一種水聲目標(biāo)信號(hào)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(shí)，需要安排大量的（湖）海試驗(yàn)，對(duì)裝備的聲系統(tǒng)及總體性能進(jìn)行有效的評(píng)估和檢驗(yàn)。試驗(yàn)需要大量人力、物力和財(cái)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(duì)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(cè)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(duì)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(hào)模擬器，可用于在陸上條件下對(duì)裝備聲系統(tǒng)性能進(jìn)行有效的測(cè)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(duì)接裝置等部分組成。其中聲對(duì)接裝置包括四個(gè)對(duì)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(dòng)工作方式下，系統(tǒng)啟動(dòng)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(shí)、頻移和衰減值，同時(shí)根據(jù)主動(dòng)信號(hào)形式和延時(shí)、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(shí)設(shè)置回放頻率、四路延時(shí)值和信號(hào)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(hào)后，給波形回放模塊發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，波形回放模塊經(jīng)過一定延時(shí)后，產(chǎn)生四路一定強(qiáng)度、相互之間具有一定延時(shí)的目標(biāo)回波模擬信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過功率放大、阻抗匹配后送入四個(gè)對(duì)接換能器，此時(shí)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，聲信號(hào)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(hào)，經(jīng)過分析和處理，得到目標(biāo)的方位和距離信息，從而對(duì)裝備進(jìn)行控制。主動(dòng)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(dòng)工作方式下的仿真系統(tǒng)工作框圖

被動(dòng)工作方式下，系統(tǒng)啟動(dòng)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(hào)后，給波形回放模塊設(shè)置回放頻率、四路延時(shí)值和信號(hào)衰減分貝數(shù)，并給波形回放模塊發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，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(shí)的目標(biāo)噪聲信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過功率放大、阻抗匹配后送入四個(gè)對(duì)接換能器，此時(shí)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，聲信號(hào)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(hào)，經(jīng)過分析和處理，得到目標(biāo)的方位信息，從而對(duì)裝備進(jìn)行控制。被動(dòng)工作方式下的仿真系統(tǒng)工作框圖如圖3所示。

圖3 被動(dòng)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(chǔ)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(shí)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(hào)，DDS電路輸出信號(hào)，目標(biāo)噪聲數(shù)據(jù)，SRAM 的地址和控制信號(hào)，D／A轉(zhuǎn)換時(shí)鐘信號(hào)，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(shí)鐘信號(hào)，將時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過CPLD 處理后產(chǎn)生存儲(chǔ)器地址和相應(yīng)的控制信號(hào)，同時(shí)還作為D／A 時(shí)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(hào)和標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。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(duì)AD9850進(jìn)行并行配制。

3.3 存儲(chǔ)器

在本系統(tǒng)中對(duì)存儲(chǔ)器的要求主要有存儲(chǔ)容量較大（2M字節(jié)），存取速度較快，同時(shí)要求操作簡便，綜合考慮多種存儲(chǔ)器的特性，如Flash 存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)RAM 存儲(chǔ)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(chǔ)器和動(dòng)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(chǔ)器。本設(shè)計(jì)采用SRAM 的型號(hào)為IS62WV 20488BLL。這種型號(hào)的SRAM 存儲(chǔ)時(shí)間短，僅需25ns，完全的靜態(tài)操作，不需要時(shí)鐘和動(dòng)態(tài)更新。存儲(chǔ)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(chǔ)器中讀取的數(shù)字信號(hào)要進(jìn)行D／A 轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。為了模擬不同的回波，還應(yīng)當(dāng)按測(cè)試需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行程控衰減。D／A 轉(zhuǎn)換是信號(hào)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(gè)系統(tǒng)只需要兩片AD9709即可將四路數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。由于AD9709 為電流型輸出，所以在輸出端將信號(hào)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。控制字通過CPLD 進(jìn)行配制。

3.5 PCB設(shè)計(jì)

對(duì)于高速、高精度波形回放模塊，PCB的布局布線是一個(gè)很重要的問題。在系統(tǒng)中如何避免各個(gè)信號(hào)之間的串?dāng)_、如何保證信號(hào)的完整性是整個(gè)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(hào)線與地或電源之間形成一個(gè)緊耦合從而減少信號(hào)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(hào)的功率放大，同時(shí)與對(duì)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(hào)的裝置，它接收來波形回放模塊輸出的魚雷噪聲信號(hào)，對(duì)信號(hào)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(shí)采用推挽放大方式。

功率源與換能器的阻抗匹配有兩個(gè)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(jí)線圈之間的變壓及耦合作用匹配。同時(shí)變壓器還具有隔離作用。

5 聲對(duì)接裝置

聲對(duì)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(duì)接裝置的對(duì)接換能器基陣轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，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(duì)接裝置主要由對(duì)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(duì)接裝置在技術(shù)上必須保證以下要求：

1）保證對(duì)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(duì)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(hào)耦合處于最佳狀態(tài)。

3）對(duì)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(duì)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(chǔ)器部分

1）存儲(chǔ)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(shí)；

MTTR＜0.5小時(shí)。

7 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的水聲目標(biāo)信號(hào)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(cè)試，由于系統(tǒng)采用聲對(duì)接方式，與裝備之間沒有任何電連接，不會(huì)對(duì)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(cè)，有較大的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

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