宽带多普勒声纳系统原理及特性研究*

黄雄飞 朱 芳 周世华

(1.海军陆战学院陆战队系 广州 510430)(2.广州民航职业技术学院飞机维修工程学院 广州 510403)

宽带多普勒声纳系统原理及特性研究*

黄雄飞1朱 芳2周世华1

(1.海军陆战学院陆战队系 广州 510430)(2.广州民航职业技术学院飞机维修工程学院 广州 510403)

宽带多普勒声纳采用重复相位编码信号和复协方差算法,相对于窄带技术大大提高了测量精度。论文分析了宽带多普勒声纳的系统结构和工作原理,介绍了复协方差方法,通过对湖试数据的分析,研究了多普勒声纳接收到的信号特性,分析了时域波形和包络,指出了回波首先以混响为主,经过一定的延时后接收的信号以限带白噪声为主；分析了海底回波的幅度特征并采用滑动谱矩估计分析了接收的整个时域信号的速度特征。分析了噪声的概率密度和功率谱,并与高斯白噪声比较,得到宽带多普勒声纳接收到的噪声近似服从高斯分布的结论。

声学; 多普勒; 系统原理; 回波特性

Class Number TB551

1 引言

宽带多普勒声纳采用重复相位编码信号[1]和复协方差算法,相对于窄带技术大大提高了测量精度,并且已应用于多种载体的导航[2]。文献[3]分析了宽带多普勒声纳的发射信号特性,建立了海底回波模型并分析了海底回波的自相关和功率谱特性,文献[4]分析了海底回波的包含的速度信息的特性,提出了回波截取方法,本文首先分析四阵元宽带多普勒声纳的系统结构,研究各部分的组成和特征,介绍频率估计算法,最后结合湖试数据,分析了多普勒声纳接收信号的部分特性,包括体积混响、回波和噪声的特性。

2 系统结构和原理

宽带多普勒声纳系统由换能器、收发转换电路、宽带发射机、宽带接收机、数据采集、数据处理、传感器、控制和解算计算机、电源系统和耐压壳体组成,整个声纳系统的硬件结构图如图1所示,系统工作原理如下所述。

系统启动后,发射机根据控制和解算计算机的指令以一定间隔发射一定宽度的相位编码信号,发射完毕后,经过一定的延时后接收机开始工作并接收回波信号,对回波信号做放大、滤波和混频后送入采集电路,数据采集电路将模拟信号转换为数字信号后送入数据处理系统,数据处理系统进行处理得到四路频移和深度值并将解算的数据传送给控制和解算计算机,控制和解算计算机综合四路频移值和传感器的数据解算得到三维速度并通过RS232或RS422协议将三维速度、深度及其他相关数据传送给上位机,一次测量过程结束,然后进行下一次的测量。

图1 多普勒声纳系统结构

1) 发射机

发射机板的原理框图如图2所示,发射机板的主要功能是完成相位编码信号的产生、功率放大和与换能器的阻抗匹配。

信号产生电路的作用是产生设定参数的相位编码信号,包括码元长度、码元宽度、重复次数等,一般由CPLD电路产生。

功率放大器是向负载(换能器)提供功率信号的装置,它接收来自信号产生电路输出的发射信号,对信号进行功率放大后输出到阻抗匹配电路。例如RDI300kHz多普勒声纳电功率为25W,且最长脉冲宽度为62ms,相应的声源级SL=216.35dB,因此对功放电路的要求较高。

图2 发射机结构

功率源与换能器的阻抗匹配有两个问题要解决。一是调谐,即采用外加电抗性元件调节换能器的输入电抗,使输入相角趋近于零,以减少功率传输中的无功分量。二是变阻,即改变换能器的有功电阻,使之与发射机(功放)的输出阻抗相接近,以达到最佳功率传输匹配。一般采用变压器进行匹配,即通过初次级线圈之间的变压及耦合作用匹配,同时变压器还具有隔离作用。

图3 接收机结构

2) 接收机

接收机包含前置放大器、混频和滤波器、时变增益放大器(TVG)等。由于海洋中后向散射信号随深度加大幅度快速衰减,因此需要进行增益控制。混频的主要目的是移除调制信号的发射中心频率,混频后的信号中的频率值为频移值。图3为接收机的原理框图,要求接收机噪声小,接收机的带宽应满足系统宽带的要求。

3) 采集和处理电路

采集和处理电路的主要功能是采集四路回波信号,对回波信号进行处理得到速度和深度值,并将计算结果传递给控制和解算计算机板。数字信号处理技术水平很大程度上决定了多普勒声纳的性能。信号处理芯片一般采用FPGA、DSP等高速数字处理芯片实现,其他的主要电路均采用成熟和通用的电子芯片和技术。

4) 控制和解算计算机

控制和解算计算机板的主要功能是将四路频移值转换成速度值,包括三个坐标系(仪器坐标系、载体坐标系和地理坐标系)间的坐标变换,并将数据发送给上位机,同时完成整个系统的控制。

5) 传感器

传感器主要包括温度传感器、姿态传感器和航向传感器。温度传感器用于测量换能器表面的水温,而温度值用于计算声速。姿态传感器用于测量多普勒声纳的两个姿态角,即俯仰角和横滚角。航向传感器一般采用磁罗经,用于测量航向角。

3 频率估计算法

多普勒声纳接收到海底回波信号时,经过与本振信号混频、滤波后,以一定的采样率对信号进行采样作自相关,运用复协方差方法进行频率估计,能够得到较精确的频移值,其原理框图[5]如图4所示。测量回波的频移量成为测速系统的关键,宽带多普勒声纳采用重复相位编码信号提高了理论精度即克拉美—罗界[6～8],而采用复协方差估计回波平均频率,复协方差方法主要用来估计信号的谱矩,而一阶谱矩又可以作为回波平均频率的估计,同时复协方差方法具有精度髙,计算量小等优点,因此得到了广泛运用。对于复协方差方法,文献[9～10]均有论述和推导,本文不再重复。

图4 信号处理框图

4 接收信号特性分析

当多普勒声纳发射信号后,延时一段时间后开始接收回波,声波经过海水的传播,首先被海水中的悬浮颗粒散射,从而形成体积混响,随着时间的增长,体积混响的强度逐渐减弱,同时海洋环境噪声和载体自噪声也通过换能器进入接收机,而多普勒声纳接收机的自噪声也最终进入数据采集系统并最终影响速度测量的精度。

换能器接收到的回波信号为

(1)

×ej2πf0kt+n(t)

(2)

图5为湖试回波数据的时域图,海底深度121m,波束宽度4°,波束倾角20°,发射信号为重复相位编码信号,码元采用7位巴克码,重复次数为40次,载波频率150kHz,带宽15kHz,则可以计算得到脉冲宽度T=18.7ms,τ=4.6ms,t1=170.3ms,t2=174.9ms,t3=189ms,t4=193.6ms,从图中可以看出,多普勒声纳首先接收到的是混响和噪声,然后是海底回波,海底回波的幅度从小变大,然后保持一段时间,又逐渐变小,最后接收到的主要是噪声。图6为回波的包络。

下面计算回波的各部分对应的速度,对接收的回波采用滑动谱矩方法估计。如图7所示,即被处理的数据宽度固定,但起点在时间轴上滑动,从而计算本段数据对应的速度,数据窗的宽度为1.4ms,实际径向速度为0.36m/s,从图中可以看出,多普勒声纳首先接收的为幅度较大的混响,因此其速度与真实的径向速度基本一致,然后接收到的信号主要是噪声,混响被噪声所掩盖,由噪声计算得到的速度具有较大的随机性,当声波接触海底并被散射回来时,计算得到的速度与真实的径向速度一致,当脉冲信号全部被海底散射回来后,多普勒接收到的仍然为噪声,所以对应的速度具有随机性。取采集数据中的一段噪声,并分析其概率密度,得到图8中的星号为噪声的概率密度,实线为高斯分布的概率分布,从图中可以看出,宽带多普勒声纳接收的噪声近似服从高斯分布。图9为采用韦尔奇方法估计得到的噪声功率谱,从图中可以看出,噪声的功率谱在带宽范围内幅度基本一致,可以看作白噪声,这也验证了前面关于回波建模中噪声为高斯白噪声的假设。

图5 时域波形

图6 回波包络

图7 滑动谱矩估计

图8 噪声的概率密度

图9 噪声功率谱

根据以上分析分析,可以得到以下结论：

1) 宽带多普勒声纳首先接收到的信号以混响为主,随着距离的增大,在回波到来之前接收到的信号以噪声为主,回波接收之后仍以噪声干扰为主。

2) 宽带多普勒声纳的海底回波干扰以限带白噪声为主,近似服从高斯分布。

3) 宽带多普勒声纳的海底回波包络为先变大然后保持,最后变小的过程,其中保持部分为波束全部照射海底的回波,其它部分为部分照射。

5 结语

本文从宽带多普勒声纳的系统结构和工作原理出发,分析了宽带多普勒声纳的内部结构、功能和工作原理,并对复协方差方法作了介绍,分析了多普勒声纳接收到的信号特性,分析了时域波形和包络,指出了回波首先以混响为主,经过一定的延时后接收的信号以限带白噪声为主；分析了海底回波的幅度特征,即海底回波是一个从小变大然后又变小的过程；采用滑动谱矩估计的方法分析了接收的整个时域信号的速度特征,特别是混响和噪声的速度特性。分析了噪声的概率密度,并与高斯白噪声比较,发现宽带多普勒声纳接收到的噪声近似服从高斯分布。本文的分析和结论对于宽带多普勒声纳的系统分析和设计具有重要意义。

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System Principles and Characteristics of Broadband Doppler Sonar

HUANG Xiongfei1ZHU Fang2ZHOU Shihua1

(1. Department of Marines, Naval Marine Academy, Guangzhou 510430) (2. Department of Aircraft Maintenance and Engineering, Guangzhou Civil Aviation College, Guangzhou 510403)

Broadband Doppler sonar measures velocity relative to sea bottom according to Doppler effect and has been used in the navigation of multiple carriers. It increases the measurement accuracy compared with narrowband technique by phase coded technique and pulse-pulse correlation technique. The paper analyses the system structure and principles of broadband Doppler sonar and introduce complex covariance method. According to the analysis of lake experiment data, characteristics of signal

by receiver are analyzed. Wave and envelope in time domain are analyzed.

acoustic, Doppler sonar, system principle, echo characteristic

2014年5月4日,

2014年6月21日 作者简介:黄雄飞,男,博士,讲师,研究方向:水声信号处理、武器制导技术和指挥控制。朱芳,女,博士,讲师,研究方向:机械零件加工和自动控制 。周世华,男,硕士,副教授,研究方向:指挥控制。

TB551

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.042