基于PXI 總線的水聲目標回波模擬模塊的設計

摘要：目前聲吶等水聲設備廣泛使用寬帶發射信號，為了模擬水聲目標的回波，研究了一種高精度的寬帶目標回波實時模擬技術。該模塊采用PXI 總線，PXI 總線計算機可以使用總線直接對硬件進行控制，傳輸速度高。模塊可實時完成對水聲目標回波延遲、脈沖伸縮、包絡調制的精確模擬。分析了該模塊的硬件結構，編寫了該模塊的WDM 驅動程序、應用程序以及與LabView 軟件的接口程序。該模塊對某型寬帶多普勒聲吶的海底回波進行模擬，模塊能滿足寬帶回波模擬的要求。

0 引言

目標回波模擬是通過計算機系統對水聲信號進行建模，然后在計算機或其它設備上實時模擬水聲目標回波并輸入至信號處理器，以達到檢測信號處理單元功能、性能的目的。PXI總線是PCI 在儀器領域的擴展，它將Compact PCI 規范定義的PCI 總線技術發展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構。目前，PXI 總線在測控領域得到了越來越多的應用。

本文介紹了自行設計研制的寬帶回波模擬器，可模擬4 路水下目標回波，且各目標的方位、速度、強度、距離等參數在計算機的控制下實時可控，為多參數回波模擬水池實驗系統提供一套功能強、實時性好、使用方便的通用寬帶回波模擬模塊。

1 寬帶水聲目標回波模型

目前聲吶的發射信號大量采用寬帶信號，傳統的窄帶回波模型已經難以適應回波仿真的要求，必須使用寬帶回波模擬進行分析。主動自導工作時，由發射機向目標發出聲波u(t)，經目標反射后形成回波s(t)。回波s(t)攜帶著有關目標的所有信息，是檢測和參數估計的全部依據。由于目標的運動，發射波形與接收波形的寬度是不同的，存在時間壓縮效應。若目標做勻速運動，速度為v，海水中聲速為c，則寬帶目標回波模型如下：

由寬帶回波模型可見，回波與發射波相比，有幾點變化：

① 振幅衰減，對慢起伏點目標，其時間包絡為瑞利分布的隨機變量。

② 時延，回波相比發射波延遲0 τ 。

③ 時間尺度 s，使得時間包絡產生伸縮，即時寬和幅寬受到壓縮或擴展。

2 系統需求與設計結構

2.1 系統需求

為了滿足寬帶回波模擬的需要，回波模擬模塊應具有以下功能：

① 具有更大的動態范圍以模擬不同距離的目標回波;

② 能夠精確地模擬目標回波的強度、時延和脈沖伸縮;

③ 能夠精確地測量并記錄輸入、輸出信號的各項參數。

在對以上功能進行仔細分析后，確定回波模擬器應滿足以下參數：

① 目標強度：0~80dB(可設定)，0.375dB 檔;

② 回波時延：0~3 秒，誤差不大于0.5%;

③ 模擬運動速度：-30~+30kn;

④ 脈沖展寬可設定;

回波模擬器將接收到的脈沖信號通過 AD 轉換保存在FIFO 中，發射時再從FIFO 里取出數據進行DA。這種方式很好地保存了接收信號的信息，同時DA 輸出時鐘逐Hz 可調，能實現對回波進行脈沖展寬。經過數字衰減后輸出，衰減程控可調，可用于形成回波包絡。