一种水下无人航行器水声遥控方法研究*

苏 军

（91388部队94分队 湛江 524022）

1 引言

随着水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）及相关技术的发展，UUV 通过搭载任务单元越来越多的应用于水下地形探测、侦察搜索监视、管线巡视检测等领域。由于受自身感知和自主决策能力限制，UUV 在水下长期航行时，外界的信息支持和人为干预就显得十分必要，可极大提高UUV执行任务的效率［1～2］。

目前，对水下航行器水声遥控一般采用多元频移键控（MFSK）、扩频通信等技术。MFSK 技术实现简单，可以采用非相干检测技术，但对多普勒频移较为敏感，在航行器快速机动时，通信距离和误码性能较差；扩频通信一般采用伪随机码对信息进行调制，具有较强的抗干扰能力，但接收端需保持严格时间同步，增加了较大开销，对能量受限的UUV来说显得较为突出。

Chirp 扩频（CSS）是利用其频率在整个带宽上的线性变化的正弦脉冲信号来传输信息，不需要伪随机序列扩频，也不需要严格时间同步，一般用于低速、低功耗的雷达和水声通信系统中。双曲调频信号（HFM）相对于Chirp 信号（LFM），具有严格意义上的多普勒不变性，且相关检测旁瓣较小，更适用于相对运动的通信系统中［3～4］。

文章针对水下航行器遥控通信问题，采用双曲调频信号（HFM）扩频调制方法，其本身即作为通信前导信号，用于符号同步、信道估计等，同时也可以携带数据信息，实现对水下航行器的遥控通信。

2 HFM信号特性分析

线性调频信号（Linear Frequency Modulation，LFM）是声呐常用信号，其瞬时频率呈线性变化，具有产生简单、近似多普勒不变性等优点，但其并不是严格的多普勒不敏感，其匹配滤波后的旁瓣较大。而双曲调频信号HFM 则正好弥补了这个不足，双曲调频信号的带通形式表示为［5～6］

式中f1为信号的起始频率；f2为信号的截止频率；T为信号时长。与LFM 不同，HFM 信号瞬时频率不呈线性增长，而是以双曲线的形式增长。其瞬时频率可表示为

由式（2）可以看出，fs(0)=f1，fs(T)=f2。瞬时频率在起始频率f1和截止频率f2之间，连续单调，且服从双曲分布。

假设HFM 信号经过多途信道后的多普勒扩展因子为a，那么接收端的HFM 信号瞬时频率可以表示为

可以推导出，当Δt0满足：

下面等式成立：

由式（5）得出，对于HFM 信号，其多普勒扩展可等效于频率调制函数在时间上的平移，接收信号的调制特性保持不变，因此，HFM 信号具有严格的多普勒不变性［7～8］。

当选用起始频率6kHz，截止频率为9 kHz，时长0.02s 的HFM 信号，其时域波形、时频图和模糊度函数图如图1、2 所示。在目标相对运动速度为0 m/s、3 m/s、5m/s、10 m/s 时的相关检测结果如图3所示。

图1 HFM信号时域波形和时频图

图2 HFM信号模糊度图

图3 HFM信号不同速度下的相关检测

从上述图中可以看出，HFM 信号时延分辨率较高，在相对运动10 m/s 时，相关检测峰值仍比较尖锐。

3 M元HFM信号扩频水声通信

系统将两个信息比特采用Gray 编码映射为四个可能的HFM信号脉冲，这种映射使2比特信息同时被译错的可能性大为降低，映射关系如表1 所示［9～10］。

表1 数据比特和HFM的映射关系

HFM扩频水声通信原理如图4所示。

图4 HFM扩频水声通信原理框图

系统发送端将用户二进制数据比特先进行Gray 编码映射，再经串并转换分为多组，接着用不同HFM 信号进行扩频，多个扩频信号叠加形成数据帧，而后添加前导信号，进行发送。经水声信道后，接收端通过前导信号进行定时同步，接着用本地HFM 信号与接收信号做相关检测，并串转换，解映射后，译码恢复出用户二进制数据［11～12］。

4 计算机仿真研究

利用Matlab进行算法仿真验证，系统仿真参数为采用4HFM-SS 调制，信息比特流用Gray 编码映射为4 个正负斜率HFM 信号，采样频率设置为48kHz，采用重采样模拟相对运动产生的多普勒频移；信号所占频带约为4kHz，一帧信号持续时间2s左右，通信速率大约为50bps。

仿真信道根据浅海典型水文条件由采用某水声信道模拟软件给出，模拟海深约为50m；声源位于水平距离0m、垂直深度10m 的位置；接收机位于水平距离5000m、垂直深度20m 的位置；从声源到接收机共有41 条多径。其局部特称声线图如图5所示。模拟信道的冲激响应如图6 所示。因为：1）如果反射声线到达时间已经超过信号的接收时间，那接收信号便不再受此多途影响；2）多次反射声线能量衰减很大，其作用可以忽略。所以仿真时可以选取其中部分路径。

图5 模拟水声信道特征声线图（局部）

图6 模拟的水声信道冲激响应

背景噪声采用带限的高斯白噪声。

在模拟水声信道和带限高斯白噪声背景下，图7 为经过信道和白噪声加扰后的时域、频域信号，图8 是接收信号与本地同步码相关检测的结果，图9 是在模拟信道条件下-10dB、-5dB 信噪比情况下与Chirp扩频通信（CSS）方案通信误码性能比较。

图7 经过模拟水声信道的信号（SNR=-5）

图8 接收信号与本地HFM相关检测结果

图9 误码率仿真结果

从以上仿真结果看出，采用HFM 信号扩频水声通信方案，100 比特数据的通信发射信号持续时间在2s左右，在浅海典型水声信道、-5dB信噪比条件下即可实现无误码传输，系统的稳健性要明显好于Chirp扩频（CSS）方案。

5 结语

文章着眼目前水下无人航行器自主能力不高，尚需外界适时信息支持和遥控干预的需求，分析并设计了一种基于CSS 扩频理论的HFM 信号扩频水声通信方案，理论分析和计算机仿真结果表明，该方法简单、可靠，且抗多途、多普勒性能优异，在浅海典型水声信道-5dB 信噪比条件下即可实现无误码传输，系统的稳健性要明显好于Chirp 扩频通信（CSS）方案，具有良好的应用前景。