水下回波模擬器頻率補(bǔ)償技術(shù)

曹清剛，吳 亮，王 晉

(1．大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013;2．海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116021)

水下回波模擬器頻率補(bǔ)償技術(shù)

曹清剛1，吳 亮2，王 晉1

(1．大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013;2．海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116021)

水下回波模擬器可根據(jù)目標(biāo)的聲學(xué)特性對目標(biāo)進(jìn)行回波模擬，廣泛用于驗(yàn)證試驗(yàn)、聲誘餌等方面。但由于換能器制造工藝等限制，其發(fā)射換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)在不同頻率上變化較大。若忽視這個因素，則有時無法做到有效模擬寬頻帶的目標(biāo)回波特性。本文通過分段快速Fourier正反變換和頻率能量補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)回聲轉(zhuǎn)發(fā)信號的發(fā)射聲源級差異補(bǔ)償，采用首尾重疊消去法確保變換后數(shù)據(jù)無畸變。通過NI公司的PCI－6120板卡和工控機(jī)完成工程實(shí)踐工作，并通過水池實(shí)驗(yàn)和海試進(jìn)行可行性驗(yàn)證。

回波模擬器;頻率;補(bǔ)償;Fourier變換

0 引言

水下回聲模擬器的主要作用是接收直達(dá)聲信號，并根據(jù)要模擬目標(biāo)的聲學(xué)特性產(chǎn)生模擬回波信號發(fā)射出去，可以應(yīng)用于軍事、科研和民用等領(lǐng)域。但由于其發(fā)射換能器發(fā)送響應(yīng)起伏較大，在寬帶回聲模擬中會出現(xiàn)一些或一段頻率上的模擬回聲信號很小，從而影響到要模擬目標(biāo)的聲學(xué)特性不真實(shí)，達(dá)不到寬帶范圍內(nèi)回波模擬的效果［1］。本文通過分段快速Fourier［2］變化與頻率能量補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)回聲轉(zhuǎn)發(fā)信號的幅度差異補(bǔ)償，通過首尾重疊消去法使得變換數(shù)據(jù)無畸變。此項(xiàng)技術(shù)已通過NI公司的PCI－612 0AD/DA卡進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)，并通過水池實(shí)驗(yàn)和海試進(jìn)行了驗(yàn)證，可以在一定程度上解決由于換能器發(fā)送響應(yīng)不平整帶來的影響。

1 水下回波模擬器構(gòu)成

水下回波模擬器主要由接收模塊、發(fā)射模塊、綜合處理與數(shù)據(jù)記錄模塊組成，其關(guān)系如圖1所示。接收模塊主要包括水聽器和信號調(diào)理器，負(fù)責(zé)接收聲信號通過水聽器獲得電信號，并通過濾波放大等硬件信號處理后將電信號輸入綜合處理與數(shù)據(jù)記錄模塊。綜合處理與數(shù)據(jù)記錄模塊主要包括數(shù)據(jù)處理并產(chǎn)生D/A信號與數(shù)據(jù)記錄兩大功能，在電信號中檢測到我們要處理的直達(dá)聲信號，對其進(jìn)行頻率補(bǔ)償并加入待模擬目標(biāo)的聲學(xué)特性后再延遲t1時間使用D/A將要發(fā)射的應(yīng)答信號輸入發(fā)射模塊。發(fā)射模塊主要由功率放大器和發(fā)射換能器組成，特定的組合會有固定的發(fā)射頻率響應(yīng)，頻率補(bǔ)償技術(shù)就是通過獲得特定的發(fā)射頻響后以某一頻率為基準(zhǔn)進(jìn)行反向配置補(bǔ)償。如何獲得特定組合的發(fā)射頻響是前期準(zhǔn)備工作。

圖2 回波模擬器工作原理圖Fig．2 Schematic diagram echo simulator work

將模擬器的接收水聽器布置在發(fā)射換能器前1 m處，水聽器實(shí)時監(jiān)視模擬目標(biāo)強(qiáng)度值計(jì)算公式為

式中，r為應(yīng)答換能器到直達(dá)聲接收水聽器的距離，這里假設(shè)為1 m。

2 特定組合發(fā)射頻響的獲取

為研究方便這里做出如下假設(shè)：

① 聲信號在水中短距離內(nèi)直線傳播［3－4］;② 功率放大器和發(fā)射換能器是線性的;③ 發(fā)射信號理想、恒定、無畸變;④多個連續(xù)頻率的單頻點(diǎn)信號可擬合寬帶信號;⑤在所需頻帶內(nèi)換能器的發(fā)射頻響起伏小于10 dB。

為更好測量發(fā)射頻響［5］，裝置的布放如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)水聽器與發(fā)射換能器距離d=1 m。當(dāng)發(fā)射幅度固定，調(diào)整發(fā)射信號頻率，假設(shè)通過標(biāo)準(zhǔn)水聽器獲得接收到的電信號的有效值為Vstd，則

式中，M0為對應(yīng)獲得電信號時所在頻率的水聽器靈敏度。

通過式(2)可以獲得不同頻率下特定組合的發(fā)射聲源級，從而得到所需要頻率的發(fā)射頻響［6］。若實(shí)測獲得的數(shù)據(jù)不平滑，可進(jìn)行平滑處理。

圖3 測量頻響裝置布放圖Fig.3 Frequency measurement devices laying plans

3 頻率補(bǔ)償系數(shù)獲取

為使得輸出聲源級起伏較小，這里將對同義聲源級進(jìn)行歸算。假設(shè)某個特定組合從f0～f1Hz頻率間隔fkHz樣本的發(fā)射聲源級序列為［SL1，SL2，…，SLn，…，SLN］，其頻率與聲源級對照圖如圖4所示。若期望發(fā)射的寬帶信號在f0～f1Hz頻率范圍內(nèi)發(fā)射聲源級相差較小，如圖4虛線所示，假設(shè)這里以頻率分辨率fmHz為基準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償，fmHz時所對應(yīng)的下標(biāo)數(shù)可由式(2)計(jì)算得出。

式中：Vstd為該頻率當(dāng)前聲源級對應(yīng)值時的電信號有效值;Vstd'為該頻率當(dāng)聲源級為SLm所對應(yīng)值時的電信號有效值。

從而得到

令變換系數(shù)為

對補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行對稱填充，使得其頻率與所做的fft［2］能量譜一一對應(yīng)得到頻譜補(bǔ)償系數(shù)。

4 信號頻率補(bǔ)償技術(shù)

式中：g(t)為t時刻輸入信號;ω為角頻率;ki為頻率補(bǔ)償系數(shù);F(ω)為輸入信號的頻率譜;F1(ω)為經(jīng)頻率補(bǔ)償后的頻率譜;g1(t)為t時刻經(jīng)頻率補(bǔ)償后的輸出信號。

若設(shè)頻率分辨率為50 Hz，即f=1/T=50;得到T=0.02 s，當(dāng)采樣率為fs=200 000 Hz時，則需要將Ns=fs*T=4 000點(diǎn)DFT變換和反變換。將其后端補(bǔ)零，使之達(dá)到2的整數(shù)倍，可做4 096點(diǎn)fft運(yùn)算。經(jīng)過頻域補(bǔ)償變換后的數(shù)據(jù)兩端會產(chǎn)生失真現(xiàn)象，如圖9所示。為消除此類現(xiàn)象，可采取首尾冗余消去法。首尾冗余消去法描述如圖10所示。將要變換數(shù)據(jù)左右多取一部分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過頻率補(bǔ)償處理后取其中間無畸變部分，這里采用前后多冗余1/2變換數(shù)據(jù)，即前后應(yīng)多取1 000點(diǎn)。進(jìn)行4 096點(diǎn)運(yùn)算可獲得2 000點(diǎn)無畸變數(shù)據(jù)。之后再選取下一個2 000點(diǎn)數(shù)據(jù)，將其首尾同時延拓達(dá)到4 000點(diǎn)時尾部補(bǔ)零，進(jìn)行頻率補(bǔ)償后取中部無畸變的2 000點(diǎn)，依次循環(huán)得到無畸變波形如圖11所示。

5 最小計(jì)算所用時間

變換理想最小延遲時間，當(dāng)不考慮變換所用時間時，最小要采集需計(jì)算點(diǎn)數(shù)的3/4，當(dāng)fs=200 000 Hz時，所需時間為t=3 000/fs=0.015 s。當(dāng)計(jì)算2N點(diǎn)fft和ifft時都需要計(jì)算Ma=N*log2(N)復(fù)數(shù)加法和Mb=N/2*log2(N)復(fù)數(shù)乘法，進(jìn)行頻率補(bǔ)償時需要計(jì)算2N+1點(diǎn)實(shí)數(shù)乘法(等價于2N－1點(diǎn)復(fù)數(shù)乘法)。所以在此算法中，1次計(jì)算經(jīng)歷Mjc次復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算和Mjc次復(fù)數(shù)加法運(yùn)算。

6 仿真結(jié)果

假設(shè) fs=200 000 Hz，f0=500 Hz，f1=20 000 Hz，fm=3 000 Hz，頻率補(bǔ)償系數(shù)如圖5所示，通過Matlab仿真可得到，若輸入信號如圖12所示，經(jīng)頻率補(bǔ)償后輸出電信號如圖13所示。當(dāng)出現(xiàn)多個信號時，其頻率補(bǔ)償依然存在，但在脈沖開始和結(jié)束時會產(chǎn)生吉普斯效應(yīng)?？梢钥紤]加一緩變窗抑制此效應(yīng)。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2011年6月，在大連三山島附近海域進(jìn)行了驗(yàn)證性海上試驗(yàn)。裝置聲學(xué)部分入水25 m，水深約60 m，配合試驗(yàn)船只與試驗(yàn)船只距離約700 m，使用雙GPS同步確定同步時間和位置。采集延時約200 ms。增益系統(tǒng)的軟件界面如圖14所示。

圖14 軟件界面Fig.14 Software interface

在接到信號后對信號進(jìn)行拷貝、增益轉(zhuǎn)發(fā)，同時在某一固定時刻發(fā)射一個參考信號，其信號形式為線性調(diào)頻信號。試驗(yàn)結(jié)果如圖15～圖20所示。經(jīng)過相應(yīng)的濾波后根據(jù)式(1)可以得到模擬目標(biāo)強(qiáng)度β值。

選擇2個頻率的信號各150個樣本點(diǎn)，如圖20所示。從圖中可以看出，不同頻率的β值的起伏小于1 dB。所以可以證明該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

8 結(jié)語

仿真和海試結(jié)果表明，通過分段快速Fourier正反變換結(jié)合頻率能量補(bǔ)償和首尾重疊消去法的模擬器可以適用于多種信號的回聲模擬工作，且其性能穩(wěn)定可靠。但當(dāng)出現(xiàn)脈沖信號上升沿和下降沿時會產(chǎn)生吉普斯效應(yīng)，這時可以通過加一個低通濾波來濾除低頻抖動。

［1］王雅芬，等．基于DSP和PCI的寬頻帶水下目標(biāo)模擬器的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用［J］．測控技術(shù)，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．

［2］OPPENHEIM A V．Signals and systems［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2001．202 －205．

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［5］SC 70－82，探魚儀換能器通用技術(shù)要求及測試方法［S］．

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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

曹清剛(1982－)，男，工程師，從事水聲工程方面研究工作。

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