隨著人類對(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)侥康牡亍Ｋ曓D(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，輻射聲功率很小；激勵(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。抗的匹配是指在陣元兩端并聯(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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