基于MSP430的水声时间反转应答系统设计

    水声信道匹配基础研究是建立在水声学、海洋物理声学以及现代信号处理技术基础上的新兴研究领域。水声信道的时空变化复杂性和不确定性是提高新型声纳系统性能的最大障碍,通过对水声环境的实时获取和估计,及时调整信号和接收处理方式以达到与信道相匹配的工作性能。其中,水声时间反转镜研究是该课题的一项必不可少的内容。

    时间反转应答系统是水声时间反转镜研究中的主体实验设备,它负责水下信号的接收、时间反转及回发。与船载应答系统相比,浮标式应答系统具有体积小、自身干扰少、布放方便、操作灵活等诸多优势。由于采用电池供电,我们在保证性能的同时,尽可能降低系统功耗以节约电能。本文正是结合课题所需,设计并实现了一种小型化低功耗水声时间反转应答系统。

    1　基于MSP430的低功耗水声时间反转应答系统设计

    1.1　水声时间反转镜简介

    海洋的不均匀和多途效应使得接收信号的时域、频域特性发生变化,最终导致检测能力的下降。为了克服在声学不均匀介质中的波形畸变,在声学中引用了源于光学中不均匀介质的相位共轭成像法,并将连续波的相位共轭法发展为时间反转法。

    当不考虑空间不均匀和界面不均匀性的随机性时,水声信道的空变特性可以用相干多途信道的系统函数表示。由于水下声信道的多途效应,因此怎样将各途径到达的信号量综合利用,是值得研究的。借鉴匹配滤波器空间匹配滤波的思想,如果用S(X)表示信号的频谱,H(X)表示信道的传输函数,则信号经过信道输出的频谱可写作:

R(X) =H(X)õS(X) (1)

    令X(X)是R(X)的复共轭,即:

X(X) =R*(X) =H*(X)õS*(X) (2)

    将(2)式两边同乘H(X),可得到:

Z(X) =H(X)õH*(X)õS*(X) (3)

    (3)式中“H(X)·H*(X)”一项是实、偶、正函数,它在时间零点的傅里叶反变换是同相叠加的,会得到主相关峰值,这使得信号与其乘积的结果Z(X)比R(X)要大的多。这就是水声信道中时间反转镜聚焦的根本原理。在(1)式至(2)式中,X(X)可认为是接收信号时反后的频谱,Z(X)可认为是时间反转镜输出的频谱。

    1991年, Dowling对时间反转镜应用于水声作了定义和基本的理论分析。通过海上实验来研究水声时间反转镜的特性,实验系统由发射和应答两部分组成。信号由发射系统发出,经海洋信道到达应答系统,应答系统对接收信号进行时间反转并回发。多通道的时间反转应答系统可以研究海洋中时间反转镜的聚焦效应。水声时间反转镜实验如图1所示。