于滌非+黃海寧+張春華+吳長(zhǎng)瑞

摘 要： 為使三維成像聲納數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到周期短、可靠性高、滿足性能指標(biāo)要求的目標(biāo)，提出一種改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。該方法通過(guò)分析聲納設(shè)計(jì)指標(biāo)及工作時(shí)的信號(hào)、噪聲過(guò)程，提出采集系統(tǒng)的三個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：TVG動(dòng)態(tài)范圍、最高增益及最高等效輸入噪聲所滿足的約束方程。通過(guò)求解約束方程，獲得采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)需要滿足的最低要求，以此為指導(dǎo)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足聲吶設(shè)計(jì)要求。通過(guò)原型設(shè)計(jì)的多次湖試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法切實(shí)有效。

關(guān)鍵詞： 水聲學(xué)； 三維成像聲納； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； TVG動(dòng)態(tài)范圍； 最高增益； 最高等效輸入噪聲； 模擬通道

中圖分類號(hào)： TN911.72?34； TB565 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）03?0041?05

Abstract： In order to shorten the design period and improve the reliability of the 3D imaging sonar data acquisition system， and meet the requirements of performance index， an improved design method is proposed. By analyzing the design index of sonar， and signal process and noise process for working sonar， three main design parameters of the acquisition system are proposed， including the TVG dynamic range， maximum gain and maximum equivalent input noise satisfying the constraint equations. The constraint equations are solved to get the minimum requirements satisfying the design parameters of the data acquisition system. The data acquisition system meets the requirement of sonar design. The many lake tests of prototype design were performed to verify the efficiency of the designed method.

Keywords： hydroacoustics； 3D imaging sonar； data acquisition system； TVG dynamic range； maximum gain； maximum equivalent input noise； analog channel

0 引 言

近年來(lái)，三維成像聲納[1]受到廣泛關(guān)注，相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速。三維成像聲納的優(yōu)點(diǎn)為成像分辨率高，缺點(diǎn)是其接收基陣陣元數(shù)達(dá)幾千甚至上萬(wàn)[2]，所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含了大規(guī)模的模擬通道，設(shè)計(jì)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難[3]。傳統(tǒng)依賴經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法周期長(zhǎng)、成本高，且很難保證設(shè)計(jì)指標(biāo)，無(wú)法滿足三維成像聲納設(shè)計(jì)要求。因此，需要一種更加理性的設(shè)計(jì)方式，能夠保證設(shè)計(jì)的可靠性及指標(biāo)要求。

為保證能夠在較短周期內(nèi)設(shè)計(jì)出可靠性強(qiáng)、保證性能指標(biāo)要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本文提出一種通過(guò)信號(hào)分析進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。該方法通過(guò)分析聲納設(shè)計(jì)要求及噪聲、信號(hào)過(guò)程，提出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)需要滿足的約束方程，利用約束方程驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足指標(biāo)要求，并對(duì)三維聲納的最終性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性。

1 三維成像聲納數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三維成像聲納數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分級(jí)、模塊化設(shè)計(jì)[4?7]。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采集及解調(diào)模塊在采集個(gè)換能器陣元的信號(hào)后，對(duì)每一個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)[8]，輸出基帶信號(hào)。信號(hào)匯總模塊將個(gè)采集及解調(diào)模塊的數(shù)據(jù)打包傳輸至信號(hào)處理模塊。

采集及解調(diào)模塊包含個(gè)模擬通道以及用于解調(diào)信號(hào)的處理模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

信號(hào)解調(diào)模塊較為常用的實(shí)現(xiàn)方式為基于FPGA的CIC濾波器[9]。信號(hào)匯總模塊同樣采用FPGA設(shè)計(jì)。模擬通道包含固定增益的一級(jí)前放、P級(jí)TVG、帶通濾波器及ADC，其結(jié)構(gòu)[5]如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的三個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：TVG動(dòng)態(tài)范圍、最高增益及最大允許等效輸入噪聲均為模擬通道設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，三維成像聲納數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵為模擬通道設(shè)計(jì)。這里采用一種改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)計(jì)算得到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)所滿足的約束方程，在滿足該方程的基礎(chǔ)上，選擇高可靠性、高性能、低功耗的器件實(shí)現(xiàn)模擬通道，從而使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足聲納指標(biāo)要求。

2 基本假設(shè)

給出三維成像聲納的設(shè)計(jì)要求及關(guān)于采集系統(tǒng)的基本假設(shè)。所有參數(shù)在本文中全部是國(guó)際單位制，增益、信噪比及靈敏度的單位為dB。

2.1 三維成像聲納設(shè)計(jì)要求

假設(shè)三維成像聲納系統(tǒng)的主要參數(shù)及性能指標(biāo)在聲納設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)給定：最小作用距離為最大作用距離為在此距離下需要觀測(cè)到的最低目標(biāo)強(qiáng)度為；距離分辨率為成像最低信噪比為發(fā)射頻率為發(fā)射CW窄帶單頻信號(hào)，發(fā)射球面波；模擬通道數(shù)量為發(fā)射聲源級(jí)為SL，指向性增益為DI；接收換能器接收靈敏度為帶寬為

假設(shè)需要觀測(cè)的目標(biāo)為常見(jiàn)目標(biāo)，其目標(biāo)強(qiáng)度范圍[10]為TS。

2.2 模擬通道基本參數(shù)

模擬通道有級(jí)電路，每一級(jí)的等效輸入噪聲為最高放大倍數(shù)為endprint

第一級(jí)為固定增益放大器，中間有級(jí)可變?cè)鲆娣糯笃?，最后一?jí)為A/D。因此模擬通道最小放大倍數(shù)為最后一級(jí)A/D的放大倍數(shù)為其等效輸入噪聲為

A/D的參考電平為位數(shù)為采樣率為

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在常用的設(shè)計(jì)方法[3?7]上進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)分析聲納的設(shè)計(jì)要求，計(jì)算出三維成像聲納數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：TVG動(dòng)態(tài)范圍、最高增益及最大允許等效輸入噪聲所滿足的約束方程。通過(guò)求解約束方程，獲得三個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)需要滿足的最低要求，根據(jù)這一要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

這一設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵在于獲得約束方程，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要參數(shù)為其集成的模擬通道輸出數(shù)字信號(hào)的信噪比，該指標(biāo)決定了聲納的成像質(zhì)量。因此需要通過(guò)對(duì)噪聲、信號(hào)過(guò)程的分析來(lái)建立約束方程。

3.1 噪聲過(guò)程

加在接收換能器上的噪聲主要為水體中的噪聲，在發(fā)射頻段，海洋中的噪聲譜（單位：dB）以熱噪聲為主，可表示為[11]：

3.2 信號(hào)過(guò)程

在距離以及上，水中聲傳播的雙程衰減（單位：dB）分別為[12]：

常用設(shè)計(jì)方法，要求該信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬通道放大后，在A/D的輸入端有1 V的峰峰值[13?14]，即0.353 5 V。由于三維成像聲納陣增益較高，因此對(duì)于三維成像聲納這一約束條件變?yōu)椋涸撔盘?hào)在經(jīng)過(guò)A/D后，其峰峰值足以使其在后繼處理中被檢測(cè)到。假設(shè)實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)信號(hào)經(jīng)A/D后，其峰峰值的差至少為才能在后繼處理中被檢測(cè)到。要求：

越高，越高，A/D量化誤差帶來(lái)的信噪比降低越小。但是必須防止目標(biāo)強(qiáng)度高的目標(biāo)限幅。假設(shè)如果dB，則位于距離上強(qiáng)度為25 dB的目標(biāo)在模擬通道輸入端產(chǎn)生的最高電壓若要求不限幅，則：

假設(shè)噪聲為非相干隨機(jī)白噪聲，則三維成像聲納的波束形成過(guò)程會(huì)帶來(lái)較大的陣增益[11]：

波束形成后，信號(hào)的信噪比為：

在計(jì)算最終成像信噪比時(shí)，需要考慮三維成像聲納波束方向圖的主副瓣比。采用優(yōu)化布陣時(shí)，主副瓣比[1]可以優(yōu)化至約20 dB。假設(shè)三維成像聲納波束方向圖的主副瓣比為。則最終圖像的平均信噪比為：

式中：為的函數(shù)，當(dāng)時(shí)，聲納的成像結(jié)果可以檢測(cè)到位于距離上，強(qiáng)度為的目標(biāo)。

當(dāng)滿足時(shí)，該等效輸入噪聲即為模擬通道所允許的最高等效輸入噪聲。

3.3 約束方程

對(duì)信號(hào)過(guò)程的分析直接給出了TVG動(dòng)態(tài)范圍以及最高放大倍數(shù)所滿足的方程。而最高等效輸入噪聲滿足：

則最終得到模擬通道的主要參數(shù)：TVG動(dòng)態(tài)范圍、最高增益、最高等效輸入噪聲所滿足的約束方程：

3.4 設(shè)計(jì)實(shí)例

假設(shè)聲納作用距離為3～80 m，距離分辨率為4 cm，發(fā)射頻率為375 kHz，聲源級(jí)為200 dB，指向性增益為10 dB，接收靈敏度為-205 dB，帶寬為40 kHz，模擬通道數(shù)量為1 024。海水吸收系數(shù)為即，

假設(shè)A/D為16位，參考電平為±2.5 V。假設(shè)A/D輸出信號(hào)峰峰值為就可以在后繼處理中檢測(cè)出該信號(hào)。

假設(shè)最終成像信噪比達(dá)到就可以分辨目標(biāo)，波束方向圖的主副瓣比為。

根據(jù)式（8）給出的TVG動(dòng)態(tài)范圍，可以確定需要采用2級(jí)TVG。根據(jù)最大放大倍數(shù)，可以確定一級(jí)前放的放大倍數(shù)的最小值。由于最大允許等效輸入噪聲較大，因此可以選用等效輸入噪聲較高但體積功耗小的器件實(shí)現(xiàn)模擬通道。

具體設(shè)計(jì)如下：

一級(jí)前放放大倍數(shù)為25倍，采用低功耗小體積的雙路運(yùn)放。

第一級(jí)TVG采用10位串行接口乘法DAC實(shí)現(xiàn)，放大倍數(shù)為。

第二級(jí)TVG同樣采用10位串行接口乘法DAC實(shí)現(xiàn)，放大倍數(shù)為。

濾波器采用MFB結(jié)構(gòu)的帶通濾波器實(shí)現(xiàn)。

最終設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬通道平均功耗小于40 mW。8路模擬前放的PCB如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的三維成像聲納對(duì)45 m處的橋墩成像，前500通道數(shù)據(jù)解調(diào)后的信號(hào)幅度如圖5所示。

該解調(diào)信號(hào)進(jìn)行波束形成后的橋墩原始圖像如圖6所示。對(duì)湖底梯田地貌進(jìn)行成像后，三維重建結(jié)果如圖7所示。聲納所有模擬通道工作正常，成像信噪比較高，圖像清晰。

5 討 論

式（8）不僅給出了模擬通道的三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)可以對(duì)聲納能夠探測(cè)到目標(biāo)的最小強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)。

假定最終電路系統(tǒng)實(shí)測(cè)的等效輸入噪聲為則聲納可以探測(cè)到位于距離上的目標(biāo)的最小強(qiáng)度（單位：dB）為：

同樣，對(duì)于任意給定距離，式（8）均能計(jì)算聲納可以探測(cè)到的目標(biāo)的最小強(qiáng)度。

為式（8）的關(guān)鍵參數(shù)，這一參數(shù)的意義為：當(dāng)三維成像聲納圖像信噪比超過(guò)這一參數(shù)時(shí)，觀測(cè)者可以從噪聲背景中分辨出待觀測(cè)的目標(biāo)。這一參數(shù)與采用的顯示方式、偽彩等因素有關(guān)，本文的是在優(yōu)化顯示方式、偽彩方式后通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定的。

6 結(jié) 論

本文采用改進(jìn)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)分析聲納性能指標(biāo)及噪聲、信號(hào)過(guò)程建立約束方程，求解約束方程，獲得模擬通道設(shè)計(jì)參數(shù)所需滿足的最低要求。在此基礎(chǔ)上采用高可靠性、高性能、低功耗的器件實(shí)現(xiàn)模擬通道，可以保證所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)滿足聲納性能指標(biāo)要求，從而縮短設(shè)計(jì)周期，保證可靠性。

湖試結(jié)果表明，采用本文設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的三維成像聲納原型機(jī)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，本文提出的設(shè)計(jì)方法切實(shí)有效。

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