聲納信號預處理的窄帶信號提取技術研究＊

顏科峰 盧愛國

（中國船舶重工集團公司第第一五研究所 杭州 310012）

1 引言

吊放聲吶在直升機協同作戰時，由于協同戰機聲納的目標信號與被探測目標相比，頻率相近，而協作戰機聲納的目標信號要強很多，如果采用常規的前置預處理技術，在工作頻帶內，協作戰機聲納的目標信號可能會使本設備的接受通道信號限幅，從而對所要探測的目標產生影響，因此需要有一種技術使聲納設備窄帶工作［1～4］。

2 常規的聲納信號預處理技術

水聽器接收的信號要完成模數轉換前所進行的信號調理即通常所說的信號預處理［5］。一般分為三個步聚，如圖1所示。

圖1 預處理流程

根據水聽器接收到的信號及水聽器的等效阻抗，前級預處理一般做簡單的放大及阻抗轉換或再加簡單的低頻抑制功能使其輸出穩定可靠的信號滿足第二級處理要求；第二級處理根據設備的工作頻率和幅度以及模數轉換器的選擇等要求進行濾波、時控增益、或自動增益控制等功能的設計；第二級預處理根據系統通道放大量的要求進行信號幅度的條理從而使其輸出不足模塊轉換器的最佳轉換且信號通道的增益滿足設備指標。

從功能的復雜程度來看，第二級的預處理功能最復雜，而且可做增減的內容也最多。在做第二級的預處理時，濾波器是一個重要的環節，常用的濾波功能都用運算放大器設計的有源濾波器或無源LC濾波器來實現［6～9］。由于多數聲納設備工作在音頻范圍內，因此滿足要求的無源LC濾波器實物往往體積和重量都比較大，在設備小型化的今天，很多場合都被有源濾波器替代。但是，有源濾波器和無源LC濾波器在Q值高的時候都存在穩定性問題。而石英晶體濾波器的Q值高，矩形系數可以做到，從而可以做到窄帶信號提取的功能，但是，石英晶體濾波器由于石英材料的特性決定了其工作的頻帶較高，到目前為止，石英晶體濾波器的工作頻率不小于100kHz。

為了能夠用到石英晶體濾波器的窄帶工作性能又能使其頻帶適合水聲信號的工作要求，本文提出了一種先進行頻率搬移再濾波再進行頻譜搬移的方法。

3 頻譜搬移及晶體濾波器實現的窄帶信號提取技術

根據以上描述，聲納信號的前置預處理功能如圖2所示。

圖2 基于調制解調及晶體濾波器的預處理功能框圖

與常規的預處理相比，第二級預處理增加了調制和解調等功能，且把常用的有源濾波器或無源LC濾波器改成了石英晶體濾波器。TVG、AGC功能根據需要裁減，設計上不作更改。調制解調及濾波的過程如圖3所示。

圖3 窄帶信號提取過程

本振信號為一高頻信號，作為載波把輸入信號搬移的晶體濾波器的工作頻帶。設本振信號為

前級輸入信號為

調制輸出的信號為Vm（t），則：

設濾波器的工作頻帶為Φf，Φf∈（Φc＋Φs），衰減系數為A則，濾波器輸出波形Vf（t）為

解調后輸出信號Vd（t）為

經過低通濾波器后信號Vo（t）為

假設某聲納設備在協同作戰時，其工作頻帶在4kHz± 200Hz，協同設備的工作頻帶在5kHz±200Hz根據晶體濾波器的實際工作頻帶400kHz～400.5kHz，我們選擇本振信號為396kHz，根據窄帶信號的提取流程，最后輸出信號的理論帶寬為4kHz±250Hz，可以包含本設備的工作頻帶且與協同設備的工作頻帶分開。滿足設計要求。

4 仿真及實現

通過Matlab仿真［11］，假設前級輸入信號Vs（t）為4kHz±200Hz的調頻信號，時域圖如圖4所示，頻譜圖如圖5所示。

圖4 Vs（t）時域圖

圖5 Vs（t）頻譜圖

經396kHz的本振信號調制輸出的信號Vm（t）時域圖如圖6所示，頻譜圖如圖7所示。

圖6 Vm（t）時域圖

圖7 Vm（t）頻譜圖

經工作頻帶400kHz～400.5kHz的晶體濾波器輸出波形Vf（t）頻域圖如圖8所示。解調后輸出信號Vd（t）頻譜圖如圖9所示。

圖8 Vf（t）頻譜圖

圖9 Vd（t）頻譜圖

經過低通濾波器后信號Vo（t）頻譜圖如圖10所示。

圖10 Vo（t）頻譜圖

5 結語

參考原始輸入信號Vs（t）的頻譜圖，可見已成功提取出4kHz±200Hz的調頻信號。通過仿真說明采取本文提出的先進行頻率搬移再濾波再進行頻譜搬移的方法可以成功利用石英晶體濾波器的窄帶工作性能，保證本設備的工作頻帶且與協同設備的工作頻帶分開，可以避免協同設備間的互相干擾。相同的方法除了在吊放聲納的應用，也可以使用在其他對工作頻帶要求比較高的場合中。

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