隨著人類對海洋的探索、開發及海洋資源的利用，在海洋環境下進行必要的信息傳遞和交流具有重要意義。由于淺海水下環境的復雜性及水聲信道的特殊性，長距離、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方法是提高單個陣元的發射功率，此時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，增大陣元表面積會犧牲指向性或者無法合理地兼顧指向性等指標。因此采用指向性良好的發射陣列可增加系統通信距離，抑制多途效應；且限制了接收視場角，增加了系統的保密性[1-2]。
1 影響水聲通信系統傳輸性能的因素
   水聲通信利用水作為傳播介質，通過聲波與水相互作用將信息傳輸到目的地。水聲轉換是水下聲通信的關鍵技術，在通信兩端由水聲換能器負責完成電/聲間的相互轉換。
   水聲通信系統的傳輸性能包括通信距離、傳輸速率、接收靈敏度、信噪比等。由于水聲信道的復雜性，使得系統傳輸性能與諸多因素有關，比如：海洋中的噪聲、調制方式、編碼方式、發射接收陣列的指向性、多途效應、環境噪聲等。在淺海近程通信中，噪聲和多途效應對系統性能影響較為明顯。
1.1 海洋中的噪聲
   海洋中的噪聲源主要包括潮汐、洋流、海面風浪、生物噪聲、工業噪聲等,是水聲通信的主要干擾背景，直接影響系統接收端信噪比和通信距離。在人類活動頻繁的近海、港口和港灣，生物活動和近海工業是信道噪聲的主要來源，而且噪聲隨著時間、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、海洋環境噪聲和艦船噪聲。熱噪聲由聲納接收機中的電路引入，海洋環境噪聲在30 kHz以上頻段成為噪聲的主要來源，艦船噪聲對幾千赫茲以下的低頻段有重要影響。
    在水下環境噪聲一定時，增大發射聲源級可以明顯增加系統通信距離。利用被動聲吶方程和傳播損失方程可以得出聲源級與通信距離之間的關系。被動聲吶方程為[4]：
  
1.2 多途效應
    水聲環境中多途效應的形成機理是聲線彎曲和海底、海面的反射，海水內部結構如潮汐、內波、紊流等的影響，以及聲源和接收機平臺的運動等，通常淺海的多途效應比深海嚴重得多。
    淺海近程水聲傳播特性主要與海況、海深、工作頻率、發射基陣指向性等有關，由海面、海底反射產生的多途信號到達接收端時未完全衰減，疊加后引起信號衰落。由射線聲學理論可知，高頻聲波在海水中傳播可以視為聲線在聲束管中傳播。當聲源發射角較大時，經海面、海底反射后形成的多途信號數量多，歷經的時延和衰減大，接收端信號起伏大；當聲源發射角較小時，海面、海底反射次數少，多途信號數量少，歷經的時延和衰減小，接收端信號起伏小。多途效應使發送的碼元產生畸變，導致碼間串擾，降低了通信的可靠性和穩定性，同時也限制了傳輸速率[4]。因此，減小多途效應的有效方法是減小聲源的發射角度，即減小發射基陣的指向性開角；海水深度對多途效應亦有一定影響，深度較小時，聲線更容易發生海面、海底反射，多途效應明顯，此時應使指向性開角盡量小。
2 水聲換能器基陣特性仿真與分析
2.1 發射基陣的聲功率
    聲功率是指單位時間內聲波輻射出的平均能量流，是衡量系統作用距離的重要依據。假設單個陣元的輸入電功率為Pe，當采用n個陣元進行組陣后，輸入電功率變為nPe，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。因此當單個陣元的聲功率提高到閾值后而無法再增加時，可考慮組成發射基陣。

    直角坐標系下基陣指向性圖如圖3所示。

    對比圖2和圖3可知：采用多個陣元進行組陣后，基陣的波束寬度要明顯大于單個陣元的波束寬度，以下分析陣元間距和數目對指向性的影響，得出最優的基陣指向性圖。
    假定陣元個數M=N=2，圖4為不同陣元間距下基陣指向性圖。

    當基陣的陣元數目變化時,基陣指向性也隨之改變。以陣元間距為d1=d2=λ/2進行仿真討論,由仿真可知，當采用2×2基陣時，指向角最大且沒有旁瓣產生；采用3×3基陣時，基陣指向角減小且有1個較小旁瓣產生；采用4×4基陣時基陣指向角進一步減小，旁瓣數量不變但幅度增大；采用5×5基陣時，基陣指向角最小，旁瓣幅度進一步增大，數量增加到2個。因此，在陣元間距一定的情況下，逐漸增加陣元個數時，基陣指向角逐漸減小，旁瓣逐漸產生且其幅度和數量不斷增加，但增加的趨勢在減小。表1為不同陣元間距和不同陣元數目時的波束寬度。

3 實驗系統設計與測試
3.1 發射基陣的驅動與匹配
    壓電換能器依靠高壓脈沖激勵產生機械振動向外輻射聲波。激勵電壓過小，輻射聲功率很小；激勵電壓過大有可能使陣元發生不可逆轉的損壞。因此應合理設計發射基陣驅動電路以提高能量利用率，保證各個陣元安全高效地工作于諧振頻率。基陣驅動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、并聯、串并聯等。其工作特性等效為容性負載，當陣元間采用并聯形式時，負載阻抗增大，匹配特性受到破壞；當采用串聯形式時，由于每個陣元阻抗不同，工作時各陣元的功率特性不一致。
   陣元間串聯或并聯時還會產生互耦合現象,而采用串并聯混合的方式也會存在上述情況[7]。綜上所述，為提高發射陣的輻射聲功率，采取了對每一個陣元使用單獨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和脈沖變壓器構成。 電路中， 已調信號經CD4069升壓到+12 V后輸入到IRF840的柵極，控制MOS管的導通和關斷來產生高壓脈沖信號。對已調信號進行升壓的目的是保證MOS管可靠導通。 
    處于諧振狀態的壓電換能器對外呈現是一個容性負載，若將其直接連接到功率放大電路中，會出現很大的無功損耗，這樣不僅會使換能器的效率和輻射聲功率降低，而且會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有細微的差異，為保證每個陣元兩端信號幅度一致，需對每個陣元單獨進行阻抗匹配。
    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或者串聯一個反向電抗(即電感)，使陣元由電抗性負載變為純阻性負載。當陣元抗的匹配完成后可視為純電阻，在前級電路的等效電阻與陣元的電阻相同時陣元上才能獲得最大功率，即能量最大傳輸定理。阻的匹配通過脈沖變壓器來實現[8]。圖5中由并聯在陣元兩端的電感L1實現抗的匹配，而脈沖變壓器TRANS1實現阻的匹配。進行阻抗匹配后陣元兩端的信號波形具有較好的一致性。
3.2 系統水下傳輸測試分析
    系統采用ASK調制,載波500 kHz,基帶信號100 kHz，已調信號經功率放大和阻抗匹配后由發射基陣發出。接收端經過前置放大、檢波、脈沖整形后恢復出相應的基帶信號。
    由于室內規則水池小，壁面和池底均帶來多徑反射，影響系統測試，因此選擇開闊池塘進行系統通信測試。池塘平均水深5 m，發射端和接收端深度為2.5 m，收發端水平距離100 m，如圖6所示。

    由圖可知發射端采用單個陣元時，由于輻射聲功率較小，接收端信號幅度只有336 mV；而采用基陣時，提高了輻射聲功率，接收端信號幅度明顯增大，峰峰值達到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 基陣指向性對多途效應的抑制
    測試過程中利用表1的內容，確定陣元間距后，通過改變陣元數目使基陣波束寬度發生變化，實驗采用6×6和2×2兩種陣列結構進行測試，接收端信號波形如圖8所示。

    由圖8可知接收信號中多途信號的幅度隨著發射波束寬度增加逐漸增大。當采用6×6基陣時，多徑效應不明顯；采用2×2基陣時，多徑效應已經非常嚴重。因此，基陣指向性越好，對多途效應抑制越明顯。
    針對淺海近程水聲信道特點，分析了水下信號傳輸特性，提出采用基陣結構與指向性發射控制改善多途效應的方法，通過仿真與實驗對單個陣元和基陣的指向性與功率進行分析對比。實驗測試結果表明：水下傳感發射指向性與傳輸性能有一定關系，適當控制聲陣列發射角可有效抑制多途效應，有利于接收端信噪比和系統性能改善。
參考文獻
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