聯(lián)合實頻數(shù)據(jù)及預(yù)均衡技術(shù)的聲吶寬帶發(fā)射技術(shù)

王永恒, 孫大軍, 劉璐, 張友文

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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聯(lián)合實頻數(shù)據(jù)及預(yù)均衡技術(shù)的聲吶寬帶發(fā)射技術(shù)

王永恒1,2, 孫大軍1,2, 劉璐1,2, 張友文1,2

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：針對聲吶發(fā)射系統(tǒng)在使用中存在工作效率低、匹配帶寬窄和發(fā)射波形失真的情況，提出采用實頻數(shù)據(jù)技術(shù)與預(yù)均衡技術(shù)相聯(lián)合的發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計方法。相比于傳統(tǒng)的匹配技術(shù)，聯(lián)合技術(shù)首先采用直接實頻數(shù)據(jù)技術(shù)對換能器的匹配電路進行設(shè)計，無需分析換能器等效電路，通過編程可以靈活調(diào)整匹配參數(shù)，進而實現(xiàn)寬帶匹配電路的設(shè)計；其次以寬帶線性調(diào)頻信號作為訓(xùn)練序列，基于OMP算法的壓縮感知技術(shù)可以有效地對匹配后的發(fā)射系統(tǒng)沖激響應(yīng)函數(shù)進行估計，由估計出的系統(tǒng)沖擊響應(yīng)函數(shù)構(gòu)建時域預(yù)均衡濾波器實現(xiàn)發(fā)射波形的失真補償。水池試驗結(jié)果表明：采用聯(lián)合技術(shù)設(shè)計的發(fā)射系統(tǒng)其工作帶寬內(nèi)的功率因數(shù)均在0.75以上；發(fā)射信號的最大幅度起伏由匹配均衡前的12 dB降低到匹配均衡后的3.3 dB；匹配均衡后的信號失真比與匹配均衡前相比提高了2.5倍。

關(guān)鍵詞：水聲換能器；寬帶匹配；直接實頻數(shù)據(jù)法；預(yù)均衡；壓縮感知

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160421.1040.020.html

隨著海洋資源開發(fā)受到世界各國的高度重視，高速水聲通信、遠程探測聲吶等水聲技術(shù)得到快速發(fā)展，其中寬帶信號在聲學(xué)設(shè)備中被廣泛采用。寬帶換能器和寬帶發(fā)射系統(tǒng)成為聲吶系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，如何擴展工作頻帶且保證波形失真度成為關(guān)鍵技術(shù)。另外一些采用電池供電的聲吶設(shè)備如水聲浮標(biāo)、便攜式通信聲吶，由于能源有限要求發(fā)射系統(tǒng)具有較高的發(fā)射效率，因此實際的聲吶設(shè)備要求發(fā)射系統(tǒng)不僅具有寬的工作頻帶還要具有較高的功率因數(shù)和理想的發(fā)射波形[1-3]。

為提高聲吶發(fā)射系統(tǒng)的效率，必須實現(xiàn)換能器與聲吶功放的良好匹配。對于壓電陶瓷換能器而言，其阻抗特性會隨著頻率的變化而變化，且很難用解析函數(shù)來表示，因此想要在較寬頻帶范圍內(nèi)達到良好的寬帶匹配效果是很困難的。目前水聲換能器寬帶匹配電路常采用單點諧振方式達到可用帶寬或采用多諧振法在換能器的工作頻段內(nèi)構(gòu)造幾個諧振峰以完成匹配電路設(shè)計，但實際的匹配效果遠沒有達到預(yù)期。在無線電領(lǐng)域，天線寬帶匹配理論與方法得到了很好的發(fā)展，結(jié)合計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)，包括實頻數(shù)據(jù)法，Smith圓圖法及遺傳算法等一系列寬帶匹配方法在天線寬帶匹配以及微波放大器方面得到廣泛的應(yīng)用并取得了較好的效果[4-6]，采用CAD技術(shù)對水聲換能器的匹配電路進行設(shè)計的研究則相對較少。

預(yù)均衡技術(shù)通常應(yīng)用于通信系統(tǒng)中，是指發(fā)射機利用有關(guān)信道的先驗信息預(yù)先對將要發(fā)射的信號進行處理，以克服信道多途擴展等因素導(dǎo)致的碼間干擾，從而簡化接收機結(jié)構(gòu)[7]。近年來，已有學(xué)者將均衡技術(shù)應(yīng)用于換能器發(fā)射信號的補償中。文獻[8]在功率放大器前加入與換能器頻響互補的均衡電路，減少高速數(shù)字傳輸系統(tǒng)的碼間干擾；文獻[9]研究了數(shù)字均衡器的特點，并將其引入到寬帶接收系統(tǒng)中用于補償匹配換能器；文獻[10]采用分段快速傅里葉正反變換和頻率能量補償技術(shù)實現(xiàn)回聲轉(zhuǎn)發(fā)信號的發(fā)射聲源級補償，以上文獻取得了較好的效果，但均從頻域的角度對信號進行均衡處理，并未對系統(tǒng)的工作效率進行論述。

本文從聲吶系統(tǒng)的整體角度進行考慮，聯(lián)合實頻數(shù)據(jù)和預(yù)均衡技術(shù)對寬帶聲吶系統(tǒng)進行設(shè)計，使發(fā)射系統(tǒng)在整個工作頻帶內(nèi)達到較高的工作效率和較低的波形失真度。本文首先給出發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計思想，其次對換能器的寬帶匹配電路進行設(shè)計，并對預(yù)均衡器設(shè)計方法進行仿真，最終在消聲水池對發(fā)射系統(tǒng)的匹配效率和發(fā)射波形進行測試。

1發(fā)射系統(tǒng)匹配均衡設(shè)計

1.1基本思想

一般聲吶發(fā)射接收系統(tǒng)的組成如圖1所示，發(fā)射系統(tǒng)由功率放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)和換能器組成。在發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計過程中，多通過設(shè)計合理的匹配電路以改善系統(tǒng)工作效率、帶寬及波形失真度，但實際的設(shè)計效果一般難以達到預(yù)期，計算過程較為復(fù)雜。

圖1　一般聲吶收發(fā)系統(tǒng)組成框圖Fig.1　Block diagram for general sonar transceiver system

為使系統(tǒng)達到高效、寬帶及波形保真的要求，本文首先采用實頻數(shù)據(jù)技術(shù)對換能器的寬帶匹配電路進行設(shè)計，通過合理的參數(shù)設(shè)計以減少換能器的電抗，提升系統(tǒng)的工作效率并擴展帶寬，簡化傳統(tǒng)匹配設(shè)計過程中繁瑣的計算過程。匹配后的系統(tǒng)發(fā)射波形相比匹配前雖有明顯改善，但相比理想波形依然存在較大的失真。因此在匹配電路設(shè)計完成后，再采用預(yù)均衡技術(shù)對發(fā)射系統(tǒng)的沖激響應(yīng)函數(shù)進行準確估計，并構(gòu)造與沖激響應(yīng)互逆的預(yù)均衡器，實現(xiàn)對發(fā)射信號波形的補償，降低發(fā)射波形失真度。通過采用實頻數(shù)據(jù)技術(shù)和預(yù)均衡技術(shù)的聯(lián)合設(shè)計技術(shù)可以有效保證聲吶發(fā)射系統(tǒng)的工作效率、帶寬及波形失真度。

寬帶匹配的基本原理已有很多學(xué)者進行過論述[1-3]，在此不再贅述，下面給出預(yù)均衡技術(shù)的基本思想。為方便定性的研究現(xiàn)做如下假設(shè)：1)水聲信道為理想信道；2)功率放大器、水聽器和測量放大器在信號帶寬內(nèi)幅頻響應(yīng)平坦，相位響應(yīng)線性；3)匹配網(wǎng)絡(luò)和換能器均為線性系統(tǒng)，兩者整體的沖激響應(yīng)函數(shù)為h[n]。

換能器的發(fā)射信號y[n]為理想激勵信號x[n]與匹配網(wǎng)絡(luò)和換能器的沖擊響應(yīng)函數(shù)h[n]的線性卷積:

(1)

(2)

預(yù)均衡原理如圖2所示，理想激勵信號首先經(jīng)過預(yù)均衡器進行預(yù)處理，然后依次通過功放、寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，最后經(jīng)過換能器將信號輻射到水中，此時發(fā)射的信號yeq[n]為均衡后的信號。均衡后的發(fā)射信號與理想激勵信號的差異主要取決于匹配網(wǎng)絡(luò)和換能器的沖激響應(yīng)函數(shù)估計的準確性:

(3)

圖2　預(yù)均衡原理圖Fig.2　Schematic diagram of pre-equalization

以下小節(jié)將結(jié)合具體的通信聲吶的發(fā)射系統(tǒng)的實際需求，對其發(fā)射系統(tǒng)進行設(shè)計。

1.2寬帶匹配電路設(shè)計

1.2.1實頻數(shù)據(jù)技術(shù)

實頻數(shù)據(jù)技術(shù)作為一種計算機輔助設(shè)計技術(shù)在天線寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方面取得了廣泛的應(yīng)用，其核心思想是將待設(shè)計的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)利用其策動點函數(shù)來表示，而系統(tǒng)的功率傳輸增益可以由該函數(shù)和實際的負載阻抗數(shù)據(jù)以簡單的函數(shù)形式表達；然后對該函數(shù)進行優(yōu)化，得到系統(tǒng)的最優(yōu)功率傳輸增益，并給出優(yōu)化后的策動點函數(shù)，由最終的策動點函數(shù)綜合出工程中易于實現(xiàn)的匹配網(wǎng)絡(luò)。實頻數(shù)據(jù)技術(shù)無需負載阻抗的等效電路模型以及解析表達式，也無需選定匹配網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，整個計算過程全部由計算機完成，因此非常適合于實際工程應(yīng)用。實頻數(shù)據(jù)技術(shù)主要包括：原始實頻法、直接實頻法和簡易實頻法。本文采用直接實頻數(shù)據(jù)法對換能器的寬帶匹配電路進行設(shè)計。

對于一般的雙匹配問題如圖3所示，EG為理想電壓源，輸出阻抗為ZG，E為無損二端口匹配網(wǎng)絡(luò)，Zq1為由信號源向負載端看去的匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗，Zq為匹配網(wǎng)絡(luò)的策動點阻抗函數(shù)，負載阻抗為ZL。ρl為復(fù)數(shù)歸一化反射系數(shù)，SG為信號源端的單位歸一化反射系數(shù)，Sin為匹配網(wǎng)絡(luò)輸入端的單位歸一化反射系數(shù)。

圖3　雙匹配連接示意圖Fig.3　Diagram for double matching connection

根據(jù)圖3給出的雙匹配連接示意圖，系統(tǒng)功率傳輸增益(transducer power gain, TPG)表達式為

(4)

由Yarman的理論證明可知[11]，Sin表達式為

(5)

式中：hq(s)滿足hq(s)·hq(-s)=ΕV{Zq(s)}的關(guān)系式，hq(s)與策動點阻抗函數(shù)的實部RB(s2)之間滿足如下關(guān)系式：

(6)

(7)

式中：nq(-s)為Rq(s2)的分子多項式右半平面和jω軸上的根構(gòu)成的胡維茲多項式；b(s)為Rq(s2)的分母多項式左半平面的根構(gòu)成的胡維茲多項式。

故系統(tǒng)的功率傳輸增益表達式唯一地由一個以電阻為終端的匹配網(wǎng)絡(luò)的策動點阻抗函數(shù)Zq(s)所決定，假設(shè)Zq(s)為最小函數(shù)，即滿足Zq(s)=Rq(s)+jXq(s)=Rq(s)+j·Hilbert{Rq(s)}。

因此寬帶匹配的唯一未知問題為Rq(s)表達式。為得到工程中便于實現(xiàn)的匹配電路，采用的有理函數(shù)表達式:

(8)

式中：

(9)

(10)

(11)

采用非線性最小二乘算法優(yōu)化誤差函數(shù)，完成增益優(yōu)化后即可得到匹配網(wǎng)絡(luò)的策動點阻抗函數(shù)Zq(s)，最后將有理函數(shù)進行綜合，得到以電阻為終端的無損寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2匹配電路設(shè)計

現(xiàn)在利用直接實頻數(shù)據(jù)法對某通信系統(tǒng)中的耐壓圓管換能器的匹配電路進行設(shè)計。該換能器使用的工作頻率范圍9～14 kHz，換能器并聯(lián)等效模型下的導(dǎo)吶特性曲線如圖4所示。區(qū)別于傳統(tǒng)的單諧振換能器，該換能器存在多個振動模態(tài)，在工作帶寬內(nèi)阻抗變化劇烈且呈現(xiàn)多峰狀態(tài)。工作帶寬內(nèi)并聯(lián)等效電阻起伏由最小3.95kΩ到最大13.13kΩ，電抗起伏由最小1.02kΩ到最大1.32kΩ。聲吶系統(tǒng)中采用的功放為JYH500A型線性功率放大器，輸出阻抗為50 Ω。

圖4　換能器的導(dǎo)吶特性曲線Fig.4　The admittance curve of the transducer

根據(jù)直接實頻數(shù)據(jù)法的理論，編寫實頻數(shù)據(jù)程序。設(shè)置程序初始參數(shù)：目標(biāo)傳輸增益：T0=0.75；匹配元件數(shù)量：4；匹配帶寬：9～14 kHz；匹配電路的端接電阻50 Ω。導(dǎo)入換能器的阻抗數(shù)據(jù)，給定cj初始值并計算Rq，利用Gewertz法得到匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗Zq，計算功率傳輸增益并得到誤差函數(shù)，利用非線性最小二乘算法對增益進行優(yōu)化，使得功率傳輸增益在要求的帶寬內(nèi)高并且平整。優(yōu)化得到的功率傳輸增益曲線如圖5所示，仿真結(jié)果表明帶寬內(nèi)的功率傳輸增益基本在0.75附近變化，基本符合預(yù)定指標(biāo)。但功率傳輸增益存在較大起伏，特別在11 kHz頻率點附近的傳輸增益較低，主要是由于換能器在帶寬內(nèi)的電阻起伏較大所導(dǎo)致。最終綜合出的寬帶匹配電路原理圖如圖6所示。

圖5　優(yōu)化后的TPG曲線Fig.5　The TPG curve after optimization

圖6　綜合出的匹配電路圖Fig.6　Schematic of broadband matching circuit

1.3預(yù)均衡器設(shè)計

為使設(shè)計出的預(yù)均衡器可以準確地對系統(tǒng)發(fā)射信號進行補償，就必須對發(fā)射系統(tǒng)的沖激響應(yīng)函數(shù)進行精準估計。在通信系統(tǒng)的信道估計方法中，廣泛采用的算法有最小平方(Least squares, LS)算法、最小均方誤差(minimum mean square error, MMSE)算法。近年來，利用壓縮感知(compressed sensing, CS)技術(shù)對稀疏信道沖激響應(yīng)進行估計，得到廣泛的研究并取得了較好的估計效果[12]。本文將發(fā)射系統(tǒng)視為一種廣義信道，選用帶寬為工作頻帶的線性調(diào)頻信號作為訓(xùn)練序列，結(jié)合壓縮感知算法對發(fā)射系統(tǒng)的沖激響應(yīng)函數(shù)進行估計，以此設(shè)計預(yù)均衡器的沖激響應(yīng)函數(shù)，實現(xiàn)發(fā)射信號的均衡。

1.3.1基于OMP的系統(tǒng)沖擊響應(yīng)估計方法

在壓縮感知中，采樣過程是由稀疏度為k的原信號x∈RN和測量矩陣Φ∈RM×N相乘，得到測量向量y∈RM:

(12)

式中Φ=[φ1φ2…φN]。

在沖激響應(yīng)函數(shù)估計中，系統(tǒng)發(fā)射線性調(diào)頻信號作為訓(xùn)練序列，具體信號形式如式(13)所示。其中f1為起始頻率，T為脈沖寬度，N為信號采樣點數(shù)，Δf為信號帶寬。假設(shè)換能器發(fā)射的信號為y，根據(jù)訓(xùn)練序列構(gòu)造測量矩陣Φ，發(fā)射系統(tǒng)的沖激響應(yīng)為h，觀測的噪聲向量為n，則發(fā)射系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系：

(13)

(14)

為有效地重構(gòu)系統(tǒng)沖激響應(yīng)h，需找到合理的重構(gòu)算法。在壓縮感知的重構(gòu)算法中，基于貪婪迭代思想的正交匹配追蹤(orthogonalmatchingpursuit,OMP)算法得到了廣泛的應(yīng)用，OMP算法的基本思想是在每一次迭代過程中從字典中找到和信號最匹配的原子來構(gòu)建原始信號，然后求出信號殘差，并在剩余的原子中繼續(xù)選擇和信號殘差最匹配的原子，經(jīng)過多次迭代后，通過觀測向量和選擇出的原子即可重構(gòu)稀疏信號[13-14]，以下為OMP算法的迭代流程。

2)尋找測量矩陣Φ中與殘差最匹配的原子：

4)利用索引集中現(xiàn)有的原子逼近原始信號：

5)更新殘差信號：

根據(jù)以上所述的OMP重構(gòu)算法可以實現(xiàn)對發(fā)射系統(tǒng)沖激響應(yīng)函數(shù)的估計，再根據(jù)式(2)完成預(yù)均衡器傳遞函數(shù)的設(shè)計并設(shè)計出最終的預(yù)均衡器。

1.3.2仿真分析

為驗證預(yù)均衡器對發(fā)射波形的均衡效果，構(gòu)造帶寬為9～14kHz的發(fā)射系統(tǒng)沖激響應(yīng)函數(shù)，其頻響曲線如圖7中虛線所示，帶內(nèi)的幅度起伏約為6dB。

根據(jù)壓縮感知理論，系統(tǒng)發(fā)射9～14kHz的線性調(diào)頻信號。設(shè)計出的預(yù)均衡器頻響如圖7中實線所示，預(yù)均衡器頻響與發(fā)射系統(tǒng)頻響互補，使得均衡后的發(fā)射信號與理想信號基本一致。圖8為理想信號幅度和預(yù)均衡前后信號幅度的對比曲線，預(yù)均衡器將信號的幅度起伏由6dB降低到0.35dB。圖9為理想信號頻譜和預(yù)均衡前后信號頻譜的對比曲線，均衡后信號的低頻能量得到提升，整體的信號頻譜接近于理想信號。計算均衡前后信號的信號失真比(theratioofthesignal-to-distortion,SDR)以定量給出匹配均衡前后的效果，SDR定義如式為[15]

(15)

式中：PS為根據(jù)Parseval定理計算的理想信號頻域能量，PD為失真信號的頻域能量，PE為理想信號與失真信號的頻域能量差。

圖7　優(yōu)化后的TPG曲線Fig.7　The TPG curve after optimization

圖8　綜合出的匹配電路圖Fig.8　Schematic of broadband matching circuit

圖9　理想信號頻譜與預(yù)均衡后信號頻譜Fig.9　The ideal signal spectrum and the signal spectrum before and after pre-equalization

根據(jù)信號失真比的定義計算得到預(yù)均衡前信號的SDR為3.53，預(yù)均衡后信號的SDR為6.63，均衡后信號SDR較匹配均衡前提高約1.88倍。

仿真結(jié)果表明：基于OMP算法的壓縮感知技術(shù)可以有效地對仿真的發(fā)射系統(tǒng)沖激響應(yīng)進行估計，設(shè)計出的預(yù)均衡器可以有效地減少信號幅度失真度，達到信號均衡的目的。

2水池實驗結(jié)果及分析

在消聲水池構(gòu)建如圖10所示的發(fā)射接收系統(tǒng)，測試聯(lián)合設(shè)計技術(shù)的實際效果。利用信號源Angilent33522產(chǎn)生信號，采用標(biāo)準功放JYH500A進行信號的功率放大，發(fā)射換能器使用1.2.2節(jié)中的耐壓圓管換能器，入水深度5m，距離其水平5m處放置Reson公司標(biāo)準水聽器TC4040進行信號接收，測量放大器為美國PFI的28000信號調(diào)理系統(tǒng)，采集器使用美國NI公司的6733型數(shù)據(jù)采集器。

圖10　水池實驗原理框圖Fig.10　Schematic diagram of pool experiment

2.1實頻數(shù)據(jù)技術(shù)匹配結(jié)果分析

為了考察寬帶匹配電路的匹配效果，構(gòu)造了工程中常用的單電感串聯(lián)匹配電路與之進行對比，諧振頻率為11kHz。圖11給出了不同匹配狀態(tài)下的功放的輸出功率因數(shù)曲線。對于無匹配電路的系統(tǒng)，由于換能器整體呈現(xiàn)容性，在工作頻帶內(nèi)功率因數(shù)在0.1～0.2，功放處于失配狀態(tài)；單點匹配的功率因數(shù)在0.4～1；寬帶匹配的功率因數(shù)在0.68～1。單電感匹配電路僅在諧振點附近10～12kHz有較好的工作效率，而寬帶匹配電路則在7～14kHz頻段內(nèi)均有較好的工作效率，因此寬帶匹配電路更好地改善了發(fā)射系統(tǒng)的工作效率。

圖11　不同匹配方式下功放的輸出功率因數(shù)Fig.11　The output power factors of the power amplifier with different matching modes

2.2 預(yù)均衡前后結(jié)果分析

系統(tǒng)發(fā)射9～14kHz線性調(diào)頻信號，圖12(a)和圖12(b)分別給出了換能器匹配前后的信號幅度曲線和頻譜曲線，相比于理想的線性調(diào)頻信號頻譜，經(jīng)過換能器的發(fā)射信號在頻率9～11kHz處明顯失真。匹配后的信號頻譜表明，寬帶匹配電路對失真的頻率有一定補償作用，但對于9.5、11kHz附近頻率的補償效果不明顯，主要是由于換能器在頻率9.5、11kHz附近的并聯(lián)電阻相對較大，導(dǎo)致匹配效果不佳。

根據(jù)匹配后的換能器發(fā)射波形，采用壓縮感知技術(shù)對系統(tǒng)的沖激響應(yīng)函數(shù)進行估計，構(gòu)造預(yù)均衡器對信號進行均衡。圖12(c)給出了系統(tǒng)匹配均衡前后發(fā)射波形的幅度，實線為匹配均衡前的信號幅度，虛線為匹配均衡后的信號幅度。根據(jù)對比可知，預(yù)均衡器有效地對系統(tǒng)在頻率9.5、11kHz處的能量進行補償，減少了發(fā)射信號的幅度失真，幅度起伏由匹配均衡前的12dB降低為3.3dB。圖12(d)給出匹配均衡前后信號頻譜。根據(jù)信號失真比的定義計算得到的匹配前、匹配后以及匹配均衡后的信號SDR分別為：2.70、4.14、6.76。由數(shù)據(jù)可知：匹配后信號SDR為匹配前信號SDR的1.53倍，而匹配均衡后信號SDR為匹配前信號SDR的2.5倍，反映了匹配均衡技術(shù)對降低系統(tǒng)發(fā)射信號失真度的有效性。

水池測試結(jié)果表明：采用聯(lián)合技術(shù)的發(fā)射系統(tǒng)具有較好的工作效率和較低的波形失真度，驗證了該聯(lián)合技術(shù)的有效性。

(a) 匹配前后的信號幅度　　　　　　　　　　　(b) 匹配前后的信號頻譜

(c) 匹配均衡前后的發(fā)射信號幅度　　　　　　　(d) 匹配均衡前后的發(fā)射信號頻譜 圖12　匹配均衡前后對比效果Fig.12　The contrast effects before and after broadband matching and equalization

3結(jié)論

本文提出了一種設(shè)計寬帶發(fā)射系統(tǒng)的聯(lián)合技術(shù)，首先利用實頻數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計寬帶匹配電路，提高工作效率并擴展工作頻帶，然后采用預(yù)均衡技術(shù)降低匹配后發(fā)射波形的失真度。文中分別討論了實頻數(shù)據(jù)技術(shù)和預(yù)均衡技術(shù)的基本原理，并針對工程中使用多諧振模態(tài)換能器，仿真分析了實頻數(shù)據(jù)和預(yù)均衡器的效果，最后進行了水池試驗。結(jié)果表明：聯(lián)合技術(shù)在保證系統(tǒng)工作效率和匹配帶寬的同時有效降低發(fā)射信號的失真度。該技術(shù)為寬帶高效聲吶發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考方案，具有一定的工程實用價值。但在研究中發(fā)現(xiàn)，實頻數(shù)據(jù)程序在計算過程存在不收斂的情況，此時需要對設(shè)定的匹配參數(shù)進行調(diào)整；同時該方法的計算量相比簡化實頻數(shù)據(jù)法以及參量法較大，在后續(xù)的工作中可以對計算量相對小的算法展開研究。

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本文引用格式：

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收稿日期：2015-05-04.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(50909029,61471138)； 國際科技合作專項(2013DFR20050)；國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會基礎(chǔ)研究基金項目(B2420132004).

作者簡介：王永恒(1988-), 男, 博士研究生; 通信作者：孫大軍, Email:sundajun@hrbeu.edu.cn.

DOI:10.11990/jheu.201504062

中圖分類號：TB565

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)06-0819-07

Broadband sonar transmission system combined with real frequency data and pre-equalization technology

WANG Yongheng1,2， SUN Dajun1,2， LIU Lu1,2， ZHANG Youwen1,2

(1. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China；2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：To address situations that arise in the sonar transmission system, such as low work efficiency, a narrow matching bandwidth, and distortion of the transmitting waveform, we propose a design method for the sonar transmission system that combines the real frequency technology with pre-equalization technology. In contrast to the traditional matching method, the combined method first adopts the direct real frequency technique to design the matching circuit without analyzing the equivalent circuit for the transducer, then uses programming to flexibly adjust the parameters to design a broad matching circuit. In addition, using the broadband linear frequency modulated signal as the training sequence, the optimized design employs an orthogonal matching pursuit (OMP)-algorithm-based compressed sensing technology from the chirp signal to effectively estimate the impulse response function of the transmission system after matching. It then applies these estimates to generate a time domain pre-equalizer to compensate for the transmitted waveform. Water-tank test results show that the optimized transmission system consistently achieves a power factor of more than 0.75 within its working bandwidth, that the maximum amplitude fluctuation of the signals is reduced to 3.3 dB from 12 dB without matching and equalization, and that the signal-to-distortion ratio increases 2.5 times.

Keywords：underwater acoustic transducer; broadband matching circuit; real frequency direct computational technique; pre-equalization; compressed sensing

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-04-21.

孫大軍(1972-), 男, 教授,博士生導(dǎo)師.