水中超声波接收机自动增益和信号处理技术
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摘要
火箭深弹是传统、有效的常规反潜武器，特别是它非常适合近海反潜。本文以火箭深弹新型多作用体制引信为应用背景，主要就引信声近炸模块主动超声波探测接收机信号处理电路进行了研究，目的是提高接收机对回波的处理能力，从而提高引信探测目标能力和近炸精度。
首先分析了火箭深弹新型引信声近炸模块的工作原理，对影响引信声近炸性能的因素作了研究，着重研究了增强超声波探测收机性能的关键技术，即接收机自动增益和信号处理技术。
本文在分析自动增益控制AGC原理的基础上，采用集成运放OP37和数控增益衰减器AD7111A设计可数字控制的可变增益运放模块；采用高速A／D转换器LTC1405作为回波信号检测模块；采用复杂可编程逻辑器件CPLD作为核心控制模块，构成数字自动增益控制电路，并设计粗调和细调步进控制相结合的算法，对回波信号的增益进行精确而快速的调节控制，使回波信号振幅快速稳定在设计指标范围内，利于接收机后续信号处理电路对回波信号作进一步的处理。对该增益控制算法作了功能仿真和性能分析，验证了其可行性。
在分析信号混频原理基础上，设计基于CPLD的数字混频器；通过对混频后的带通滤波器设计的探讨，采用LTC1068单元式开关电容滤波部件设计了具有高选择性的带通滤波器，获得频谱纯净的多普勒频偏信号，利于后续检波电路对回波识别，提高接收机对回波的处理能力。
本文对接收机信号处理电路的研究设计，能够达到预期的目的，对今后的进一步研究火箭深弹声近炸引信具有一定的参考价值。
Rocket depth charge is traditional and efficient weapon for attacking submarine, especially in offing. On the background of the new rocket depth charge multifunction fuze, the signal processing circuit of ultrasonic detection receiver is studied. The aim of this dissertation is to improve the performance of the receiver.
Firstly the theory of the ultrasonic proximity module in new fuze is analysed. The factors which affect performance of the proximity fuze are studied. Especially, the technology of Automatic Gain Control and signal processing are studied which are key factors working on the performance of the receiver.
Based on analyzing the theory of automatic Gain Control, operational amplifiers 0P37 and logarithmic D/Aconverter AD7111A are used to design variable gain amplifiers which can be controlled numerally, A/D convector LTC1405 is Used to test the echo, Complex Programmable Logic device is used for controller, and an arithmetic is designed for automatic Gain Control which is simulated and analyzed in order to test its feasibility.
Basedon studying the theory of mixer, a digital mixer is designed with Complex Programmable Logic device. After studying thefilter, filter building blocks LTC1068 is taken to design the filter which has good selectivity. It is good for the receiver to detect the echo.
The design of signal processing circuit in this paper can achieve anticipative purpose in the ultrasonic detection receiver of the new rocket depth charge multifunction fuze and it offers definite reference value to farther research of ultrasonic proximity fuze.
首先分析了火箭深弹新型引信声近炸模块的工作原理，对影响引信声近炸性能的因素作了研究，着重研究了增强超声波探测收机性能的关键技术，即接收机自动增益和信号处理技术。
本文在分析自动增益控制AGC原理的基础上，采用集成运放OP37和数控增益衰减器AD7111A设计可数字控制的可变增益运放模块；采用高速A／D转换器LTC1405作为回波信号检测模块；采用复杂可编程逻辑器件CPLD作为核心控制模块，构成数字自动增益控制电路，并设计粗调和细调步进控制相结合的算法，对回波信号的增益进行精确而快速的调节控制，使回波信号振幅快速稳定在设计指标范围内，利于接收机后续信号处理电路对回波信号作进一步的处理。对该增益控制算法作了功能仿真和性能分析，验证了其可行性。
在分析信号混频原理基础上，设计基于CPLD的数字混频器；通过对混频后的带通滤波器设计的探讨，采用LTC1068单元式开关电容滤波部件设计了具有高选择性的带通滤波器，获得频谱纯净的多普勒频偏信号，利于后续检波电路对回波识别，提高接收机对回波的处理能力。
本文对接收机信号处理电路的研究设计，能够达到预期的目的，对今后的进一步研究火箭深弹声近炸引信具有一定的参考价值。
Rocket depth charge is traditional and efficient weapon for attacking submarine, especially in offing. On the background of the new rocket depth charge multifunction fuze, the signal processing circuit of ultrasonic detection receiver is studied. The aim of this dissertation is to improve the performance of the receiver.
Firstly the theory of the ultrasonic proximity module in new fuze is analysed. The factors which affect performance of the proximity fuze are studied. Especially, the technology of Automatic Gain Control and signal processing are studied which are key factors working on the performance of the receiver.
Based on analyzing the theory of automatic Gain Control, operational amplifiers 0P37 and logarithmic D/Aconverter AD7111A are used to design variable gain amplifiers which can be controlled numerally, A/D convector LTC1405 is Used to test the echo, Complex Programmable Logic device is used for controller, and an arithmetic is designed for automatic Gain Control which is simulated and analyzed in order to test its feasibility.
Basedon studying the theory of mixer, a digital mixer is designed with Complex Programmable Logic device. After studying thefilter, filter building blocks LTC1068 is taken to design the filter which has good selectivity. It is good for the receiver to detect the echo.
The design of signal processing circuit in this paper can achieve anticipative purpose in the ultrasonic detection receiver of the new rocket depth charge multifunction fuze and it offers definite reference value to farther research of ultrasonic proximity fuze.
引文
1 孙霞，廖小刚．从深海反潜到濒海反潜—美军盯上了柴电潜艇．环球军事，2005(11)
2 高月．亚太暨中国周边水下战力透析．周边军情，2006．03
3 夏志军．火箭式深弹武器系统的现状与发展．舰载武器，2002(2)：41-45
4 任道南，商旭升．深弹攻潜今与昔．现代舰船，1999(12)
5 俞承涤．舰用火箭深弹打击水面和陆上目标的火控方案和效果探讨．舰船科学技术，1997(4)
6 孙荣忠，孙冬余．舰载武器的最新发展趋势．舰载武器，2002(4)
7 吴运发．国外水面舰艇反鱼雷技术的现状和发展简介．声学技术，1999(1)
8 李豪杰．反潜深弹采用不同体制引信抗击潜艇的系统分析研究：[学位论文]．北京：北京理工大学，1998
9 Darrell A. Bymoen. Depth Charge. US3875863, 1975
10 Guenter Backstein, Meerbuschdeng. Dual Underwater Safety Fuze. US4311097, 1982.
11 骆传骊．俄罗斯“强风”系列火箭式深水炸弹．舰船论证参考，1999(1)
12 胡风年，潘铁牛等．引信技术实践．第一版．北京：国防工业出版社，1998
13 Sten E. Depth Charge fuze. US3875863, 1975
14 冀河军．新型深水炸弹研制方案设想．水雷战与舰船防护，2003(12)
15 张晓西．DVB-C接收机中AGC的算法研究及仿真：[学位论文]．武汉：武汉科技大学，2005
16 陈荷娟．浅海近距声探测技术研究：[学位论文]．北京：北京理工大学，2001
17 石建．浅海水声信号处理与电路设计：【学位论文】．南京：南京理工大学，2001
18 赵国库．引信水中超声波探测技术研究：【学位论文】．南京：南京理工大 2005
19 张永录、梁丽．深弹武器可实现功能分析．飞航导弹，2003(12)：32-35
20 韩静．潜艇回声特性模拟研究．舰船科学技术．2002(2)：53-54
21 李正刚．潜艇目标尺度模拟方法与技术研究．声学技术．1997(2)：90-93
22 Urick R. J. ,A. G. Pieper. Determination of Target strength of a Submarine by a New Method. Office of Naval Research Information Report. 1972
23 Reid G. N. Identification of Underwater Targets via Active Sonar. AD-A279824,1993
24 吴志刚、李兵兵等．QAM接收机自动增益控制电路的设计．现代电视技术， 2006．5：98—100
25 曹鹏、费元春．大动态宽带数字中频AGC系统的设计．北京理工大学学报，2003．10(5)
26 王峰、王建强等．高精度声纳信号预处理系统的研究．数据采集与处理，2002，17(1)：81-84
27 李悦丽、薛国义．雷达数字AGC技术的工程实现．电子工程师，2004，30(12)：15-17
28 傅晓云．利用AD7111实现宽范围的自动增益控制．电子技术，2000(4)：57-59
29 高俊、张玉兴．使用AD603和AD8318实现大动态范围IF接收机．现代电子技术，2006(5)：25-27
30 喻斌、陈军波等．数字AGE的分析和设计．桂林电子工业学院学报，2003(5)：35-37
31 高俊峰、张中祥等．星载SAR二维AGE的FPGA实现．数据采集与处理，2006(3)
32 郑翔、张文强、周志林．一种AGC算法的设计与实现．电视技术，2006(2)：164-167
33 谢洪森、欧跃民．一种步进式数控AGC电路的设计．电子工程师，2001(7)：44-49
34 熊鹰．一种程控增益低噪声水声接收机的设计．海洋技术，2001，20(2)：12-14
35 杨稳积．一种可变带宽模拟信号预处理电路设计．鱼雷技术，2006，14(4)：46-49
36 王维建、马晓川等．一种新型低频水声信号数据采集存储系统设计．测控自动化，2006，22(10-1)：250-252
37 鲁晓华、杨印保、曹晓平．一种应用于超声波流量计中的高可靠性的电路设计．仪表技术，2005(5)：78-79
38 李铭祥、葛建民等．移动通信中AGC中放电路的设计与实现．上海大学学报，2004，10(2)：126-128
39 黄秀琼．用于脉冲多普勒雷达的高速数字自动增益控制DAGC系统．电讯技术，2000(4)．7-9
40 蔡凌云等．自动增益控制技术应用．电子工程师，2002，28(4)：22-24
41 刘玉良、李玲远．软件无线电中正交数字混频器的设计与硬件实现．单片机与嵌入式系统应用．2003
42 黄仰博、孟繁志．基于FPGA的数字下变频器设计．微处理机．2005(6)：76-79
43 符策．软件数字下变频器的算法．交通运输工程学报．2004，4(2)：119-122
44 贾雪琴、李强等．数字下变频的FPOA实现．仪表技术与传感器．2006(1)：56-58
45 宛汀．多子弹无线装定技术：[学位论文]．南京：南京理工大学，2006
46 王世一．数字信号处理．第二版．北京：北京理工大学出版社，1997
47 王宏．MATLAB6．5及其在信号处理中的应用。第一版．北京：清华大学出版社，2004
48 胡寿松．自动控制原理。第四版．北京：科学出版社，2001
49 曾兴雯、刘乃安、陈健．高频电路原理与分析．第三版。西安：西安电子科技大学出版社，2001
50 高如云、张企民等．通信电子线路．第二版．西安：西安电子科技大学出版社，2003
51 饶志强、叶念渝．FIR和IIR数字滤波器探讨与实现．计算机与数字工程．2005，33(7)
52 曹斌芳等．一种改进型的FIR数字滤波器设计．现代电子技术．2006，(4)：3-8
53 谢卫博．数字带通滤波器的MATLAB设计．通信与测控．2005(110)：33-37
54 张晓光等．IIR数字滤波器的优化设计和DSP实现．电子工程师．2006，32(3)：37-39
55 柴政、任海平．关于数字滤波器设计方式的探讨．通信电源技术．2007，24(1)：33-35
56 齐海兵等．基于FPGA的数字滤波器的设计与实现．现代电子技术．2006(15)
57 张进、苏凯雄．基于FPGA的正交数字混频器中数控振荡器的设计与实现．电子设计与应用．2005．6
58 叶展、张邦宁、郭道省．软件无线电中数字混频电路的设计与FPGA实现．军事通信技术．2005，26(1)：36-40
59 李建培．数字化接收机．电子工程．2002(1)：23-27
60 尤立克著，洪申译．水声原理．第一版．哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1990
61 谢红等．CORDIC算法在软件无线电中的应用．应用科技．2006，33(7)：30-33
62 杨灵等．基于高效抽取滤波器的数字下变频设计．华中科技大学学报．2006，34(6)
63 李鸿翔．可编程数字下变频器的关键技术．遥测遥控．2003，24(2)：19-22
64 韩庆帮、林书玉等．一种简易的T型匹配网络的设计．压电与声光．1996， 18(5)：319-321
65 崔坤征、罗均等．一种用于动态障碍物的超声波系统的研制．机电工程．2005，22(6)：44-48
66 AD7111A Data Sheet, Analog Devices Integrated Products, 1999
67 LTC1405 Data Sheet, Linear Technology Corporation. Products, 2001
68 LTC1068 Data Sheet, Linear Technology Corporation. Products, 2006
2 高月．亚太暨中国周边水下战力透析．周边军情，2006．03
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42 黄仰博、孟繁志．基于FPGA的数字下变频器设计．微处理机．2005(6)：76-79
43 符策．软件数字下变频器的算法．交通运输工程学报．2004，4(2)：119-122
44 贾雪琴、李强等．数字下变频的FPOA实现．仪表技术与传感器．2006(1)：56-58
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54 张晓光等．IIR数字滤波器的优化设计和DSP实现．电子工程师．2006，32(3)：37-39
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