基频可调编码控制的激光声水下目标遥感实现

吕杏利　何 宁

基频可调编码控制的激光声水下目标遥感实现

吕杏利何 宁

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

受重复频率的制约，综合传输通用性及数据传输速率，提出利用基频可调编码调制，实现激光器输出以光跳频方式发射信息，完成对水下目标的遥感控制。探讨激光致声的原理，设计基频可调编码的调制方法，使用波长1.06µm的大功率激光器搭建通信系统，激光脉冲与水介质作用产生光声效应，完成空中平台与水下目标之间的激光声通信，验证了水下语音通信及目标控制的可行性。

激光声；基频编码；水声通信；水下遥感

1　引言

目前陆上移动通信技术日趋完善，但水下利用声波进行数字语音通信却刚刚起步。近年来由于军事和海洋开发的需求，人们越来越重视水声语音通信系统的研究和开发。军用方面，建立水声数字语音通信系统可以用于解决潜艇之间、舰艇与潜艇之间、舰艇与蛙人以及蛙人与蛙人之间的信息和命令的传达问题；民用方面，可以广泛应用于无缆水下机器人、工业用海岸遥测和水下人工智能等领域［1-2］。

综合分析常用的激光声实现空中到水下的数字通信方式，如二进制振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、脉冲相位调制（PPM）等［3-5］的特点，本系统提出基频可调的ASK编码控制激光脉冲，系统实现了基于可变基频编码控制的激光声水下通信并实现了水下目标遥感，其具有保密性好、稳定性和可靠性高的优点，为实现激光声水下目标遥感提供了新的通信方式。

本系统通过控制水下LED灯的点亮与熄灭，验证了该系统具备激光声水下目标遥感功能的开发可行性，为丰富激光声水下通信的应用研究打下了基础。

2　激光致声原理

高功率激光脉冲聚焦于液体中，与液体介质相互作用会产生声波，形成的声源叫做激光声。激光致声的机理有多种，主要包含三种：汽化、热膨胀、光击穿［6-7］，这三种激光致声机制与激光脉冲的能量以及激光与液体介质相互作用区域的能量密度有关。三种致声机理的光声转换效率不同，汽化机制的效率可达1%，光击穿的转化效率可达10%～30%，而热膨胀机制的效率则低于0.01%。光击穿机制能产生较高的声源级，但现有聚焦设备难以实现将机载激光器发射的脉冲聚焦于海面以下；且声脉冲重复性低不利于编码传输。

当激光脉冲辐射的能量密度较小时，激光声信号的激发机理是热膨胀。液体介质中经光辐射作用的物质受热膨胀而产生声波。对于理想情况下均匀流体（以水为例），热膨胀机制下，激光激发声波的非齐次波动方程可表示为［8］：

式中，p为声压，c为水下声速，β为体膨胀系数，Cp为水的比热，H（x，y，z，t）为单位时间单位体积液体吸收并转化成的热量密度，与激光和作用液体煤质的特性密切相关。

热膨胀机制下，假设激光脉冲加热区域是一个小球体，则得到声压脉冲的表达式为：

其中，Ea为吸收的激光总能量；γ0为激光加热区的半径；该式表示的激光声脉冲波形是一个双极性脉冲，在正脉冲后面紧跟着一个负脉冲，正负脉冲幅度均为：

激光声在热膨胀（线性阶段）机制下的转化效率可表示为：

式中，c表示液体中的声速，d为液体密度，A为激光在液体中的透射系数。M为激光光束强度的调制指数。I0为入射激光的强度。增大激光强度可以提高激光声转换效率。当光强增大到一定程度后，激光声的产生机制变为非线性过程的汽化或者光击穿机制，则该热膨胀的转化效率公式不再适合。

3　基频可调ASK编码控制原理

无线激光通信采用幅度键控（ASK）调制方式，激光器受脉冲控制，则ASK调制后的信号可以表示为：

其中，

s（t）二进制的基带信号，是随机单极性脉冲；an为的第n个码元所对应的电平值（0，+1），且是一个随机量，即以概率P出现时为“1”，以概率1-P出现时为“0”；Is为码元持续时间；g（t）为某种脉冲波形［9］。P（t）表示激光脉冲信号的功率；当基带信号s（t）发生变化时，P（t）受控于基带信号s（t）的变化而得到已调制的信号。若基带信号频率固定不变，则激光器的输出脉冲的频率固定不变。

受单基频控制的ASK激光调制信号可表示为：

如果基带信号的频率是可调的，则激光器的脉冲重复频率是可变的。这种方式称为基频可调的ASK调制方式［10］。

激光器的发光速率受控于外部驱动脉冲频率，若调制信号单基频确定，则经过ASK调制后的激光脉冲的频率是固定不变的；若驱动激光器的可调信号脉冲以一定的频率变化，则激光脉冲的重复频率也跟随以一定频率重复发射脉冲。

4　ASK编码的帧结构

本系统采用基频可调ASK编码方式，不同于跳频的载波频率的跳变，而是码元宽度受到控制，两码元间距的跳变，对应的是帧与帧之间重复频率的跳变，从而实现激光脉冲以光跳频的方式发射信息。

基频可调的ASK帧结构如下图所示：

本系统采用基频可调ASK编码方式，不同于跳频的载波频率的跳变，而是码元宽度受到控制，两码元间距的跳变，对应的是帧与帧之间重复频率的跳变，从而实现激光脉冲以光跳频的方式发射信息。

基频可调的ASK帧结构如图1所示：

图1　ASK帧结构

考虑到传输的通用性和数据传输速率，采用了简单的帧格式。根据通信双方的要求，设置起始位为1bit高电平；有信息输出时，输出为对应的数据帧；无信号输出时，输出显示为低电平，其间隔定义为该帧数据所用基频；数据位为8bit，其高低电平由传输的8位信息决定，同时码元间隔保持与起始位定义的基频一致；最后以1bit高电平为帧结束标志。

5　水下目标控制系统的设计

激光声水下目标遥感的实现，是通过将编码控制的激光脉冲经过光学聚焦系统打在水中，产生激光声信号，声信号携带编码信息在水信道中传输，水下控制目标接到编码激光声信号后，进行解码并执行控制命令。 激光致声水下目标遥感通信系统的基本架构如图2所示。

图2　激光声数字通信系统基本组成框图

5.1激光致声水下目标遥感系统电路设计

水声数字通信是数字通信在水声信道的一个特殊应用。考虑到水下目标要求接受及控制电路的损耗要足够小，本方案中收发两端采用的主控MCU是宏晶科技生产的STC89C51RC作为微控制器（MCU）。实验所用的调Q Nd YAG激光器输出脉冲波长为1.06µm，脉冲宽度10ns，光束半径6mm，输出激光单脉冲能量50-300mJ可调；水听器的工作频率在0.2～200kHz之间，接收灵敏度大于等于（-188.5±2.5）dB，指向性为全向的，在不接放大器的情况下，其响应频段为0～200KHz。

系统发射端带有编码的信号经激光器后转化为带编码的光信号，经光声效应后转化为带编码的声信号，声脉冲信号经过放大整形变为接收端的TTL电平信号，然后送入接收端的MCU进行解码及数据识别，将其中的信息转为能处理的数字信号。

在发射端，将24位拨码数据的TTL电平作为外部触发经过调制来驱动激光器产生激光脉冲。已调激光经光声互作用转换为水下声信号。在接收端，通过水听器对声脉冲进行接收采集，并转换成电信号。由于水听器接收到的信号非常微弱，需要设计水听器的前置放大电路。由于水环境中噪声的干扰，水听器输出的信号中噪声比较大，往往会大于放大器的内部噪声。要降低经放大器输出信号中噪声信号，需综合考虑放大电路的电路设计并进行相应优化。系统设计的水听器前置放大电路如图3所示，水听器前置放大电路主器件为TI公司生产的OPA2134，电路设计中，为了发挥它的高阻抗特性，选用了正向放大方式。为了得到更加平滑的波形，电路又设计了两级主放大电路，如图4所示，主放大器输出的信号送到滤波整形电路。

图3　水听器前置放大电路

图4　主放大电路

5.2标ASK基频可调的编解码软件设计

系统发射端的编码方式采用单极性归零码，用脉冲保持的宽度来表示“0”和“1”，接收端解码与发射端的编码要求对应，双方规定“0”电平保持宽度比“1”电平保持宽度要宽。这种码型的特征是：一个码字内不仅存在电平的变化，也存在电平宽度的变化。发射端发出的编码信号由起始码、结束码以及8位数据码组成，每个8位数据加载的频率都不一样，分别为14Hz，16Hz，20Hz。由于每个频率段“0”和“1”的脉冲宽度不一样，码元的宽度是通过设置延时实现的。

在解码程序中，通过外部中断触发，开始对收到的数据进行采样。对数据采样的同时持续监测信号中非采样位置是否出现高电平，非采样位置若有高电平出现则说明帧头判断出错，本次数据无效。同时在帧尾处进行帧尾检测，若检测不到帧尾，说明数据帧格式不完整，数据无效。若检测到有效的数据帧则进行拆帧工作，恢复出8位数据。

调制的软件设计流程图如图5所示。

图5　ASK调制软件流程图

图6　ASK基频可调解码软件流程图

6　实验结果及分析

硬件试验中，数字调制电路将24位拨码数据拆分为三个字节，并按一定规则将三字节编成不同的三帧数字信号以设定基频顺序输出控制激光器发射。数字基带的测试中设定24位拨码，每个二进制8位码均为01010101，即：01010101 01010101 01010101，同时设定三基频分别为14Hz、16Hz、20Hz，用示波器测试ASK基频可调的激光声信号如图7所示。

图7　三基频数字基带波形

第一帧为基频14Hz信号，第二帧为基频16Hz信号，第三帧为基频20Hz信号，最后一帧为下一组数据的第一帧基频14Hz信号。波形图中可清晰的看到基频为14Hz的信号，其传输的数据帧为1 01010101 1。对比前面设置的帧格式，前一个码元1为帧起始位，作用是标定本帧数据所使用的基频；紧跟其后的是01010101八位数据，为24位数据拆分得到的单字节；最后一个1为结束符，表示一帧数据的结束。

图8　光电转换后的波形与整形后的波形

图9　局部放大后的波形

从图8可以看出，上半部分波形为光经光检测器转换为电信号的波形，下面的波形为整形后的波形。从图中可以看到光电转换后的波形夹有噪声杂波。经过放大整形处理后，形成标准的脉冲波。下半部分是经数字整形电路后的数字波形，传输字节分别为0X55、0X55、0X55。从局部放大波形图9中可知，放大后的波形稳定，同时数字波形与放大后的模拟波形相位差小，能较好的还原发射调制端发出的数字信号。

解码软件设计中，当单片机连续检测到三组编码后，运用逻辑运算功能，对三组码进行比较，其中两次一致，才认为是有用的信息，单片机再根据码的信息进行相应的控制，本试验中，通过收到发端发送来的十进制码“85”，即十六进制0x55，实现单片机控制LED灯点亮，收到别的码元，LED灯熄灭。本试验中，受激光器重频的制约， 通信速率较低， 随着高功率及高重频激光器技术的成熟， 激光声通信的速率可得到逐步提高。

7　结束语

本文发射端MCU（STC89C5151单片机）通过并-串转换接口读入24位拨码开关的设定状态，将数据分为三组，同时按照系统设置的跳频点将三组数据分配到以3个不同基频点组成的3个基频不同的ASK数据帧，触发激光脉冲，进过光-声-电的转化，将激光声信号传输的信息恢复出来并根据解码出的指令去控制相对应的LED灯的点亮与熄灭。实验结果表明，基于ASK编码控制的激光声水下目标遥感的实现，为空中平台到水下通信提供了新的解决方案，其重要性毋庸置疑。随着大功率激光器的高功率及高重频技术的实现，激光声通信的速率可将进一步得到提高，激光声水下目标遥感技术将更加成熟。

［1］ 王翔，黄建国，王艳，等.一种个人语音水声通信系统的方案研究［J］.声学与电子工程，2006，（B07）：42-44.

［2］ 孙鹏，薛豪杰.水下语音通信的DSP设计［J］.声学技术，2007，26（5）：895-898.

［3］ Blackmon F，Antonelli L.Remote，Aerial Trans-Layer Linear and Non-Linear Downlink Underwater Acoustic Communication［M］.IEEE，2006.

［4］ 范东洋，张明敏，彭水.一种水下激光声通信声源的设计方法［J］.激光技术，2013，37（3）：371-375.

［5］ 彭水，张明敏，王江安.一种采用高重复频率激光进行水声通信的方法［J］.中国激光，2012，39（7）：148-153.

［6］ Y.Berthelot. Laser Generation of Sound by Nonlinear Thermal Expansion［M］.America AD Report A276955MF，1994：34-36.

［7］ G.V.Ostrovskaya.Efficiency of optical-to-acoustic energy conversion upon the interaction of a pulsed laser radiation with a liquid［J］.Tech.Phys，2002，47（10）：1299-1305.

［8］ 宗思光，王江安，王雨虹，等.激光声源特性研究及海洋应用［J］.应用光学，2008，29（3）：408-411.

［9］ 樊昌信，曹丽娜.通信原理［M］.北京：国防工业出版社，2011：133-134.

［10］ 黄灵鹭，何宁，冯太琴，等.海气信道下激光致声下行水声通信系统探讨［J］.激光与红外，2014，44（9）：972-976.

Implementation of laser acoustic underwater target remote sensing in the method fundamental frequency tunable control

In order to allow the author to master thesis format requirements of Popular Science & Technology， this article propose all kinds of Chinese academic thesis article format published by Popular Science & Technology. It defines the title， author， units，summary， chapter headings， body text， maps， tables， references and other elements in the text， and the various elements of the format as well as electronic documents meet the standard format requirements of this magazine， we expect to be able to provide a reference template for the autors of this magazine.

Laser acoustic； fundamental frequency code； underwater acoustic communication； targer remote sensing

Q813.11

A

1008-1151（2016）02-0032-04

2016-01-12

吕杏利（1985－），女，河南郑州人，桂林电子科技大学硕士研究生，从事光传输及测量；何宁（1958－），男，广西桂林人，桂林电子科技大学研究员，从事光通信及光检测方向研究。