CN110113018B - 基于水下背景强度的增益自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接收机技术领域内的基于水下背景强度的增益自动控制系统，包括信号调整采集模块、FPGA控制处理器、增益控制模块；所述信号调整采集模块用于对回波信号的调整与采集；所述FPGA控制处理器用于对各接收通道实时采集的数据进行运算处理，通过确定延迟补偿系数与增益补偿强度，得到增益控制的数字量；所述增益控制模块用于将增益控制的数字量转换为模拟信号，实现对增益执行控制产生的延迟进行有效补偿。本发明能够满足近海复杂环境强混响区域下，对慢速小目标回波信号的信噪比裕度空间最大化。

Description

基于水下背景强度的增益自动控制系统

技术领域

本发明涉及接收机技术领域，特别涉及一种基于水下背景强度的增益自动控制系统。

背景技术

随着水下接收机数字化更加趋向于接收前端的发展趋势，针对接收前端小信号在复杂背景下的前端处理就显得极为关键，考虑到近海水文环境复杂，近距离声波的非线性传播损失等因素，近海区域的强混响干扰对慢速小目标回波信号的提取往往产生极为重要的影响。

现常用的方法是通过时间增益控制的方法来补偿回波信号的传播损失，需要进行增益补偿的曲线是根据以距离为参数的指数衰减曲线进行补偿计算的，通过将预先计算好的增益补偿数据进行保存，在接收通道工作时按照时间和距离的对应关系进行同步增益补偿，从而达到接收增益与传播损失相互抵消的目的，文献“鲁东.一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统及方法:中国,201610421571.1[P].2016-06-16”，公开了一种多波束测深声纳回波信号增益控制系统及方法，通过闭环控制方式，对模拟数字转换器的输出值与参考值进行比较，跟踪输入信号幅度波动而自动调整增益，保证接收机在输入信号动态范围很大时输出电平能够在合适的范围，但慢速小目标探测设备与测深仪在探测目标对象上有本质性区别，测深仪声波发射角度是向下，受声速梯度影响较小，只需要稳定接收到海底反射的回波信号即可计算出深度信息，而在近海复杂环境背景下，海底未知地形和不明沉积物、海水中漂浮的物体、信标锚链等干扰物，都将会对慢速小目标探测设备在水平方向上探测开角范围内的回波信号检测造成影响；文献“杨康，杨成，夏伟杰.成像声呐TVG/AGC电路的设计与实现[J].电子测量技术，2014,3(37)：5-9”，针对多波束成像声呐系统接收机前端对小信号的放大和对抗混响能力的要求，提出了一种幅度归一化的TVG/AGC增益控制方案，通过设置TVG粗调模式用于补偿时间距离的回波损失，设置AGC细调模式根据采集的回波信号自动调整系统的增益以达到将信号调理至ADC的工作范围，仅仅是对回波信号进行了距离传输损失的增益补偿和根据ADC采集范围大小而进行判断补偿的归一化处理，没有闭环负反馈控制环节对目标回波方向通道的接收增益量进行控制，没有对连续回波信号强度进行预测与估计，对于从回波信号强度判断到增益控制执行产生的延迟未进行补偿，无法将回波信号的信噪比最大化，对于慢速小目标在不同频率下易产生不均匀散射的特性，回波信号中的突变背景噪声极易将小目标信号淹没，从而产生在一段时间内目标信号丢失的现象，此外，参考文献中的增益补偿范围为0dB～40dB的正增益区间，对于近距离强背景噪声或近海区域未知物体产生的混响无法进行有效的增益衰减抑制，极易产生回波信号突变、限幅等现象，造成区域性探测盲区。

综上所述，由于慢速小目标回波信号的特点，在近海复杂环境的强混响区域下，需要根据周围的实际环境背景及区域性的强混响反射强度来进行实时预测和估计，对实时采集到的回波信号进行处理，在执行增益补偿时，对控制执行单元产生的延迟进行时间补偿，形成闭环负反馈增益控制机制，从而保证慢速小目标回波信号具有持续稳定的信噪比，而现有方法仅仅局限于时间对应的距离补偿和回波信号进行ADC转换时电压幅度的范围限制，不适用于浅海复杂环境的强混响类特殊环境。

经对现有技术的检索，中国发明专利CN200810240960.X，发明名称为一种增益自动控制的方法和系统，该方法可以包括：设定信号目标幅度门限；接收模拟的语音信号，根据增益初始值放大所述模拟信号，以及将所述放大后的模拟信号变换为数字语音信号采样点序列；计算所述采样点序列中各数字语音信号采样点的能量值，以及对所述能量值进行统计，根据统计值和所述目标幅度门限的比较结果，输出增益变化控制信号；当触发放大器增益变化时，根据所述增益变化控制信号调整放大器的最终增益。本发明避免了由于数字语音信号幅度突变量较大而产生的明显噪声，从而提高通话双方的满意度和舒适度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于水下背景强度的增益自动控制系统。本发明采用FPGA控制处理器对各接收通道实时采集的数据进行运算处理，通过确定延迟补偿系数达到在背景强度突变情况下，对增益执行控制产生的延迟进行有效补偿的作用，避免了在近海混响区域内，目标信号从低杂波的开阔水域，进入区域性强背景干扰的混响区产生回波信号限幅的现象和从高强度背景噪声区域，突然进入吸声系数较高或背景噪声极低的区域，产生回波信号丢失的现象；同时通过快速傅里叶变换求得的带宽内信号强度确定的增益补偿强度大小可将慢速小目标回波信号的信噪比裕度空间最大化，在背景噪声为非线性复杂情况下，只有将回波信号的信噪比最大化才能满足后续处理及发现跟踪对目标信噪比连续、稳定的要求。

本发明涉及一种基于水下背景强度的增益自动控制系统，包括信号调整采集模块、FPGA控制处理器、增益控制模块：

所述信号调整采集模块，用于对回波信号的调整与采集；

所述FPGA控制处理器，用于对各接收通道实时采集的数据进行运算处理，通过确定延迟补偿系数与增益补偿强度，得到增益控制的数字量；

所述增益控制模块，用于将增益控制的数字量转换为模拟信号，实现对增益执行控制产生的延迟进行有效补偿。

优选的，所述信号调整采集模块依次通过前级放大电路、压控增益放大器、模拟滤波器、后级放大电路以及AD采集电路实现对回波信号的调整采集。

优选的，所述FPGA控制处理器通过对各接收通道实时采集的数据进行间隔时间内的累加并将累加结果进行保存，将当前时间间隔内的累加值与前一个间隔时间采集数据的累加值相减，根据差值确定延迟补偿系数。

优选的，所述延迟补偿系数的初始值是根据接收系统标准正弦信号满量程有效值作为基准，若当前累加值大于前一个间隔的累加值则降低延迟补偿系数，反之则增大延迟补偿系数。

优选的，所述延迟补偿系数的控制精度通过提高采样率，减少累计相加的时间间隔实现。

优选的，所述FPGA控制处理器通过对各接收通道实时采集的数据进行倍频化并行数字滤波处理，将滤波处理后的各通道数据分别按照时间间隔进行快速傅里叶变换，对带宽区间内各个频率点的信号强度求和，并将当前求和结果保存后与上一个时间间隔结果相减，根据差值确定增益补偿强度。

优选的，所述增益补偿强度是以中心频率点的信号强度作为基准，若当前时间间隔计算值大于前一个间隔的计算值则降低增益补偿强度，反之则增大增益补偿强度。

优选的，所述增益补偿强度的控制精度通过提高FPGA工作倍频速率，增加参与快速傅里叶变换的数据包数实现。

优选的，所述增益控制的数字量是通过将所述延迟补偿系数与所述增益补偿强度值相乘得到的增益控制输出量，经增益控制输出器对增益控制输出量归一化处理后得到增益控制的数字量。

优选的，所述增益控制模块通过DAC电路和压控增益放大电路将增益控制的数字量转换为模拟信号，经线性光耦隔离后输出给各通道对应的压控增益放大电路。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、通过确定延迟补偿系数，达到在背景强度突变情况下对增益执行控制产生的延迟进行有效补偿的作用，避免了在近海混响区域内目标信号从低杂波的开阔水域，进入区域性强背景干扰的混响区产生回波信号限幅的现象，以及从高强度背景噪声区域突然进入吸声系数较高或背景噪声极低的区域产生回波信号丢失的现象。

2、通过确定增益补偿强度大小，可将慢速小目标回波信号的信噪比裕度空间最大化，满足在背景噪声为非线性复杂情况时的后续处理，以及对发现跟踪目标信噪比连续、稳定的要求。

附图说明

图1是本发明处理流程框图

图2是本发明增益延迟补偿系数处理流程框图；

图3是本发明增益补偿强度处理流程框图；

图4是本发明增益控制输出执行流程框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

为了解决现有的增益控制方法无法满足于近海复杂环境的强混响区域下，对慢速小目标回波信号信噪比稳定、连续的要求，本发明提出了一种基于水下背景强度的增益自动控制系统，其基本原理阐述如下：

参照附图1、图2、图3和图4，通过信号调整采集模块依次通过前级放大电路、压控增益放大器、模拟滤波器、后级放大电路以及AD采集电路实现对回波信号的调理采集。

通过利用一块高性能FPGA对各接收通道实时采集的数据进行间隔时间内的累加并将累加结果进行保存，将当前时间间隔内的累加值与前一个间隔时间采集数据的累加值相减，根据差值确定延迟补偿系数，与此同步并行进行的处理还有对各接收通道实时采集的数据进行倍频化并行数字滤波处理，将滤波处理后的各通道数据分别按照时间间隔进行快速傅里叶变换，对带宽区间内各个频率点的信号强度求和，并将当前求和结果保存后与上一个时间间隔结果相减，根据差值确定增益补偿的强度大小，将增益补偿的强度值与延迟补偿系数相乘得到的增益控制输出量进行归一化处理后，得到增益控制的数字量。

通过DAC电路和压控增益放大电路将增益控制的数字量转换为模拟信号，经过线性光耦隔离后输出给各通道对应的增益放大电路，实现对增益执行控制产生的延迟进行有效补偿。

根据上述基本原理，本实施例针对近海慢速小型目标探测，可及时探测定位发现并稳定跟踪水下慢速小目标，接收机共有60路接收通道，一个扇面的方位分辨率为6°，信号的中心频率为160KHz，带宽为10KHz，工作周期为1s，按照1500m/s的水中声速传播标准，600m探测量程需要花费0.8s；具体步骤如下：

1、以一块Xilinx公司V5系列的XC5VSX95T高性能FPGA作为控制处理器，对由6块采集调理板组成的60路接收通道进行同步采集，每块采集调理板上10个通道的采集电路分别由18位ADC芯片AD7690组成，采样频率为320kHz，实时采集的数据按照40包数据125us的时间间隔进行累加，将累加后的结果保存至寄存器，并将当前结果与前一个间隔时间采集数据的累加值相减，根据差值确定延迟补偿系数，其中延迟补偿系数初始值的确定是根据接收系统标准正弦信号满量程有效值即峰值的0.707倍作为基准，此时延迟补偿系数为1，若当前累加值大于前一个间隔的累加值则降低延迟补偿系数，反之则增大延迟补偿系数，具体流程见附图2，此外可通过提高采样率，减少累计相加的时间间隔来提高延迟补偿系数的控制精度；

2、对60路接收通道实时采集的数据进行32倍频并行数字滤波处理，滤波器设置带宽为10KHz，带外抑制为-40dB，上、下频的截止频率分别为145KHz和175KHz，将滤波处理后的60路通道数据分别按照256包数据800us的时间间隔进行快速傅里叶变换，对带宽区间155KHz至165KHz内各个频率点的信号强度求和，并将当前求和结果保存后与上一个时间间隔结果相减，根据差值确定增益补偿的强度大小，其中增益补偿强度初始值是通过选取160KHz中心频率点的满量程正弦信号，分别灌入各接收通道，按时间间隔进行快速傅里叶变换后，以160KHz中心频率点的信号强度作为增益补偿强度的基准，若当前时间间隔计算值大于前一个间隔的计算值则降低增益补偿强度，反之则增大增益补偿强度，具体的处理流程见附图3，此外可通过提高FPGA工作倍频速率，增加参与快速傅里叶变换的数据包数，来提高增益补偿强度的控制精度；

3、将增益补偿的强度值与延迟补偿系数相乘得到的增益控制输出量，通过增益控制输出器按照DAC芯片位数进行满量程归一化处理后，通过由AD5449搭建的DAC电路和VCA810压控增益放大电路将增益控制的数字量转换为模拟信号，DAC芯片输出电压为12位控制精度，VCA810通过0V至-2V电压线性控制-40dB至+40dB增益范围，经过FPGA同步控制的各路DAC电路的模拟输出范围可通过调理电路进行等比例调整，最终得到的增益控制模拟电压信号通过线性光耦LOC111P隔离后，分别输出给60路接收通道对应的增益放大电路，具体的处理流程见附图4，FPGA控制处理器内部结构及处理流程参考图1。

综上所述，本发明采用FPGA控制处理器对各接收通道实时采集的数据进行运算处理，通过确定延迟补偿系数达到在背景强度突变情况下，对增益执行控制产生的延迟进行有效补偿的作用，避免了在近海混响区域内，目标信号从低杂波的开阔水域，进入区域性强背景干扰的混响区产生回波信号限幅的现象和从高强度背景噪声区域，突然进入吸声系数较高或背景噪声极低的区域，产生回波信号丢失的现象；采用FPGA控制处理器对通过快速傅里叶变换求得的带宽内信号强度确定的增益补偿强度大小可将慢速小目标回波信号的信噪比裕度空间最大化，在背景噪声为非线性复杂情况下，只有将回波信号的信噪比最大化才能满足后续处理及发现跟踪对目标信噪比连续、稳定的要求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种基于水下背景强度的增益自动控制系统，其特征在于，包括信号调整采集模块、FPGA控制处理器、增益控制模块：

所述信号调整采集模块，用于对回波信号的调整与采集；

所述FPGA控制处理器，用于对各接收通道实时采集的数据进行运算处理，通过确定延迟补偿系数与增益补偿强度，得到增益控制的数字量；

所述增益控制模块，用于将增益控制的数字量转换为模拟信号，实现对增益执行控制产生的延迟进行有效补偿；

所述FPGA控制处理器通过对各接收通道实时采集的数据进行间隔时间内的累加并将累加结果进行保存，将当前时间间隔内的累加值与前一个间隔时间采集数据的累加值相减，根据差值确定延迟补偿系数；

所述延迟补偿系数的初始值是根据接收系统标准正弦信号满量程有效值作为基准，若当前累加值大于前一个间隔的累加值则降低延迟补偿系数，反之则增大延迟补偿系数；

所述FPGA控制处理器通过对各接收通道实时采集的数据进行倍频化并行数字滤波处理，将滤波处理后的各通道数据分别按照时间间隔进行快速傅里叶变换，对带宽区间内各个频率点的信号强度求和，并将当前求和结果保存后与上一个时间间隔结果相减，根据差值确定增益补偿强度；

所述增益补偿强度是以中心频率点的信号强度作为基准，若当前时间间隔计算值大于前一个间隔的计算值则降低增益补偿强度，反之则增大增益补偿强度。

2.根据权利要求1所述的基于水下背景强度的增益自动控制系统，其特征是，所述信号调整采集模块依次通过前级放大电路、压控增益放大器、模拟滤波器、后级放大电路以及AD采集电路实现对回波信号的调整采集。

3.根据权利要求1所述的基于水下背景强度的增益自动控制系统，其特征是，所述延迟补偿系数的控制精度通过提高采样率，减少累计相加的时间间隔实现。

4.根据权利要求1所述的基于水下背景强度的增益自动控制系统，其特征是，所述增益补偿强度的控制精度通过提高FPGA工作倍频速率，增加参与快速傅里叶变换的数据包数实现。

5.根据权利要求1所述的基于水下背景强度的增益自动控制系统，其特征是，所述增益控制的数字量是通过将所述延迟补偿系数与所述增益补偿强度值相乘得到的增益控制输出量，经增益控制输出器对增益控制输出量归一化处理后得到增益控制的数字量。

6.根据权利要求1所述的基于水下背景强度的增益自动控制系统，其特征是，所述增益控制模块通过DAC电路和压控增益放大电路将增益控制的数字量转换为模拟信号，经线性光耦隔离后输出给各通道对应的压控增益放大电路。