基于PXI 總線(xiàn)的水聲目標回波模擬模塊的設計

摘要：目前聲吶等水聲設備廣泛使用寬帶發(fā)射信號，為了模擬水聲目標的回波，研究了一種高精度的寬帶目標回波實(shí)時(shí)模擬技術(shù)。該模塊采用PXI 總線(xiàn)，PXI 總線(xiàn)計算機可以使用總線(xiàn)直接對硬件進(jìn)行控制，傳輸速度高。模塊可實(shí)時(shí)完成對水聲目標回波延遲、脈沖伸縮、包絡(luò )調制的精確模擬。分析了該模塊的硬件結構，編寫(xiě)了該模塊的WDM 驅動(dòng)程序、應用程序以及與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(mǎn)足寬帶回波模擬的要求。

0 引言

目標回波模擬是通過(guò)計算機系統對水聲信號進(jìn)行建模，然后在計算機或其它設備上實(shí)時(shí)模擬水聲目標回波并輸入至信號處理器，以達到檢測信號處理單元功能、性能的目的。PXI總線(xiàn)是PCI 在儀器領(lǐng)域的擴展，它將Compact PCI 規范定義的PCI 總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展成適合于試驗、測量與數據采集場(chǎng)合應用的機械、電氣和軟件規范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構。目前，PXI 總線(xiàn)在測控領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應用。

本文介紹了自行設計研制的寬帶回波模擬器，可模擬4 路水下目標回波，且各目標的方位、速度、強度、距離等參數在計算機的控制下實(shí)時(shí)可控，為多參數回波模擬水池實(shí)驗系統提供一套功能強、實(shí)時(shí)性好、使用方便的通用寬帶回波模擬模塊。

1 寬帶水聲目標回波模型

目前聲吶的發(fā)射信號大量采用寬帶信號，傳統的窄帶回波模型已經(jīng)難以適應回波仿真的要求，必須使用寬帶回波模擬進(jìn)行分析。主動(dòng)自導工作時(shí)，由發(fā)射機向目標發(fā)出聲波u(t)，經(jīng)目標反射后形成回波s(t)?；夭╯(t)攜帶著(zhù)有關(guān)目標的所有信息，是檢測和參數估計的全部依據。由于目標的運動(dòng)，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。若目標做勻速運動(dòng)，速度為v，海水中聲速為c，則寬帶目標回波模型如下：

由寬帶回波模型可見(jiàn)，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，其時(shí)間包絡(luò )為瑞利分布的隨機變量。

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展。

2 系統需求與設計結構

2.1 系統需求

為了滿(mǎn)足寬帶回波模擬的需要，回波模擬模塊應具有以下功能：

① 具有更大的動(dòng)態(tài)范圍以模擬不同距離的目標回波;

② 能夠精確地模擬目標回波的強度、時(shí)延和脈沖伸縮;

③ 能夠精確地測量并記錄輸入、輸出信號的各項參數。

在對以上功能進(jìn)行仔細分析后，確定回波模擬器應滿(mǎn)足以下參數：

① 目標強度：0~80dB(可設定)，0.375dB 檔;

② 回波時(shí)延：0~3 秒，誤差不大于0.5%;

③ 模擬運動(dòng)速度：-30~+30kn;

④ 脈沖展寬可設定;

回波模擬器將接收到的脈沖信號通過(guò) AD 轉換保存在FIFO 中，發(fā)射時(shí)再從FIFO 里取出數據進(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，能實(shí)現對回波進(jìn)行脈沖展寬。經(jīng)過(guò)數字衰減后輸出，衰減程控可調，可用于形成回波包絡(luò )。