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基于DDS技术的声纳信号模拟器
摘要：提出一种基于DDS技术的数字化通用声纳信号模拟器的实现方案。通过控制DDS器件输出信号的幅度和相位来模拟成像声纳基阵的输出，可以对任意距离和方位上目标回波进行精确的模拟，并可以模拟运动目标的回波信号。讨论了多通道信号模拟器在设计和实现中的具体的问题。关键词：声纳 波束形式 DDS CPLD
近年来随着海洋开发和海军技术的发燕尾服，声纳设备的研究越来越受重视。但是由于水声设备试验通常需要适宜的水声环境，例如消声水池、湖泊或海洋等，因而试验的复杂性和成本都较高。为了能在普通实验室环境中模拟目标回波信号，需要针对各种声纳设备的要求设计专用的声纳信号模拟器。
1 声纳信号模拟器的基本原理
1.1 波束形成原理简介
本文旨在研制适用于某种高分辨率成像声信号模拟器。该成像声纳接收声基阵采用48元等间隔线阵，工作频率800kHz，作用距离0.5～25米，角度分辨率为0.35°。成像声纳对接收基阵信号进行波束形成，从而实现声图像的获取。声纳波束形成的基本原理如图1所示。
图1是远场时等间隔线阵接收回波信号的示意图。入射声波与基阵法线方向成θ角平行入射，基元从左至右顺序编号为1、2、…i、t+1、…N，基元间距为d。如果选取1号基元为时间参考点，其接收到的信号为Acos2πft，那么相邻两个基元间存在声程差Δ=dsinθ，因此第i个基元接收到的信号为：
si(t)=Acos{2πf[t+(i-1)dsinθ/c]} （1）
其中c为声速。由于成像声纳是窄带主动声纳，所以I基元与1号基元接收信号间的相位差是φi=2π(i-1)d/λsinθ，其中λ为波长。因此要想使线阵定向在θ0方向上，只需将第i个基元的信号延时τi(θ0)=2π(i-1)d/λsinθ0即可。
以上是线阵波束形成的基本原理，但这只是远场情况下的近似。对于近场条件，这样的近似产生的误差会很大。对于本文中的高频成像声纳，由于全部工作范围均属近场条件，所以波束形成时必须采用聚焦方法。其基本原理同上，只是对每个基元信号进行的延迟（或移相）不成线性关系，本文对此不做详述。
1.2 声纳信号模拟器原理
用于成像声纳的信号模拟量一般通常数与基元个数相同，每个通道的输出模拟声纳基阵中一个基元的信号。由于成像声纳工作距离较近，并且水声环境中高频段的噪声级很低，因而接收信噪比通常较高。出于这样的考虑，信号模拟器的输出中就不额外加入噪声。成像声纳工作在较强的混响环境中，由于混响的模拟比较困难，并且对成像的影响并不严重，因而在设计中也不考虑对混响的模拟，只专注于模拟近场目标回波。
根据用户输入的要模拟的点目标的方位和距离，信号模拟器计算出相应的目标回波到达接收基阵各个基元的相位差，然后按照这些相位差产生相应的多路正弦信号。将这些信号加到成像声纳的输入端，代替真实的基阵输出，这样就可在陆上试验室条件下方便地对成像声纳进行调试和测量。
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