- 相關(guān)推薦
基于DDS技術(shù)的聲納信號模擬器
摘要：提出一種基于DDS技術(shù)的數(shù)字化通用聲納信號模擬器的實現(xiàn)方案。通過控制DDS器件輸出信號的幅度和相位來模擬成像聲納基陣的輸出，可以對任意距離和方位上目標(biāo)回波進行精確的模擬，并可以模擬運動目標(biāo)的回波信號。討論了多通道信號模擬器在設(shè)計和實現(xiàn)中的具體的問題。近年來隨著海洋開發(fā)和海軍技術(shù)的發(fā)燕尾服，聲納設(shè)備的研究越來越受重視。但是由于水聲設(shè)備試驗通常需要適宜的水聲環(huán)境，例如消聲水池、湖泊或海洋等，因而試驗的復(fù)雜性和成本都較高。為了能在普通實驗室環(huán)境中模擬目標(biāo)回波信號，需要針對各種聲納設(shè)備的要求設(shè)計專用的聲納信號模擬器。
1 聲納信號模擬器的基本原理
1.1 波束形成原理簡介
本文旨在研制適用于某種高分辨率成像聲信號模擬器。該成像聲納接收聲基陣采用48元等間隔線陣，工作頻率800kHz，作用距離0.5～25米，角度分辨率為0.35°。成像聲納對接收基陣信號進行波束形成，從而實現(xiàn)聲圖像的獲取。聲納波束形成的基本原理如圖1所示。
圖1是遠(yuǎn)場時等間隔線陣接收回波信號的示意圖。入射聲波與基陣法線方向成θ角平行入射，基元從左至右順序編號為1、2、…i、t 1、…N，基元間距為d。如果選取1號基元為時間參考點，其接收到的信號為Acos2πft，那么相鄰兩個基元間存在聲程差Δ=dsinθ，因此第i個基元接收到的信號為：
si(t)=Acos{2πf[t (i-1)dsinθ/c]} （1）
其中c為聲速。由于成像聲納是窄帶主動聲納，所以I基元與1號基元接收信號間的相位差是φi=2π(i-1)d/λsinθ，其中λ為波長。因此要想使線陣定向在θ0方向上，只需將第i個基元的信號延時τi(θ0)=2π(i-1)d/λsinθ0即可。
以上是線陣波束形成的基本原理，但這只是遠(yuǎn)場情況下的近似。對于近場條件，這樣的近似產(chǎn)生的誤差會很大。對于本文中的高頻成像聲納，由于全部工作范圍均屬近場條件，所以波束形成時必須采用聚焦方法。其基本原理同上，只是對每個基元信號進行的延遲（或移相）不成線性關(guān)系，本文對此不做詳述。
1.2 聲納信號模擬器原理
用于成像聲納的信號模擬量一般通常數(shù)與基元個數(shù)相同，每個通道的輸出模擬聲納基陣中一個基元的信號。由于成像聲納工作距離較近，并且水聲環(huán)境中高頻段的噪聲級很低，因而接收信噪比通常較高。出于這樣的考慮，信號模擬器的輸出中就不額外加入噪聲。成像聲納工作在較強的混響環(huán)境中，由于混響的模擬比較困難，并且對成像的影響并不嚴(yán)重，因而在設(shè)計中也不考慮對混響的模擬，只專注于模擬近場目標(biāo)回波。
根據(jù)用戶輸入的要模擬的點目標(biāo)的方位和距離，信號模擬器計算出相應(yīng)的目標(biāo)回波到達(dá)接收基陣各個基元的相位差，然后按照這些相位差產(chǎn)生相應(yīng)的多路正弦信號。將這些信號加到成像聲納的輸入端，代替真實的基陣輸出，這樣就可在陸上試驗室條件下方便地對成像聲納進行調(diào)試和測量。
1.3 傳統(tǒng)聲納信號模擬器的缺陷
傳統(tǒng)的聲納信號模擬器通常采用一個固定的振蕩器產(chǎn)生與聲納系統(tǒng)工作頻率相同的正弦信號。將本振信號通過一組多抽頭模擬延遲線，然后從延遲線的不同抽頭中引出信號作為模擬器的輸出。這種信號模擬器結(jié)構(gòu)存在若干缺陷和不足。
首先，由于采用模擬器件構(gòu)成抽頭延遲線結(jié)構(gòu)，最小可變延遲長度受限。尤其是考慮到系統(tǒng)硬件規(guī)模和成本，一般延遲線的抽頭數(shù)目不多，這樣就造成延遲時間和理論值之間存在較大誤差，從而降低了模擬器的精度。
其次，為了實現(xiàn)對不同方位目標(biāo)回波信號的模擬，就必將不同抽頭延遲線的輸出進行切換或組合，然后作為一個基元的信號輸出到聲納設(shè)備。因此整個模擬器的規(guī)模龐大，且只能模擬若干個離散方位和距離上的目標(biāo)，不能實現(xiàn)對任意方位距離上點目標(biāo)回波的模擬，否則復(fù)雜度不增將難以實現(xiàn)。
另外，使用模擬器件構(gòu)成的抽頭延遲線，其通道一致性難以保證，調(diào)試?yán)щy。且延遲線頻率范圍較窄，如果頻率參數(shù)發(fā)生變化將不能正常使用，因此適用范圍窄，性價比很低。
為了克服傳統(tǒng)聲納信號模擬器的這些缺陷，本文采用DDS技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了新型信號模擬器。這種基于DDS的模擬器結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對任意方位距離上點目標(biāo)回波信號的精確模擬，適用于不同頻率參數(shù)并具有一定擴展能力，從而具有很高的性價比。
2 DDS構(gòu)成的信號模擬器
2.1 DDS技術(shù)簡介
DDS技術(shù)出現(xiàn)于二十世紀(jì)70年代，是一種全數(shù)字頻率合成技術(shù)。它將先進的數(shù)字信號處理理論與方法引入信號合成領(lǐng)域，實現(xiàn)合成信號的頻率轉(zhuǎn)換速度與頻率準(zhǔn)確度之間的統(tǒng)一。它具有相位變換連續(xù)、頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率極高、相位噪聲低、易于用微機等多種方法控制以及體積小、集成度高等多種優(yōu)點，因而近年來DDS在理論和應(yīng)用上得到飛速的發(fā)展。
DDS的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
由于DDS具有頻率和相位可以確定數(shù)控的特點，因而將DDS器件作為成像聲納信號模擬器的關(guān)鍵部件，并輔以相應(yīng)的控制和接口邏輯等，就可以實現(xiàn)對任意方位和距離目標(biāo)回波的精確模擬。
2.2 DDS構(gòu)成的模擬器結(jié)構(gòu)
基于DDS技術(shù)的成像聲納信號模擬器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
模擬器共有48個信號通道，每個通道模擬聲納接收基陣中一個基元的輸出。通道電路由單片DDS器件AD9830及其接口邏輯電路、輸出
【基于DDS技術(shù)的聲納信號模擬器】相關(guān)文章：
基于DDS技術(shù)的正弦衰減信號源03-07
基于FPGA的DDS信號發(fā)生器的設(shè)計03-03
漁用聲納模擬器關(guān)鍵技術(shù)的研究11-22
信號源及DDS雜散分析03-07
基于OFDM信號循環(huán)前綴的數(shù)字水印技術(shù)11-22