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)的數字化通用聲納信號模擬器的實(shí)現方案。通過(guò)控制DDS器件輸出信號的幅度和相位來(lái)模擬成像聲納基陣的輸出,可以對任意距離和方位上目標回波進(jìn)行精確的模擬,并可以模擬運動(dòng)目標的回波信號。討論了多通道信號模擬器在設計和實(shí)現中的具體的問(wèn)題。

    關(guān)鍵詞：聲納 波束形式 DDS CPLD

近年來(lái)隨著(zhù)海洋開(kāi)發(fā)和海軍技術(shù)的發(fā)燕尾服,聲納設備的研究越來(lái)越受重視。但是由于水聲設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,因而試驗的復雜性和成本都較高。為了能在普通實(shí)驗室環(huán)境中模擬目標回波信號,需要針對各種聲納設備的要求設計專(zhuān)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(jiǎn)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(xiàn)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(jìn)行波束形成,從而實(shí)現聲圖像的獲取。聲納波束形成的基本原理如圖1所示。

    圖1是遠場(chǎng)時(shí)等間隔線(xiàn)陣接收回波信號的示意圖。入射聲波與基陣法線(xiàn)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(shí)間參考點(diǎn),其接收到的信號為Acos2πft,那么相鄰兩個(gè)基元間存在聲程差Δ=dsinθ,因此第i個(gè)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(dòng)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(cháng)。因此要想使線(xiàn)陣定向在θ0方向上,只需將第i個(gè)基元的信號延時(shí)τi(θ0)=2π(i-1)d/λsinθ0即可。

以上是線(xiàn)陣波束形成的基本原理,但這只是遠場(chǎng)情況下的近似。對于近場(chǎng)條件,這樣的近似產(chǎn)生的誤差會(huì )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(chǎng)條件,所以波束形成時(shí)必須采用聚焦方法。其基本原理同上,只是對每個(gè)基元信號進(jìn)行的延遲（或移相）不成線(xiàn)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與基元個(gè)數相同,每個(gè)通道的輸出模擬聲納基陣中一個(gè)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重,因而在設計中也不考慮對混響的模擬,只專(zhuān)注于模擬近場(chǎng)目標回波。

    根據用戶(hù)輸入的要模擬的點(diǎn)目標的方位和距離,信號模擬器計算出相應的目標回波到達接收基陣各個(gè)基元的相位差,然后按照這些相位差產(chǎn)生相應的多路正弦信號。將這些信號加到成像聲納的輸入端,代替真實(shí)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(jìn)行調試和測量。

1.3 傳統聲納信號模擬器的缺陷

傳統的聲納信號模擬器通常采用一個(gè)固定的振蕩器產(chǎn)生與聲納系統工作頻率相同的正弦信號。將本振信號通過(guò)一組多抽頭模擬延遲線(xiàn),然后從延遲線(xiàn)的不同抽頭中引出信號作為模擬器的輸出。這種信號模擬器結構存在若干缺陷和不足。

首先,由于采用模擬器件構成抽頭延遲線(xiàn)結構,最小可變延遲長(cháng)度受限。尤其是考慮到系統硬件規模和成本,一般延遲線(xiàn)的抽頭數目不多,這樣就造成延遲時(shí)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(shí)現對不同方位目標回波信號的模擬,就必將不同抽頭延遲線(xiàn)的輸出進(jìn)行切換或組合,然后作為一個(gè)基元的信號輸出到聲納設備。因此整個(gè)模擬器的規模龐大,且只能模擬若干個(gè)離散方位和距離上的目標,不能實(shí)現對任意方位距離上點(diǎn)目標回波的模擬,否則復雜度不增將難以實(shí)現。

另外,使用模擬器件構成的抽頭延遲線(xiàn),其通道一致性難以保證,調試困難。且延遲線(xiàn)頻率范圍較窄,如果頻率參數發(fā)生變化將不能正常使用,因此適用范圍窄,性?xún)r(jià)比很低。

為了克服傳統聲納信號模擬器的這些缺陷,本文采用DDS技術(shù)設計并實(shí)現了新型信號模擬器。這種基于DDS的模擬器結構可以實(shí)現對任意方位距離上點(diǎn)目標回波信號的精確模擬,適用于不同頻率參數并具有一定擴展能力,從而具有很高的性?xún)r(jià)比。

2 DDS構成的信號模擬器

2.1 DDS技術(shù)簡(jiǎn)介

DDS技術(shù)出現于二十世紀70年代,是一種全數字頻率合成技術(shù)。它將先進(jìn)的數字信號處理理論與方法引入信號合成領(lǐng)域,實(shí)現合成信號的頻率轉換速度與頻率準確度之間的統一。它具有相位變換連續、頻率轉換速度快、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(diǎn),因而近年來(lái)DDS在理論和應用上得到飛速的發(fā)展。

DDS的基本結構如圖2所示。

由于DDS具有頻率和相位可以確定數控的特點(diǎn),因而將DDS器件作為成像聲納信號模擬器的關(guān)鍵部件,并輔以相應的控制和接口邏輯等,就可以實(shí)現對任意方位和距離目標回波的精確模擬。

2.2 DDS構成的模擬器結構

基于DDS技術(shù)的成像聲納信號模擬器的結構如圖3所示。

模擬器共有48個(gè)信號通道,每個(gè)通道模擬聲納接收基陣中一個(gè)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I-V變換器及濾波和跟隨電路構成。各個(gè)通道的DDS器件與CPLD之間的接口采用16bit位寬的并行總線(xiàn)。

用戶(hù)將要模擬的目標方位、距離、信號幅值等信息輸入到主機的應用程序界面中,應用程序根據這些信息,按照近場(chǎng)聚焦的算法計算出每個(gè)通道信號相對于參考通道的相位差等參數,然后通過(guò)RS-232串行總線(xiàn)將這些參數下傳到信號模擬器中。信號模擬器中的微控制器將這些參數接收并解碼,并將每個(gè)通道信號的頻率和相位等參數通過(guò)CPLD寫(xiě)入相應通道的DDS器件的控制寄存器中。AD9830初始化和參數設置的流程圖見(jiàn)圖4。

2.3 目標距離的模擬

信號模擬器從主機接收到的參數除了各通道頻率和相位差外,還包括輸出信號的幅度（增益）控制曲線(xiàn)參數。幅度控制參數也由單片機解碼并按照曲線(xiàn)的定時(shí)參數發(fā)送到DAC中,數模轉換后的幅度控制信號送入AD9830的Rset端,從而控制了輸出信號的幅度。

圖4 AD9830初始化和參數設置流程圖

    這個(gè)幅度控制電路是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統,具有較好的動(dòng)態(tài)性能,帶寬可達100kHz。采用適當幅度（增益）控制曲線(xiàn)并配合外部觸發(fā)源,可以實(shí)現對預定距離上點(diǎn)目標回波信號的模擬。其工作原理如圖5所示。要模擬與接收基陣相距分別為L(cháng)1和L2的兩個(gè)點(diǎn)目標,則按照模擬器中DAC的轉換速率生成相應的幅度控制曲線(xiàn)。該幅度控制曲線(xiàn)在模擬器中與外部觸發(fā)信號同步,而外部觸發(fā)信號與成像聲納發(fā)射機同步,即它的上升測對準聲納發(fā)射脈沖的前沿時(shí)刻。這樣在幅度曲線(xiàn)的控制下就可以精確模擬預定距離上的點(diǎn)目標回波。

本文采用的DDS器件AD9830中共有4個(gè)相位寄存器,如果事先寫(xiě)入計算好的相位參數,并且在使用幅度曲線(xiàn)控制的同時(shí)配合相應的相位轉換,就可以在一次發(fā)射回波中模擬最多4個(gè)不同方位和距離上的點(diǎn)目標。

3 幾個(gè)注意事項

3.1 參考時(shí)鐘的扇出（Fan-out）

為了提高系統的可靠性和可擴展能力,整個(gè)模擬器采用了3U EuroCard機箱+背板+插板的結構,每8個(gè)通道電路在一塊插板上實(shí)現,總線(xiàn)接口和參考時(shí)鐘等信號位于背板。這樣的結構造成參考時(shí)鐘的布線(xiàn)拓撲比較復雜。并且因通道數較多,所有通道的DDS器件公用一個(gè)參考時(shí)鐘,時(shí)鐘扇出和布線(xiàn)以及阻抗匹配等就顯得非常重要。如果扇出不合理,造成各通道DDS輸入端的參考時(shí)鐘存在延遲,就會(huì )影響系統的精度。另外由于參考時(shí)鐘頻率高達50MHz,信號完整性問(wèn)題也將影響系統的正常工作。

本文采用了Cypress公司的高速時(shí)鐘分布器件CY2308,將石英晶體振蕩器產(chǎn)生的參考時(shí)鐘扇出為6個(gè)獨立的時(shí)鐘,分別送到6塊通道板,嚴格保證每條時(shí)鐘信號在PCB上的路徑等長(cháng)并進(jìn)行精確的阻抗匹配。同時(shí),每塊通道板中也使用同樣的扇出和布線(xiàn)方法。這樣,各個(gè)通道的時(shí)鐘間延遲小于200ps,可以保證模擬器的精度。

    3.2 混合電路的布線(xiàn)

由于信號模擬器中既存在大量高頻數字邏輯控制信號,輸出信號又是多通道微弱模擬信號（mV級）,因而要特別注意數�；旌想娐返谋懿季�(xiàn)、退耦、電源和地平面的分割等事項。這方面有許多專(zhuān)著(zhù)討論,本文不再詳述。值得注意的是,DDSLayout應嚴格按照參考設計進(jìn)行,以確保系統的性能。

3.3 DDS器件的安全

單片集成式DDS器件多數采用CMOS工藝生產(chǎn),比較脆弱易損,在設計與調試中應特別注意。由于信號模擬器在使用中可能出現輸出補意外短路等情況,因此在輸出級采用跟隨器以避免DDS意外損壞。此外,在設計幅度控制電路時(shí)應留有一定余量,避免DDS因輸出電流過(guò)大而失效。

本文提出并實(shí)現了采用DDS技術(shù)的新型聲納信號模擬器。完成的模擬器樣機克服了傳統模擬技術(shù)結構復雜、可靠性差、可調范圍窄等弊端,可以實(shí)現對任意方位和距離上點(diǎn)目標回波信號的精確模擬,使用方便可靠,在某高頻成像聲納的設計和調試中起到了十分關(guān)鍵的作用。同時(shí),該模擬器具有較好的適應性和擴展能力,可以用于未來(lái)的多種型號成像聲納的調試,具有很強的工程實(shí)用價(jià)值和廣闊的應用前景。

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