Page 196 - 《应用声学》2025年第1期

192 2025 年 1 月

communication performance, and on this basis, the sea test experiment of shallow water acoustic channel is
carried out to verify the communication performance of acoustic comb signal in the actual ocean environment,
and the main factors affecting its performance are analyzed. The results of this paper provide reference for
promoting the application of acoustic comb signal in the design of integrated conduction waveform.
Keywords: Acoustic frequency comb; Underwater acoustic communication; Underwater distance measure-
ment; Underwater navigation and positioning

体制一体化就是利用共享的信号同时实现水下通
0 引言 信和导航定位两种功能，所采用的信号波形多以线
性调频 (Linear frequency modulation, LFM)、相移
声学频率梳借鉴了光学频率梳，其用声波来形
键控(Phase shift keying, PSK)、正交频分复用(Or-
成频谱与光梳相似的声学信号，频谱表现为离散、等
thogonal frequency division multiplexing, OFDM)
间隔的竖直频率线 [1−3] 。在多数研究中，声梳主要
等信号体制改进得来 [9−11] 。詹悦等 [12] 设计了一种
由各类谐振器产生，也有研究利用液体中气泡簇的
基于单矢量水听器的水下定位通信系统，系统采用
振动来产生全频谱的声梳，但这些声梳并不能精确
了 LFM-CW-OFDM 信号形式，在海试中实现了多
稳定到一个参考频率，且大多拥有较高的带宽，使其
个潜航器间的定位与信息交互。卢俊等 [10] 对比常
在水下声学相关领域的应用受到了限制 [4−5] 。
用的通信信号调制方式，提出了基于二进制相移键
Wu 等 [6] 采用双声梳方案进行了水下测距实
控 (Binary phase shift keying, BPSK) 信号的水下
验。他们使用发射换能器生成两种不同参数的声梳
探测通信一体化技术。声梳信号作为一种新的信号
叠加而成的双梳信号，在消声水池中进行了水下微
体制，在保持水下高精度定位的前提下，再加入编码
米级距离测量实验。实验表明，在水下7 m的测距实
信息，为水声通信和导航定位系统的信号资源共用
验中，信号的测量不确定度在 50 µm范围内。在1 s
提供了新的选择。
的实验时间内，Allan 偏差为 1.8 µm；在40 s 实验时
本文针对通导一体化波形设计背景下利用声
间内的 Allan 偏差为 480 nm，在水下测距方面实现
梳信号进行水下通信的需求，设计了一种采用声梳
了纳米级别的精度。翟京生等 [7] 则使用声梳进行了
信号的水声通信方案，通过对声梳信号进行相关性
基于四阵元基站的水下定位实验，实现了一种倒置
分析以及时延估计仿真，比较评估信号的性能。在
超短基线自定位方法，湖试实验表明声梳信号可获 此基础上开展了声梳信号水声通信仿真和海试实
得较好的高精度定位性能。在水声通信方面，Qian 验，对该水声通信技术方案的性能进行进一步的验
等 [8] 提出采用 4 个正交的声梳进行大规模的并行 证评估。
声通信实验，实验在长 20 m、宽 8 m 的消声水池中
进行，通信距离为 10 m。实验结果表明，通过对声 1 声梳信号模型及通信原理
梳信号进行正交复用，信号在带宽为 30∼60 kHz 的
1.1 声梳信号简介
情况下，数据的传输率达到 45.33 kbit/s，频谱效率
声梳信号可以看作一系列相干声学模态的集
为1.51 bit/s/Hz。根据实测信噪比 (Signal-to-noise
ratio, SNR) 曲线的拟合结果，当 SNR 为 16.65 dB 合，在时域上，可将声梳表示为一系列正弦 (余弦)
信号的叠加，一个正弦信号代表一个声学模态。其
时，通信实验误比特率为 9.51×10 −3 ，SNR 升高到
数学表达式为
26 dB 时，通信误比特率下降到 4.4×10 −3 。以上实
N
验研究表明声梳信号在水下精确测量、定位导航以 ∑
AFC(t) = A n sin(2πf n t + φ 0 ), (1)
及水声通信领域都有着良好的表现，这为水下通导 n=0
一体化波形设计提供了新的方向。 式(1)中：N 是相干模态的总位数；A n 是第n位声学
水下通信导航一体化技术是无人潜航器集群 模态的振幅；φ 0 表示初始相位；f n 是第 n 位声学模
化、水下网络系统智能信息化发展的重要技术组 态的频率，f n = n × f rep + f ceo ，f rep 是声梳的间隔
成。在一体化的相关技术中，系统结构一体化以及 频率或重复频率；f ceo 为起始载波包络频率或偏移
信号体制一体化是研究的基础和关键。其中信号 频率。