水下主動(dòng)電磁探測信號處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)

譚思煒， 唐 波， 張林森， 王 鵬， 張靜遠(yuǎn)

（海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引 言

主動(dòng)電磁水下目標(biāo)探測技術(shù)日益受到重視，在民用和軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用、研究，如海洋金屬礦產(chǎn)資源勘測、水下沉船定位與救援，水中兵器近場目標(biāo)探測等［1-4］。由于受海水介質(zhì)導(dǎo)電性的影響，水下主動(dòng)電磁探測多使用電磁波的甚低頻以下頻段，其探測機(jī)理、目標(biāo)反射特性及其信號處理與特征識別方法與空氣中的無線電探測技術(shù)存在較大差異。如何結(jié)合實(shí)際應(yīng)用做好相關(guān)課程的教學(xué)工作，是當(dāng)前培養(yǎng)水下目標(biāo)探測與識別專業(yè)技術(shù)人才的理工院校亟待思考和解決的問題之一。

近年來，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)大力提升學(xué)生的工程實(shí)踐和自主創(chuàng)新能力已成為國內(nèi)高校人才培養(yǎng)的基本共識，是新時(shí)期高校教育教學(xué)改革的重要內(nèi)容［5-6］。在目標(biāo)探測技術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)主要是面向科研試驗(yàn)，少有專門針對教學(xué)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，尤其是面向水下主動(dòng)電磁探測的原理性實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)更是顯見報(bào)道［7-9］。為加深學(xué)生對相關(guān)技術(shù)原理的理解，激發(fā)自主學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力，設(shè)計(jì)開發(fā)一種可用于水下主動(dòng)電磁探測技術(shù)的信號處理原理教學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)以水中兵器近場目標(biāo)探測應(yīng)用為背景，提供水下主動(dòng)電磁探測接收機(jī)的信號處理原理及全流程演示，包含各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信號波形測試、目標(biāo)信號模擬、接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)和抗干擾性能測試等功能。此外，系統(tǒng)還提供外部接收機(jī)接口，為進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)和自主實(shí)驗(yàn)提供了可能。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本原理

1.1 水下主動(dòng)電磁探測基本原理

海水中主動(dòng)電磁場探測基本原理示意如圖1所示。探測系統(tǒng)在搭載平臺周圍產(chǎn)生均勻交變的電磁場，其激勵(lì)信號通常為窄帶低頻連續(xù)正弦波，在無目標(biāo)時(shí)系統(tǒng)的接收天線會(huì)耦合到發(fā)射天線的直達(dá)場干擾，又稱直接耦合干擾。該干擾與目標(biāo)回波信號具有同頻特性，因而須在接收目標(biāo)信號的同時(shí)予以消除。當(dāng)有目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)的鐵磁殼體會(huì)在探測系統(tǒng)輻射電磁場的作用下感應(yīng)產(chǎn)生2次渦流場，影響搭載平臺周圍分布電磁場的均勻性，形成電磁場的局部畸變。當(dāng)探測系統(tǒng)搭載平臺在目標(biāo)附近通過時(shí)，接收天線感應(yīng)到的目標(biāo)信號如圖1中所示。接收機(jī)通過對目標(biāo)信號包絡(luò)特征的提取和識別，在包絡(luò)最大值附近即距目標(biāo)最近處輸出判決動(dòng)作信號，完成對目標(biāo)的探測［10］。

圖1 水下主動(dòng)電磁探測基本原理示意圖

1.2 信號處理原理

為實(shí)現(xiàn)上述探測過程，水下主動(dòng)電磁探測系統(tǒng)按照圖2所示的經(jīng)典信號處理原理框圖完成對目標(biāo)的探測與識別。圖2中，濾波放大電路對接收天線輸入信號進(jìn)行整形，無目標(biāo)時(shí)可認(rèn)為該信號為直接耦合干擾，自適應(yīng)補(bǔ)償電路同步產(chǎn)生直接耦合干擾補(bǔ)償信號，在濾波放大電路中與輸入信號相抵消［11-12］。當(dāng)輸入為目標(biāo)信號時(shí)，檢波電路提取目標(biāo)信號的包絡(luò)特征［13］；微分電路隨后對包絡(luò)信號的變化率進(jìn)行識別，以消除慢變干擾；閘門電路對包絡(luò)幅值進(jìn)行識別，以判斷目標(biāo)距離。

圖2 信號處理原理框圖

綜合判決模塊一方面對超過門限包絡(luò)的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行鑒別，以判斷目標(biāo)尺度，另一方面根據(jù)系統(tǒng)的控制指令對接收機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制?？刂浦噶畎ǎ汗ぷ髂Ｊ?、AT指令和DT延時(shí)指令。除DT延時(shí)指令外，其他指令均由系統(tǒng)平臺給出。

移相電路用于對參考電壓移相，產(chǎn)生多路不同相位的參考信號，供自適應(yīng)補(bǔ)償電路和同步檢波電路使用。參考電壓由發(fā)射天線內(nèi)部線圈直接耦合發(fā)射信號輸出。此外，移相電路還產(chǎn)生計(jì)時(shí)時(shí)鐘，供計(jì)時(shí)電路使用。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

2.1.1 接收機(jī)方案

數(shù)字信號處理技術(shù)已在眾多應(yīng)用領(lǐng)域替代模擬信號處理技術(shù)，成為現(xiàn)代接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的首選［14］。數(shù)字信號處理產(chǎn)生的中間信號難以在教學(xué)現(xiàn)場被直接觀測，只能事后通過數(shù)據(jù)回放顯示，不利于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場教學(xué)［15-16］。為提高學(xué)員的實(shí)驗(yàn)參與程度，鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力，水下主動(dòng)電磁探測信號處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中的算法實(shí)現(xiàn)模塊基于圖2中的經(jīng)典信號處理原理框圖，采用接收機(jī)硬件電路技術(shù)方案，并使用傳統(tǒng)模擬信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在算法關(guān)鍵信號節(jié)點(diǎn)處預(yù)留波形測試點(diǎn)，以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀性。

2.1.2 觀察信號的選取

預(yù)留觀察的信號應(yīng)是能夠充分反映信號處理算法主要原理及流程的關(guān)鍵信號。圖2中，檢波、自適應(yīng)補(bǔ)償和積分等電路既是接收機(jī)的核心電路，又是理解水下主動(dòng)電磁探測技術(shù)原理的關(guān)鍵，需對上述信號預(yù)留觀測節(jié)點(diǎn)。移相、自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)入娐纷鳛樗惴ǖ妮o助功能模塊，除對核心算法做出貢獻(xiàn)外，還對接收機(jī)的狀態(tài)控制、綜合判決等功能提供支持，也應(yīng)視情預(yù)留信號測試點(diǎn)。接收機(jī)中的所有測試點(diǎn)應(yīng)通過系統(tǒng)的操作面板統(tǒng)一引出，方便操作。

2.1.3 系統(tǒng)功能與教學(xué)拓展

除滿足基本水下電磁探測系統(tǒng)接收機(jī)的信號測試外，系統(tǒng)還應(yīng)能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求具備多種功能，如產(chǎn)生不同類型、不同參數(shù)的模擬目標(biāo)信號或模擬干擾信號，通過切換、調(diào)整不同信號的輸入，觀察接收機(jī)的響應(yīng)，通過實(shí)驗(yàn)對比幫助學(xué)生深入掌握水下主動(dòng)電磁探測的基本原理和信號處理算法，達(dá)到較為全面理解接收機(jī)的基本原理、工作過程和主要性能指標(biāo)的教學(xué)目的。為拓展教學(xué)科研，系統(tǒng)還可設(shè)外部接收機(jī)接口，通過接口將外部接收機(jī)的關(guān)鍵信號引入系統(tǒng)的操作面板。此外，還可配合使用系統(tǒng)的其它輔助硬件資源，如收、發(fā)天線，完成對外部接收機(jī)的各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)的測試，為開展學(xué)生的自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供可能。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)組成

基于上文分析設(shè)計(jì)的水下主動(dòng)電磁探測實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 水下主動(dòng)電磁探測信號處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)裝置和上位機(jī)組成。實(shí)驗(yàn)裝置是水下主動(dòng)電磁探測信號處理算法的執(zhí)行組件，既是系統(tǒng)的核心，同時(shí)又是學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和波形觀測的主要對象——其內(nèi)部集成有接收機(jī)電路、信號處理機(jī)電路及系統(tǒng)供電電源。實(shí)驗(yàn)裝置通過交互式操作面板提供接收機(jī)中關(guān)鍵信號的測試節(jié)點(diǎn)。為配合實(shí)驗(yàn)裝置工作，通過上位機(jī)對整個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)流程和實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行操作、設(shè)置，并產(chǎn)生滿足接收機(jī)不同工況需求的輸入信號。為拓展功能，系統(tǒng)還提供了可選配件——電磁接收天線和發(fā)射天線，為實(shí)現(xiàn)陸上或水下主動(dòng)電磁探測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)演示驗(yàn)證提供了條件。

3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置箱體

實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)裝置采用鋁合金箱體設(shè)計(jì)，箱蓋可拆卸，箱蓋內(nèi)側(cè)設(shè)有收納袋，可收納使用說明書、電纜等隨箱附件。箱體內(nèi)部可分為上、中、下3層，上層為操作面板，是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的主要區(qū)域，具備算法原理學(xué)習(xí)、信號節(jié)點(diǎn)測試、模擬目標(biāo)信號或干擾信號產(chǎn)生、接收機(jī)工作狀態(tài)指令輸入等實(shí)驗(yàn)功能；中層為電路層，安裝有接收機(jī)電路板和信號處理機(jī)電路板，前者是水下主動(dòng)電磁探測信號處理算法的執(zhí)行組件，后者是實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的控制中心；下層安裝有直流電源，用于將操作面板上接入的市電轉(zhuǎn)換為電路板所需要標(biāo)準(zhǔn)的直流電源。

3.2 典型接收機(jī)電路

典型接收機(jī)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 接收機(jī)電路的模塊化設(shè)計(jì)

接收機(jī)電路可劃分為6個(gè)模塊：選頻放大、自適應(yīng)補(bǔ)償、移相、特征識別、綜合判決和指令輸入等電路，各模塊通過母板實(shí)現(xiàn)信號和電源的連接。接收機(jī)電路各模塊提供的信號測試與信號輸入接口見表1。

表1 典型接收機(jī)各模塊測試信號設(shè)置

3.3 信號處理機(jī)電路

信號處理機(jī)電路是實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制、人機(jī)交互、波形產(chǎn)生的核心組件，采用DSP+FPGA的硬件構(gòu)架，主要包含RS-232、DDS、A/DC和D/AC等模塊，根據(jù)上位機(jī)指令實(shí)現(xiàn)單頻連續(xù)或脈沖信號的發(fā)生與參數(shù)調(diào)整，對8路模擬信號的采集與數(shù)據(jù)回放等功能。信號處理機(jī)電路的原理框圖如圖6所示。

圖6 信號處理機(jī)電路原理框圖

3.4 操作面板

實(shí)驗(yàn)裝置操作面板如圖7所示，可分為4個(gè)功能區(qū)域：算法學(xué)習(xí)、上位機(jī)控制、接收機(jī)選擇和系統(tǒng)供電區(qū)。面板上所有信號的輸入接口和測試接口均使用BNC母座，方便接插。

圖7 實(shí)驗(yàn)箱操作面板

（1）算法學(xué)習(xí)區(qū)。提供接收機(jī)的信號輸入接口和關(guān)鍵信號測試接口，是實(shí)驗(yàn)操作的主要區(qū)域。根據(jù)接收機(jī)信號處理算法繪制了原理框圖，將所有信號接口與原理框圖中的相關(guān)模塊分別對應(yīng)布局，方便學(xué)生在測試觀察關(guān)鍵信號的同時(shí)，結(jié)合原理框圖加深對原理的理解，具有較好的直觀性。

為兼具接收機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和電磁發(fā)射—接收全系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)，操作面板為接收機(jī)提供了模擬目標(biāo)信號和接收線圈信號兩種輸入選擇。模擬目標(biāo)信號默認(rèn)由實(shí)驗(yàn)裝置的信號處理機(jī)電路產(chǎn)生，也可由外部信號源提供，具有較高的信噪比；接收線圈輸入則由外接接收天線感應(yīng)電磁場得到，為微弱信號。前者在輸入接收機(jī)后，繞過其前置濾波放大電路，后者則從接收機(jī)最前端輸入。輸入信號選擇可通過撥動(dòng)操作面板上的“輸入選擇”搖臂開關(guān)完成。

由于接收機(jī)的狀態(tài)控制指令均為數(shù)字信號，因而操作面板上除內(nèi)部產(chǎn)生的DT延時(shí)指令外，其余控制指令均采用搖臂開關(guān)的輸入，方便操作。每個(gè)指令均對應(yīng)一個(gè)LED，實(shí)時(shí)顯示指令狀態(tài)。接收機(jī)最終的判決輸出，即“動(dòng)作指示”也在操作面板上通過LED予以顯示。

（2）上位機(jī)控制區(qū)。位于操作面板下方，為學(xué)生提供了1路上位機(jī)通信接口、3路信號源接口，以及8路模擬信號采集接口，分別與信號處理機(jī)電路板的對應(yīng)端連接。配合使用上位機(jī)可控制實(shí)驗(yàn)裝置的信號處理機(jī)電路產(chǎn)生所需信號，使用雙頭BNC電纜即可將其輸入到接收機(jī)電路。此外，還可控制模擬信號采集接口對接收機(jī)的關(guān)鍵信號進(jìn)行波形采樣，并在上位機(jī)上顯示、回放。

（3）接收機(jī)選擇區(qū)。位于操作面板右側(cè)中間，為外部接收機(jī)預(yù)留了插座接口，通過搖臂開關(guān)可完成對內(nèi)、外接收機(jī)的選擇接入。外部接收機(jī)只需按照一定的芯線定義即可實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部信號與操作面板上對應(yīng)關(guān)鍵信號測試接口的連接。接口內(nèi)提供27 V直流電源，可滿足外部接收機(jī)的供電需求。任一時(shí)刻，未被選中的接收機(jī)將被自動(dòng)斷電，避免內(nèi)外接收機(jī)之間的信號串?dāng)_。

（4）系統(tǒng)供電區(qū)。位于操作面板的右上方，采用市電供電，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)唯一的電源輸入。電源接口自帶濾波模塊，包含開關(guān)和熔斷器。通電后，市電由操作面板引入實(shí)驗(yàn)裝置下層的線性電源，線性電源由面板上的“Power”開關(guān)控制，并由DC指示燈指示其工作狀態(tài)。系統(tǒng)供電區(qū)還提供了27 V、±12 V、5 V等直流電源端子，與信號處理機(jī)電路板電源模塊相連，可通過對上述端子電壓的測量來判斷實(shí)驗(yàn)裝置狀態(tài)是否正常。

4 上位機(jī)軟件與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是實(shí)驗(yàn)任務(wù)選擇、實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)管理的人機(jī)交互界面，采用Visual C++語言設(shè)計(jì)，基于Windows MFC框架實(shí)現(xiàn)，其功能組成如圖8所示，分為實(shí)驗(yàn)任務(wù)選擇和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理兩大模塊。

圖8 上位機(jī)軟件主要功能組成

4.1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)選擇

實(shí)驗(yàn)任務(wù)選擇模塊為學(xué)生提供3種教學(xué)實(shí)驗(yàn)類型：接收機(jī)原理實(shí)驗(yàn)、接收機(jī)指標(biāo)測試實(shí)驗(yàn)和接收機(jī)抗干擾實(shí)驗(yàn)。

（1）典型接收機(jī)原理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作，掌握接收機(jī)的系統(tǒng)組成、工作過程和接收信號處理算法流程等原理性知識。實(shí)驗(yàn)包含同步檢波原理、自適應(yīng)補(bǔ)償原理和全流程算法等實(shí)驗(yàn)。其中，同步檢波原理實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生使用上位機(jī)軟件控制實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生參考信號和模擬目標(biāo)信號，以觀察同步檢波電路中乘法器和檢波器的輸出波形以及檢波電路的相位選擇特性，幫助學(xué)生理解同步檢波的基本原理；自適應(yīng)補(bǔ)償原理實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生直觀地理解直接耦合干擾自適應(yīng)補(bǔ)償電路的基本原理；全流程算法實(shí)驗(yàn)則通過模擬接收機(jī)的全工作流程，幫助學(xué)生掌握接收機(jī)的目標(biāo)信號包絡(luò)提取、特征識別、綜合判決等算法流程和原理。

（2）典型接收機(jī)指標(biāo)測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生通過對接收機(jī)的動(dòng)作靈敏度、直接耦合干擾補(bǔ)償性能等主要技術(shù)指標(biāo)的測試，掌握接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)的測試方法，鞏固對信號處理算法原理的理解。測試過程中，學(xué)生需自行完成測試方法、測試信號波形及參數(shù)的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力。

（3）典型接收機(jī)抗干擾實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生在掌握了水下主動(dòng)電磁探測信號處理算法原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展對接收機(jī)抗干擾能力和抗干擾機(jī)理的學(xué)習(xí)與研究，提升自主分析問題、解決問題的能力，綜合性較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)包括抗阻塞干擾、抗掃頻干擾和抗應(yīng)答干擾等實(shí)驗(yàn)。上位機(jī)抗干擾實(shí)驗(yàn)功能界面如圖9所示。

圖9 上位機(jī)軟件部分功能界面

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理

該模塊主要提供數(shù)據(jù)采集與回放功能。系統(tǒng)最大可支持8路模擬信號的同步采樣，采樣頻率可在1～24 000 Hz之間按需取值，采集數(shù)據(jù)自動(dòng)保存。學(xué)生可根據(jù)需要回放系統(tǒng)保存的歷史數(shù)據(jù)。波形顯示界面集成了NI示波器插件，可對波形進(jìn)行選取、平移、縮放等的基本操作。

5 結(jié) 語

基于典型接收機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了可用于水下主動(dòng)電磁探測信號處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。通過裝置操作面板，學(xué)生可測量、觀察接收機(jī)中關(guān)鍵信號的時(shí)域波形，學(xué)習(xí)信號處理算法原理。配合上位機(jī)的使用，可根據(jù)需要控制實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生不同參數(shù)的模擬目標(biāo)信號、參考信號、直接耦合干擾及其他類型的外部干擾等信號，完成對水下主動(dòng)電磁探測的主要技術(shù)指標(biāo)、抗干擾機(jī)理的實(shí)踐教學(xué)。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)還可外接發(fā)射、接收天線，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對水下主動(dòng)電磁探測全系統(tǒng)全流程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

該系統(tǒng)具有操作使用方便，人機(jī)交互性好，功能拓展性高等特點(diǎn)，為水下主動(dòng)電磁探測技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有效支持，對于提升學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力具有積極作用。