基于n-MFSK調制的激光致聲空-水跨介質通信方法

黃金鑫,周志權,曹逸飛,趙 揚,2*

(1.哈爾濱工業大學(威海) 信息科學與工程學院, 威海 264209,中國;2.威海市智能光聲檢測與傳感技術重點實驗室, 威海 264209,中國)

0 引 言

天空地海潛一體化通信在軍事力量儲備和國民經濟生產中的地位日益突出,其中空中平臺和水下目標之間的通信技術是構建天空地海潛一體化通信的重要組成部分。在現有的空海通信方案中,潛行器接收飛機的信息一般分為上浮延展天線和飛機投放中繼浮標兩種方式[1-2],但這兩種方式在實際應用中存在暴露目標的可能性,從而降低了潛行器的隱蔽性。

激光致聲空-水跨介質通信通過熱膨脹或光擊穿機制在水氣交界面進行光聲轉換,可以將激光在空氣信道和聲波在海洋信道的傳輸優勢結合起來,擺脫空-水界面的限制[3-13]。該通信方式具有無需在介質中部署任何物理換能器及中繼器的特點,增強了通信目標的隱蔽性,是未來空中平臺與水下目標之間通信的重要方式之一。

自1962年前蘇聯PROKHOROV和美國WHITE的研究團隊先后發現了濃縮介質在脈沖激光的作用下產生聲波的現象以來,國內外相關機構逐步開展光聲轉換技術在水下目標探測、空-水跨介質通信等領域的研究工作[14-15]。BLACKMON等人[16-18]從理論上對激光致聲的線性特性和非線性特性進行了分析與研究,并從實驗角度驗證了該技術在通信領域的應用可行性。研究發現:激光致聲的非線性特征受環境干擾較大,實際情況下閾值難以控制,不利于保持通信過程的可靠性。因此,目前研究多利用激光致聲的線性特性,即根據激光致聲熱膨脹效應來進行空中-水下跨介質通信,例如ANTONELLI等人基于該效應根據所需的聲波頻段,調制長脈沖激光并實現了通信功能[19]。此外,PENG等人[20]基于該效應提出了一種控制激光器重復頻率進而實現空中-水下跨介質通信的方法。

本文作者在上述研究的基礎上,依次針對激光致聲空中-水下跨介質通信速率的需求,提出了一種多進制多頻移鍵控(n-multifrequency shift keying,n-MFSK)調制方式的激光致聲空-水跨介質通信方法,分別在采用長脈沖法和重復頻率法的調制方式基礎上,結合現有激光器的關鍵技術參數,通過仿真計算對通信速率的提升效果進行了評價與分析,為激光致聲在空中-水下跨介質通信領域中的應用提供了一定的參考依據。

1 熱膨脹機制

液體中的激光致聲,即在液體中激光能量達到一定強度激發產生聲波的過程。根據激光相互作用區域的能量密度與時空分布,可把液體中光聲效應機制主要分為熱膨脹、汽化與光擊穿3種。與汽化機制和光擊穿機制相比,熱膨脹機制物理過程簡單,實驗上容易實現。相對于另外兩種致聲機制,熱膨脹機制致聲原理的研究相對比較成熟,本文中關于液體中激光致聲空-水跨介質研究將針對熱膨脹機制進行。

在熱膨脹機制下,假設液體為均勻的理想流體,激光激發水下聲波的轉換方程[21]:

(1)

其中:

s=(αc2βE0/cp)·exp(-αz)

(2)

(3)

式中:s為聲壓;c為聲速;x、y、z為空間坐標方向距離;t為時間;α為水的吸收系數;E0為表面激光能量密度;cp為單位質量定壓比熱容;H(x,y,z,t)為單位時間內液體吸收并進行能量轉化的電磁能量密度;β為液體的體積熱膨脹系數(ρ0為密度,T為溫度,假設T在過程中不變,β為常數)。由參考文獻[16],將式(1)傅里葉變換取實部,得到其激光垂直入射表達式為:

(4)

其中,

(5)

式中:r為接收點與聲源之間的距離;ω為頻率;A為給定激光偏振情況下激光對液體的透射率;i為入射角;φ為折射角;n1為空氣中的折射率;n2為液體中的折射率;I0為光強;a為光束半徑;I(ω)為激光頻譜;E(ω)為單位時間吸收并轉化為熱量的電磁波能量密度頻譜,可表示為:

(6)

式中:k為波數,與激光波長有關;μ為水對激光的吸收系數;θ為觀測角,即r與垂直向下方向的夾角;τ0為垂直特性延遲時間;τ1為水平特性延遲時間。

2 n-MFSK調制

n-MFSK調制是在多進制頻移鍵控(n-frequency shift keying,n-FSK)調制基礎上,進一步提高通信速率并改善誤比特率。本文中針對激光致聲空-水跨介質長脈沖法和重復頻率法,提供n-MFSK調制方案,整體激光致聲通信原理圖如圖1所示。

圖1 激光致聲通信調制解調原理圖Fig.1 Modulation and demodulation principles diagram for laser induced acoustic communication

2.1 長脈沖法n-MFSK調制

長脈沖法是利用某種調制方法對長脈沖激光進行調制的方法,本文中根據參考文獻[16]來選取熱膨脹效應下的光聲轉換仿真參數,具體參數如表1所示。使用Nd∶glass激光器,長脈沖激光波形近似為方形脈沖,在邊緣逐漸下降,該波形可在極端聚焦情況下減少非線性效應波形突變的影響。

表1 長脈沖法仿真參數[16]Table 1 Simulation parameters of long-pulse-duration laser method[16]

由于水聲信道存在多徑效應,需選取合適的符號間隔以減輕符號間干擾,故本文中選取n-FSK調制,該調制系統由多臺激光器構成激光陣列,通過控制激光器發射頻率減少由多徑引起的符號間干擾。以2-FSK為例,將其中一個調制頻率記為1,另一個調制頻率記為0,兩個調制頻率中心頻率都為最佳中心頻率。每臺激光器,符號持續時間為2 ms,符號間隔為98 ms,通過機械斬波器控制激光頻率變化,例如,傳輸速率為100 bits/s時,需由10臺激光器組成陣列,以激光器發射頻率并行發射。該方案可通過增加調制頻率數量,以減少激光器數量并提升傳輸速率,但所需帶寬隨傳輸速率呈非線性增加。理論上可采用增加符號持續時間,減少所占帶寬,為此需減少激光器發射功率,以增加脈沖持續時間,這會導致聲波在水中的聲壓級(sound pressure level,SPL)和傳輸距離減少。此外,隨著調制頻率數量增加,會降低對多徑效應的抑制,可通過信道編碼減少多徑效應,但會降低傳輸速率。

為此,本文作者提出了另一種調制方式,即n-MFSK調制,在一個符號間隔期間發射多個頻率,以增加調制頻率數量。以2-MFSK為例,將兩臺相同激光器基頻設為f1和f2,其中,當兩臺激光器均不發射激光時,記為00;當激光器1發射頻率為f1、激光器2不發射時,記為01;當激光器1不發射、激光器2發射頻率為f2時,記為10;當激光器1發射頻率為f1、激光器2發射頻率為f2時,記為11。當傳輸速率達到100 bits/s時,需要5臺激光器組成陣列。2-FSK和2-MFSK調制的時域和頻域結果分別如圖2a和圖2b所示。

圖2 長脈沖法時域和頻域仿真結果Fig.2 Long-pulse-duration laser time domain and frequency domain simulation results

該方案的優點為通過激光器頻率組合,增加每個符號傳輸比特數來提高傳輸速率,并且在使用開關鍵控時,可提高帶寬利用率。

根據表1中的參數,計算不同調制方法下長脈沖法水下通信距離為[17]:

(7)

式中:Xs為聲源級;Xt為聲傳播損失;Xn為背景噪聲;RSNR為接收器檢測信噪比;α為海水吸收系數。

表2為長脈沖法n-FSK和n-MFSK調制方法通信速率、帶寬、聲壓級和水中傳輸距離的比較。其中背景噪聲取3級海況,RSNR=10 dB,α=0.02 dB/km,聲壓級作用范圍以137 dB為基準(依據表1計算)。隨著調制頻率數量增加,n-MFSK調制可提高通信速率,并改善頻帶利用率,但聲壓級和水中傳輸距離會隨符號持續時間內調制頻率數量增加而減小。比較4-FSK和2-MFSK調制,兩者可達到相同的通信速率,且2-MFSK只需要1 kHz的帶寬,然而在最壞情況下,當一個符號持續時間傳輸兩個頻率時,激光能量必須除以2,因此聲壓級減小到131 dB。這導致水中傳輸距離從4-FSK的708 m減小到355 m,隨著一個符號時間內傳輸頻率數量增加,水中傳輸距離將大幅度減少。因此,當采用n-MFSK調制時,需權衡通信速率與水中傳輸距離的關系,根據實際需求選擇合適的調制方式。

表2 長脈沖法n-FSK和n-MFSK調制的比較Table 2 Comparison of n-FSK and n-MFSK modulation by long-pulse-duration laser method

2.2 采用重復頻率法的n-MFSK調制

重復頻率法是基于激光致聲的熱膨脹效應通過控制激光器的重復頻率產生調制聲信號的方法。由于單激光脈沖產生的聲信號頻譜所占帶寬大,頻帶利用率低,其信號能量會在水下發射嚴重衰減,易產生畸變,不利于傳輸編碼。因此,需采用產生窄帶且中心頻率可控的聲信號,即高重復率的激光脈沖信號。

當激光垂直射向水面時,激光脈沖重復率為fr=1/T,T為激光脈沖周期時,激光脈沖的頻譜可表示為[20]:

(8)

式中:I0(ω)為單脈沖的頻譜;G(ω)頻譜由于諧波關系呈現梳狀結構;N為階數;fr為相鄰譜峰的間距,且其周期可控。將式(8)代入式(4)可得[21]:

(9)

式中:E(ω)與μ、a、θ等參數有關,其中激光器參數μ和a是固定的,故只需控制fr使s(r,ω)窄帶特性最好即可。選擇激光器發射重復率fr時,要使聲信號高次諧波被抑制且中心頻率處的能量強,因此,激光器的重復頻率需滿足[20]:

(10)

式中:s(fr)為中心頻率的幅度;s(fmax)為頻譜幅度的最大值;max|s(nfr)|為高次諧波頻譜幅度的最大值,由此,可確定激光器發射重復率的范圍。根據表3中的參數,采用調QNd∶YAG高重頻激光器,并采用靈敏度為-170 dB的光纖水聽器對聲波進行接收,聯合式(8)～式(10)計算fr的范圍可得:

表3 重復頻率法仿真參數[20]Table 3 Simulation parameters of high repetitive rate method[20]

12 kHz≤fr≤31 kHz

(11)

目前現有的激光器難以從實驗的角度進行高速通信研究,由于相鄰激光脈沖產生的聲信號具有很好的重復性,故可采用單個或多個實驗信號進行重頻組合,獲得所需的高重復率激光。圖3a中將單脈沖激光致聲信號以fr=21 kHz重頻組合,圖3b是依據式(9)計算后得到結果和單脈沖重頻組合信號頻譜進行對比。兩者頻譜特征基本吻合,驗證了該方案的可行性。

圖3 a—單脈沖激光信號時域波形 b—重頻組合信號時域波形 c—I0(ω)G(ω)與單脈沖重頻組合頻域波形Fig.3 a—single pulse laser signal time domain waveform b—re-frequency combination signal time domain waveform c—spectrogram with single laser signal re-frequency combination and I0(ω)G(ω)

通過控制激光器的重復頻率使其有規律地變化,從而完成n-FSK和n-MFSK調制以搭載信息,n-FSK調制中一個碼元信號以重復頻率fr的N個激光脈沖激發聲信號表示,在符號間隔(0,T0)中,碼元信號可表示為:

si(t)=Re[IFFT(s(fr,i))],(i=1,2,…,n)

(12)

故n-FSK調制信號可表示為:

(i=1,2,…,n)

(13)

式中:IFFT(s(fr,i))表示對s(fr,i)進行的傅里葉逆變換(inverse fast Fourier transform,IFFT);gτ(t-mT0)是脈寬為τ、周期為T0的門函數。

n-MFSK調制中每個碼元含有零個、一個或多個調制頻率,單個碼元信號可表示為:

(i=1,2,…,n)

(14)

式中:ni取值為0或1,取0代表該碼元含有調制頻率fr,i,取1代表不含調制頻率fr,i。

n-MFSK調制信號可表示為:

(i=1,2,…,n)

(15)

通過FSK和MFSK調制信號搭載信息,實現激光信號的編碼傳輸。圖4a和圖4b分別對應4-FSK和2-MFSK調制時域和頻域波形,符號間隔為50 ms。

圖4 重復頻率法時域波形Fig.4 High repetitive rate method time domain waveforms

4-FSK調制頻率fr,i根據式(12)重復頻率范圍等間隔取值,分別取為13 kHz、17 kHz、21 kHz和25 kHz,代表4個碼元,每個碼元用二進制依次表示為{00,01,10,11},碼元帶寬約為500 Hz。2-MFSK調制頻率fr,i分別取為17 kHz和25 kHz,第1個碼元不包含頻率信息為fr,0,第2個碼元含有1個17 kHz頻率信息為fr,1,第3個碼元含有1個25 kHz頻率信息為fr,2,第4個碼元含有兩個17 kHz和25 kHz頻率信息為fr,1,2,每個碼元用二進制依次表示為{00,01,10,11}。如圖3所示,2-MFSK調制可減少基頻數量,同時提高通信速率并提高帶寬利用率。

表4 重復頻率法n-FSK和n-MFSK調制的比較Table 4 Comparison of high repetitive rate method n-FSK and n-MFSK modulation

表4為重復頻率法n-FSK和n-MFSK調制的比較。參數計算方式與長脈沖法相同,聲壓級作用范圍以139 dB為基準(依據表2計算)。對比n-FSK和n-MFSK調制,在相同調制頻率數量時,n-MFSK調制可提高通信速率,并提高頻帶利用率,與此同時代價是水中通信距離的損失。

3 結 論

對提升激光致聲空-水跨介質通信速率的方法開展了仿真研究工作,得到以下研究結果。

(a)n-FSK調制可有效減少符號間的多徑干擾,長脈沖法采用激光器陣列的方式實現,而重復頻率法采用激光器頻率切換的方式實現,兩種方法都可通過增加調制頻率數量提高通信速率,并保持聲壓級和水下通信范圍不變,但所需帶寬會隨傳輸速率呈非線性增加。

(b)n-MFSK調制可在n-FSK調制的基礎上進一步提高通信速率,長脈沖法主要通過激光陣列的方式,并采用頻率疊加的方式實現,重復頻率法通過控制激光器頻率變化時域上分配時間段的方式實現。隨著調制頻率數量增加,n-MFSK調制可提高通信速率,并改善頻帶利用率,但聲壓級和水中傳輸距離會隨符號持續時間內調制頻率數量的增加而減小。

(c)n-FSK調制可保證通信速率提升,不會對水中傳輸距離造成損失。相比n-FSK,n-MFSK調制可提高通信速率并改善頻帶利用率,但水中傳輸距離會受調制頻率數量影響。實際使用時,需在通信速率與水中傳輸距離之間進行權衡,以實際需求作為調制方式選擇基準。

本文作者提出了一種n-MFSK調制方式,進一步提升激光致聲空-水跨介質通信速率,分別采用長脈沖法和重復頻率法的調制方式,結合現有激光器的技術指標分析了通信性能,計算了通信速率的提升效果,研究結果對激光致聲在空-水跨介質通信領域中的實際應用有一定價值。提供的可選擇方案有助于未來實現空中平臺與水下目標之間的通信,長脈沖激光陣列的方式需搭載于機載平臺,且占據較大空間,而重復頻率激光頻率切換的方式,目前受激光器的重復頻率等性能指標的限制,隨著激光器工藝的提升可作為未來空-水跨介質通信的方案之一。

下一步研究將針對實際海試環境因素影響,特別是環境噪聲對于通信誤比特率的影響,開展環境噪聲對于通信質量影響的評價工作,包括海洋背景噪聲、潛行器本身的螺旋槳運行的機械噪聲等。