超微弱信号检测在声探测系统中的应用

    1 引言

    超微弱信号检测是一种从淹没在噪声中提取出目标信号的方法，其目的是提高信号的信噪比。为了提取有用信号，有必要对影响系统性能的噪声来源和特性进行分析、研究，针对不同的噪声采取可行的噪声抑制方法。影响声探测系统性能的噪声主要有两方面: 一是来自检测系统的外部环境噪声，例如汽车等鸣笛声、风啸叫声等，解决这类噪声的办法主要是采用滤波、信号处理等方法; 二是由于系统内部电路等所带来的噪声，如电噪声、热噪声等，解决这类噪声只能通过电路设计来降低噪声。本文以声散射回波信号作为目标信号进行阐述，由于回波信号极其微弱，因此着重从回波信号的放大、滤波、采样等容易引起噪声的部分进行分析，并提出了解决方案。试验结果表明，系统的信噪比大幅度提高。

    2 微弱信号检测组成原理

    声探测系统是通过阵列天线向空中发射一定倾角和波束宽度的声波，声波经过大气的吸收、衰减、后向散射，而声探测系统接收的是后向散射的回波信号，因此系统的探测概率和探测精度的大幅提高，取决于接收信号的信噪比［1 －2］。

    环境噪声频谱能量随着频率的升高而衰减，如图1所示为典型环境噪声频谱图( 40 s 数据) 。声信号在大气中传播时，由于大气对声信号的衰减、吸收、散射等，使得后向散射的声信号能量随着探测距离的增加而减小。图 2 为环境噪声 65 dB( A) 时，接收信号信噪比随接收距离的变化曲线。

    由于后向散射的回波信号强度受发射功率、吸收衰减和散射衰减等因素共同影响，因此在发射功率、阵列形式以及环境噪声一定的条件下，进一步减小电噪声，提高信噪比，有助于提高系统的探测概率和探测精度。

    系统噪声主要来自以下几个部分，一是前置放大单元，二是滤波放大单元，三是电源噪声，四是信号A / D 采集引入的噪声。系统的组成框图如图 3 所示。

    阵列接收到的后向散射信号，经前置放大后，送往滤波放大，进行滤波，然后进行 A/D 采集。电源模块为各部分提供多路电源。

    3 微弱信号检测技术应用

    3． 1 前置放大单元

    由于回波信号相对较弱，前置放大器内部的热噪声会成为整个系统的主要噪声来源，因此采用低噪声、低温漂运算放大器对信号进行一定增益的放大是一个关键方法。为了获得与接收换能器的最佳阻抗匹配，利用变压器进行阻抗变换。