基于DDS技术的声纳信号模拟器

    关键词：声纳 波束形式 DDS CPLD

近年来随着海洋开发和海军技术的发燕尾服，声纳设备的研究越来越受重视。但是由于水声设备试验通常需要适宜的水声环境，例如消声水池、湖泊或海洋等，因而试验的复杂性和成本都较高。为了能在普通实验室环境中模拟目标回波信号，需要针对各种声纳设备的要求设计专用的声纳信号模拟器。

1 声纳信号模拟器的基本原理

1.1 波束形成原理简介

本文旨在研制适用于某种高分辨率成像声信号模拟器。该成像声纳接收声基阵采用48元等间隔线阵，工作频率800kHz，作用距离0.5～25米，角度分辨率为0.35°。成像声纳对接收基阵信号进行波束形成，从而实现声图像的获取。声纳波束形成的基本原理如图1所示。
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    图1是远场时等间隔线阵接收回波信号的示意图。入射声波与基阵法线方向成θ角平行入射，基元从左至右顺序编号为1、2、…i、t+1、…N，基元间距为d。如果选取1号基元为时间参考点，其接收到的信号为Acos2πft，那么相邻两个基元间存在声程差Δ=dsinθ，因此第i个基元接收到的信号为：

si(t)=Acos{2πf[t+(i-1)dsinθ/c]} （1）

其中c为声速。由于成像声纳是窄带主动声纳，所以I基元与1号基元接收信号间的相位差是φi=2π(i-1)d/λsinθ，其中λ为波长。因此要想使线阵定向在θ0方向上，只需将第i个基元的信号延时τi(θ0)=2π(i-1)d/λsinθ0即可。

以上是线阵波束形成的基本原理，但这只是远场情况下的近似。对于近场条件，这样的近似产生的误差会很大。对于本文中的高频成像声纳，由于全部工作范围均属近场条件，所以波束形成时必须采用聚焦方法。其基本原理同上，只是对每个基元信号进行的延迟（或移相）不成线性关系，本文对此不做详述。

1.2 声纳信号模拟器原理

用于成像声纳的信号模拟量一般通常数与基元个数相同，每个通道的输出模拟声纳基阵中一个基元的信号。由于成像声纳工作距离较近，并且水声环境中高频段的噪声级很低，因而接收信噪比通常较高。出于这样的考虑，信号模拟器的输出中就不额外加入噪声。成像声纳工作在较强的混响环境中，由于混响的模拟比较困难，并且对成像的影响并不严重，因而在设计中也不考虑对混响的模拟，只专注于模拟近场目标回波。

    根据用户输入的要模拟的点目标的方位和距离，信号模拟器计算出相应的目标回波到达接收基阵各个基元的相位差，然后按照这些相位差产生相应的多路正弦信号。将这些信号加到成像声纳的输入端，代替真实的基阵输出，这样就可在陆上试验室条件下方便地对成像声纳进行调试和测量。

1.3 传统声纳信号模拟器的缺陷

传统的声纳信号模拟器通常采用一个固定的振荡器产生与声纳系统工作频率相同的正弦信号。将本振信号通过一组多抽头模拟延迟线，然后从延迟线的不同抽头中引出信号作为模拟器的输出。这种信号模拟器结构存在若干缺陷和不足。

首先，由于采用模拟器件构成抽头延迟线结构，最小可变延迟长度受限。尤其是考虑到系统硬件规模和成本，一般延迟线的抽头数目不多，这样就造成延迟时间和理论值之间存在较大误差，从而降低了模拟器的精度。

其次，为了实现对不同方位目标回波信号的模拟，就必将不同抽头延迟线的输出进行切换或组合，然后作为一个基元的信号输出到声纳设备。因此整个模拟器的规模庞大，且只能模拟若干个离散方位和距离上的目标，不能实现对任意方位距离上点目标回波的模拟，否则复杂度不增将难以实现。

另外，使用模拟器件构成的抽头延迟线，其通道一致性难以保证，调试困难。且延迟线频