基于PXI的水下目标辐射噪声和信号模拟器

　　1 引言

　　在水下自导系统的开发过程中, 需要一种设备模拟目标散射回波, 它能保持目标回波中的幅度、频率、多普勒伸缩等信息。本文介绍了采用虚拟仪器(Virtual Instruments, 简称VI)技术实现了基于PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)总线的水下目标模拟器。它可以模拟海洋噪声、混响和目标回波特性, 在实验中模拟实际情况, 完成自导系统的系统调试和性能测量, 并且目标参数可以根据要求人为设定, 达到灵活、方便、精确、快速的测试系统功能的目的。

　　2 水下目标模拟器的原理

　　水下目标模拟器模拟在海洋环境下水声换能器基阵的接收信号, 可以单独模拟噪声、混响和目标回波信号, 用来调试数字信号处理机和测试自导系统接收机的性能。

　　2.1 噪声的模拟

　　噪声模拟通过给定随机种子、方差等参数产生高斯分布的白噪声, 或者也可以通过噪声数据文件导入具体的实测海洋噪声, 能更好地模拟海洋环境噪声和舰船噪声等干扰。

　　2.2 混响的模拟[1]

　　根据混响的统计特性(混响瞬时值为高斯分布,混响包络为瑞利分布)和频率特性, 采用高斯白噪声通过窄带滤波器, 得到的有色白噪声在与衰减曲线相乘来模拟混响。混响衰减曲线根据体积混响、海面混响和海底混响的不同特性叠加。

　　2.3 信号的模拟[2]

　　根据系统的要求模拟不同的信号形式(如CW,LFM, HFM等)、包络和信号脉冲宽度, 再加入目标方位、距离和多普勒信息。根据要求, 还加入了一些扩展功能, 如扩展信号、双脉冲信号、多频信号和多目标信号等。

　　为了精确模拟目标方位信息, 各阵元延时分为整数部分和小数部分, 整数部分通过平移整数采样点实现, 小数部分通过软件时延实现。

　　由于PXI系统内部只有10MHz时钟, 通过一般功能计数器分频, 可获得的回放时钟频率有限, 不能模拟精度很高的多普勒频移, 为了简化系统设计,对于多普勒信息的模拟, 采用软件采样实现, 即固定回放频率, 根据目标速度计算出相应的软件采样频率, 这样可以实现高精度的多普勒频移模拟。

　　3 基于PXI的水下目标模拟器硬件组成

　　目标模拟器的硬件组成框图如图1所示, 采用NI(NATIONAL INSTRUMENTS)公司的PXI-1000B大功率3U尺寸主机箱, 有8个PXI插槽, 背板总线提供高精度10MHz系统时钟、触发总线和局部总线。控制模块采用嵌入式控制器PXI-8155, 实现目标模拟、硬件仪器资源管理和人机接口功能。采用嵌入式控制器是一种紧凑的工作方式, 能充分利用132MB/s的PCI总线带宽, 提高系统数据吞吐量。

　　数据采集卡采用NI公司的模拟输出模块PXI-6713[3], 一共3块, 完成24通道模拟信号输出, 模拟3*8的平面阵列接收信号。利用PXI总线的高速PCI带宽及精确的测量时钟和触发总线, 能够完成几十通道的高速同步数据回放。PXI-6713提供8通道模拟输出, 最大输出范围-10V~+10V, 最高回放频率1MS/s, 垂直精度12位, 并且有两个32位通用计数器, 8位数字I/O口, 10个可编程功能口PFI0-9和板上专用的DMA通道。