水下轻便微小型多功能编码声源系统研究

张庆国， 李兴武， 连 莉， 颜家雄

(昆明船舶设备研究试验中心， 昆明， 650051)

0 引 言

近年来，我国大力推动海洋科技向创新引领型转变，各种新型水声工程装备不断涌现[1-3]，如水下无人系统、水下滑翔机等设备组成更高复杂度的水下无人作战体系[4]。在水下设备或平台进行作业时，其水下位置信息至关重要，工程上多采用水下合作目标定位跟踪系统来实现水下目标位置信息的实时测量[5]。水下合作目标定位跟踪按照工作方式主要分为两种： 同步式和应答式。同步式需要在工作前与接收端进行时标同步，具有测量精度高、数据更新速度快、结构简单等优点，但因为需要试前同步操作，使用操作略为复杂；应答式无须试前同步操作，可利用查询与应答往返的声信号信息进行定位跟踪与通信，具有使用便捷、误码率低等优点，但存在数据更新速率慢，软硬件结构相对复杂等不足。由于同步式水声定位系统具有更高的跟踪精度，在实际工程应用中多采用同步跟踪方案[6]，而同步声源便是水声实时定位跟踪的配套设备，其性能直接影响甚至决定水声定位跟踪系统的性能指标及功能实现。

国外水声工程装备技术起步较早，成果丰富，推出了一系列的高性能商用乃至军用水声定位产品，如美国的雷神公司(Raytheon Company)、挪威的康斯伯格海事公司(Kongsberg Maritime)、英国的Sonardyne、 CTG公司(Chelsea Technologies Group)等[7]。以Sonardyne公司某型产品为例，其工作频率为18～36 kHz，具备水声定位及应答通信功能，尺寸为Φ76 mm、L436 mm。相对来说，国内研究起步较晚，高端民用市场几乎被国外垄断[8]。但近年来随着军用及民用海洋工程技术的不断提高，国内水声工程相关设计和研究技术发展迅猛。中国船舶重工集团公司第715所研制的声学释放器为国内首型水声工程装备，工作水深可达1 000 m；哈尔滨工程大学研制的深海高精度超短基线定位系统为我国7 000 m载人潜水器“蛟龙”号、深海缆控潜水器“发现”号和深海水下声学拖体等提供了水下精确定位服务[9]。虽然国内水声定位跟踪技术研究为国防及民事应用提供了及时的技术保障，但在小型化水下航行体应用中较为薄弱，未见市场有相关工程类产品级应用。

现有声源系统通常存在尺寸大、重量大等不足，甚至难以在小型水下航行体上配套安装。因此，针对轻型滑翔机、观察型ROV(remote operated vehicle，无人遥控潜水器)等小型水下航行体的水下试验测试，以及水下作业中的高精度实时水声定位跟踪需求，开展小型化、多功能编码声源技术研究，研制便携式多功能编码声源系统，满足小型水下航行体的匹配安装与多目标水声定位跟踪等多功能测试需要。

1 系统设计与研制方案

1.1 系统总体设计方案

系统总体采用一体化集成综合设计方案，将该声源设计为以配套使用为主，同时兼顾独立使用的水声工程设备/产品，既可作为常规水声定位跟踪配套声源，又可独立作为水声遥测与遥控设备，具有灵活的使用方式和广阔的应用前景。该声源系统通常与水声工程设备配套使用，亦可独立作为水声通信与遥测、遥控设备使用。系统典型工作情况如图1所示。

对于小型化水下航行体的定位跟踪及综合测控系统来讲，水声基阵接收端可采用多种形式，但配套声源系统成为主要关键设备，需解决小型、轻量化与多功能、独立工作之间的矛盾平衡问题。

文中针对水下小型航行体的水下定位跟踪及相关测控需求，设计一种可在深海使用的小型一体化多功能编码声源。该声源系统技术设计的主要要求是：

(1) 具备实时水声定位声信号同步或非同步发射功能，同时具备实时接收远端水声通信或遥控信号与应答功能。

(2) 具备尺寸小、重量轻以及连续工作时间长等特点，以满足小型水下航行体实航测试安装与使用需求。

(3) 具备多个水下声源编码组网功能，便于水下多系统集群式组队使用。

(4) 具备独立电源系统，同时兼顾水下航行体供电(供电系统需具备自动切换功能)，以提高连续长时工作能力。

(5) 满足深海1 000 m的独立使用条件，兼顾湖海使用环境。

综上所述，该声源系统具备实时水声定位跟踪匹配声信号发射，具备水下航行体姿态参数的编码发射以及接收远程水声指令完成相应的控制命令等功能，属于定位及综合测控声源系统。

该方案与水声工程中常规声源或应答器设计方法不同的是： ①小型声源在小尺寸基础上集成深度、姿态等传感器，集成高效能电池及相关控制与处理功能，可设置为同步或应答两种定位模式，同时设计有全双工通道，即在定位跟踪过程中可实时接收水面声学查询等命令，并对其应答和执行；②考虑到多个水下目标的实航测试，设计声源可在试前进行单独编码设置，即给每个水下声源赋予唯一的编号，以满足多目标水声定位测控需求；③综合调试设备与常规单纯试前设置不同的是，不仅可以完成对声源的试前设置，还具备试中声源状态查询和全双工应答与通信功能。

1.2 系统主要技术指标

综合国内外类似产品的通用特点，结合当前小型滑翔机湖海试验测试需求，水下便携式可应答同步声源采用一体化集成设计方案，设计声源外形尺寸为直径70 mm，长度200 mm，重量不大于1.5 kg，连续工作时间不少于8 h，且工作水深可达1 000 m，其主要技术指标如表1所示。

表1 主要技术指标

(续 表)

1.3 系统组成

水下便携式可应答同步声源主要由小型声源和配套综合调试设备两部分组成。小型声源安装在被测水下目标上，可独立完成相应的水声定位、水声遥测及水声遥控等功能，综合调试设备主要用于声源的工作参数设置，试前同步等相关操作，同时也是声源配套的水面操控平台。系统原理框图如图2所示。

如图2所示，小型声源安装在水下目标上独立工作，综合调试设备在试前通过电缆与小型声源进行连接，对声源的工作参数进行设置，如工作模式、工作频段、声源编码等。同时，利用GPS(global positioning system，全球定位系统)卫星信号处理后进行声源的时钟同步，确保声源内部时钟与水声基阵接收端一致。

小型声源和配套综合调试设备是声源系统的主要组成部分，如图3所示。综合调试设备采用组合式设计方案，集成应答与显控功能，基本原理在此不做详述。小型声源主要由组合换能器、电子水密舱、深度传感器、姿态传感器和调试接口组成。如果设置为应答定位模式，则自动接收查询信号进行应答；反之为同步式，试前需进行同步设置。声源在具体工作中可通过综合调试设备进行全双工查询与遥控，为水下目标的航行安全提供应急操控手段。

如图3所示，综合调试设备上电后选择小声源同步模式，之后进行高精度恒温晶振预热，以保证小型化声源内部时钟工作稳定。预热完成之后自动进行同步设置，并自动检测同步是否成功。如果同步失败，那么将自动重新进行同步设置，并将相关信息反馈给综合调试设备进行显示。

1.4 基本工作流程

声源在具体使用前，需利用综合调试设备(见图3)，根据本次试验的具体要求进行参数设置，可选设置为同步、应答和读取数据三种方式。其中同步模式即为常规高精度同步式水声定位跟踪模式，为水下小型航行体提供位置信息，特别适用于一定区域范围内的高精度水声定位及应急遥测、遥控；应答式为查询和应答回复模式的定位跟踪，实际会受限于水声基阵的查询情况，多用于长时远航程测量；读数模式主要是为了读取声源在水下工作时实时解算的深度、姿态等传感器原始信息，便于试后分析和比对。

图2 系统原理框图

图3 系统工作连接示意图

2 关键技术分析

水下便携式可应答同步声源系统关键技术分为信号产生、功率放大以及样机研制。其中信号产生中除了精确产生所需编码信号外，还需保证在同步工作模式下长时稳定工作，确保同步精度；功率放大需兼顾18～36 kHz与9～14 kHz两个较宽频带的带内平坦；需要综合平衡声源功能、性能与结构、重量、工作时长之间的矛盾，研制原理样机，并进行实航测试。

2.1 信号产生与功率放大

在水声定位跟踪的实际工程中，常采用频率、相位等调制方式，对于声源产生来说，多以单频和调频信号为主[10]，结合相应的编码算法获得最终声源发射所需的信标信号。因此，声源系统中信号的产生必须精确且高效。

为实时高精度产生信标，采用直接数字频率合成(direct digital synthesis， DDS)原理构建信号发生器，如图4所示。DDS是一种基于抽样定理的二维模拟信号与数字信号的转化，其本质是通过相位量化进行频率合成，具有频率分辨率高、频率捷变时间短、波形失真小等优点[11-12]。DDS主要由频率控制字、相位控制字、相位寄存器、波形存储器、数模转换器(D/A)以及低通滤波器组成。

图4 DDS信号产生及相位累加原理框图

如图4所示，统一在系统时钟fc的触发下工作，其相位累加器是DDS的核心组成部分。相位累加器由N位加法器和N位相位寄存器构成，产生寻址波形存储器的数字序列，数字序列范围从0到累加器的满偏值。初始状态将相位控制字(P)送给寄存器，它决定所产生波形的起始相位。当信号产生时，每来一个时钟加法器将频率控制字(K)与寄存器输出数值进行相加，再把相加后的结果送给寄存器数据输入端，寄存器将相位数据返回到加法器数据输入端，准备进行下次与频率控制字的相加，同时产生寻址波形存储器所需的地址序列。当相位累加器超过满偏置时，就会产生一次溢出，完成一个周期动作。

设计中将频率控制字设为K，参考时钟为fc，相位累加器位数为N，将一个周期的余弦信号幅值编码存储在波形存储器中，则第n周期相位累加器输出序列为

θ(n)=mod(nK, 2N)

(1)

波形存储器输出序列为

(2)

根据式(2)中输出信号展开傅里叶级数表达式为

(3)

其中，将式(3)中只取实部表示为S(t)的三角函数形式：

(4)

由式(3)和式(4)可以看出，输出信号除包括主频f0外，还存在频率分布为fc±f0、 2fc±f0等非谐波分量，因此为得到主频为f0的信号，还需在DAC输出端加截止频率为fc/2的低通滤波器。

DDS产生的信号频率为

(5)

式中： 当K为1时，DDS输出频率最低，根据奈奎斯特定律，DDS最大输出频率可达fc/2，但在实际情况下，为保证输出精度，规定每个周期最低采样精度为8个点，于是K最大值为2N/8，输出最大频率为fc/8。

信号频率分辨率为

(6)

DDS模块通过可编程逻辑器件构建，FPGA通过设置DDS模块频率控制字和相位控制字来改变输出信号。考虑到实际工程中对声源主要指标的调整需要，声源系统中信号产生部分以FPGA为主，在传统DDS结构的基础上，引入了参数调整模块，通过FPGA编程，灵活实现各类调制信号的产生，并能通过参数传输方式对载波抑制和输出功率进行实时调整，具有结构简单、调试便捷等特点。

采用线性功率放大，同时加上桥式功放结构，进一步提高发射功率，从而提高声源级。线性功放与常规开关功放相比，线性功放发射电压便捷可调、适应与匹配性好，工作可靠性高，并且容易与前级调制电路匹配，不易产生脉冲谐波干扰[13]。功率放大组件主要由信号驱动级、功率放大级和匹配网络三部分组成，信号驱动级由增益控制和推挽驱动将电信号调整到合适的范围，并保证有足够的驱动电流；功率放大级由大功率器件和变压器将信号放大到足够的功率输出；匹配网络为LC电路[14]，使不同频率信号输出效率达到最优。

2.2 样机研制

水下便携式可应答同步声源主要安装在小型水下航行体上，除满足试验测试及提供应急操控等安全措施外，亦不能明显影响航行体水下航行性能。相对来说，要求系统声源发射声源级高，工作时间长，体积小，重量轻，按照常规设计方法很难实现，需以总体需求为主综合设计。系统采用一体化集成综合设计方案，压缩电路尺寸。对电路功耗、抗干扰性、功率放大电路所需的线圈、电容及匹配电路和结构进行了综合设计，组件结构紧凑，配合密切，减小了系统尺寸与重量。声源主体结构以及系统实物如图5所示。

(a)

(b)

(c)

如图5所示，为满足深海1 000 m的基础使用条件，同时降低整体重量，声源的水密舱选用TC4钛合金材料，同时具备良好的耐腐蚀性能。声源样机尺寸为直径70 mm、长度210 mm，重量1.45 kg；实际测试连续工作时长为12 h(1 s周期，12 h后声源级降低3 dB)；深海工作深度采用压力釜进行12.5 MPa的水压测试，确保满足深海1 000 m的实际使用要求。

当前国内外水下声源主要用于水下大尺寸目标的配套安装，如ROV、 AUV(自主式水下潜水器)、 UUV(无人潜航器)、水下滑翔机等水下航行体，通常采用段体式结构或独立式结构。由于受到使用条件及相关技术的约束，当前声源存在功能单一、尺寸较大、重量重等不足。本系统主要针对当前国内外声源用于小型水下航行体实航测试的需求，设计研制一种小型一体化的多功能声源，本声源系统与国内外常用声源系统的比较情况如表2所示。

由表2可知，当前国内外常用的声源主要用于水下声学定位跟踪测试，在性能指标上，国外标准产品的声源级与深度测量精度略高。与现有产品相比，本文所论述的声源系统具有尺寸小、重量轻以及功能全等优点。

综上所述，设计与研制的声源系统满足在小型水下航行体上直接安装的条件，性能满足设计输入的相关技术指标。

3 试验测试

该声源系统研制完成后，经过相应可靠性及环境试验，具备了实航安装测试条件。具体以某小型民用滑翔机为载体，在国内某水域进行实航测试。为了确保水声定位测量的精度，本次实航试验以同步式模式为主。首先，在小型滑翔机上安装水下声源，试前利用综合调试设备进行参数与同步设置；同步完成后，该声源进入等待入水同步工作；入水后，声源检测入水传感器及深度传感器，满足综合判断条件后，声源发射同步定位信标信号；水声定位跟踪系统实时进行水下小型滑翔机的定位测量，完成本次实航试验。实航水声定位跟踪结果如图6所示。

表2 国内外类似声源系统对比表

(a)

(b)

如图6所示，文中所述的小型声源可满足常规小型水下航行体的匹配安装要求，并在国内某水域进行实航试验。试验结果证明，该声源配合某型水声定位跟踪系统可实现超过3 km范围内实时定位跟踪，其定位精度可达5‰，航行参数的水声遥测误码率可达10-5。由此可见，该声源系统实时水声定位跟踪精度高(发射的声信号质量好，时延估计稳定可靠)、测量数据连续可靠，距离较远(声源级较高)，并且相应应答控制满足全双工要求，具有良好的工程实用性。

另外，该声源还在大型水下航行体的实航试验中配套完成了相应的测试验证，为多型水下航行体的实航试验和多目标水下作业提供了配套定位设备。

4 结 语

该小型多功能编码声源采用一体化集成综合设计方案，该声源系统内部集成电子电路及电池，利用收发合置换能器阵及时频编码方式实现全双工定位脉冲发射与远程水声命令信息的接收。该声源安装于某小型水下滑翔机上，通过某湖上实航试验证明该声源系统功能及性能指标均满足设计输入的具体要求。

该声源系统除可应用于多种小型水下航行体的水下定位测量外，亦可在中、大型水下航行体上便捷安装，特别是近年来随着水下多ROV复杂安装施工需求和水下集群技术应用的发展[15]，为该声源系统的市场应用提供了广阔的前景。