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(guò)控制DDS器件輸出信號(hào)的幅度和相位來(lái)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(wèn)題。
關(guān)鍵詞：聲納 波束形式 DDS CPLD

近年來(lái)隨著海洋開(kāi)發(fā)和海軍技術(shù)的發(fā)燕尾服，聲納設(shè)備的研究越來(lái)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(jiǎn)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(chǎng)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(zhǎng)。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(chǎng)情況下的近似。對(duì)于近場(chǎng)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(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(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(chǎng)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。

1.3 傳統(tǒng)聲納信號(hào)模擬器的缺陷

傳統(tǒng)的聲納信號(hào)模擬器通常采用一個(gè)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(hào)。將本振信號(hào)通過(guò)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(hào)作為模擬器的輸出。這種信號(hào)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(zhǎng)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(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(xiàn)對(duì)不同方位目標(biāo)回波信號(hào)的模擬，就必將不同抽頭延遲線的輸出進(jìn)行切換或組合，然后作為一個(gè)基元的信號(hào)輸出到聲納設(shè)備。因此整個(gè)模擬器的規(guī)模龐大，且只能模擬若干個(gè)離散方位和距離上的目標(biāo)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)任意方位距離上點(diǎn)目標(biāo)回波的模擬，否則復(fù)雜度不增將難以實(shí)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(jià)比很低。

為了克服傳統(tǒng)聲納信號(hào)模擬器的這些缺陷，本文采用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了新型信號(hào)模擬器。這種基于DDS的模擬器結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意方位距離上點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)的精確模擬，適用于不同頻率參數(shù)并具有一定擴(kuò)展能力，從而具有很高的性價(jià)比。

2 DDS構(gòu)成的信號(hào)模擬器

2.1 DDS技術(shù)簡(jiǎn)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(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理理論與方法引入信號(hào)合成領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)合成信號(hào)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(jī)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(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(diǎn)，因而將DDS器件作為成像聲納信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)模擬器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

模擬器共有48個(gè)信號(hào)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(gòu)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。

用戶將要模擬的目標(biāo)方位、距離、信號(hào)幅值等信息輸入到主機(jī)的應(yīng)用程序界面中，應(yīng)用程序根據(jù)這些信息，按照近場(chǎng)聚焦的算法計(jì)算出每個(gè)通道信號(hào)相對(duì)于參考通道的相位差等參數(shù)，然后通過(guò)RS-232串行總線將這些參數(shù)下傳到信號(hào)模擬器中。信號(hào)模擬器中的微控制器將這些參數(shù)接收并解碼，并將每個(gè)通道信號(hào)的頻率和相位等參數(shù)通過(guò)CPLD寫(xiě)入相應(yīng)通道的DDS器件的控制寄存器中。AD9830初始化和參數(shù)設(shè)置的流程圖見(jiàn)圖4。

2.3 目標(biāo)距離的模擬

信號(hào)模擬器從主機(jī)接收到的參數(shù)除了各通道頻率和相位差外，還包括輸出信號(hào)的幅度（增益）控制曲線參數(shù)。幅度控制參數(shù)也由單片機(jī)解碼并按照曲線的定時(shí)參數(shù)發(fā)送到DAC中，數(shù)模轉(zhuǎn)換后的幅度控制信號(hào)送入AD9830的Rset端，從而控制了輸出信號(hào)的幅度。

    這個(gè)幅度控制電路是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，具有較好的動(dòng)態(tài)性能，帶寬可達(dá)100kHz。采用適當(dāng)幅度（增益）控制曲線并配合外部觸發(fā)源，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)定距離上點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)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(zhǎng)1和L2的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，則按照模擬器中DAC的轉(zhuǎn)換速率生成相應(yīng)的幅度控制曲線。該幅度控制曲線在模擬器中與外部觸發(fā)信號(hào)同步，而外部觸發(fā)信號(hào)與成像聲納發(fā)射機(jī)同步，即它的上升測(cè)對(duì)準(zhǔn)聲納發(fā)射脈沖的前沿時(shí)刻。這樣在幅度曲線的控制下就可以精確模擬預(yù)定距離上的點(diǎn)目標(biāo)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(jì)算好的相位參數(shù)，并且在使用幅度曲線控制的同時(shí)配合相應(yīng)的相位轉(zhuǎn)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(biāo)。

3 幾個(gè)注意事項(xiàng)

3.1 參考時(shí)鐘的扇出（Fan-out）

為了提高系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展能力，整個(gè)模擬器采用了3U EuroCard機(jī)箱+背板+插板的結(jié)構(gòu)，每8個(gè)通道電路在一塊插板上實(shí)現(xiàn)，總線接口和參考時(shí)鐘等信號(hào)位于背板。這樣的結(jié)構(gòu)造成參考時(shí)鐘的布線拓?fù)浔容^復(fù)雜。并且因通道數(shù)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(tǒng)的精度。另外由于參考時(shí)鐘頻率高達(dá)50MHz，信號(hào)完整性問(wèn)題也將影響系統(tǒng)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(dú)立的時(shí)鐘，分別送到6塊通道板，嚴(yán)格保證每條時(shí)鐘信號(hào)在PCB上的路徑等長(zhǎng)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

由于信號(hào)模擬器中既存在大量高頻數(shù)字邏輯控制信號(hào)，輸出信號(hào)又是多通道微弱模擬信號(hào)（mV級(jí)），因而要特別注意數(shù)?；旌想娐返谋懿季€、退耦、電源和地平面的分割等事項(xiàng)。這方面有許多專著討論，本文不再詳述。值得注意的是，DDSLayout應(yīng)嚴(yán)格按照參考設(shè)計(jì)進(jìn)行，以確保系統(tǒng)的性能。

3.3 DDS器件的安全

單片集成式DDS器件多數(shù)采用CMOS工藝生產(chǎn)，比較脆弱易損，在設(shè)計(jì)與調(diào)試中應(yīng)特別注意。由于信號(hào)模擬器在使用中可能出現(xiàn)輸出補(bǔ)意外短路等情況，因此在輸出級(jí)采用跟隨器以避免DDS意外損壞。此外，在設(shè)計(jì)幅度控制電路時(shí)應(yīng)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(xiàn)了采用DDS技術(shù)的新型聲納信號(hào)模擬器。完成的模擬器樣機(jī)克服了傳統(tǒng)模擬技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、可調(diào)范圍窄等弊端，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意方位和距離上點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)的精確模擬，使用方便可靠，在某高頻成像聲納的設(shè)計(jì)和調(diào)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(yīng)性和擴(kuò)展能力，可以用于未來(lái)的多種型號(hào)成像聲納的調(diào)試，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。