疏，航速慢时效率低下的情况. 目前，深水声学探测设备较常见的是应用Multiping技术来解决这个问题[2]，如Teledyne集团生产的ChirpⅢ设备和PARASOUND[3-4]， SyQwest 公司生产的Bathy2010TMCHIRP 设备[5]. 这些设备在深海探测过程中，以小时延连续发射声信号，增加海水空间中的探测信号，并在接收端以一定的时间间隔接收信号. 不可避免的，在海底走势发生较大变化，及底质结构存在差异的情况下，不同时刻发射的回波声信号有可能发生混叠，接收端无法确定当前信号是哪个探测位置的结果. 因此，不同时刻发出的声信号被要求接收端在时间域上一定可以分离. 发射换能器的带宽有限，同时带宽较宽的声信号有较高的地层分辨率[6]. 如果将若干个窄带声信号作为发射信号，在接收端可以利用工作频带分离不同信号，但是会降低地层分辨率. 扩频通信系统是可以将基带信号的频谱通过某种调制扩展到远大于原基带信号带宽的系统[7]394. 利用编码序列可以实现多用户公用一个频带. 混沌序列基于非线性系统，在时域上有随机混乱现象，频谱呈现为宽带白噪声特性，序列的自相关峰尖锐，序列间的互相关结果平坦[8]，可以有效抵抗信号间混叠，较适合深海Multiping系统.

1 混沌信号模型

混沌是指对初始条件的微小变化具有高度敏感依赖性的非线性系统的行为[8]. 确定的混沌系统会具有某些随机性现象所具有的特征. 如时域上的随机混乱现象；长期的不可预测性；频域上的宽带白噪声特性；强自相关特性弱互相关特性. 这些特征都帮助混沌系统产生的序列特性优于M序列、 Gold序列等伪随机序列[9].

常规方式是将混沌序列二值化，即将混沌序列的值按照与中值做比较转换为0或1，再通过FSK， PSK等方式进行二进制调制. 也有根据带宽与频率的关系，对序列进行调制[9]. 不同的调制方式需要不同的量化方式，因而也需要不同的筛选方式. 下面两节具体介绍不同调制方式下混沌序列的筛选流程.

1.1 量化-频移键控(Quantization-Frequency Shift Key)信号流程

量化-频移键控的序列编码模式需要将混沌序列二值化，之后通过序列平衡性、游程及自相关参数进行筛选，经过数字调制后得到期望信号. 具体流程如图 1 所示.

图 1 量化-频移键控信号流程

1.2 频带分离的调频调制信号模型

调频调制序列模型不同于FSK量化调制，它只是调整序列值的范围，通过自相关和互相关特性对序列进行筛选，保证相位连续的频率调制即可得到期望信号. 具体流程如图 2 所示.

图 2 相位连续的调频调制信号流程

将系统工作带宽分成两个部分，相同编码信号可以在不同频带工作，而且不同编码的信号也更易分离. 虽然这样做降低了工作带宽，但基于混沌序列的调频信号相关峰仍旧尖锐，可以通过之后的仿真和试验得到验证.

常见的混沌序列包括Logistic序列、 Kent序列及Chebyshev序列等. 中南大学的李克辉等[10]通过混沌扩频多用户系统对多种混沌映射的性能进行了仿真，结果证明3 种混沌序列均具有优良的扩频性能、抗干扰性能和抗多径性能，其中Chebyshev序列扩频特性最好. 本文的仿真和试验部分选择Chebyshev序列，使用上述两种调制方式对信号混叠分离效果进行对比验证.

2 仿真与分析

2.1 仿真信号模型

量化FSK调制信号取经过量化筛选得到的混沌序列，长度为64，调制频率f1=17 kHz,f2=23 kHz, 设置信号采样率为102 kHz， “1”对应 2个周期的s1=sin(2πf1t)， “-1”对应4个周期的s2=sin(2πf2t).

频带分离的调频调制序列取优化筛选得到的混沌序列，长度为64，调制中心频率f0=20 kHz, 频带宽度B1=B2=3.5 kHz, 设置信号采样率为102 kHz，序列中各个点的值对应的频率计算公式为fi=f0+Biai，信号模型为4个周期的正弦信号si=sin(2πfit+φi)，取φi+1=2πfit+φi每一个码元的起始相位，保证相位连续.

2.2 仿真实验

根据上述信号调制模型得到编码信号，将两个相同调制方式的信号以不同幅值混叠，再加入不同信噪比的带内噪声，最后，通过匹配滤波分离混叠信号，从而验证混沌序列在该调制方式下的抗混叠性能. 带内噪声是将高斯白噪声通过频带范围的带通滤波器得到的干扰信号，信号与带内噪声的能量比是此时信噪比. 错误率是做了1 000次测试中定位错误的概率，之后的错误率与此处相同. 根据信号的带宽及采样率，接收信号每点间隔1/fs，定位错误是指滤波信号与正确定位相差大于4个点的情况.

图 3～图 5 分别是在混叠信号与带内噪声信噪比分别为0 dB, -3 dB, -6 dB，混叠两个混沌信号长度分别为信号长度的1/2, 3/4和全部混叠情况，两个混叠信号能量比分别为0 dB, 3 dB, 6 dB, 9 dB时的分离情况，其中能量较小的信号为晚到达信号.

图 3 无噪声时混沌序列混叠信号分离

图 4 -3 dB信噪比混沌序列混叠信号分离

图 5 -6 dB信噪比混沌序列混叠信号分离

通过图中数据走势可以看出频带分离的调频调制序列表现优于FSK调制序列，随着混叠信号幅值比的增大，频带分离的调频调制序列错误率明显小于FSK调制序列.

3 实验与分析

为了验证混沌序列经过量化FSK调制及连续相位调频调制的信号在混叠后的分离能力，本次实验将信号尺度及环境尺度缩小，在1.25 m的水池中展开，同时将信号中心频率提高到 1.1 MHz. 实验装置布设如图 6 所示，发射换能器中心频率为1.1 MHz，带宽为200 kHz；实验在一个标准大气压下，水温13.5 ℃展开，水中声速为1 461 m/s.

图 6 实验装置布设

为了使用单一声源产生混叠信号，设置信号源将以小时延连续发射两个调制序列T1与T2，时延间隔取当前调制序列时长.同时使用水听器接收信号，可以接收到直达信号R1与R2，及水池壁的反射信号R1′与R2′.控制水听器位置，可使水池壁反射信号串中的第一个信号R1′与直达波脉冲串中第二个信号R2发生不同程度的混叠.从混叠信号中分离出能量较小的水池壁反射信号R1′，T1对应的回波信号，它与直达波中R1的距离差就是水听器与水池壁的距离. 再与直接测量的距离对比，可以确认混叠分离结果的效果.

3.1 量化FSK调制

混沌序列量化FSK调制信号混叠1/2, 3/4及全部混叠的测量结果采样率为6.25 MHz，分别提取T1,T2对应的匹配滤波结果.如图 7～图 9 所示，浅灰色部分是接收信号，中灰色实线是T1滤波结果，黑色虚线是T2滤波结果.横轴点数对应采样点数，纵轴对应信号及滤波结果的归一化幅值.观察T2滤波结果发现，在2 500点之前没有R2及R2′到达，应无峰值结果部分却存在峰值，此时量化FSK调制方式无法得到正确的结果.

图 7 混叠1/2长度的结果

图 8 混叠3/4长度的结果

图 9 全部混叠的结果

3.2 连续相位调频调制

分别将混沌序列连续相位调频调制信号混叠1/2, 3/4及全部混叠的测量结果进行降采样至采样率6.25 MHz后，分别提取T1，T2对应的匹配滤波结果.如图10～图 12 所示，浅灰色部分是接收信号，中灰色实线是T1滤波结果，黑色虚线是T2滤波结果. 横轴点对应采样点，纵轴对应信号及滤波结果的归一化幅值. 可以看出在有信号到达的位置相关峰值较大，形成尖锐包络，在没有信号到达的位置几乎没有相关峰值.