声纳信号预处理的窄带信号提取技术研究＊

颜科峰 卢爱国

（中国船舶重工集团公司第第一五研究所 杭州 310012）

1 引言

吊放声呐在直升机协同作战时，由于协同战机声纳的目标信号与被探测目标相比，频率相近，而协作战机声纳的目标信号要强很多，如果采用常规的前置预处理技术，在工作频带内，协作战机声纳的目标信号可能会使本设备的接受通道信号限幅，从而对所要探测的目标产生影响，因此需要有一种技术使声纳设备窄带工作［1～4］。

2 常规的声纳信号预处理技术

水听器接收的信号要完成模数转换前所进行的信号调理即通常所说的信号预处理［5］。一般分为三个步聚，如图1所示。

图1 预处理流程

根据水听器接收到的信号及水听器的等效阻抗，前级预处理一般做简单的放大及阻抗转换或再加简单的低频抑制功能使其输出稳定可靠的信号满足第二级处理要求；第二级处理根据设备的工作频率和幅度以及模数转换器的选择等要求进行滤波、时控增益、或自动增益控制等功能的设计；第二级预处理根据系统通道放大量的要求进行信号幅度的条理从而使其输出不足模块转换器的最佳转换且信号通道的增益满足设备指标。

从功能的复杂程度来看，第二级的预处理功能最复杂，而且可做增减的内容也最多。在做第二级的预处理时，滤波器是一个重要的环节，常用的滤波功能都用运算放大器设计的有源滤波器或无源LC滤波器来实现［6～9］。由于多数声纳设备工作在音频范围内，因此满足要求的无源LC滤波器实物往往体积和重量都比较大，在设备小型化的今天，很多场合都被有源滤波器替代。但是，有源滤波器和无源LC滤波器在Q值高的时候都存在稳定性问题。而石英晶体滤波器的Q值高，矩形系数可以做到，从而可以做到窄带信号提取的功能，但是，石英晶体滤波器由于石英材料的特性决定了其工作的频带较高，到目前为止，石英晶体滤波器的工作频率不小于100kHz。

为了能够用到石英晶体滤波器的窄带工作性能又能使其频带适合水声信号的工作要求，本文提出了一种先进行频率搬移再滤波再进行频谱搬移的方法。

3 频谱搬移及晶体滤波器实现的窄带信号提取技术

根据以上描述，声纳信号的前置预处理功能如图2所示。

图2 基于调制解调及晶体滤波器的预处理功能框图

与常规的预处理相比，第二级预处理增加了调制和解调等功能，且把常用的有源滤波器或无源LC滤波器改成了石英晶体滤波器。TVG、AGC功能根据需要裁减，设计上不作更改。调制解调及滤波的过程如图3所示。

图3 窄带信号提取过程

本振信号为一高频信号，作为载波把输入信号搬移的晶体滤波器的工作频带。设本振信号为

前级输入信号为

调制输出的信号为Vm（t），则：

设滤波器的工作频带为Φf，Φf∈（Φc＋Φs），衰减系数为A则，滤波器输出波形Vf（t）为

解调后输出信号Vd（t）为

经过低通滤波器后信号Vo（t）为

假设某声纳设备在协同作战时，其工作频带在4kHz± 200Hz，协同设备的工作频带在5kHz±200Hz根据晶体滤波器的实际工作频带400kHz～400.5kHz，我们选择本振信号为396kHz，根据窄带信号的提取流程，最后输出信号的理论带宽为4kHz±250Hz，可以包含本设备的工作频带且与协同设备的工作频带分开。满足设计要求。

4 仿真及实现

通过Matlab仿真［11］，假设前级输入信号Vs（t）为4kHz±200Hz的调频信号，时域图如图4所示，频谱图如图5所示。

图4 Vs（t）时域图

图5 Vs（t）频谱图

经396kHz的本振信号调制输出的信号Vm（t）时域图如图6所示，频谱图如图7所示。

图6 Vm（t）时域图

图7 Vm（t）频谱图

经工作频带400kHz～400.5kHz的晶体滤波器输出波形Vf（t）频域图如图8所示。解调后输出信号Vd（t）频谱图如图9所示。

图8 Vf（t）频谱图

图9 Vd（t）频谱图

经过低通滤波器后信号Vo（t）频谱图如图10所示。

图10 Vo（t）频谱图

5 结语

参考原始输入信号Vs（t）的频谱图，可见已成功提取出4kHz±200Hz的调频信号。通过仿真说明采取本文提出的先进行频率搬移再滤波再进行频谱搬移的方法可以成功利用石英晶体滤波器的窄带工作性能，保证本设备的工作频带且与协同设备的工作频带分开，可以避免协同设备间的互相干扰。相同的方法除了在吊放声纳的应用，也可以使用在其他对工作频带要求比较高的场合中。

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