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基于DDS技術(shù)的聲納信號(hào)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(hào)模擬器的實(shí)現(xiàn)方案。通過控制DDS器件輸出信號(hào)的幅度和相位來模擬成像聲納基陣的輸出，可以對(duì)任意距離和方位上目標(biāo)回波進(jìn)行精確的模擬，并可以模擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)。討論了多通道信號(hào)模擬器在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中的具體的問題。關(guān)鍵詞：聲納 波束形式 DDS CPLD
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(yàn)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(yàn)的復(fù)雜性和成本都較高。為了能在普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬目標(biāo)回波信號(hào)，需要針對(duì)各種聲納設(shè)備的要求設(shè)計(jì)專用的聲納信號(hào)模擬器。
1 聲納信號(hào)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(hào)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(duì)接收基陣信號(hào)進(jìn)行波束形成，從而實(shí)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(shí)等間隔線陣接收回波信號(hào)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(hào)為1、2、…i、t+1、…N，基元間距為d。如果選取1號(hào)基元為時(shí)間參考點(diǎn)，其接收到的信號(hào)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(hào)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(hào)基元接收信號(hào)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(gè)基元的信號(hào)延時(shí)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(duì)于近場條件，這樣的近似產(chǎn)生的誤差會(huì)很大。對(duì)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(shí)必須采用聚焦方法。其基本原理同上，只是對(duì)每個(gè)基元信號(hào)進(jìn)行的延遲（或移相）不成線性關(guān)系，本文對(duì)此不做詳述。
1.2 聲納信號(hào)模擬器原理
用于成像聲納的信號(hào)模擬量一般通常數(shù)與基元個(gè)數(shù)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(hào)。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(jí)很低，因而接收信噪比通常較高。出于這樣的考慮，信號(hào)模擬器的輸出中就不額外加入噪聲。成像聲納工作在較強(qiáng)的混響環(huán)境中，由于混響的模擬比較困難，并且對(duì)成像的影響并不嚴(yán)重，因而在設(shè)計(jì)中也不考慮對(duì)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(diǎn)目標(biāo)的方位和距離，信號(hào)模擬器計(jì)算出相應(yīng)的目標(biāo)回波到達(dá)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(yīng)的多路正弦信號(hào)。將這些信號(hào)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(yàn)室條件下方便地對(duì)成像聲納進(jìn)行調(diào)試和測(cè)量。
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