摘 要：传统的AIS信标对于水面以下的情况不能实现有效信息传输。所以，本文设计出一种能够在水下环境主动发射声波信号的AIS信标，使之满足水下环境的工作需求。具体方法是将电子线路、发声装置、电池等部件组装成一种可被潜水者佩戴、救生衣安装或者各种水下潜器搭载的小型水下发声装置。通过编写程序使之以主动方式发出扩频声信号，该信号能够被水下接收装置探测和识别。通过将AIS信标放置于水下进行实验，利用水下接收装置接收水下信号，通过计算机处理后可以正确显示出信标信号所携带的信息。
关键词：水声通信 扩频技术 AIS声信标
中图分类号：TN929.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（b）-0114-03
AIS系统是船舶自动识别系统（Automatic Identification System）的简称，传统的AIS信标能够发送用于船只识别、目标追踪、信息交流等的無线电信号。但是对于失事船只、水下潜器、潜水员或者落水者等处于水面以下的情况，只能使用声波发送信号。所以，笔者希望设计出一种能够在水下环境主动发射声波信号的AIS信标，使之满足水下环境的工作需求。
1 总体设计方案
系统总体设计方案如图1所示。
将电子线路、发声装置、电池等部件组装成一种可被潜水者佩戴、固定在救生衣或者各种水下潜器搭载的小型水下发声装置（AIS声信标）。通过对该装置内部芯片编写程序使之能够以主动方式在水下发出声波信号。信号经过扩频模块、载波调制模块之后在水中传播，通过水听器（一种接收水下声信号的装置）被探测和识别，然后传输到水上的计算机中，在计算机中进行处理，最终能够识别出AIS声信标所携带的信息。
2 水下扩频通信原理介绍
传统AIS信标是作用于水面上的，利用现有的无线电通信，能将船舶、水面舰艇、水上工作设备等装置的信息传输到一个统一的接收平台上。水上通常使用的无线电通信方式是以电磁波为载体，电磁波在水中传播时，能量被水大量吸收，随着传输距离快速衰减，能够传输的距离十分有限，无法在水下无法远距离传播。
声波是迄今为止人类已知的唯一能在水下远距离传输的信息载体。而声波在水下有着良好的传播性能，频率范围在1Hz～50kHz之间的声波在水中的衰减较少，可以实现较远距离的传输。而且使用声波作为水声通信的载体，设备简单，只需使用水声换能器将电、声信号进行转换即可实现信息传播。所以本文选择超过人耳听力范围的声音信号进行水下信息传播，避免造成恐慌。
在知道声音频率范围的基础上，需要确定声音以什么样的形式进行传播，利用直接序列扩频技术将信息调制到声信号上，这样，一个声信号就可以携带多种信息了。
直接序列扩频，概括来讲，就是直接用不同形式的扩频序列与待传输的信号相乘（模二相加），得到一组扩频后的混合信号波形，该信号波形可以携带多个信息，这多个较短的信号可以组合成为一个较长的携带多种信息的新信号。直接序列扩频的流程如图2所示。
原始信号与不同形式的扩频序列进行相乘（扩频调制），然后传送给载波调制器中，让扩频后的信号以声信号形式从声信标辐射出去，达到水下信息传输的要求。扩频调制模块的简易流程如图3所示。
3 声信标的硬件实现
声信标硬件方面，需要实现声信标在水下发射携带信息的声信号的功能。
水下声信号的调制过程在低功耗单片机里完成。信标的序列号、用户信息、载体信息等数据预先存入单片机的内存中，对应的扩频序列也预存在单片机内存中。单片机通过程序完成信号的调制并将存储好的信号波形发送至功率放大器。功率放大器将信号放大后推动换能器，向水中辐射声波。通过控制功率放大器的输出功率，以满足声波的不同传输距离的要求。
水下声信号接收设备由水听器、前置放大器、解调器和显示模块等4部分组成，如图4所示。
在接收端，利用水听器接收水下声信号，将声信号转换成电信号，由于来自AIS信标的水下声信号经过远距离传输，接收到的信号非常弱，所以需要将电信号送入前置放大器进行放大，以便于对接收信号进行处理。放大后的信号送入解调器进行解调，提取出信号所携带的信息，输出至显示模块上。
4 实验流程
根据上述电路设计思路，连接电路图，制作能实现实验所需功能的电路板，利用水密胶将电路板密封以使得电路在水下能正常运行。
我们在水池中模拟海洋的水下环境，首先验证AIS信标的声信号发射功能，然后验证AIS信标所发射的信息是否能够完整读取。
4.1 AIS信标发射功能验证试验
首先接通AIS信标的电源并用绳子将信标吊放到水中。在水池的另一侧使用水听器接收水下声信号并用示波器观察接收到的信号。如果在示波器的屏幕上观察到信标发出的信号，则证明水下AIS信标能够向水中发射声波信号。
4.2 水下AIS信标信息读取实验
首先使AIS信标正常工作，方法如上述实验。将接收装置的水听器吊放在水池另一侧，将接收到的信号经过放大器放大之后，送入解调器，还原出其携带的信息并与预设的声信标发射的信息进行对比。如果接收装置能够正确还原信息，则证明本设计AIS信标能够正常工作，具备对沉船、潜水员、水下机器人、救生衣等设备进行识别、目标追踪以及信息交互等功能。
5 结果分析
根据实验步骤完成实验，在实验（1）中能在示波器上看到信号，证明制作的水下AIS信标可以正常发射声信号。在实验（2）中，利用接收设备解调接收信号，得到的信息与初始设置相符，即可以确定水下AIS信标能够将信标的序列号、用户信息、载体信息等预存信息发送至接收装置，实现对水下目标的定位和识别。
6 结语
本文设计完成了一个水下AIS信标的设计，通过单片机编程完成信号的调制工作，通过功率放大器驱动换能器发射携带相关参数信息的声波并利用接收设备来接收和分析信号，达到识别声信标的目的。通过制作AIS信标，利用扩频方法编写相关程序并在水池中进行实验的方式验证所制作的水下AIS信标的性能。
经实验验证，该声信标能够发射声信号并在接收端可以分析出声波携带的信息，达到利用接收设备检测水下声信标辐射信息进行船只识别、目标追踪、信息交流等作用，达到预期目的。
参考文献
[1]李瑞云.船载航行数据记录仪的应用与管理[D].大连：大连海事大学，2003.
[2]黄丽卿，胡稳才，邵哲平.AIS输出数据包的解包技术研究[J].集美大学学报：自然科学版，2005（1）：37-41.
[3]王勇，孟军.现代水声通信技术发展探讨[J].信息通信，2014（8）：168-169.