一種水聲目標(biāo)信號模擬器設(shè)計(jì)＊

（1.海裝采購中心 北京 100071）（2.海軍92474部隊(duì) 三亞 572018）

1 引言

國內(nèi)研制和交付裝備時，需要安排大量的（湖）海試驗(yàn)，對裝備的聲系統(tǒng)及總體性能進(jìn)行有效的評估和檢驗(yàn)。試驗(yàn)需要大量人力、物力和財力，并且試驗(yàn)周期長，受海況、氣候等影響因素多，試驗(yàn)次數(shù)也有限，而陸上半實(shí)物仿真系統(tǒng)相對于湖試或海試不但能夠節(jié)省大量的人力和物力，而且能夠提供科研、生產(chǎn)和使用過程中的系統(tǒng)測試。

采用水聲目標(biāo)模擬器可以實(shí)現(xiàn)在陸上實(shí)驗(yàn)室條件下，構(gòu)成對裝備聲系統(tǒng)的海上試驗(yàn)開發(fā)環(huán)境，因此本文設(shè)計(jì)了一種水聲目標(biāo)信號模擬器，可用于在陸上條件下對裝備聲系統(tǒng)性能進(jìn)行有效的測試。

2 系統(tǒng)組成和工作原理

目標(biāo)模擬器原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括波形回放模塊、功率放大、阻抗匹配、聲對接裝置等部分組成。其中聲對接裝置包括四個對接換能器、匹配材料和機(jī)械安裝及加固裝置。其原理為：主動工作方式下，系統(tǒng)啟動后，目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)設(shè)定目標(biāo)特性和裝備狀態(tài)，目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的值計(jì)算四路回波的延時、頻移和衰減值，同時根據(jù)主動信號形式和延時、頻移、衰減值以及信噪比等參數(shù)計(jì)算得到回波的數(shù)值模擬。將四路目標(biāo)回波數(shù)據(jù)通過數(shù)字I／O模塊寫入波形回放模塊，并同時設(shè)置回放頻率、四路延時值和信號衰減分貝數(shù)，系統(tǒng)開始工作，當(dāng)目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)接收到聲系統(tǒng)給出的同步信號后，給波形回放模塊發(fā)送一個啟動信號，波形回放模塊經(jīng)過一定延時后，產(chǎn)生四路一定強(qiáng)度、相互之間具有一定延時的目標(biāo)回波模擬信號，信號經(jīng)過功率放大、阻抗匹配后送入四個對接換能器，此時電信號轉(zhuǎn)換成聲信號，聲信號經(jīng)過匹配材料到達(dá)聲系統(tǒng)的換能器，裝備聲納系統(tǒng)接收目標(biāo)噪聲信號，經(jīng)過分析和處理，得到目標(biāo)的方位和距離信息，從而對裝備進(jìn)行控制。主動工作方式下的仿真系統(tǒng)工作框圖如圖2所示。

圖1 仿真系統(tǒng)原理框圖

圖2 主動工作方式下的仿真系統(tǒng)工作框圖

被動工作方式下，系統(tǒng)啟動后，目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)設(shè)定目標(biāo)特性和裝備狀態(tài)，目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的值選擇需要的目標(biāo)噪聲數(shù)據(jù)，將四路目標(biāo)噪聲數(shù)據(jù)通過數(shù)字I／O 模塊寫入波形回放模塊，系統(tǒng)開始工作，當(dāng)目標(biāo)模擬計(jì)算機(jī)接收到聲系統(tǒng)給出的同步信號后，給波形回放模塊設(shè)置回放頻率、四路延時值和信號衰減分貝數(shù)，并給波形回放模塊發(fā)送一個啟動信號，波形回放模塊產(chǎn)生四路不同強(qiáng)度、相互之間具有一定延時的目標(biāo)噪聲信號，信號經(jīng)過功率放大、阻抗匹配后送入四個對接換能器，此時電信號轉(zhuǎn)換成聲信號，聲信號經(jīng)過匹配材料到達(dá)裝備聲系統(tǒng)的換能器，裝備聲納系統(tǒng)接收目標(biāo)噪聲信號，經(jīng)過分析和處理，得到目標(biāo)的方位信息，從而對裝備進(jìn)行控制。被動工作方式下的仿真系統(tǒng)工作框圖如圖3所示。

圖3 被動工作方式下的仿真系統(tǒng)工作框圖

3 波形回放模塊設(shè)計(jì)

自主研發(fā)波形回放模塊的原理框圖如圖4所示，包括邏輯控制電路［1～2］、存儲器、DDS電路［2］、D／A 電路［2］和衰減電路［2］。

圖4 波形回放模塊的原理框圖

3.1 CPLD 設(shè)計(jì)

在波形回放模塊的設(shè)計(jì)中，CPLD 是實(shí)現(xiàn)接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵器件。CPLD 一方面與數(shù)字I／O 模塊連接，接收波形數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)，如回放頻率，衰減分貝數(shù)和各路延時值。另一方面與模塊的其它功能實(shí)現(xiàn)電路相互聯(lián)接。這其中包括各芯片的片選信號，DDS電路輸出信號，目標(biāo)噪聲數(shù)據(jù)，SRAM 的地址和控制信號，D／A轉(zhuǎn)換時鐘信號，AD9850和AD7111的控制字?jǐn)?shù)據(jù)等。CPLD 芯片采用Al-tera公司生產(chǎn)的EPM1270，內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)采用硬件描述語言VHDL編程。

3.2 DDS電路

采用DDS電路，目的在于產(chǎn)生精確的時鐘信號，將時鐘信號經(jīng)過CPLD 處理后產(chǎn)生存儲器地址和相應(yīng)的控制信號，同時還作為D／A 時鐘送入D／A 芯片，在眾多的DDS器件中，我們選用美國AD 公司的AD9850 芯片，AD9850 是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內(nèi)部包含有輸入寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)字合成器（DDS）、10位高速D／A 轉(zhuǎn)換器和高速比較器。AD9850高速的直接數(shù)字合成器（DDS）核心根據(jù)設(shè)定的32位頻率控制字和5位相移控制字，可產(chǎn)生0.029Hz到62.5MHz的正弦波信號和標(biāo)準(zhǔn)的方波信號。該器件提供了并行和串行控制字輸入，可通過并行接口或串行接口實(shí)現(xiàn)控制字的定入，以改變其輸出頻率和相位。本設(shè)計(jì)通過CPLD 對AD9850進(jìn)行并行配制。

3.3 存儲器

在本系統(tǒng)中對存儲器的要求主要有存儲容量較大（2M字節(jié)），存取速度較快，同時要求操作簡便，綜合考慮多種存儲器的特性，如Flash 存儲器雖然容量較大，但存取較復(fù)雜，且存在讀寫次數(shù)的限制，因此不適合本設(shè)計(jì)的要求。動態(tài)RAM 存儲器容量也較大，但是存在刷新問題，F(xiàn)IFO 操作簡單，但容量有限。靜態(tài)RAM 容量可以比FIFO 大，比Flash存儲器和動態(tài)RAM 小，但是操作較簡單，存取速度快，因此綜合考慮多種因素，決定采用四片靜態(tài)RAM 作為本設(shè)計(jì)中的存儲器。本設(shè)計(jì)采用SRAM 的型號為IS62WV 20488BLL。這種型號的SRAM 存儲時間短，僅需25ns，完全的靜態(tài)操作，不需要時鐘和動態(tài)更新。存儲容量達(dá)到2M字節(jié)，采用單電源3.3V 供電，并且讀寫操作簡便。

3.4 DA 轉(zhuǎn)換及程控衰減

從存儲器中讀取的數(shù)字信號要進(jìn)行D／A 轉(zhuǎn)換成模擬信號。為了模擬不同的回波，還應(yīng)當(dāng)按測試需要對該信號進(jìn)行程控衰減。D／A 轉(zhuǎn)換是信號處理的重要組成部分。本系統(tǒng)中采用了AD9709芯片實(shí)現(xiàn)D／A 轉(zhuǎn)換功能。

AD9709是美國AD 公司生產(chǎn)的一種雙路8位CMOS D／A 轉(zhuǎn)換器，具有高達(dá)125M 的D／A 轉(zhuǎn)換速率，功耗低，操作方便的優(yōu)點(diǎn)。整個系統(tǒng)只需要兩片AD9709即可將四路數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。由于AD9709 為電流型輸出，所以在輸出端將信號與運(yùn)放AD843組合即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換過程。

本系統(tǒng)中的程控衰減器件采用了AD7111。AD7111的主要特性有：0～85dB 大范圍衰減；衰減步長0.375dB?？刂谱滞ㄟ^CPLD 進(jìn)行配制。

3.5 PCB設(shè)計(jì)

對于高速、高精度波形回放模塊，PCB的布局布線是一個很重要的問題。在系統(tǒng)中如何避免各個信號之間的串?dāng)_、如何保證信號的完整性是整個系統(tǒng)正常工作的保障。PCB走線采用65Ω 的阻抗控制。

本模塊采用6層板，其目的并不僅僅是為了走線的方便，更重要的是使用了大面積的電源和地之后可以使各信號線與地或電源之間形成一個緊耦合從而減少信號線之間的串?dāng)_。其次，系統(tǒng)的整體的布局要合理，應(yīng)綜合考慮地層和電源層的分割，使用相同電源、地的芯片盡量放在一起以避免平面被割瑣碎，模擬地和數(shù)字地要隔離，最后通過0Ω的電阻連在一起。

4 功放與匹配電路設(shè)計(jì)

功放與匹配的作用是完成目標(biāo)噪聲信號的功率放大，同時與對接換能器的阻抗匹配及長線傳輸匹配。

功率放大器是向負(fù)載（換能器）提供功率信號的裝置，它接收來波形回放模塊輸出的魚雷噪聲信號，對信號進(jìn)行功率放大后輸出到阻抗匹配電路。在本系統(tǒng)中使用甲乙類放大器的功放管，同時采用推挽放大方式。

功率源與換能器的阻抗匹配有兩個問題要解決，一是調(diào)諧，即采用外加電抗性元件調(diào)節(jié)換能器的輸入電抗，使輸入相角趨近于零，以減少功率傳輸中的無功分量。二是變阻，即改變換能器的有功電阻，使之與發(fā)射機(jī)（功放）的輸出阻抗相接近，以達(dá)到最佳功率傳輸匹配。本設(shè)計(jì)采用變壓器進(jìn)行匹配，即通過初次級線圈之間的變壓及耦合作用匹配。同時變壓器還具有隔離作用。

5 聲對接裝置

聲對接裝置［6～7］完成的主要功能是：把目標(biāo)模擬器電子系統(tǒng)產(chǎn)生的信息，通過聲對接裝置的對接換能器基陣轉(zhuǎn)換成聲信號，正確地耦合到裝備聲系統(tǒng)的換能器上，形成聲系統(tǒng)的工作環(huán)境。聲對接裝置主要由對接換能器、模擬海水的阻抗匹配材料和固定加壓耦合部件組成。聲對接裝置在技術(shù)上必須保證以下要求：

1）保證對接換能器與聲系統(tǒng)上的接收換能器之間的相互準(zhǔn)確定位。

2）保證對接換能器的聲發(fā)射面與聲系統(tǒng)上的接收換能器的接收面之間有一定值的均勻壓力分布，使聲信號耦合處于最佳狀態(tài)。

3）對接裝置應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，實(shí)際使用中安裝、拆卸方便。

4）匹配材料應(yīng)保證無氣泡和雜質(zhì)，滿足阻抗匹配要求。

5）對接換能器采用PZT-4發(fā)射型壓電陶瓷材料，發(fā)射與接收帶寬滿足系統(tǒng)的工作要求，發(fā)射響應(yīng)在帶寬內(nèi)較平坦。

6 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

6.1 存儲器部分

1）存儲容量：2M×4字節(jié)；

2）存取速度：25ns；

3）工作電壓：3.3V。

6.2 DA 部分

1）DA 轉(zhuǎn)換通道4路；

2）DA 的轉(zhuǎn)換分辨率為8bits；

3）DA 轉(zhuǎn)換率最大可達(dá)到10Msa／s；

4）DA 的輸出最大幅值為±8V。

6.3 衰減部分

1）衰減范圍為0～85dB大范圍衰減；

2）衰減步長0.375dB。

6.4 可靠性

系統(tǒng)可靠性、可維修性要求滿足有關(guān)國軍標(biāo)規(guī)定，指標(biāo)如下：

MTBF＞500小時；

MTTR＜0.5小時。

7 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的水聲目標(biāo)信號模擬器經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，已達(dá)到預(yù)定的指標(biāo)，并已成功應(yīng)用于裝備聲系統(tǒng)的測試，由于系統(tǒng)采用聲對接方式，與裝備之間沒有任何電連接，不會對裝備產(chǎn)生任何不良影響，并且可以模擬真實(shí)的水聲環(huán)境，因此可以廣泛應(yīng)用于聲納設(shè)備和其他設(shè)備的檢測，有較大的實(shí)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

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