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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。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
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