于涤非;黄海宁;张春华;吴长瑞
【摘 要】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,in-cluding the TVG dynamic range,maximum gain and maximum equivalent input noise satisfying the constraint equations. The con-straint 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.%为使三维成像声纳数据采集系统的设计达到周期短、可靠性高、满足性能指标要求的目标,提出一种改进的设计方法.该方法通过分析声纳设计指标及工作时的信号、噪声过程,提出采集系统的三个主要设计参数:TVG动态范围、最高增益及最高等效输入
噪声所满足的约束方程.通过求解约束方程,获得采集系统设计参数需要满足的最低要求,以此为指导设计的数据采集系统满足声呐设计要求.通过原型设计的多次湖试实验验证了该设计方法切实有效.
【期刊名称】《现代电子技术》
杜恒岩【年(卷),期】2018(041)003
【总页数】6页(P41-45,49)
【关键词】水声学;三维成像声纳;数据采集系统;TVG动态范围;最高增益;最高等效输入噪声;模拟通道
【作 者】于涤非;黄海宁;张春华;吴长瑞
【作者单位】中国科学院 声学研究所,北京 100190;中国科学院大学,北京 100190;中国科学院 声学研究所,北京 100190;中国科学院 声学研究所,北京 100190;中国科学院 声学研究所,北京 100190
【正文语种】中 文
【中图分类】TN911.72-34;TB565
0 引言
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近年来，三维成像声纳[1]受到广泛关注，相关技术发展迅速。三维成像声纳的优点为成像分辨率高，缺点是其接收基阵阵元数达几千甚至上万[2]，所对应的数据采集系统包含了大规模的模拟通道，设计复杂，实现困难[3]。传统依赖经验的设计方法周期长、成本高，且很难保证设计指标，无法满足三维成像声纳设计要求。因此，需要一种更加理性的设计方式，能够保证设计的可靠性及指标要求。男生女生金版文章
为保证能够在较短周期内设计出可靠性强、保证性能指标要求的数据采集系统，本文提出一种通过信号分析进行设计的方法。该方法通过分析声纳设计要求及噪声、信号过程，提出数据采集系统主要设计参数需要满足的约束方程，利用约束方程验证数据采集系统设计是否满足指标要求，并对三维声纳的最终性能进行预测。最后通过实验结果验证设计方法的可行性。
1 三维成像声纳数据采集系统结构
三维成像声纳数据采集系统采用分级、模块化设计[4⁃7]。其基本结构如图1所示。
图1 数据采集系统结构图Fig.1 Structure diagram of data acquisition system
采集及解调模块在采集N个换能器阵元的信号后，对每一个通道的数据进行解调[8]，输出基带信号。信号汇总模块将M个采集及解调模块的数据打包传输至信号处理模块。
采集及解调模块包含N个模拟通道以及用于解调信号的处理模块，其结构如图2所示。
图2 采集及解调模块结构图Fig.2 Structure diagram of acquisition and demodulation module
信号解调模块较为常用的实现方式为基于FPGA的CIC滤波器[9]。信号汇总模块同样采用FPGA设计。模拟通道包含固定增益的一级前放、P级TVG、带通滤波器及ADC，其结构[5]如图3所示。
图3 模拟通道结构图Fig.3 Structure diagram of analog channel
数据采集系统的三个主要设计参数：TVG动态范围、最高增益及最大允许等效输入噪声均为模拟通道设计参数。因此，三维成像声纳数据采集系统设计的关键为模拟通道设计。这里采用一种改进的设计方法，即通过计算得到数据采集系统主要设计参数所满足的约束方程，在满足该方程的基础上，选择高可靠性、高性能、低功耗的器件实现模拟通道，从而使数据采集系统的设计满足声纳指标要求。
2 基本假设
给出三维成像声纳的设计要求及关于采集系统的基本假设。所有参数在本文中全部是国际单位制，增益、信噪比及灵敏度的单位为dB。
2.1 三维成像声纳设计要求
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假设三维成像声纳系统的主要参数及性能指标在声纳设计时已经给定：最小作用距离为Dmin;最大作用距离为Dmax,在此距离下需要观测到的最低目标强度为TSmin；距离分辨率为Rd;成像最低信噪比为SNRImin;发射频率为fomit,发射CW窄带单频信号，发射球面波；模拟通道数量为M×N;发射声源级为SL，指向性增益为DI；接收换能器接收灵敏度为Sr,带宽为Br。
假设需要观测的目标为常见目标，其目标强度范围[10]为 TS∈ (-15,25)。
2.2 模拟通道基本参数
模拟通道有T=P+2级电路，每一级的等效输入噪声为Vi,最高放大倍数为Ai。
第一级为固定增益放大器，中间有P级可变增益放大器，最后一级为A/D。因此模拟通道最小放大倍数为A1。最后一级A/D的放大倍数为AT=1,其等效输入噪声为VT。
A/D的参考电平为±Vref,位数为NAD,采样率为fsample。
3 数据采集系统设计
在常用的设计方法[3⁃7]上进行改进，通过分析声纳的设计要求，计算出三维成像声纳数据采集系统三个主要设计参数：TVG动态范围、最高增益及最大允许等效输入噪声所满足的约束方程。通过求解约束方程，获得三个主要设计参数需要满足的最低要求，根据这一要求设计数据采集系统。
这一设计方法的关键在于获得约束方程，评价数据采集系统性能优劣的主要参数为其集成
的模拟通道输出数字信号的信噪比，该指标决定了声纳的成像质量。因此需要通过对噪声、信号过程的分析来建立约束方程。
3.1 噪声过程
加在接收换能器上的噪声主要为水体中的噪声，在发射频段，海洋中的噪声谱（单位：dB）以热噪声为主，可表示为[11]：
海洋噪声在换能器输出端产生模拟通道的等效输入噪声（单位为：
模拟通道电路系统的热噪声引起的等效输入噪声为：
实际工作过程中，模拟通道的等效输入噪声（单位：为：
假定滤波器的带宽与发射带宽相同，则在A/D的输入端，噪声的最高有效值（单位：V）为：
3.2 信号过程灰童谣
在距离Dmin以及Dmax上，水中声传播的双程衰减（单位：dB）分别为[12]：
式中α为海水的吸收系数，TLmax-TLmin即为模拟通道的TVG动态范围：
在Dmax距离上，强度为TSmin的目标回波信号级（单位：dB）为：
该回波在模拟通道输入端产生的信号电压有效值（单位：V）为：
该信号的电压为在声纳工作过程中需要检测到的最微弱的信号强度。
经过模拟通道最高放大后，在A/D输入端的信号电压有效值（单位：V）为：
常用设计方法，要求该信号经过模拟通道放大后，在A/D的输入端有1 V的峰峰值[13⁃14]，即Vs=0.353 5 V。由于三维成像声纳阵增益较高，因此对于三维成像声纳这一约束条件变为：该信号在经过A/D后，其峰峰值足以使其在后继处理中被检测到。假设实际应用中，当信号经A/D后，其峰峰值的差至少为2L才能在后继处理中被检测到。要求：
