黃雄飛 朱 芳 周世華

(1.海軍陸戰(zhàn)學(xué)院陸戰(zhàn)隊(duì)系 廣州 510430)(2.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修工程學(xué)院 廣州 510403)

寬帶多普勒聲納系統(tǒng)原理及特性研究*

黃雄飛1朱 芳2周世華1

(1.海軍陸戰(zhàn)學(xué)院陸戰(zhàn)隊(duì)系 廣州 510430)(2.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修工程學(xué)院 廣州 510403)

寬帶多普勒聲納采用重復(fù)相位編碼信號(hào)和復(fù)協(xié)方差算法,相對(duì)于窄帶技術(shù)大大提高了測量精度。論文分析了寬帶多普勒聲納的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理,介紹了復(fù)協(xié)方差方法,通過對(duì)湖試數(shù)據(jù)的分析,研究了多普勒聲納接收到的信號(hào)特性,分析了時(shí)域波形和包絡(luò),指出了回波首先以混響為主,經(jīng)過一定的延時(shí)后接收的信號(hào)以限帶白噪聲為主；分析了海底回波的幅度特征并采用滑動(dòng)譜矩估計(jì)分析了接收的整個(gè)時(shí)域信號(hào)的速度特征。分析了噪聲的概率密度和功率譜,并與高斯白噪聲比較,得到寬帶多普勒聲納接收到的噪聲近似服從高斯分布的結(jié)論。

聲學(xué); 多普勒; 系統(tǒng)原理; 回波特性

Class Number TB551

1 引言

寬帶多普勒聲納采用重復(fù)相位編碼信號(hào)[1]和復(fù)協(xié)方差算法,相對(duì)于窄帶技術(shù)大大提高了測量精度,并且已應(yīng)用于多種載體的導(dǎo)航[2]。文獻(xiàn)[3]分析了寬帶多普勒聲納的發(fā)射信號(hào)特性,建立了海底回波模型并分析了海底回波的自相關(guān)和功率譜特性,文獻(xiàn)[4]分析了海底回波的包含的速度信息的特性,提出了回波截取方法,本文首先分析四陣元寬帶多普勒聲納的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),研究各部分的組成和特征,介紹頻率估計(jì)算法,最后結(jié)合湖試數(shù)據(jù),分析了多普勒聲納接收信號(hào)的部分特性,包括體積混響、回波和噪聲的特性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

寬帶多普勒聲納系統(tǒng)由換能器、收發(fā)轉(zhuǎn)換電路、寬帶發(fā)射機(jī)、寬帶接收機(jī)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、傳感器、控制和解算計(jì)算機(jī)、電源系統(tǒng)和耐壓殼體組成,整個(gè)聲納系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,系統(tǒng)工作原理如下所述。

系統(tǒng)啟動(dòng)后,發(fā)射機(jī)根據(jù)控制和解算計(jì)算機(jī)的指令以一定間隔發(fā)射一定寬度的相位編碼信號(hào),發(fā)射完畢后,經(jīng)過一定的延時(shí)后接收機(jī)開始工作并接收回波信號(hào),對(duì)回波信號(hào)做放大、濾波和混頻后送入采集電路,數(shù)據(jù)采集電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理得到四路頻移和深度值并將解算的數(shù)據(jù)傳送給控制和解算計(jì)算機(jī),控制和解算計(jì)算機(jī)綜合四路頻移值和傳感器的數(shù)據(jù)解算得到三維速度并通過RS232或RS422協(xié)議將三維速度、深度及其他相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī),一次測量過程結(jié)束,然后進(jìn)行下一次的測量。

圖1 多普勒聲納系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1) 發(fā)射機(jī)

發(fā)射機(jī)板的原理框圖如圖2所示,發(fā)射機(jī)板的主要功能是完成相位編碼信號(hào)的產(chǎn)生、功率放大和與換能器的阻抗匹配。

信號(hào)產(chǎn)生電路的作用是產(chǎn)生設(shè)定參數(shù)的相位編碼信號(hào),包括碼元長度、碼元寬度、重復(fù)次數(shù)等,一般由CPLD電路產(chǎn)生。

功率放大器是向負(fù)載(換能器)提供功率信號(hào)的裝置,它接收來自信號(hào)產(chǎn)生電路輸出的發(fā)射信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大后輸出到阻抗匹配電路。例如RDI300kHz多普勒聲納電功率為25W,且最長脈沖寬度為62ms,相應(yīng)的聲源級(jí)SL=216.35dB,因此對(duì)功放電路的要求較高。

圖2 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

功率源與換能器的阻抗匹配有兩個(gè)問題要解決。一是調(diào)諧,即采用外加電抗性元件調(diào)節(jié)換能器的輸入電抗,使輸入相角趨近于零,以減少功率傳輸中的無功分量。二是變阻,即改變換能器的有功電阻,使之與發(fā)射機(jī)(功放)的輸出阻抗相接近,以達(dá)到最佳功率傳輸匹配。一般采用變壓器進(jìn)行匹配,即通過初次級(jí)線圈之間的變壓及耦合作用匹配,同時(shí)變壓器還具有隔離作用。

圖3 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

2) 接收機(jī)

接收機(jī)包含前置放大器、混頻和濾波器、時(shí)變?cè)鲆娣糯笃?TVG)等。由于海洋中后向散射信號(hào)隨深度加大幅度快速衰減,因此需要進(jìn)行增益控制。混頻的主要目的是移除調(diào)制信號(hào)的發(fā)射中心頻率,混頻后的信號(hào)中的頻率值為頻移值。圖3為接收機(jī)的原理框圖,要求接收機(jī)噪聲小,接收機(jī)的帶寬應(yīng)滿足系統(tǒng)寬帶的要求。

3) 采集和處理電路

采集和處理電路的主要功能是采集四路回波信號(hào),對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理得到速度和深度值,并將計(jì)算結(jié)果傳遞給控制和解算計(jì)算機(jī)板。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)水平很大程度上決定了多普勒聲納的性能。信號(hào)處理芯片一般采用FPGA、DSP等高速數(shù)字處理芯片實(shí)現(xiàn),其他的主要電路均采用成熟和通用的電子芯片和技術(shù)。

4) 控制和解算計(jì)算機(jī)

控制和解算計(jì)算機(jī)板的主要功能是將四路頻移值轉(zhuǎn)換成速度值,包括三個(gè)坐標(biāo)系(儀器坐標(biāo)系、載體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系)間的坐標(biāo)變換,并將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī),同時(shí)完成整個(gè)系統(tǒng)的控制。

5) 傳感器

傳感器主要包括溫度傳感器、姿態(tài)傳感器和航向傳感器。溫度傳感器用于測量換能器表面的水溫,而溫度值用于計(jì)算聲速。姿態(tài)傳感器用于測量多普勒聲納的兩個(gè)姿態(tài)角,即俯仰角和橫滾角。航向傳感器一般采用磁羅經(jīng),用于測量航向角。

3 頻率估計(jì)算法

多普勒聲納接收到海底回波信號(hào)時(shí),經(jīng)過與本振信號(hào)混頻、濾波后,以一定的采樣率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣作自相關(guān),運(yùn)用復(fù)協(xié)方差方法進(jìn)行頻率估計(jì),能夠得到較精確的頻移值,其原理框圖[5]如圖4所示。測量回波的頻移量成為測速系統(tǒng)的關(guān)鍵,寬帶多普勒聲納采用重復(fù)相位編碼信號(hào)提高了理論精度即克拉美—羅界[6～8],而采用復(fù)協(xié)方差估計(jì)回波平均頻率,復(fù)協(xié)方差方法主要用來估計(jì)信號(hào)的譜矩,而一階譜矩又可以作為回波平均頻率的估計(jì),同時(shí)復(fù)協(xié)方差方法具有精度髙,計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn),因此得到了廣泛運(yùn)用。對(duì)于復(fù)協(xié)方差方法,文獻(xiàn)[9～10]均有論述和推導(dǎo),本文不再重復(fù)。

圖4 信號(hào)處理框圖

4 接收信號(hào)特性分析

當(dāng)多普勒聲納發(fā)射信號(hào)后,延時(shí)一段時(shí)間后開始接收回波,聲波經(jīng)過海水的傳播,首先被海水中的懸浮顆粒散射,從而形成體積混響,隨著時(shí)間的增長,體積混響的強(qiáng)度逐漸減弱,同時(shí)海洋環(huán)境噪聲和載體自噪聲也通過換能器進(jìn)入接收機(jī),而多普勒聲納接收機(jī)的自噪聲也最終進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并最終影響速度測量的精度。

換能器接收到的回波信號(hào)為

(1)

×ej2πf0kt+n(t)

(2)

圖5為湖試回波數(shù)據(jù)的時(shí)域圖,海底深度121m,波束寬度4°,波束傾角20°,發(fā)射信號(hào)為重復(fù)相位編碼信號(hào),碼元采用7位巴克碼,重復(fù)次數(shù)為40次,載波頻率150kHz,帶寬15kHz,則可以計(jì)算得到脈沖寬度T=18.7ms,τ=4.6ms,t1=170.3ms,t2=174.9ms,t3=189ms,t4=193.6ms,從圖中可以看出,多普勒聲納首先接收到的是混響和噪聲,然后是海底回波,海底回波的幅度從小變大,然后保持一段時(shí)間,又逐漸變小,最后接收到的主要是噪聲。圖6為回波的包絡(luò)。

下面計(jì)算回波的各部分對(duì)應(yīng)的速度,對(duì)接收的回波采用滑動(dòng)譜矩方法估計(jì)。如圖7所示,即被處理的數(shù)據(jù)寬度固定,但起點(diǎn)在時(shí)間軸上滑動(dòng),從而計(jì)算本段數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的速度,數(shù)據(jù)窗的寬度為1.4ms,實(shí)際徑向速度為0.36m/s,從圖中可以看出,多普勒聲納首先接收的為幅度較大的混響,因此其速度與真實(shí)的徑向速度基本一致,然后接收到的信號(hào)主要是噪聲,混響被噪聲所掩蓋,由噪聲計(jì)算得到的速度具有較大的隨機(jī)性,當(dāng)聲波接觸海底并被散射回來時(shí),計(jì)算得到的速度與真實(shí)的徑向速度一致,當(dāng)脈沖信號(hào)全部被海底散射回來后,多普勒接收到的仍然為噪聲,所以對(duì)應(yīng)的速度具有隨機(jī)性。取采集數(shù)據(jù)中的一段噪聲,并分析其概率密度,得到圖8中的星號(hào)為噪聲的概率密度,實(shí)線為高斯分布的概率分布,從圖中可以看出,寬帶多普勒聲納接收的噪聲近似服從高斯分布。圖9為采用韋爾奇方法估計(jì)得到的噪聲功率譜,從圖中可以看出,噪聲的功率譜在帶寬范圍內(nèi)幅度基本一致,可以看作白噪聲,這也驗(yàn)證了前面關(guān)于回波建模中噪聲為高斯白噪聲的假設(shè)。

圖5 時(shí)域波形

圖6 回波包絡(luò)

圖7 滑動(dòng)譜矩估計(jì)

圖8 噪聲的概率密度

圖9 噪聲功率譜

根據(jù)以上分析分析,可以得到以下結(jié)論：

1) 寬帶多普勒聲納首先接收到的信號(hào)以混響為主,隨著距離的增大,在回波到來之前接收到的信號(hào)以噪聲為主,回波接收之后仍以噪聲干擾為主。

2) 寬帶多普勒聲納的海底回波干擾以限帶白噪聲為主,近似服從高斯分布。

3) 寬帶多普勒聲納的海底回波包絡(luò)為先變大然后保持,最后變小的過程,其中保持部分為波束全部照射海底的回波,其它部分為部分照射。

5 結(jié)語

本文從寬帶多普勒聲納的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā),分析了寬帶多普勒聲納的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能和工作原理,并對(duì)復(fù)協(xié)方差方法作了介紹,分析了多普勒聲納接收到的信號(hào)特性,分析了時(shí)域波形和包絡(luò),指出了回波首先以混響為主,經(jīng)過一定的延時(shí)后接收的信號(hào)以限帶白噪聲為主；分析了海底回波的幅度特征,即海底回波是一個(gè)從小變大然后又變小的過程；采用滑動(dòng)譜矩估計(jì)的方法分析了接收的整個(gè)時(shí)域信號(hào)的速度特征,特別是混響和噪聲的速度特性。分析了噪聲的概率密度,并與高斯白噪聲比較,發(fā)現(xiàn)寬帶多普勒聲納接收到的噪聲近似服從高斯分布。本文的分析和結(jié)論對(duì)于寬帶多普勒聲納的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)具有重要意義。

[1] Brumley. Broadband acoustic Doppler current profiler[P]. United States Patent Number:5,208,785, May 4, 1993.

[2] James C K, Louis L W. Toward In-Situ Calibration of Gyro and Doppler Navigation Sensors for Precision Underwater Vechicle Navigation[C]//Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics & Automation, Detroit, Washington DC,2002:399-406.

[3] 黃雄飛,苑秉成,陳喜.寬帶多普勒聲納信號(hào)頻譜特性分析[J].應(yīng)用聲學(xué),2009,28(4):278-282.

[4] HUANG Xiong-fei, YUAN Bing-cheng, Chen xi. A Study of Characteristics and Processing Method of Broadband Doppler velocity log Echo[C]//2009 International Forum on Information Technology and Applications,233-237.

[5] 王森,林善明.寬帶聲學(xué)多普勒流量剖面儀的系統(tǒng)仿真[J].聲學(xué)技術(shù),2004,23(2):113-116.

[6] 黃雄飛,苑秉成.寬帶多普勒聲納信號(hào)波形設(shè)計(jì)[J].兵工學(xué)報(bào),2010,31(9):1193-1199.

[7] 黃雄飛,苑秉成.寬帶多普勒計(jì)程儀速度解模糊方法研究[J].儀表學(xué)報(bào)2010,31(8):1885-1899.

[8] HUANG Xiong-fei, YUAN Bing-cheng, CHEN Xi. Study and Implement of Broadband Echo Simulation[C]//Proceedings of 14th Youth Conference on Communication,528-531.

[9] Kjell K. Time-Domain Estimation of the Center Frequency and Spread of Doppler Spectra in Diagnostic Ultrasound[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control,1988,35(6):685-700.

[10] Kenneth S M, Marvin M R. A Covariance Approach to Spectral Moment Estimation[J]. IEEE Transactions on Information Theory,1972,17(5):588-595.

System Principles and Characteristics of Broadband Doppler Sonar

HUANG Xiongfei1ZHU Fang2ZHOU Shihua1

(1. Department of Marines, Naval Marine Academy, Guangzhou 510430) (2. Department of Aircraft Maintenance and Engineering, Guangzhou Civil Aviation College, Guangzhou 510403)

Broadband Doppler sonar measures velocity relative to sea bottom according to Doppler effect and has been used in the navigation of multiple carriers. It increases the measurement accuracy compared with narrowband technique by phase coded technique and pulse-pulse correlation technique. The paper analyses the system structure and principles of broadband Doppler sonar and introduce complex covariance method. According to the analysis of lake experiment data, characteristics of signal

by receiver are analyzed. Wave and envelope in time domain are analyzed.

acoustic, Doppler sonar, system principle, echo characteristic

2014年5月4日,

2014年6月21日 作者簡介:黃雄飛,男,博士,講師,研究方向:水聲信號(hào)處理、武器制導(dǎo)技術(shù)和指揮控制。朱芳,女,博士,講師,研究方向:機(jī)械零件加工和自動(dòng)控制 。周世華,男,碩士,副教授,研究方向:指揮控制。

TB551

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.042