水下回波模拟器频率补偿技术

曹清刚，吴 亮，王 晋

(1．大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013;2．海军驻大连地区军事代表室，辽宁 大连 116021)

水下回波模拟器频率补偿技术

曹清刚1，吴 亮2，王 晋1

(1．大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013;2．海军驻大连地区军事代表室，辽宁 大连 116021)

水下回波模拟器可根据目标的声学特性对目标进行回波模拟，广泛用于验证试验、声诱饵等方面。但由于换能器制造工艺等限制，其发射换能器的发送电压响应在不同频率上变化较大。若忽视这个因素，则有时无法做到有效模拟宽频带的目标回波特性。本文通过分段快速Fourier正反变换和频率能量补偿技术实现回声转发信号的发射声源级差异补偿，采用首尾重叠消去法确保变换后数据无畸变。通过NI公司的PCI－6120板卡和工控机完成工程实践工作，并通过水池实验和海试进行可行性验证。

回波模拟器;频率;补偿;Fourier变换

0 引言

水下回声模拟器的主要作用是接收直达声信号，并根据要模拟目标的声学特性产生模拟回波信号发射出去，可以应用于军事、科研和民用等领域。但由于其发射换能器发送响应起伏较大，在宽带回声模拟中会出现一些或一段频率上的模拟回声信号很小，从而影响到要模拟目标的声学特性不真实，达不到宽带范围内回波模拟的效果［1］。本文通过分段快速Fourier［2］变化与频率能量补偿技术实现回声转发信号的幅度差异补偿，通过首尾重叠消去法使得变换数据无畸变。此项技术已通过NI公司的PCI－612 0AD/DA卡进行了工程实现，并通过水池实验和海试进行了验证，可以在一定程度上解决由于换能器发送响应不平整带来的影响。

1 水下回波模拟器构成

水下回波模拟器主要由接收模块、发射模块、综合处理与数据记录模块组成，其关系如图1所示。接收模块主要包括水听器和信号调理器，负责接收声信号通过水听器获得电信号，并通过滤波放大等硬件信号处理后将电信号输入综合处理与数据记录模块。综合处理与数据记录模块主要包括数据处理并产生D/A信号与数据记录两大功能，在电信号中检测到我们要处理的直达声信号，对其进行频率补偿并加入待模拟目标的声学特性后再延迟t1时间使用D/A将要发射的应答信号输入发射模块。发射模块主要由功率放大器和发射换能器组成，特定的组合会有固定的发射频率响应，频率补偿技术就是通过获得特定的发射频响后以某一频率为基准进行反向配置补偿。如何获得特定组合的发射频响是前期准备工作。

图2 回波模拟器工作原理图Fig．2 Schematic diagram echo simulator work

将模拟器的接收水听器布置在发射换能器前1 m处，水听器实时监视模拟目标强度值计算公式为

式中，r为应答换能器到直达声接收水听器的距离，这里假设为1 m。

2 特定组合发射频响的获取

为研究方便这里做出如下假设：

① 声信号在水中短距离内直线传播［3－4］;② 功率放大器和发射换能器是线性的;③ 发射信号理想、恒定、无畸变;④多个连续频率的单频点信号可拟合宽带信号;⑤在所需频带内换能器的发射频响起伏小于10 dB。

为更好测量发射频响［5］，装置的布放如图3所示，标准水听器与发射换能器距离d=1 m。当发射幅度固定，调整发射信号频率，假设通过标准水听器获得接收到的电信号的有效值为Vstd，则

式中，M0为对应获得电信号时所在频率的水听器灵敏度。

通过式(2)可以获得不同频率下特定组合的发射声源级，从而得到所需要频率的发射频响［6］。若实测获得的数据不平滑，可进行平滑处理。

图3 测量频响装置布放图Fig.3 Frequency measurement devices laying plans

3 频率补偿系数获取

为使得输出声源级起伏较小，这里将对同义声源级进行归算。假设某个特定组合从f0～f1Hz频率间隔fkHz样本的发射声源级序列为［SL1，SL2，…，SLn，…，SLN］，其频率与声源级对照图如图4所示。若期望发射的宽带信号在f0～f1Hz频率范围内发射声源级相差较小，如图4虚线所示，假设这里以频率分辨率fmHz为基准进行补偿，fmHz时所对应的下标数可由式(2)计算得出。

式中：Vstd为该频率当前声源级对应值时的电信号有效值;Vstd'为该频率当声源级为SLm所对应值时的电信号有效值。

从而得到

令变换系数为

对补偿系数进行对称填充，使得其频率与所做的fft［2］能量谱一一对应得到频谱补偿系数。

4 信号频率补偿技术

式中：g(t)为t时刻输入信号;ω为角频率;ki为频率补偿系数;F(ω)为输入信号的频率谱;F1(ω)为经频率补偿后的频率谱;g1(t)为t时刻经频率补偿后的输出信号。

若设频率分辨率为50 Hz，即f=1/T=50;得到T=0.02 s，当采样率为fs=200 000 Hz时，则需要将Ns=fs*T=4 000点DFT变换和反变换。将其后端补零，使之达到2的整数倍，可做4 096点fft运算。经过频域补偿变换后的数据两端会产生失真现象，如图9所示。为消除此类现象，可采取首尾冗余消去法。首尾冗余消去法描述如图10所示。将要变换数据左右多取一部分数据，经过频率补偿处理后取其中间无畸变部分，这里采用前后多冗余1/2变换数据，即前后应多取1 000点。进行4 096点运算可获得2 000点无畸变数据。之后再选取下一个2 000点数据，将其首尾同时延拓达到4 000点时尾部补零，进行频率补偿后取中部无畸变的2 000点，依次循环得到无畸变波形如图11所示。

5 最小计算所用时间

变换理想最小延迟时间，当不考虑变换所用时间时，最小要采集需计算点数的3/4，当fs=200 000 Hz时，所需时间为t=3 000/fs=0.015 s。当计算2N点fft和ifft时都需要计算Ma=N*log2(N)复数加法和Mb=N/2*log2(N)复数乘法，进行频率补偿时需要计算2N+1点实数乘法(等价于2N－1点复数乘法)。所以在此算法中，1次计算经历Mjc次复数乘法运算和Mjc次复数加法运算。

6 仿真结果

假设 fs=200 000 Hz，f0=500 Hz，f1=20 000 Hz，fm=3 000 Hz，频率补偿系数如图5所示，通过Matlab仿真可得到，若输入信号如图12所示，经频率补偿后输出电信号如图13所示。当出现多个信号时，其频率补偿依然存在，但在脉冲开始和结束时会产生吉普斯效应。可以考虑加一缓变窗抑制此效应。

7 实验结果

2011年6月，在大连三山岛附近海域进行了验证性海上试验。装置声学部分入水25 m，水深约60 m，配合试验船只与试验船只距离约700 m，使用双GPS同步确定同步时间和位置。采集延时约200 ms。增益系统的软件界面如图14所示。

图14 软件界面Fig.14 Software interface

在接到信号后对信号进行拷贝、增益转发，同时在某一固定时刻发射一个参考信号，其信号形式为线性调频信号。试验结果如图15～图20所示。经过相应的滤波后根据式(1)可以得到模拟目标强度β值。

选择2个频率的信号各150个样本点，如图20所示。从图中可以看出，不同频率的β值的起伏小于1 dB。所以可以证明该系统是稳定的。

8 结语

仿真和海试结果表明，通过分段快速Fourier正反变换结合频率能量补偿和首尾重叠消去法的模拟器可以适用于多种信号的回声模拟工作，且其性能稳定可靠。但当出现脉冲信号上升沿和下降沿时会产生吉普斯效应，这时可以通过加一个低通滤波来滤除低频抖动。

［1］王雅芬，等．基于DSP和PCI的宽频带水下目标模拟器的实现及应用［J］．测控技术，2007，(6)：34 －36，44．

WANG Ya-fen，et al．Development of the underwater widedand target simulator based on DSP and DCI［J］．Measurement and Control Technology，2007，(6)：34 －36，44．

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［6］赵兴浩，邓兵，陶然．分数阶傅立叶变换数值计算中的量纲归一化［J］．北京理工大学学报，2005，25(4)：360－364．

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Equalize technique of underwater echo simulator research and achieve

CAO Qing-gang1，WU Liang2，WANG Jin1
(1．Dalian Scientific Test and Control Technology Institute，Dalian 116013，China;2．Navy Representation office in Dalian，Dalian 116021，China)

Base on the acoustic characteristics of underwater target，underwater target echo was simulated．It was used in a lot of purposes，for example，validates experimentation，echo bait，and so on．But so the reason of transducer making techniques that it transmitting voltage response is changing more different．If this factor was ignored，target echo characteristics can't be simulated effectively．An equalizing measurement was researched in this article．Fourier transform，frequency equalize method and a method that insure the data without aberration were used．That realize the echo transmit signals equalization of source level．This technology was actualized in PCI-6120 of NI Company and computer，and it passed experiments in the pool and on the sea．That proved this technology was feasibility．

underwater echo simulator;frequency;equalize;fourier transform

U666．75

A

1672－7649(2012)07－0096－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.021

2011－08－11;

2011－09－20

曹清刚(1982－)，男，工程师，从事水声工程方面研究工作。

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