基于DSP的水下目标模拟器

　　0 引言

　　随着海洋事业的发展,水声设备性能的提升也越来越快,对有关水声设备的试验与鉴定工作提出越来越高的要求。由于水声设备试验通常需要适宜的水声环境,例如消声水池、湖泊或海洋等,因而试验的复杂性和成本都较高[1]。如何设计出简洁实用的水下目标模拟器,成为水声设备工作者的研究课题。随着信号处理技术不断走向成熟,通用数字信号处理器(DSP)近几年得到了飞速发展,处理速度越来越快,已完全能满足一些复杂的实时信号处理的要求。其体积小,功耗低,价钱便宜,程序编制灵活[2 -3],能适合各种复杂的水声信号处理算法。

　　本文设计了1种基于ADI公司DSP芯片的水下目标模拟器。该模拟器主要包括4个部分:工控机,高速AD采样电路、DSP电路和水下换能器。它们共同完成水下目标回声信号的模拟。介绍水下目标回声模型、水下目标模拟器工作原理及水下目标模拟器软硬件设计。

　　1 水下目标回声模型

　　目标回波常用的建模方法有线性目标模型和亮点目标模型2种。线性目标模型是把目标当作1个线性时不变的系统,回波是目标经入射声波激励后的输出,线性目标回波模型的问题在于:要在1个较宽的频带内确定每个频率所对应的目标传递函数。而亮点目标模型是将目标当作1组产生回波的亮点,可在窄频带内完成。由于水下目标声自导系统常采用窄带信号,这时传递函数只需要取中心频率的值。所以,水下目标回波可采用亮点目标模型建模。水下目标单个亮点模型的传递函数为[4]:

　　式中:Ai(r,θ,Φ)为该亮点的回波幅度;τi为该亮点的时延;ω(v)为由于相对运动引起的多普勒频移量。对水下目标的回波计算,首先应将水下目标划分成若干个散射亮点,然后确定各个目标亮点传递函数的几个参数。

　　以鱼雷顶为原点建立球坐标系,各亮点的坐标为:

　　其中:ri为第i个亮点到鱼雷的距离;θi为方位角;Φi为俯仰角。各个反射亮点半径为Ri,如图1所示。

　　若鱼雷的航行深度为H1,目标的航行深度为H2,鱼雷与亮点相对舷角根据已知条件可由余弦定理解三角形求出,设为γi;目标相对运动角速度为ωv,则有[5]:各亮点的回波时间

　　各亮点的回波幅度

　　各亮点产生的多普勒频移

　　若将目标看成由M个亮点组成,则信号的多亮点回波模型可看作是来自这些亮点的回波总和[6],即

　　2 模拟器的工作原理及设计

　　设计的水下目标模拟器组成框图如图2所示。模拟器的工作原理是,首先根据试验的要求或是根据接收到的应答信号做出判断,利用工控机设置信号的参数(包括信号形式、频率、脉宽等),通过工控机RS232口将参数发送给DSP模块,DSP模块根据接收的参数计算目标回波信号数据,包括各亮点的回波时间,回波幅度,多普勒频移等;再将数据传输给DA模块,并控制DA模块产生模拟的目标回波信号。而后通过多级功放电路,形成一定功率的目标回波信号;最后通过换能器组将模拟的水下目标回波信号发射到水中,完成水下目标模拟器的功能。另一方面,换能器能接收应答信号,通过多级功放电路,再经过DA模块转换和DSP处理后,传输到工控机中,由工控机进行判断。