编码MultiPing在深海海底探测中的应用研究

孙小伟，郭　璇，王润田

(1. 中国科学院大学，北京 100049； 2. 中国科学院 声学研究所东海研究站，上海 201815)

0　引　言

MultiPing(Multiple Pings)技术是指在深海探测时，为了提高探测效率，连续向海底发射多列脉冲声信号的一种探测技术[1]，与传统单Ping发射技术相比，有效提高了探测效率. 目前，这项技术主要用于2 000 m以上水深的探测设备，如美国Edge Tech公司的3300 hull mount[2]、美国bethos公司的CAP6600 ChirpIII[3]、美国SyQuest公司的Bathy2010TM CHIRP[4]、德国ATLAS公司的PARASOUND[5]等等. 目前，多数设备上使用的MultiPing技术为连续向下发射多列Chirp信号，以信号发射的顺序与信号接收的顺序一致为前提进行接收信号处理，从而得到海底的信息. 但是实际应用过程中会有特殊的情形，如其中几列信号遇到海脊提前发生反射，后一列信号的回波可能比前一列信号的回波先到达，即前后列信号接收顺序发生了变化，这种情况下，传统MultiPing技术得到的海底信息就不准确了. 基于此背景，本文提出一种连续发射多列编码信号的MultiPing探测方法，对多Ping发射的每一列信号进行编码，使用2DPSK方式进行相位调制，对回波接收信号进行解码，这样就可以根据码元一致性使发射信号与接收信号相对应，从而解决了前后列回波信号识别问题，还可以得到准确的声程，从而根据多组编码信号的结果得到最终的海底信息. 同时，此方法在现有多Ping发射的基础上还可以减小发射时间间隔，提高发射效率及海底探测精度.

本文以ADSP-CM403F混合信号控制处理器为核心设计了MultiPing编码发射系统，可以发射任意相位调制的编码，实现了频率、波形、序列时长、时间间隔、电压幅度的自由可控； 并设计实验以2DPSK[6,7]信号为基础，在水池环境下，由ADSP-CM403F输出编码信号经功率放大器驱动发射换能器进行发射，使用水听器接收并用此信号模拟深海MultiPing编码回波信号. 使用Matlab/Simulink搭建回波解码的模型，基于延时相乘的差分相干解调法[8]解调，并使用Gardner内插算法[9,10]进行位同步. 最后，得出解码结果，并在Scope中显示回波信号解码的时间和码元编码序列，验证了该方法的正确性.

1　系统设计

整个系统设计的框图如图 1 所示，计算机将不同的编码波形信号传入ADSP-CM403F的内存中，使用DSP将其以指定时间间隔发出，经功率放大器驱动发射换能器进行发射. 信号经过水下传播、反射以后，使用接收换能器接收回波信号，经过接收处理单元处理，在计算机中进行解码并显示结果.

图 1　编码MultiPing系统设计Fig.1　Coded MultiPing system design

图 2　ADSP-CM403F混合信号控制处理器Fig.2　ADSP-CM403F mixed signal control processor

2　编码信号的形成方法

编码MultiPing信号的输出部分由ADSP-CM403F混合信号控制处理器完成，其实物如图 2 所示. ADSP-CM403F的处理器内核为ARM®Cortex-M4TM，其浮点运算单元工作频率最高达240 MHz，集成最高2 MB闪存、最高384 KB SRAM存储器、多个片上加速器和功能齐全的外设. 它可在一个集成封装中提供RISC式编程能力、信号处理和高级通信能力[11].

ADSP-CM403F有两个12位DAC，采用低功耗串式设计，本文使用其片内数模转换控制器DACC控制信号DAC输出. 编码MultiPing信号输出的编程框图如图 3 所示，使用Matlab生成不同编码的数据文件，DSP初始化以后，首先配置时钟，并将数据文件下传到ADSP-CM403F的内存中. 然后将波形1 保存到缓存buffer中，此时根据串式DAC的特性，可以调整传入缓存数据的幅值大小、速率、长短，这些分别与发射波形的幅度、频率和波形长度一一对应，从而达到自由改变的目的. 将缓存数据通过DMA(direct memory access)送入DAC的FIFO(first input first output)中，根据系统时钟SCLK的时序控制将波形1输出，波形1的输出与否会由回调函数CALLBACK反馈回到编辑器IAR Embedded Workbench中，并在显示窗口中显示出来. 波形1输出之后调用延时模块，延时时间即为发射时间间隔，依次发射波形2,3,…,n. 由此完成了使用ADSP-CM403F混合信号处理器的连续多列编码信号的DSP发射.

图 3　编码MultiPing信号的ADSP-CM403F编程框图Fig.3　Coded MultiPing signal ADSP-CM403F programming block diagram

对发射信号编码的主要目的是进行信号识别，所以本文选用了简单实用的2DPSK(二进制差分相移键控)调制方式进行编码信号的调制，2DPSK根据前后码元的初相之差传递信息，其调制的编码信号使用ADSP-CM403F输出结果如图 4 所示. 图4(a)为编码0000100001000010000的输出波形图，其频率为75 kHz，幅值为0.58 V，信号时长为0.33 ms. 图4(b)为连续2列不同编码波形的输出图，其频率为 75 kHz，幅值为0.58 V，发射间隔为85 μs. 图4(c)为连续2列不同幅值的编码波形输出图，其频率为20 kHz，前一列信号的幅值为0.58 V，后一列信号的幅值为0.3 V，发射间隔为400 μs. 图4(d)为连续4列编码MultiPing的信号输出图，每一列信号的编码不同，其频率为75 kHz，幅值为0.58 V，发射间隔为45 ms. 经过多组实验测试，结果表明，ADSP-CM403F可以根据需求准确的输出MultiPing编码信号.

图 4　ADSP-CM403F输出2DPSK调制方式编码波形图Fig.4　ADSP-CM403F output 2DPSK modulation mode coded waveform diagram

3　回波解码模型设计

本文以2DPSK调制编码信号为对象研究连续多列MultiPing回波信号的解码方法. 解码采用延时相乘的差分相干解调法，其原理如图 5 所示. 这种方法不用产生相干载波，电路简单，结果准确.

图 5　差分相干解调法原理图Fig.5　Schematic diagram of differential coherent demodulation

设接收到回波信号的表达式为

s1(t)=acos(ωt+θk),

(1)

式中：θk为第k个码元的初始相位，则经过延时以后的2DPSK信号表达式为

s2(t)=acos(ωt+θk-1),

(2)

θk-1为前一码元(即k-1码元)的相位，经过乘法器以后输出为

(3)

低通滤波滤除高频分量2ω后的表达式为

(4)

式(4)为最后抽样判决的表达式. 抽样判决的规则为：

根据以上讨论我们知道，只要将s4(t)在准确的时刻进行判决，就能得到2DPSK信号的正确编码信息. 为了在接收端获得最佳判决，经过低通滤波以后的信号在抽样判决之前还要进行位同步. 本文所使用的Gardner内插同步算法原理如图 6 所示. 首先，利用插值滤波器得到内插样值，然后，利用定时误差检测器进行误差检测，经环路滤波器去除高频噪声，将得到的误差送回插值滤波器进行修正，这样就可以在信号的最大值处进行重采样，得到在每个码元最大值处取样的值，并显示出解码结果.

图 6　Gardner内插同步算法原理图Fig.6　Schematic diagram of Gardner interpolation synchronization algorithm

4　实验解码验证

在实验室水池环境下设计实验发射与接收2DPSK编码信号，编码信号由ADSP-CM403F发出，使用双极性功率放大器HSA4012进行功率放大，用75 kHz中心频率发射换能器垂直向下发射，将水听器置于发射换能器下方0.5 m处接收发射信号，使用换能器收发合置接收回波信号，并将回波信号保存.

图 7 为图4(a)中编码信号使用换能器发射之后，水听器和换能器接收的信号. 图7(a)为实际发射信号，通过多组实验发现，2DPSK信号在经过换能器发射后，信号的前部会有一个小周期的起振，信号末尾会有拖尾现象的存在. 所以在解码时，信号的前部会多出一个码元，并且每列解调信号的前25位即为解码结果. 图7(b)为换能器接收到的回波信号，回波信号已经无法直观地分辨波形的编码信息.

图 7　0000100001000010000编码发射与回波信号波形图Fig.7　0000100001000010000 coded transmit and echo signal waveform

在水池实验接收到的回波信号中加入不同信噪比的高斯白噪声，模拟深海环境下编码MultiPing回波信号进行解码研究. 将6列不同编码的模拟回波信号输入Matlab/Simulink中进行解码，得到的结果如图 8 所示，图中横坐标为时间，单位为s，纵坐标为电压，单位为V，从上到下四张图依次为加入 10 dB 高斯白噪声后的模拟回波信号、回波信号带通滤波后与延时一个码元信号相乘的结果、相乘经过低通滤波后信号以及差分相干解码的抽样判决结果.

图 9 为第一列模拟回波解码放大图形，从图中可以知道回波解调出的码元序列为00001000100010001，与发射信号的码元序列一致，故解码正确. 从图中可以得到每一列回波的准确到达时间和码元序列，将其与信号的发射时间和码元相对比，就可以测算出每一列编码信号传播的时间和距离，进而得到需要的海底信息. 采用编码MultiPing方法进行深海海底探测时，发射信号与接收信号的顺序并不需要相同，因此可以连续发射多列信号，这样不但提高了发射效率，同时，短时间内可以得到多组回波信号，提高了探测精度.

图 8　编码MultiPing模拟回波解码图Fig.8　Coded MultiPing analog echo signal decoding diagram

图 9　第一列模拟回波信号解码放大图Fig.9　 The first column of analog echo signal decoding

图 10　不同判决门限下噪声信噪比与误码率的关系Fig.10　The relationship between noise SNR and BER under different decision thresholds

模拟回波解码时，加入不同信噪比的高斯白噪声对应着不同的误码率，同时判决门限对误码率也有影响. 经过低通滤波以后信号的幅值为 -0.1～0.8 V，不同抽样判决门限下，噪声与误码率的关系如图 10 所示. 从图中可以看出，误码率随信噪比减小而增加，当判决门限过小时，如图中的 0.005 V，码间干扰会比较大，无法全部解码； 同时，判决门限越大，误码率越低； 然而，判决门限有一个极值，图中当判决门限为0.08 V的时候，无论信噪比为多少，都会有很大的误码率. 因此，在此条件下，0.04 V的判决门限效果最好，抗噪声能力强.

5　结　论

本文主要研究连续多列编码MultiPing的发射与解码技术. 首先，使用ADSP-CM403F混合信号处理器实现了频率、波形、时长、时间间隔、电压幅度自由可控的编码MultiPing的DSP发射. 其次，基于Matlab/Simulink搭建了连续多列2DPSK信号的解码模型，并以实验所得2DPSK编码回波信号为对象，实现了模拟回波的解码和波达时间定位. 另外，对比了不同抽样判决门限下噪声与误码率的关系，得出此条件下0.04 V的最佳判决门限. 综上，编码MultiPing技术在深海海底探测中应用的可行性得到了验证. 本文结果是在假设回波信号之间没有混叠的情况下得出的，当存在混叠时，需要在本文的基础上加入频率编码做进一步研究.