基于PXI 總線的水聲目標(biāo)回波模擬模塊的設(shè)計(jì)

摘要：目前聲吶等水聲設(shè)備廣泛使用寬帶發(fā)射信號，為了模擬水聲目標(biāo)的回波，研究了一種高精度的寬帶目標(biāo)回波實(shí)時(shí)模擬技術(shù)。該模塊采用PXI 總線，PXI 總線計(jì)算機(jī)可以使用總線直接對硬件進(jìn)行控制，傳輸速度高。模塊可實(shí)時(shí)完成對水聲目標(biāo)回波延遲、脈沖伸縮、包絡(luò)調(diào)制的精確模擬。分析了該模塊的硬件結(jié)構(gòu)，編寫了該模塊的WDM 驅(qū)動程序、應(yīng)用程序以及與LabView 軟件的接口程序。該模塊對某型寬帶多普勒聲吶的海底回波進(jìn)行模擬，模塊能滿足寬帶回波模擬的要求。

0 引言

目標(biāo)回波模擬是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對水聲信號進(jìn)行建模，然后在計(jì)算機(jī)或其它設(shè)備上實(shí)時(shí)模擬水聲目標(biāo)回波并輸入至信號處理器，以達(dá)到檢測信號處理單元功能、性能的目的。PXI總線是PCI 在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，它將Compact PCI 規(guī)范定義的PCI 總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗(yàn)、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。目前，PXI 總線在測控領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。

本文介紹了自行設(shè)計(jì)研制的寬帶回波模擬器，可模擬4 路水下目標(biāo)回波，且各目標(biāo)的方位、速度、強(qiáng)度、距離等參數(shù)在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)時(shí)可控，為多參數(shù)回波模擬水池實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供一套功能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、使用方便的通用寬帶回波模擬模塊。

1 寬帶水聲目標(biāo)回波模型

目前聲吶的發(fā)射信號大量采用寬帶信號，傳統(tǒng)的窄帶回波模型已經(jīng)難以適應(yīng)回波仿真的要求，必須使用寬帶回波模擬進(jìn)行分析。主動自導(dǎo)工作時(shí)，由發(fā)射機(jī)向目標(biāo)發(fā)出聲波u(t)，經(jīng)目標(biāo)反射后形成回波s(t)?；夭╯(t)攜帶著有關(guān)目標(biāo)的所有信息，是檢測和參數(shù)估計(jì)的全部依據(jù)。由于目標(biāo)的運(yùn)動，發(fā)射波形與接收波形的寬度是不同的，存在時(shí)間壓縮效應(yīng)。若目標(biāo)做勻速運(yùn)動，速度為v，海水中聲速為c，則寬帶目標(biāo)回波模型如下：

由寬帶回波模型可見，回波與發(fā)射波相比，有幾點(diǎn)變化：

① 振幅衰減，對慢起伏點(diǎn)目標(biāo)，其時(shí)間包絡(luò)為瑞利分布的隨機(jī)變量。

② 時(shí)延，回波相比發(fā)射波延遲0 τ 。

③ 時(shí)間尺度 s，使得時(shí)間包絡(luò)產(chǎn)生伸縮，即時(shí)寬和幅寬受到壓縮或擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)需求與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)需求

為了滿足寬帶回波模擬的需要，回波模擬模塊應(yīng)具有以下功能：

① 具有更大的動態(tài)范圍以模擬不同距離的目標(biāo)回波;

② 能夠精確地模擬目標(biāo)回波的強(qiáng)度、時(shí)延和脈沖伸縮;

③ 能夠精確地測量并記錄輸入、輸出信號的各項(xiàng)參數(shù)。

在對以上功能進(jìn)行仔細(xì)分析后，確定回波模擬器應(yīng)滿足以下參數(shù)：

① 目標(biāo)強(qiáng)度：0~80dB(可設(shè)定)，0.375dB 檔;

② 回波時(shí)延：0~3 秒，誤差不大于0.5%;

③ 模擬運(yùn)動速度：-30~+30kn;

④ 脈沖展寬可設(shè)定;

回波模擬器將接收到的脈沖信號通過 AD 轉(zhuǎn)換保存在FIFO 中，發(fā)射時(shí)再從FIFO 里取出數(shù)據(jù)進(jìn)行DA。這種方式很好地保存了接收信號的信息，同時(shí)DA 輸出時(shí)鐘逐Hz 可調(diào)，能實(shí)現(xiàn)對回波進(jìn)行脈沖展寬。經(jīng)過數(shù)字衰減后輸出，衰減程控可調(diào)，可用于形成回波包絡(luò)。