水下回波模擬器頻率補償技術

曹清剛，吳 亮，王 晉

(1．大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013;2．海軍駐大連地區軍事代表室，遼寧 大連 116021)

水下回波模擬器頻率補償技術

曹清剛1，吳 亮2，王 晉1

(1．大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013;2．海軍駐大連地區軍事代表室，遼寧 大連 116021)

水下回波模擬器可根據目標的聲學特性對目標進行回波模擬，廣泛用于驗證試驗、聲誘餌等方面。但由于換能器制造工藝等限制，其發射換能器的發送電壓響應在不同頻率上變化較大。若忽視這個因素，則有時無法做到有效模擬寬頻帶的目標回波特性。本文通過分段快速Fourier正反變換和頻率能量補償技術實現回聲轉發信號的發射聲源級差異補償，采用首尾重疊消去法確保變換后數據無畸變。通過NI公司的PCI－6120板卡和工控機完成工程實踐工作，并通過水池實驗和海試進行可行性驗證。

回波模擬器;頻率;補償;Fourier變換

0 引言

水下回聲模擬器的主要作用是接收直達聲信號，并根據要模擬目標的聲學特性產生模擬回波信號發射出去，可以應用于軍事、科研和民用等領域。但由于其發射換能器發送響應起伏較大，在寬帶回聲模擬中會出現一些或一段頻率上的模擬回聲信號很小，從而影響到要模擬目標的聲學特性不真實，達不到寬帶范圍內回波模擬的效果［1］。本文通過分段快速Fourier［2］變化與頻率能量補償技術實現回聲轉發信號的幅度差異補償，通過首尾重疊消去法使得變換數據無畸變。此項技術已通過NI公司的PCI－612 0AD/DA卡進行了工程實現，并通過水池實驗和海試進行了驗證，可以在一定程度上解決由于換能器發送響應不平整帶來的影響。

1 水下回波模擬器構成

水下回波模擬器主要由接收模塊、發射模塊、綜合處理與數據記錄模塊組成，其關系如圖1所示。接收模塊主要包括水聽器和信號調理器，負責接收聲信號通過水聽器獲得電信號，并通過濾波放大等硬件信號處理后將電信號輸入綜合處理與數據記錄模塊。綜合處理與數據記錄模塊主要包括數據處理并產生D/A信號與數據記錄兩大功能，在電信號中檢測到我們要處理的直達聲信號，對其進行頻率補償并加入待模擬目標的聲學特性后再延遲t1時間使用D/A將要發射的應答信號輸入發射模塊。發射模塊主要由功率放大器和發射換能器組成，特定的組合會有固定的發射頻率響應，頻率補償技術就是通過獲得特定的發射頻響后以某一頻率為基準進行反向配置補償。如何獲得特定組合的發射頻響是前期準備工作。

圖2 回波模擬器工作原理圖Fig．2 Schematic diagram echo simulator work

將模擬器的接收水聽器布置在發射換能器前1 m處，水聽器實時監視模擬目標強度值計算公式為

式中，r為應答換能器到直達聲接收水聽器的距離，這里假設為1 m。

2 特定組合發射頻響的獲取

為研究方便這里做出如下假設：

① 聲信號在水中短距離內直線傳播［3－4］;② 功率放大器和發射換能器是線性的;③ 發射信號理想、恒定、無畸變;④多個連續頻率的單頻點信號可擬合寬帶信號;⑤在所需頻帶內換能器的發射頻響起伏小于10 dB。

為更好測量發射頻響［5］，裝置的布放如圖3所示，標準水聽器與發射換能器距離d=1 m。當發射幅度固定，調整發射信號頻率，假設通過標準水聽器獲得接收到的電信號的有效值為Vstd，則

式中，M0為對應獲得電信號時所在頻率的水聽器靈敏度。

通過式(2)可以獲得不同頻率下特定組合的發射聲源級，從而得到所需要頻率的發射頻響［6］。若實測獲得的數據不平滑，可進行平滑處理。

圖3 測量頻響裝置布放圖Fig.3 Frequency measurement devices laying plans

3 頻率補償系數獲取

為使得輸出聲源級起伏較小，這里將對同義聲源級進行歸算。假設某個特定組合從f0～f1Hz頻率間隔fkHz樣本的發射聲源級序列為［SL1，SL2，…，SLn，…，SLN］，其頻率與聲源級對照圖如圖4所示。若期望發射的寬帶信號在f0～f1Hz頻率范圍內發射聲源級相差較小，如圖4虛線所示，假設這里以頻率分辨率fmHz為基準進行補償，fmHz時所對應的下標數可由式(2)計算得出。

式中：Vstd為該頻率當前聲源級對應值時的電信號有效值;Vstd'為該頻率當聲源級為SLm所對應值時的電信號有效值。

從而得到

令變換系數為

對補償系數進行對稱填充，使得其頻率與所做的fft［2］能量譜一一對應得到頻譜補償系數。

4 信號頻率補償技術

式中：g(t)為t時刻輸入信號;ω為角頻率;ki為頻率補償系數;F(ω)為輸入信號的頻率譜;F1(ω)為經頻率補償后的頻率譜;g1(t)為t時刻經頻率補償后的輸出信號。

若設頻率分辨率為50 Hz，即f=1/T=50;得到T=0.02 s，當采樣率為fs=200 000 Hz時，則需要將Ns=fs*T=4 000點DFT變換和反變換。將其后端補零，使之達到2的整數倍，可做4 096點fft運算。經過頻域補償變換后的數據兩端會產生失真現象，如圖9所示。為消除此類現象，可采取首尾冗余消去法。首尾冗余消去法描述如圖10所示。將要變換數據左右多取一部分數據，經過頻率補償處理后取其中間無畸變部分，這里采用前后多冗余1/2變換數據，即前后應多取1 000點。進行4 096點運算可獲得2 000點無畸變數據。之后再選取下一個2 000點數據，將其首尾同時延拓達到4 000點時尾部補零，進行頻率補償后取中部無畸變的2 000點，依次循環得到無畸變波形如圖11所示。

5 最小計算所用時間

變換理想最小延遲時間，當不考慮變換所用時間時，最小要采集需計算點數的3/4，當fs=200 000 Hz時，所需時間為t=3 000/fs=0.015 s。當計算2N點fft和ifft時都需要計算Ma=N*log2(N)復數加法和Mb=N/2*log2(N)復數乘法，進行頻率補償時需要計算2N+1點實數乘法(等價于2N－1點復數乘法)。所以在此算法中，1次計算經歷Mjc次復數乘法運算和Mjc次復數加法運算。

6 仿真結果

假設 fs=200 000 Hz，f0=500 Hz，f1=20 000 Hz，fm=3 000 Hz，頻率補償系數如圖5所示，通過Matlab仿真可得到，若輸入信號如圖12所示，經頻率補償后輸出電信號如圖13所示。當出現多個信號時，其頻率補償依然存在，但在脈沖開始和結束時會產生吉普斯效應。可以考慮加一緩變窗抑制此效應。

7 實驗結果

2011年6月，在大連三山島附近海域進行了驗證性海上試驗。裝置聲學部分入水25 m，水深約60 m，配合試驗船只與試驗船只距離約700 m，使用雙GPS同步確定同步時間和位置。采集延時約200 ms。增益系統的軟件界面如圖14所示。

圖14 軟件界面Fig.14 Software interface

在接到信號后對信號進行拷貝、增益轉發，同時在某一固定時刻發射一個參考信號，其信號形式為線性調頻信號。試驗結果如圖15～圖20所示。經過相應的濾波后根據式(1)可以得到模擬目標強度β值。

選擇2個頻率的信號各150個樣本點，如圖20所示。從圖中可以看出，不同頻率的β值的起伏小于1 dB。所以可以證明該系統是穩定的。

8 結語

仿真和海試結果表明，通過分段快速Fourier正反變換結合頻率能量補償和首尾重疊消去法的模擬器可以適用于多種信號的回聲模擬工作，且其性能穩定可靠。但當出現脈沖信號上升沿和下降沿時會產生吉普斯效應，這時可以通過加一個低通濾波來濾除低頻抖動。

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Equalize technique of underwater echo simulator research and achieve

CAO Qing-gang1，WU Liang2，WANG Jin1
(1．Dalian Scientific Test and Control Technology Institute，Dalian 116013，China;2．Navy Representation office in Dalian，Dalian 116021，China)

Base on the acoustic characteristics of underwater target，underwater target echo was simulated．It was used in a lot of purposes，for example，validates experimentation，echo bait，and so on．But so the reason of transducer making techniques that it transmitting voltage response is changing more different．If this factor was ignored，target echo characteristics can't be simulated effectively．An equalizing measurement was researched in this article．Fourier transform，frequency equalize method and a method that insure the data without aberration were used．That realize the echo transmit signals equalization of source level．This technology was actualized in PCI-6120 of NI Company and computer，and it passed experiments in the pool and on the sea．That proved this technology was feasibility．

underwater echo simulator;frequency;equalize;fourier transform

U666．75

A

1672－7649(2012)07－0096－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.021

2011－08－11;

2011－09－20

曹清剛(1982－)，男，工程師，從事水聲工程方面研究工作。

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