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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(shù)字化通用聲納信號模擬器的實現(xiàn)方案。通過控制DDS器件輸出信號的幅度和相位來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行精確的模擬，并可以模擬運動目標的回波信號。討論了多通道信號模擬器在設(shè)計和實現(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(fù)雜性和成本都較高。為了能在普通實驗室環(huán)境中模擬目標回波信號，需要針對各種聲納設(shè)備的要求設(shè)計專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行波束形成，從而實現(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是遠場時等間隔線陣接收回波信號的示意圖。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為1、2、…i、t+1、…N，基元間距為d。如果選取1號基元為時間參考點，其接收到的信號為Acos2πft，那么相鄰兩個基元間存在聲程差Δ=dsinθ，因此第i個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。因此要想使線陣定向在θ0方向上，只需將第i個基元的信號延時τi(θ0)=2π(i-1)d/λsinθ0即可。
以上是線陣波束形成的基本原理，但這只是遠場情況下的近似。對于近場條件，這樣的近似產(chǎn)生的誤差會很大。對于本文中的高頻成像聲納，由于全部工作范圍均屬近場條件，所以波束形成時必須采用聚焦方法。其基本原理同上，只是對每個基元信號進行的延遲（或移相）不成線性關(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(shù)與基元個數(shù)相同，每個通道的輸出模擬聲納基陣中一個基元的信號。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(shè)計中也不考慮對混響的模擬，只專注于模擬近場目標回波。
根據(jù)用戶輸入的要模擬的點目標的方位和距離，信號模擬器計算出相應(yīng)的目標回波到達接收基陣各個基元的相位差，然后按照這些相位差產(chǎn)生相應(yīng)的多路正弦信號。將這些信號加到成像聲納的輸入端，代替真實的基陣輸出，這樣就可在陸上試驗室條件下方便地對成像聲納進行調(diào)試和測量。
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