水下声学定位系统中水声通讯的实现
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作者: 刘世海
[摘 要]在海洋石油勘探施工中，利用水下声学定位系统可确定检波器在水下实际位置，作为施工和资料处理的依据，目前水下声学定位系统已经成为海上施工的标配设备。水声通讯技术是声学定位系统的关键技术，本文通过对系统的通讯工作方式、声学定位系统的通讯信息编码方式以及通讯信息的接收和发送进行阐述，介绍了水声通讯技术在水下声学定位系统中的实现方式。
[关键词]声学定位；水声通讯；信息编码
中图分类号：TP563 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0258-01
引言
在浅海石油勘探施工中，水下检波器由于受到洋流、人工布设等因素影响，会偏离施工设计位置，利用水下声学定位系统可确定检波器在水下实际位置，作为施工和资料处理的依据，目前水下声学定位系统已经成为海上施工的标配设备。水声通讯技术是水下声学定位系统的一项关键技术，根据水声通讯技术的不同，水下声学定位系统可划分为两代。地球物理公司胜利分公司曾经研发和产业化第一代水下声学定位系统，并大面积应用，取得了很好的应用效果，目前正在研发第二代水下声学定位系统。下面介绍水声通讯技术在声学定位系统中的实现方式，作为系统研发的参考。
1 系统主机与应答器通讯工作方式
水下声学定位系统的通讯是指位于水面的系统主机与水下的应答器之间的通讯，通讯信息采用声波作为载体。由于在浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，只有声波在水中的衰减最小，在低频条件下，衰减只有2-3dB/km，因此水下通信一般都使用声波来进行通信。采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远距离无线通信的唯一手段。
系统主机与应答器的通讯采用一问一答的方式，不同的是主机发出的询问信号是群发，针对的是一个组内的所有应答器，而不是某一个应答器。实际上，主机发出的询问信号就是一组应答器的组号，一般又称为Group号。接收到主机询问的应答器，首先要判明是否是自己的Group号，如果是就发出回应信号，否则继续保持休眠状态。回应信号与组内其他应答器是有区别的，代表了每个应答器的ID，在布设之前用编码器按照需要写入应答器CPU的RAM存储器。
两代水下声学定位系统通讯工作方式是相同的，但在系统容量以及施工方式、效率等方面有了很大差异。第一代水下声学定位系统的代表产品美国I/O公司的Digipoint系统容量只能包含8组512个应答器。系统主机工作时，采用8组应答器组号循环发送的方式，施工效率较低；第二代水下声学定位系统的代表产品英国Sonardyne公司的TZ/OBC，系统容量为401组，应答器个数为3609个。系统主机工作时，因为应答器布放位置已知，主机只发送特定的应答器组号，因此施工效率也大大提高。造成两代水下声学定位系统差异的原因在于通讯信息编码方式不同，这也是划分为两代系统的依据。
2 系统通讯信息编码
声波在水下传播，要受到声信道的严重影响。首先，水声信道对水声通信的主要影响是传播损失和多径传播，表现为信号的衰落和码间串扰，浅海海域浮游生物多、泥沙含量高，对声波的吸收衰减更为严重，使通信质量大大下降，误码率增加；其次，浅海海域环境噪声十分严重，包括涨落潮的海底摩擦、浅海船只噪音，对系统的抗干扰能力要求更高。这些都是水下通讯中信号设计与处理时所要考虑的。
声信号频带的选择是首先要解决的问题。虽然低频声信号衰减小，但传播速度慢，影响施工效率和定位精度，而基带频率越高，测距精度越高，但信号衰减快，测程短。权衡考虑，水下声学定位系统声信号选用了30-50kHz的频带，这一频率范围的海洋噪声比较少， 抗干扰能力比较强，而且测距精度比较高。
使用特定频率的音频脉冲，作为一个码元，按照一定编码调制方式，即可表示各种信息。水下声通讯信息的编码调制目前主要有两种方式，分别是多频移键控（MFSK）和跳频时延（FH-TDFSK）方式。
2.1 MFSK编码调制方式
美国I/O公司的Digipoint系统采用此种编码调制方式。MFSK系统使用不同的音频脉冲来表示数字信息，也有一定的优势。首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性；其次，它能够对在时域和频域上的信道畸变进行各种补偿。由于MFSK编码调制方式，需要多种频率的码元进行组合，应答器组数越多，这种组合越复杂，尤其是应答器在表示自身的ID时，需要发射更多的码元，造成应答器功耗过高，成为系统的致命缺陷。
2.2 跳频时延（FH-TD-FSK）编码调制方式
跳频时延（FH-TDFSK）编码原理是将一个数据帧周期T分成N个时间段，每个时间段又分成M个时间片，每个时间片再分成P个时隙，每个时隙对应一个CW窄脉冲（即单频矩形脉冲）的脉宽，再根据一定的带宽要求将可用的水声信道频带分割成Q个相邻的信道（频隙），分别为：f1、f1、……、fq，将其分成N个组，每组有P个频点，即Q=N*P。这样每个频点的CW脉冲都对应M进制数的一位，每一个CW脉冲在M个时间片内的某个对应时隙出现，即表示了M进制中的某个值。因此，Q个频点即可构成Q位M进制的数据帧，再加上一个帧同步CW脉冲，即实现了跳频时延编码。
英国Sonardyne公司的TZ/OBC系统采用了此种编码调制方式。这种利用不同频率的音频脉冲出现在特定时间点的编码方式，减轻了应答器的功耗负担，使得应答器水下工作时间大大延长。
3 系统通讯信号发射与接收
虽然系统通讯信息的编码方式不同，但通讯信号发射和接收电路是相似的。
3.1 主机信号的发射与接收
水下声学定位系统进行水下声通讯需要依赖换能器将电信号和声信号进行转换，发射/接收换能器总称为换能器基阵，由发射换能器、接收水听器、前置放大滤波器等组成。前置放大滤波器功能为放大、滤波、阻抗变换。
主机操作系统将要发射的组号生成后，由数模转换电路（D/A）转换为模拟信号，通过带有增益控制的功率放大器放大，由换能器将放大后的电信号转换为声信号，发送出去；换能器接收到的声信号，首先转换为电信号，通过前置放大滤波器电路滤波、放大，再经过模数转换电路，将信号转换为数字信号，进行后续处理。
3.2 应答器信号的发射与接收
应答器的接收和发射共用一个声探头换能器，接收到的信号经过带通滤波后，再经过放大，经过窄带滤波，检波放大，比较转换后，信号送入单片机进行解码处理，判决，若是与该应答器预置的组码相同，则单片机对将要回应的信息编码，该信息包含应答器的预置ID码 ，回应信息编码完成后，该信号经过功放放大，由换能器声探头发出。
4 结束语
水下声学定位系统在海洋石油勘探领域有很好的应用前景，水声通讯技术作为其关键技术，影响到系统的施工效率、系统功耗、工作方式。了解和掌握其原理，对系统研发、改进，甚至使用都有重要的意义。
参考文献：
[1] 赵丽丽. 浅谈水声数字通信技术的发展[J].数字技术与应用，2010.
[2] 崔峰.现代声纳技术[J].国防技术基础，2005.
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