基于DDS技术的声纳信号模拟器
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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。
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。且延迟线频率范围较窄，如果频率参数发生变化将不能正常使用，因此适用范围窄，性价比很低。
为了克服传统声纳信号模拟器的这些缺陷，本文采用DDS技术设计并实现了新型信号模拟器。这种基于DDS的模拟器结构可以实现对任意方位距离上点目标回波信号的精确模拟，适用于不同频率参数并具有一定扩展能力，从而具有很高的性价比。
2 DDS构成的信号模拟器
2.1 DDS技术简介
DDS技术出现于二十世纪70年代，是一种全数字频率合成技术。它将先进的数字信号处理理论与方法引入信号合成领域，实现合成信号的频率转换速度与频率准确度之间的统一。它具有相位变换连续、频率转换速度快、频率分辨率极高、相位噪声低、易于用微机等多种方法控制以及体积小、集成度高等多种优点，因而近年来DDS在理论和应用上得到飞速的发展。
DDS的基本结构如图2所示。
由于DDS具有频率和相位可以确定数控的特点，因而将DDS器件作为成像声纳信号模拟器的关键部件，并辅以相应的控制和接口逻辑等，就可以实现对任意方位和距离目标回波的精确模拟。
2.2 DDS构成的模拟器结构
基于DDS技术的成像声纳信号模拟器的结构如图3所示。
模拟器共有48个信号通道，每个通道模拟声纳接收基阵中一个基元的输出。通道电路由单片DDS器件AD9830及其接口逻辑电路、输出I-V变换器及滤波和跟随电路构成。各个通道的DDS器件与CPLD之间的接口采用16bit位宽的并行总线。
用户将要模拟的目标方位、距离、信号幅值等信息输入到主机的应用程序界面中，应用程序根据这些信息，按照近场聚焦的算法计算出每个通道信号相对于参考通道的相位差等参数，然后通过RS-232串行总线将这些参数下传到信号模拟器中。信号模拟器中的微控制器将这些参数接收并解码，并将每个通道信号的频率和相位等参数通过CPLD写入相应通道的DDS器件的控制寄存器中。AD9830初始化和参数设置的流程图见图4。
2.3 目标距离的模拟
信号模拟器从主机接收到的参数除了各通道频率和相位差外，还包括输出信号的幅度（增益）控制曲线参数。幅度控制参数也由单片机解码并按照曲线的定时参数发送到DAC中，数模转换后的幅度控制信号送入AD9830的Rset端，从而控制了输出信号的幅度。
这个幅度控制电路是一个开环系统，具有较好的动态性能，带宽可达100kHz。采用适当幅度（增益）控制曲线并配合外部触发源，可以实现对预定距离上点目标回波信号的模拟。其工作原理如图5所示。要模拟与接收基阵相距分别为L1和L2的两个点目标，则按照模拟器中DAC的转换速率生成相应的幅度控制曲线。该幅度控制曲线在模拟器中与外部触发信号同步，而外部触发信号与成像声纳发射机同步，即它的上升测对准声纳发射脉冲的前沿时刻。这样在幅度曲线的控制下就可以精确模拟预定距离上的点目标回波。
本文采用的DDS器件AD9830中共有4个相位寄存器，如果事先写入计算好的相位参数，并且在使用幅度曲线控制的同时配合相应的相位转换，就可以在一次发射回波中模拟最多4个不同方位和距离上的点目标。
3 几个注意事项
3.1 参考时钟的扇出（Fan-out）
为了提高系统的可靠性和可扩展能力，整个模拟器采用了3U EuroCard机箱+背板+插板的结构，每8个通道电路在一块插板上实现，总线接口和参考时钟等信号位于背板。这样的结构造成参考时钟的布线拓扑比较复杂。并且因通道数较多，所有通道的DDS器件公用一个参考时钟，时钟扇出和布线以及阻抗匹配等就显得非常重要。如果扇出不合理，造成各通道DDS输入端的参考时钟存在延迟，就会影响系统的精度。另外由于参考时钟频率高达50MHz，信号完整性问题也将影响系统的正常工作。
本文采用了Cypress公司的高速时钟分布器件CY2308，将石英晶体振荡器产生的参考时钟扇出为6个独立的时钟，分别送到6块通道板，严格保证每条时钟信号在PCB上的路径等长并进行精确的阻抗匹配。同时，每块通道板中也使用同样的扇出和布线方法。这样，各个通道的时钟间延迟小于200ps，可以保证模拟器的精度。
3.2 混合电路的布线
由于信号模拟器中既存在大量高频数字逻辑控制信号，输出信号又是多通道微弱模拟信号（mV级），因而要特别注意数模混合电路的避布线、退耦、电源和地平面的分割等事项。这方面有许多专著讨论，本文不再详述。值得注意的是，DDSLayout应严格按照参考设计进行，以确保系统的性能。
3.3 DDS器件的安全
单片集成式DDS器件多数采用CMOS工艺生产，比较脆弱易损，在设计与调试中应特别注意。由于信号模拟器在使用中可能出现输出补意外短路等情况，因此在输出级采用跟随器以避免DDS意外损坏。此外，在设计幅度控制电路时应留有一定余量，避免DDS因输出电流过大而失效。
本文提出并实现了采用DDS技术的新型声纳信号模拟器。完成的模拟器样机克服了传统模拟技术结构复杂、可靠性差、可调范围窄等弊端，可以实现对任意方位和距离上点目标回波信号的精确模拟，使用方便可靠，在某高频成像声纳的设计和调试中起到了十分关键的作用。同时，该模拟器具有较好的适应性和扩展能力，可以用于未来的多种型号成像声纳的调试，具有很强的工程实用价值和广阔的应用前景。
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