基于并行多单片机系统的声呐目标信号模拟器设计

基于并行多单片机系统的声呐目标信号模拟器设计
占超;蔡新举;刘双青
【摘要】为了满足某型声呐系统的调试和维护，设计了一种并行多单片机声呐信号模拟器，该系统以C8051F020为基本处理单元，采用功能强大的LabWindows/CVI语言进行可视化编程，可生成三种模式下的声呐信号。

研究结果表明，该系统具有控制方式简便灵活、重组能力强、可靠性高、开发周期短等特点，在声呐信号模拟领域具有广阔的应用前景。

%In order to meet the certain type of sonar system's needs for debugging and maintenance,a sonar signal simula⁃tor with parallel multi⁃SCM was designed. C8051F020 is taken as the basic processing unit in the system. The powerful
LabWin⁃dows/CVI is used to conduct visual programming,which can generate the sonar signals in three modes. The results show that the system has advantages of flexible control mode,strong recombination ability,high reliability and short development cycle. It has a wide application prospect in the simulation field of sonar signal.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】3页(P115-117)
【关键词】C8051F020;多单片机系统;并行处理;声呐模拟器
【作者】占超;蔡新举;刘双青
【作者单位】海军航空工程学院电子信息工程系，山东烟台 264001; 中国人民解放军92515部队，辽宁葫芦岛 125001;海军航空工程学院电子信息工程系，山东烟台 264001;中国人民解放军91341部队，辽宁东港 118300
【正文语种】中文
【中图分类】TN710-34
0 引言
声呐（Sonar）原意是声导航与测距。

随着各国对海洋探索、开发、争夺与控制的加剧，声呐的含义也得到了拓展，以致凡是利用水下声波作为传播媒体，以达到某种目的的设备和方法都称之为声呐；进一步将凡是用声波对水下目标进行探测、定位、跟踪、识别，以及利用水下声波进行通信、导航、制导、武器的射击指挥和对抗等方面的水声设备皆归于声呐这一范畴[1]。

声呐设备在各种水上活动中有着广泛的应用，而在声呐的应用过程中为不断提高对水下复杂与安静目标的探测、识别能力，需要不断提升声呐设备的技术水平、训练水平，并进行定期的检测盒标校。

声呐目标信号模拟器是完成以上工作的一条有效途径。

本文根据某航空吊放声呐工作原理和工作模式，利用C8051系列单片机设计了具有主被动水下目标信号模拟和海洋噪声模拟功能的声呐目标信号模拟器，该模拟器具有16路可编程声呐信号输出和多路模拟、数字状态信号输出，具有较强的适应性和较高的可靠性。

1 声呐信号模拟器设计
声呐按工作原理可分为主动声呐和被动声呐两类。

图1为主动声呐探测目标的工作原理示意图，发射机产生的声信号通过转换开关、换能器形成声波信号辐射到水下空间，从水下物体反射回来的声波信号被按一定规律布置的基阵接收后通过换能器转换为电信号再经过接收机的放大、滤波、采样送到信号与信息处理系统，进而
提取出所需的信息。

被动声呐基阵接收到的是水下物体形成的各类声波信号，信号处理的过程与主动声呐类似。

声呐信号模拟器就是要模拟水下物体形成的主动或被动声呐回波信号，用于声呐设备的检测、标校和训练，其关键在于根据基阵排列方式模拟产生声呐工作所需的阵列信号。

图2是本文声呐信号模拟器中一个单元（两路）声呐信号合成原理框图，所模拟的信号主要由目标信号和环境噪声组成，信号参数根据声呐工作方式和目标特性确定，信号产生则采用数字合成方式实现，阵列信号可通过多个单元并行工作组合实现。

图1 主动声呐工作原理示意图
图2 声呐信号模拟原理框图
1.1 常用主动声呐信号的数学模型[1]
1.1.1 单频矩形脉冲
单频矩形脉冲的时间函数可以表示为：
单频矩形脉冲信号的实部波形如图3所示。

图3 单频矩形脉冲信号的实部波形图
1.1.2 线性调频脉冲信号
线性调频脉冲信号（LFM）的时间函数可以表示为：
式中：k=F T为信号的频率变化率，或称为调频斜率，F为信号的调频宽度。

波形图和瞬时频率见图4。

图4 线性调频脉冲信号的波形图和瞬时频率
1.2 被动声呐信号的数学模型
舰船、潜艇和鱼雷所辐射的噪声，是被动声呐系统赖以探测、跟踪目标的信号，水中航行舰船的辐射噪声通常由以下三部分组成：机械噪声、螺旋桨噪声、水动力噪
声，其辐射噪声谱比较复杂，一般由连续谱和线谱组成，如图5所示。

图5 典型舰船辐射噪声功率谱的示意图
不同舰船噪声线谱的频率和幅值并不相同，这些线谱是识别舰船类型的主要特征[2]。

只考虑线谱，用周期信号作为线谱的模型，其表达式为：
式中：g(t)为线谱噪声；l(t)为宽平稳噪声；xi(t)为各线谱噪声源；Aij(t)为第i个噪声源的 j阶谐波的对应幅度；Ni为第i个线谱噪声源的最大谐波阶数[3]。

1.3 海洋环境噪声的数学模型
海洋环境噪声，也称自然噪声，是水声信道中的一种干扰背景场[4]。

它既不是由于水听器及其固有安装方式引起的“自噪声”，也不是某些局部的可辨别的噪声源产生的噪声，它是除去所有可分辨的噪声源后所“剩下”的那一部分。

海洋噪声是各种噪声源的组合产生的，主要的噪声源有：潮汐以及波浪的水静压力效应、海洋湍流、波浪非线性互作用、行船、地震扰动、海面波浪、热噪声等，这里考虑可以用白噪声来模拟海洋环境噪声[5]。

2 声呐模拟器的软、硬件实现
2.1 声呐模拟器主要指标
根据需要确定的主要技术指标如下：
（1）频率范围：1.5～3.5 kHz；
（2）调频带宽：-70～70 Hz；
（3）信号波形：脉冲或连续波；
（4）脉冲宽度：10 ms～2 s；
（5）信号幅度：1～100 mV；
（6）输出相位控制：0.1°。

其他如输出阻抗、传感器信号、数字接口信号等未列出。

2.2 信号产生单元计与实现
根据确定的技术指标和功能，选取了以C8051F020单片机为核心的信号产生与调理单元设计方案，通过合理的程序设计，每单元产生两路模拟信号输出，图6为
单路信号产生与调理原理框图，INT0为外部中断，由外部数字控制单元电路产生，使各单元同步工作，中断周期可根据输出信号频率进行设置。

图6 信号产生单元原理框图
图中，12位DAC输出信号幅度最大值为1.2 V；分压网络采用精密电子与继电器设计，四档1：0.1：0.01：0.001；LPF为有源低通滤波器，输出驱动电路采用超低噪声运算放大器OPA211，其在1 kHz处的噪声系数为1.1 nV/，使输出满足
负载匹配要求。

在产生信号采用查表法，静态表存储在单片机的Flash中，运行时根据设置的输出信号幅度（或功率），计算分压比和DAC输出信号系数，按该系数计算运行波形库，使DAC的输出范围控制在1～0.1 V，末端信号输出范围满足0.1～0.001 V
要求。

采用这种设计方法能够使单片机具有较高的运行效率、输出信号具有非常低的相位噪声。

在查表时，根据设定的信号频率和相位，计算起始地址和步长，当中断到来时根据地址查表并将对应单元的数据加载到DAC产生相应的输出，该方法不涉及乘除法运算，使输出信号的具有较高的频率上限。

当产生调频信号时，按式（2）计算调频项步长，设采样周期为T s、调频周期为T，调频信号斜率为k，则调频增量可
按公式（4）进行迭代计算：
在参数噪声时，采样M⁃序列方法产生随机白噪声，与查表输出信号合成后一同加载到DAC。

2.3 系统软硬件设计
模拟器的系统组成原理框图如图7所示，系统计算机采用PC/104嵌入式计算机，控制程序采用LabWin⁃dows/CVI设计，控制界面如图8所示。

系统计算机通过RS 232总线向信号产生单元和数字控制单元按一定的协议发布命令，接收单元通
过对接收的命令解析后确定是否是发给自己的命令，若是则按命令要求进行完成规定的任务。

图7 系统组成原理框图
图8 模拟器上层程序交互界面
3 结语
本文介绍了一种基于C8051F020单片机的声呐信号模拟器的设计与实现方法，该方法具有良好的适应性和可扩展性，能够根据声呐工作方向和基阵类型灵活控制信号参数，产生需要的目标回波信号和各种传感器与状态信号。

参考文献
[1]田坦.声呐技术[M].2版.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.
[2]邢国强，孙超，唐建生，等.典型舰船辐射噪声的时域模拟[J].鱼雷技术，2005，13（4）：41⁃42.
[3]李凯，黄建国.水下航行体辐射噪声的线谱分析及建模[J].声学技术，2007，26（6）：1113⁃1114.
[4]刘伯胜，雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1993.
[5]R J尤立克.水声原理[M].洪申，译.哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1990.
[6]江先军.一种通用声呐信号源的设计[J].现代电子技术，2014，37（11）：
68⁃71.。