三维成像声纳数据采集系统设计

于涤非+黄海宁+张春华+吴长瑞

摘 要： 为使三维成像声纳数据采集系统的设计达到周期短、可靠性高、满足性能指标要求的目标，提出一种改进的设计方法。该方法通过分析声纳设计指标及工作时的信号、噪声过程，提出采集系统的三个主要设计参数：TVG动态范围、最高增益及最高等效输入噪声所满足的约束方程。通过求解约束方程，获得采集系统设计参数需要满足的最低要求，以此为指导设计的数据采集系统满足声呐设计要求。通过原型设计的多次湖试实验验证了该设计方法切实有效。

关键词： 水声学； 三维成像声纳； 数据采集系统； TVG动态范围； 最高增益； 最高等效输入噪声； 模拟通道

中图分类号： TN911.72?34； TB565 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）03?0041?05

Abstract： In order to shorten the design period and improve the reliability of the 3D imaging sonar data acquisition system， and meet the requirements of performance index， an improved design method is proposed. By analyzing the design index of sonar， and signal process and noise process for working sonar， three main design parameters of the acquisition system are proposed， including the TVG dynamic range， maximum gain and maximum equivalent input noise satisfying the constraint equations. The constraint equations are solved to get the minimum requirements satisfying the design parameters of the data acquisition system. The data acquisition system meets the requirement of sonar design. The many lake tests of prototype design were performed to verify the efficiency of the designed method.

Keywords： hydroacoustics； 3D imaging sonar； data acquisition system； TVG dynamic range； maximum gain； maximum equivalent input noise； analog channel

0 引 言

近年來，三维成像声纳[1]受到广泛关注，相关技术发展迅速。三维成像声纳的优点为成像分辨率高，缺点是其接收基阵阵元数达几千甚至上万[2]，所对应的数据采集系统包含了大规模的模拟通道，设计复杂，实现困难[3]。传统依赖经验的设计方法周期长、成本高，且很难保证设计指标，无法满足三维成像声纳设计要求。因此，需要一种更加理性的设计方式，能够保证设计的可靠性及指标要求。

为保证能够在较短周期内设计出可靠性强、保证性能指标要求的数据采集系统，本文提出一种通过信号分析进行设计的方法。该方法通过分析声纳设计要求及噪声、信号过程，提出数据采集系统主要设计参数需要满足的约束方程，利用约束方程验证数据采集系统设计是否满足指标要求，并对三维声纳的最终性能进行预测。最后通过实验结果验证设计方法的可行性。

1 三维成像声纳数据采集系统结构

三维成像声纳数据采集系统采用分级、模块化设计[4?7]。其基本结构如图1所示。

采集及解调模块在采集个换能器阵元的信号后，对每一个通道的数据进行解调[8]，输出基带信号。信号汇总模块将个采集及解调模块的数据打包传输至信号处理模块。

采集及解调模块包含个模拟通道以及用于解调信号的处理模块，其结构如图2所示。

信号解调模块较为常用的实现方式为基于FPGA的CIC滤波器[9]。信号汇总模块同样采用FPGA设计。模拟通道包含固定增益的一级前放、P级TVG、带通滤波器及ADC，其结构[5]如图3所示。

数据采集系统的三个主要设计参数：TVG动态范围、最高增益及最大允许等效输入噪声均为模拟通道设计参数。因此，三维成像声纳数据采集系统设计的关键为模拟通道设计。这里采用一种改进的设计方法，即通过计算得到数据采集系统主要设计参数所满足的约束方程，在满足该方程的基础上，选择高可靠性、高性能、低功耗的器件实现模拟通道，从而使数据采集系统的设计满足声纳指标要求。

2 基本假设

给出三维成像声纳的设计要求及关于采集系统的基本假设。所有参数在本文中全部是国际单位制，增益、信噪比及灵敏度的单位为dB。

2.1 三维成像声纳设计要求

假设三维成像声纳系统的主要参数及性能指标在声纳设计时已经给定：最小作用距离为最大作用距离为在此距离下需要观测到的最低目标强度为；距离分辨率为成像最低信噪比为发射频率为发射CW窄带单频信号，发射球面波；模拟通道数量为发射声源级为SL，指向性增益为DI；接收换能器接收灵敏度为带宽为

假设需要观测的目标为常见目标，其目标强度范围[10]为TS。

2.2 模拟通道基本参数

模拟通道有级电路，每一级的等效输入噪声为最高放大倍数为endprint

第一级为固定增益放大器，中间有级可变增益放大器，最后一级为A/D。因此模拟通道最小放大倍数为最后一级A/D的放大倍数为其等效输入噪声为

A/D的参考电平为位数为采样率为

3 数据采集系统设计

在常用的设计方法[3?7]上进行改进，通过分析声纳的设计要求，计算出三维成像声纳数据采集系统三个主要设计参数：TVG动态范围、最高增益及最大允许等效输入噪声所满足的约束方程。通过求解约束方程，获得三个主要设计参数需要满足的最低要求，根据这一要求设计数据采集系统。

这一设计方法的关键在于获得约束方程，评价数据采集系统性能优劣的主要参数为其集成的模拟通道输出数字信号的信噪比，该指标决定了声纳的成像质量。因此需要通过对噪声、信号过程的分析来建立约束方程。

3.1 噪声过程

加在接收换能器上的噪声主要为水体中的噪声，在发射频段，海洋中的噪声谱（单位：dB）以热噪声为主，可表示为[11]：

3.2 信号过程

在距离以及上，水中声传播的双程衰减（单位：dB）分别为[12]：

常用设计方法，要求该信号经过模拟通道放大后，在A/D的输入端有1 V的峰峰值[13?14]，即0.353 5 V。由于三维成像声纳阵增益较高，因此对于三维成像声纳这一约束条件变为：该信号在经过A/D后，其峰峰值足以使其在后继处理中被检测到。假设实际应用中，当信号经A/D后，其峰峰值的差至少为才能在后继处理中被检测到。要求：

越高，越高，A/D量化误差带来的信噪比降低越小。但是必须防止目标强度高的目标限幅。假设如果dB，则位于距离上强度为25 dB的目标在模拟通道输入端产生的最高电压若要求不限幅，则：

假设噪声为非相干随机白噪声，则三维成像声纳的波束形成过程会带来较大的阵增益[11]：

波束形成后，信号的信噪比为：

在計算最终成像信噪比时，需要考虑三维成像声纳波束方向图的主副瓣比。采用优化布阵时，主副瓣比[1]可以优化至约20 dB。假设三维成像声纳波束方向图的主副瓣比为。则最终图像的平均信噪比为：

式中：为的函数，当时，声纳的成像结果可以检测到位于距离上，强度为的目标。

当满足时，该等效输入噪声即为模拟通道所允许的最高等效输入噪声。

3.3 约束方程

对信号过程的分析直接给出了TVG动态范围以及最高放大倍数所满足的方程。而最高等效输入噪声满足：

则最终得到模拟通道的主要参数：TVG动态范围、最高增益、最高等效输入噪声所满足的约束方程：

3.4 设计实例

假设声纳作用距离为3～80 m，距离分辨率为4 cm，发射频率为375 kHz，声源级为200 dB，指向性增益为10 dB，接收灵敏度为-205 dB，带宽为40 kHz，模拟通道数量为1 024。海水吸收系数为即，

假设A/D为16位，参考电平为±2.5 V。假设A/D输出信号峰峰值为就可以在后继处理中检测出该信号。

假设最终成像信噪比达到就可以分辨目标，波束方向图的主副瓣比为。

根据式（8）给出的TVG动态范围，可以确定需要采用2级TVG。根据最大放大倍数，可以确定一级前放的放大倍数的最小值。由于最大允许等效输入噪声较大，因此可以选用等效输入噪声较高但体积功耗小的器件实现模拟通道。

具体设计如下：

一级前放放大倍数为25倍，采用低功耗小体积的双路运放。

第一级TVG采用10位串行接口乘法DAC实现，放大倍数为。

第二级TVG同样采用10位串行接口乘法DAC实现，放大倍数为。

滤波器采用MFB结构的带通滤波器实现。

最终设计的数据采集系统的模拟通道平均功耗小于40 mW。8路模拟前放的PCB如图4所示。

4 实验结果

采用本文设计的数据采集系统的三维成像声纳对45 m处的桥墩成像，前500通道数据解调后的信号幅度如图5所示。

该解调信号进行波束形成后的桥墩原始图像如图6所示。对湖底梯田地貌进行成像后，三维重建结果如图7所示。声纳所有模拟通道工作正常，成像信噪比较高，图像清晰。

5 讨 论

式（8）不仅给出了模拟通道的三个设计参数，同时可以对声纳能够探测到目标的最小强度进行估计。

假定最终电路系统实测的等效输入噪声为则声纳可以探测到位于距离上的目标的最小强度（单位：dB）为：

同样，对于任意给定距离，式（8）均能计算声纳可以探测到的目标的最小强度。

为式（8）的关键参数，这一参数的意义为：当三维成像声纳图像信噪比超过这一参数时，观测者可以从噪声背景中分辨出待观测的目标。这一参数与采用的显示方式、伪彩等因素有关，本文的是在优化显示方式、伪彩方式后通过实验确定的。

6 结 论

本文采用改进传统的数据采集系统的设计方法，通过分析声纳性能指标及噪声、信号过程建立约束方程，求解约束方程，获得模拟通道设计参数所需满足的最低要求。在此基础上采用高可靠性、高性能、低功耗的器件实现模拟通道，可以保证所设计的数据采集系统满足声纳性能指标要求，从而缩短设计周期，保证可靠性。

湖试结果表明，采用本文设计方法实现的三维成像声纳原型机性能指标达到设计要求，本文提出的设计方法切实有效。

参考文献

[1] 袁龙涛.相控阵三维摄像声纳系统信号处理关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2013.

YUAN Longtao. Research on key technologies of signal proces?sing for phased array three?dimensional imaging sonar system [D]. Hangzhou： Zhejiang University， 2013.endprint

[2] 王朋.基于稀疏布阵的三维成像声纳信号处理算法研究[D].北京：中国科学院大学，2015.

WANG Peng. Research on signal processing algorithm of three?dimensional acoustical imaging sonar based on sparse planar array [D]. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2015.

[3] 王雪良.多波束成像声纳集成模拟前端与数据采集系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

WANG Xueliang. Design of integrated analog front?end and data acquisition system for multi?beam imaging sonar [D]. Harbin： Harbin Engineering University， 2013.

[4] 蒋明哲.低频探地雷达接收机研制[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2014.

JIANG Mingzhe. Development of low frequency ground penetra?ting receiver [D]. Harbin： Harbin Engineering University， 2014.

[5] 馬飞.多波束测深声纳接收与采集系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2015.

MA Fei. Design of receiver and acquisition system for multi?beam bathymetric sonar [D]. Harbin： Harbin Engineering University， 2015.

[6] 马晓瑞.拖曳式成像声纳采集与传输系统硬件设计[D].杭州：浙江大学，2015.

MA Xiaorui. Hardware design of the acquisition and transmission system for towed imaging sonar [D]. Hangzhou： Zhejiang University， 2015.

[7] LIN Jincheng， MA Xiaochuan， YANG Li， et al. A large?scale sonar signal acquisition and storage system based on FPGA [C]// Proceedings of 2014 the Fourth International Conference on Instrumentation and Measurement， Computer， Communication and Control. Harbin， China： IEEE， 2014： 21?24.

[8] 杨春顺.基带信号的数字解调技术[J].舰船电子工程，2013，33（9）：60?62.

YANG Chunshun. Digital demodulation technology for the base band signal [J]. Ship electronic engineering， 2013， 33（9）： 60?62.

[9] 陈路俊，赵军.积分梳状滤波器（CIC）的分析与设计[J].信息通信，2015（1）：80?82.

CHEN Lujun， ZHAO Jun. Analysis and design of cascade integrator comb （CIC） [J]. Information & communications， 2015（1）： 80?82.

[10] 田坦.声纳技术[M].2版.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000.

TIAN Tan. Sonar technology [M]. 2nd ed. Harbin： Harbin Engineering University Press， 2000.

[11] 徐韬.实用声纳工程[M].3版.北京：电子工业出版社，2004.

XU Tao. Practical sonar engineering [M]. 3rd ed. Beijing： Electronic Industry Press， 2004.

[12] 卢俊.头盔式彩色图像声纳系统设计及实现[D].昆明：云南大学，2015.

LU Jun. Design and implementation of helmet type color image sonar system [D]. Kunming： Yunnan University， 2015.

[13] 杨康，杨成，夏伟杰.成像声纳TVG/AGC电路的设计与实现[J].电子测量技术，2014，37（3）：5?9.

YANG Kang， YANG Cheng， XIA Weijie. Design and implementation of TVG/AGC circuit of imaging sonar [J]. Electronic measurement technology， 2014， 37（3）： 5?9.

[14] TANG Kai， CHEN Bo， LIU Supeng， et al. A high gain decibel?linear programmable gain amplifier of synthetic aperture radar receiver [C]// Proceedings of 2016 IEEE International Symposium on Circuit & Systems. Montreal： IEEE， 2016： 309?312.endprint