主动声呐相控信号源的研究与实现

王鑫淦 尹子源 李安阳

（上海船舶电子设备研究所，上海，201108）

对于主动声呐发射系统，相控发射能够使发射阵具有一定指向性，从而将能量集中在某一方向上，获得发射指向性增益，用较小的发射功率探测到更远距离的目标。此外相控发射还能形成多个发射指向性波束，提高主动声呐的探测效率[1]。

相控发射的核心为相控信号源的设计，文献[2-3]采用了DSP和FPGA相结合的方案来实现相控信号源，该方案需要DSP计算波形数据，再传递给FPGA进行相控输出，软硬件较为复杂，并且遇到传输误码时，将导致波形输出异常，影响发射系统正常工作。文献[4]中提出的相控信号源是对调制以后的SPWM信号进行延时输出控制，因为SPWM信号的采样率一般是基频信号的 10倍以上，所以延时输出时所需的数据存储器空间大大增加，硬件配置要求较高。文献[5]中采用多片 DDS集成芯片AD9959来实现相控发射信号源，并通过FPGA对多片 AD9959进行同步控制，该方案硬件成本高、控制复杂、并且不适合小型化设计。

本文针对相控信号源的应用需求，提出了一种新颖的基于单片FPGA的相控信号源实现方法。该方案克服了以往相控信号源的一些弊端，硬件成本低、控制简单、可靠性高。

1 相控发射原理

主动声呐中，相控发射是基于发射波束形成原理，就是将产生的多路信号经过处理（如延时、相移）后作为一定几何排列的多元基阵的驱动信号，转换成声波后在水介质中自然传播，形成空间指向性的方法[6]。这里考虑N路发射信号入射到远场空间某位置时的情况。在阵元处发射信号是窄带的情况下，可用如下的复包络形式表示：

式中，gi表示第i路信号到达空间某点过程中的传播损失，ni( t)表示第i路信号在t时刻夹带的噪声，表示第i路信号到达空间某点时相对于参考信号的时延。

理想情况下，各通道的发射信号不受通道不一致、互耦等因素的影响且信号传播途中的噪声为高斯白噪声，则式（4）中的增益可以忽略（即归一化为1），因此式（4）可以简化为

通过以上分析可知，只要知道各阵元发射信号在到达空间某点的延迟时间τ，就很容易得出特定空间阵列的导向矢量。

下面推导一下空间阵元间的延迟表达式τ。假设空间任意两个阵元，其中一个为参→考 阵 元（位于原点），另外一个阵元的向量坐标为=(x, y, z)，两阵元的几何关系如图1所示，图中“×”表示阵元。

图1 空间任意两阵元的几何关系图

相反，如果两阵元作为发射阵元，空间远场某点作为接收点，要使得两阵元的声线能在远场某点同相叠加，必须使得各阵元的发射信号在到达空间某点时的声程差或延迟为零，对应的可通过相移法或时延法来实现，这就是发射波束形成的基本原理。

2 相控信号源的设计与实现

2.1 相控方式

由发射波束形成原理可知，要产生具有相控效果的N路信号有两种方法。一种是时延法，即产生的N路信号的起始相位都为零，但是激励换能器的起始时刻不同，以适应不同指向相控发射的要求。另一种是相移法，即各路信号同时激励换能器，为了得到不同指向的发射波束，在各路信号上预先加上不同的相移。不管是时延法还是相移法，每路激励信号的脉宽均为T。

当各发射阵元到达空间某远场点的距离不同时，两种相控方式下远场点接收到的信号情况如图2～3所示。其中横坐标表示点数，纵坐标表示幅值，ch1～ch4为每路信号到达接收点的波形，y为接收点实际接收到的波形。从图中可以看到，采用相移法时，尽管远场接收到的信号y是各阵元发射信号的同相相加，但其波形却不是一个脉宽为T的信号，而是一个有前沿后沿的信号，因此回波中的有效信号长度减小了。图2中时延法有效信号长度约为300个时间点，而图3中相移法有效长度约为200个时间点。

图2 空间某远场点接收到的波形（时延法）

图3 空间某远场点接收到的波形（相移法）

在大孔径基阵的应用中，测量发射源级时必须具备远场条件，而此时直达波往往只有毫秒级别，如果采用相移法，由于接收端存在前沿信号，可能导致直达波的误判；其次，在实验室测试相控信号源时，显然测量时延要比测量相移简单的多。基于以上两点因素，本文确定采用时延法来实现相控信号源。

2.2 实现方案

相控阵中，通过控制各阵元发射信号的起始时刻，从而控制合成波阵面达到波束聚焦、波束形成等多种相控效果。因此，时延法中延时是相控阵技术的核心，是多种相控效果的基础。相控延时的精度对波束特性的影响很大，例如延时量化误差会产生离散的误差旁瓣。因此在相控信号源设计时必须对延时精度多加考虑。传统的相控延时一般采用模拟延迟线来实现。这种延迟方式有两大缺点：其一，延迟量不能精细调节，只能实现分段聚焦，当聚焦点很多时需要庞大的LC网络和电子开关矩阵；其二，由于是模拟延迟方式，电气参数难以稳定，延时量会发生温漂、时漂，波形容易被噪声干扰。新的发展方向是用数字延时来代替原有的模拟延时。数字延时精度高、控制方便、稳定性好，可以大大提高相控发射的质量[7]。下面将对几种常见的相控延时方案进行介绍。

2.2.1 多片DDS芯片构成相控信号源

如图4所示，该方案选择专用DDS集成芯片实现相控信号源[8]。在实际应用中，必须采用多片DDS芯片，通过微控制器对DDS芯片进行控制，产生各路延时的信号，然后送给调制器进行调制。该方案下的系统延时精度主要取决于微控制器的工作时钟频率，时钟频率越高，延时精度越高。该方案存在的缺点有：DDS芯片的数量较多，占用空间比较大，增加了系统成本；多片 DDS芯片的联合控制比较复杂，增加了难度。

图4 专用DDS芯片构成的相控信号源

2.2.2 单片FPGA内部构建多个DDS的相控信号源

如图5所示，该方案选择单片FPGA实现相控发射。在FPGA内部，一个DDS逻辑单元对应一路信号，每路信号间的延时由逻辑控制单元进行控制。该方案将多路信号源整合到单片FPGA内，能大大降低成本，同时能够保证延时精度，唯一的缺点就是占用了FPGA中大量的逻辑资源（或存储容量），所以对FPGA的配置要求比较高。

图5 单片FPGA构成的相控信号源

2.2.3 本文方案

上文两种相控延时方案都存在相似的问题，即成本高、占用资源多以及延时精度难易保证。为此，本文提出了一种单片 FPGA内部构建单 DDS多RAM 的相控信号源解决方案，该方案在延时精度和占用资源量这两个指标上取得了平衡。图6给出了新方案下的相控信号源实现的原理框图，该相控信号源在单片FPGA平台上即可实现。图中，上位机通过串行接口与FPGA通信，将控制参数（如发射信号频率、信号形式、发射脉宽长度、各通道的延时量等）传送给FPGA，并存入相应的寄存器。整个FPGA内部只有一个DDS逻辑单元，没有采用多个DDS逻辑单元，这将大大节省FPGA的存储空间。

图6 单片FPGA内部构建单DDS多RAM的相控信号源

最关键的是相控延时部分。将 DDS产生的信号同时写入N个RAM单元内，然后根据各通道的延时量，分时对不同通道的RAM进行读取操作，得到具有不同延时的多路信号。以线列阵为例，其中第1通道与第N通道的信号时延是最长的，假设最长时延为13个采样数据点，那么每通道RAM的存储深度就选13。RAM的读写过程如图7所示，对于第1通道，每写入一个数据，就相应的读出该数据，而对于第N通道，必须延时13个数据点后再输出相应的波形数据。

图7 多通道RAM读写示意图

对照图7，在时刻i时，对所有RAM 的第13地址处写入相同的数据，然后第 1通道即刻输出地址13处的数据，而第N通道输出地址1处的数据（即第N通道相对于第1通道延迟13个数据点）；在时刻i+1时，对所有RAM的第1地址处写入相同的数据，然后第1通道即刻输出地址1处的数据，而第N通道输出地址2处的数据。采用该方法实现相控延时具有3大优势：（1）每通道中RAM的存储深度只跟最大延时量有关，节省存储空间；（2）RAM的读写时钟频率可以很低，跟信号的采样率一致；（3）延时精度跟系统时钟有关，在延时精度要求较高的应用场合，可以适当提高系统时钟来解决。

此外，方案中采用了先时延后调制的方法，即先对低采样率的信号进行时延，得到N路不同时延的信号，然后在高时钟频率下对N路时延信号进行调制。较先调制后延时的方法而言，该方法能有效降低数据量，一般的FPGA就能满足系统要求，无需添加额外的存储器。

2.3 功能仿真

按照上面提出的实现方案，对相控信号源进行了实现。利用Modelsim对FPGA生成的逻辑进行功能仿真，图8给出了相控信号源的Modelsim功能仿真结果。图中只显示了3个通道的输出信号波形，进行了两次波束形成。图中还给出了调制器输出信号的时域波形。从仿真结果可以确定FPGA逻辑功能的正确性，同时也证明了该方案的可行性。

图8 相控信号源输出结果

2.4 性能实测

由于FPGA输出的相控信号源为数字信号，因此这里将相控信号源的输出接滤波器还原成模拟信号后，再通过示波器进行观察。为了避免不同滤波器引入的相移不同，每路信号都采用同一滤波器，通过读取滤波输出信号与同步信号间的时间差来计算通道间的延时量，相控信号源测试波形图如图9所示。

图9 测试波形图

表1 相控方向θ时各通道相对于第1通道的延时时间

表2 相控方向-θ时各通道相对于第1通道的延时时间

由实测最大延时误差38 ns可知，相控信号源的延时精度在±100 ns以内，其性能完全满足指标要求的±500 ns。对于相控精度要求更高的应用场合，可以适当提高系统的工作时钟来解决。

3 结论

本文从发射波束形成的原理、实施方案的选择以及具体的实现方法等几个方面，对相控发射信号源进行了深入的探讨和研究。与常规相控信号源相比，本文提出的相控发射信号源通过对多RAM 的读写操作以及采用先延时后调制的方法，使得延时精度和资源占用量等方面具有显著优势，在分布式多节点相控信号源应用中也可以通过增加同步信号来达到多通道信号的同步输出，因此广泛适用于主动声呐相控发射领域。