《電子技術(shù)應(yīng)用》
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水聲傳感陣列指向性與系統(tǒng)傳輸性能研究
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第4期
張 雷, 何 寧, 黃靈鷺, 何志毅
(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,廣西 桂林541004)
摘要: 針對(duì)淺海水聲通信中水汽界面和海底的反射產(chǎn)生多途效應(yīng)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀罁?jù)水下聲傳輸原理,分析了水聲信道中的噪聲特點(diǎn)和產(chǎn)生多途效應(yīng)機(jī)理,研究水聲信道中聲傳感器指向性與傳輸性能關(guān)系,探討水聲傳感陣列方式在水下通信環(huán)境的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)合理的陣元間連接形式、陣列驅(qū)動(dòng)電路和阻抗匹配電路,保證有效的功率耦合效率。經(jīng)水下試驗(yàn)測(cè)試表明:采用一定指向性的聲陣列結(jié)構(gòu),利用單個(gè)陣元波束寬度小于10°,構(gòu)成陣列結(jié)構(gòu)的波束寬度小于30°,并進(jìn)行一定阻抗匹配,可減小能量損失,有效提高水聲通信系統(tǒng)性能。
中圖分類(lèi)號(hào): TN929.3
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)04-0116-04
Research on underwater acoustic sensor array directivity and system transmission performance
Zhang Lei, He Ning, Huang Linglu, He Zhiyi
School of Information and Communication, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China
Abstract: According to the multipath effect caused by the surface reflection and bottom reflection in shallow water acoustic communication,we analysis the noise in the ocean and the mechanism of multipath effect,study the relationship between the directional acoustic sensor and transmission performance in underwater acoustic channel, and discuss the advantage of underwater acoustic sensor array mode in underwater environment.In order to guarantee the effective power coupling , we design the appropriate connecting form of the elements,array driving circuit and impedance-matching circuit.The underwater experimental results show that the performance of underwater acoustic communication can be more effective with part directional acoustic array,the beamwidth of single element is less than 10°, and the beamwidth of array is less than 30°.
Key words : underwater acoustic communication; noise in the ocean; multipath effect; directivity;array driving

    隨著人類(lèi)對(duì)海洋的探索、開(kāi)發(fā)及海洋資源的利用,在海洋環(huán)境下進(jìn)行必要的信息傳遞和交流具有重要意義。由于淺海水下環(huán)境的復(fù)雜性及水聲信道的特殊性,長(zhǎng)距離、高速率可靠通信一直是水聲通信中的難題。增加通信距離的傳統(tǒng)方法是提高單個(gè)陣元的發(fā)射功率,此時(shí)需要陣元具有較大的表面積以避免空化,但在較高的工作頻率下,增大陣元表面積會(huì)犧牲指向性或者無(wú)法合理地兼顧指向性等指標(biāo)。因此采用指向性良好的發(fā)射陣列可增加系統(tǒng)通信距離,抑制多途效應(yīng);且限制了接收視場(chǎng)角,增加了系統(tǒng)的保密性[1-2]。
1 影響水聲通信系統(tǒng)傳輸性能的因素
   水聲通信利用水作為傳播介質(zhì),通過(guò)聲波與水相互作用將信息傳輸?shù)侥康牡?。水聲轉(zhuǎn)換是水下聲通信的關(guān)鍵技術(shù),在通信兩端由水聲換能器負(fù)責(zé)完成電/聲間的相互轉(zhuǎn)換。
   水聲通信系統(tǒng)的傳輸性能包括通信距離、傳輸速率、接收靈敏度、信噪比等。由于水聲信道的復(fù)雜性,使得系統(tǒng)傳輸性能與諸多因素有關(guān),比如:海洋中的噪聲、調(diào)制方式、編碼方式、發(fā)射接收陣列的指向性、多途效應(yīng)、環(huán)境噪聲等。在淺海近程通信中,噪聲和多途效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能影響較為明顯。
1.1 海洋中的噪聲
   海洋中的噪聲源主要包括潮汐、洋流、海面風(fēng)浪、生物噪聲、工業(yè)噪聲等,是水聲通信的主要干擾背景,直接影響系統(tǒng)接收端信噪比和通信距離。在人類(lèi)活動(dòng)頻繁的近海、港口和港灣,生物活動(dòng)和近海工業(yè)是信道噪聲的主要來(lái)源,而且噪聲隨著時(shí)間、空間、地理位置和天氣的變化而變化。
    水聲通信中考慮的噪聲源主要有三種:熱噪聲、海洋環(huán)境噪聲和艦船噪聲。熱噪聲由聲納接收機(jī)中的電路引入,海洋環(huán)境噪聲在30 kHz以上頻段成為噪聲的主要來(lái)源,艦船噪聲對(duì)幾千赫茲以下的低頻段有重要影響。
    在水下環(huán)境噪聲一定時(shí),增大發(fā)射聲源級(jí)可以明顯增加系統(tǒng)通信距離。利用被動(dòng)聲吶方程和傳播損失方程可以得出聲源級(jí)與通信距離之間的關(guān)系。被動(dòng)聲吶方程為[4]:
  
1.2 多途效應(yīng)
    水聲環(huán)境中多途效應(yīng)的形成機(jī)理是聲線彎曲和海底、海面的反射,海水內(nèi)部結(jié)構(gòu)如潮汐、內(nèi)波、紊流等的影響,以及聲源和接收機(jī)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)等,通常淺海的多途效應(yīng)比深海嚴(yán)重得多。
    淺海近程水聲傳播特性主要與海況、海深、工作頻率、發(fā)射基陣指向性等有關(guān),由海面、海底反射產(chǎn)生的多途信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)未完全衰減,疊加后引起信號(hào)衰落。由射線聲學(xué)理論可知,高頻聲波在海水中傳播可以視為聲線在聲束管中傳播。當(dāng)聲源發(fā)射角較大時(shí),經(jīng)海面、海底反射后形成的多途信號(hào)數(shù)量多,歷經(jīng)的時(shí)延和衰減大,接收端信號(hào)起伏大;當(dāng)聲源發(fā)射角較小時(shí),海面、海底反射次數(shù)少,多途信號(hào)數(shù)量少,歷經(jīng)的時(shí)延和衰減小,接收端信號(hào)起伏小。多途效應(yīng)使發(fā)送的碼元產(chǎn)生畸變,導(dǎo)致碼間串?dāng)_,降低了通信的可靠性和穩(wěn)定性,同時(shí)也限制了傳輸速率[4]。因此,減小多途效應(yīng)的有效方法是減小聲源的發(fā)射角度,即減小發(fā)射基陣的指向性開(kāi)角;海水深度對(duì)多途效應(yīng)亦有一定影響,深度較小時(shí),聲線更容易發(fā)生海面、海底反射,多途效應(yīng)明顯,此時(shí)應(yīng)使指向性開(kāi)角盡量小。
2 水聲換能器基陣特性仿真與分析
2.1 發(fā)射基陣的聲功率

    聲功率是指單位時(shí)間內(nèi)聲波輻射出的平均能量流,是衡量系統(tǒng)作用距離的重要依據(jù)。假設(shè)單個(gè)陣元的輸入電功率為Pe,當(dāng)采用n個(gè)陣元進(jìn)行組陣后,輸入電功率變?yōu)閚Pe,利用電聲效率η可得基陣的聲功率P=ηnPe,即利用陣元組陣后基陣的聲功率線性增加。因此當(dāng)單個(gè)陣元的聲功率提高到閾值后而無(wú)法再增加時(shí),可考慮組成發(fā)射基陣。

 


    直角坐標(biāo)系下基陣指向性圖如圖3所示。

    對(duì)比圖2和圖3可知:采用多個(gè)陣元進(jìn)行組陣后,基陣的波束寬度要明顯大于單個(gè)陣元的波束寬度,以下分析陣元間距和數(shù)目對(duì)指向性的影響,得出最優(yōu)的基陣指向性圖。
    假定陣元個(gè)數(shù)M=N=2,圖4為不同陣元間距下基陣指向性圖。

    當(dāng)基陣的陣元數(shù)目變化時(shí),基陣指向性也隨之改變。以陣元間距為d1=d2=λ/2進(jìn)行仿真討論,由仿真可知,當(dāng)采用2×2基陣時(shí),指向角最大且沒(méi)有旁瓣產(chǎn)生;采用3×3基陣時(shí),基陣指向角減小且有1個(gè)較小旁瓣產(chǎn)生;采用4×4基陣時(shí)基陣指向角進(jìn)一步減小,旁瓣數(shù)量不變但幅度增大;采用5×5基陣時(shí),基陣指向角最小,旁瓣幅度進(jìn)一步增大,數(shù)量增加到2個(gè)。因此,在陣元間距一定的情況下,逐漸增加陣元個(gè)數(shù)時(shí),基陣指向角逐漸減小,旁瓣逐漸產(chǎn)生且其幅度和數(shù)量不斷增加,但增加的趨勢(shì)在減小。表1為不同陣元間距和不同陣元數(shù)目時(shí)的波束寬度。


3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試
3.1 發(fā)射基陣的驅(qū)動(dòng)與匹配

    壓電換能器依靠高壓脈沖激勵(lì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)向外輻射聲波。激勵(lì)電壓過(guò)小,輻射聲功率很?。患?lì)電壓過(guò)大有可能使陣元發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞。因此應(yīng)合理設(shè)計(jì)發(fā)射基陣驅(qū)動(dòng)電路以提高能量利用率,保證各個(gè)陣元安全高效地工作于諧振頻率。基陣驅(qū)動(dòng)電路部分包括陣元間的連接形式、功率的放大和阻抗匹配等[6]。
   陣元間的連接形式可采用串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)等。其工作特性等效為容性負(fù)載,當(dāng)陣元間采用并聯(lián)形式時(shí),負(fù)載阻抗增大,匹配特性受到破壞;當(dāng)采用串聯(lián)形式時(shí),由于每個(gè)陣元阻抗不同,工作時(shí)各陣元的功率特性不一致。
   陣元間串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生互耦合現(xiàn)象,而采用串并聯(lián)混合的方式也會(huì)存在上述情況[7]。綜上所述,為提高發(fā)射陣的輻射聲功率,采取了對(duì)每一個(gè)陣元使用單獨(dú)的功率放大電路和匹配電路,如圖5所示。

    圖5中功率放大電路由IRF840單極型MOSFET和脈沖變壓器構(gòu)成。 電路中, 已調(diào)信號(hào)經(jīng)CD4069升壓到+12 V后輸入到IRF840的柵極,控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)。對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行升壓的目的是保證MOS管可靠導(dǎo)通。 
    處于諧振狀態(tài)的壓電換能器對(duì)外呈現(xiàn)是一個(gè)容性負(fù)載,若將其直接連接到功率放大電路中,會(huì)出現(xiàn)很大的無(wú)功損耗,這樣不僅會(huì)使換能器的效率和輻射聲功率降低,而且會(huì)影響到功率放大電路的安全工作。由于組成基陣的陣元間會(huì)有細(xì)微的差異,為保證每個(gè)陣元兩端信號(hào)幅度一致,需對(duì)每個(gè)陣元單獨(dú)進(jìn)行阻抗匹配。
    陣元的阻抗匹配分為抗的匹配和阻的匹配??沟钠ヅ涫侵冈陉囋獌啥瞬⒙?lián)或者串聯(lián)一個(gè)反向電抗(即電感),使陣元由電抗性負(fù)載變?yōu)榧冏栊载?fù)載。當(dāng)陣元抗的匹配完成后可視為純電阻,在前級(jí)電路的等效電阻與陣元的電阻相同時(shí)陣元上才能獲得最大功率,即能量最大傳輸定理。阻的匹配通過(guò)脈沖變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)[8]。圖5中由并聯(lián)在陣元兩端的電感L1實(shí)現(xiàn)抗的匹配,而脈沖變壓器TRANS1實(shí)現(xiàn)阻的匹配。進(jìn)行阻抗匹配后陣元兩端的信號(hào)波形具有較好的一致性。
3.2 系統(tǒng)水下傳輸測(cè)試分析
    系統(tǒng)采用ASK調(diào)制,載波500 kHz,基帶信號(hào)100 kHz,已調(diào)信號(hào)經(jīng)功率放大和阻抗匹配后由發(fā)射基陣發(fā)出。接收端經(jīng)過(guò)前置放大、檢波、脈沖整形后恢復(fù)出相應(yīng)的基帶信號(hào)。
    由于室內(nèi)規(guī)則水池小,壁面和池底均帶來(lái)多徑反射,影響系統(tǒng)測(cè)試,因此選擇開(kāi)闊池塘進(jìn)行系統(tǒng)通信測(cè)試。池塘平均水深5 m,發(fā)射端和接收端深度為2.5 m,收發(fā)端水平距離100 m,如圖6所示。

    由圖可知發(fā)射端采用單個(gè)陣元時(shí),由于輻射聲功率較小,接收端信號(hào)幅度只有336 mV;而采用基陣時(shí),提高了輻射聲功率,接收端信號(hào)幅度明顯增大,峰峰值達(dá)到1.96 V,接收端增益增加15 dB,有效提高了接收端信噪比。
3.2.2 基陣指向性對(duì)多途效應(yīng)的抑制
    測(cè)試過(guò)程中利用表1的內(nèi)容,確定陣元間距后,通過(guò)改變陣元數(shù)目使基陣波束寬度發(fā)生變化,實(shí)驗(yàn)采用6×6和2×2兩種陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試,接收端信號(hào)波形如圖8所示。

    由圖8可知接收信號(hào)中多途信號(hào)的幅度隨著發(fā)射波束寬度增加逐漸增大。當(dāng)采用6×6基陣時(shí),多徑效應(yīng)不明顯;采用2×2基陣時(shí),多徑效應(yīng)已經(jīng)非常嚴(yán)重。因此,基陣指向性越好,對(duì)多途效應(yīng)抑制越明顯。
    針對(duì)淺海近程水聲信道特點(diǎn),分析了水下信號(hào)傳輸特性,提出采用基陣結(jié)構(gòu)與指向性發(fā)射控制改善多途效應(yīng)的方法,通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)單個(gè)陣元和基陣的指向性與功率進(jìn)行分析對(duì)比。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:水下傳感發(fā)射指向性與傳輸性能有一定關(guān)系,適當(dāng)控制聲陣列發(fā)射角可有效抑制多途效應(yīng),有利于接收端信噪比和系統(tǒng)性能改善。
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