第２３卷第５期 ２０１５年１０月 鱼 雷 技 术
ＴＯＲＰＥＤＯ ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ ＶＯ１．２３ ＮＯ．５
０ｃｔ．２０ｌ５
ＤＯＩ：１０．１１９９３８．ｉｓｓｎ．１６７３—１９４８．２０１５．０５．００３
多通道声呐接收机幅度相位误差补偿方案
陈 发 一， 李永胜１， 吕林夏 （１．中国船舶重工集团公司第７０５研究所，陕西西安，７１００７５；２．水下信息与控制重点实验室，陕西西安， ７１００７５）
摘要：多通道声呐接收机的预处理电路由于器件的不一致性，会给后端信号处理带来幅相一致性固定偏差。通 过对信号参数测量方法的研究，受多通道雷达幅相均衡的启发，提出了一种基于快速傅里叶变换（ＦＦＴ）的误差补 偿方案，采用ＦＦＴ测量固定偏差和输入水声信号频率，通过复数相乘实现补偿。该方案为一附加现场可编程门阵 ￣［Ｊ（ＦＰＧＡ）模块，对接收机原结构没有影响。仿真结果表明，补偿后的输出信号幅度误差小于１％，相位误差小于 １。，且校正附加延时非常小。 关键词：多通道声呐接收机；幅相均衡；快速傅里叶变换；现场可编程门阵列 中图分类号：ＴＪ６３０．３４；ＴＢ５６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３．１９４８（２０１５）０５－０３３２—０６
Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ－Ｐｈａｓｅ Ｅｒｒｏｒ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉ．Ｃｈａｎｎｅｌ Ｓｏｎａｒ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ
ＣＨＥＮＦａ ，ＬＩ Ｙｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ ， Ｌｉｎ－ｘｉａ （１．Ｔｈｅ ７０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ· ｇＹ ｏｎ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｘｉ ａｎ ７１００７５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉ－－ｃｈａｎｎｅｌ ｓｏｎａｒ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｍａｙ ｂｒｉｎｇ ｆｉｘｅｄ ｄｅｖ－－ ｉａｔｉｏｎ ｏｆ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ—ｐｈａｓｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｔ ｂａｃｋｅｎｄ．Ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ－ｐｈａｓｅ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉ·ｃｈａｎｎｅｌ ｒａｄａｒ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔ ａｎ ｅｒｒｏｒ ｃｏｍ－ ｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ（ＦＦＴ）．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｃｈｅｍｅ，ＦＦＴ ｉｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｆｉｘｅｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｉｎｐｕｔ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｉｇｎａｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｓ ｈｅｎｃｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ａｎ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）ｍｏｄｕｌｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｎｙ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｒｅｃｅｉｖｅｒ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １％。ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ １。，ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ｏｆ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｖｅｒｙ ｓｍａｌ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ－·ｃｈａｎｎｅｌ ｓｏｎａｒ ｒｅｃｅｉｖｅｒ；ａｍｐｌｉｔｕｄｅ－·ｐｈａｓｅ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ；ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ（ＦＦＴ）；ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）
０ 引言 声呐是利用水下声信息进行探测、识别、定 位、导航和通信的设备［”，它主要利用接收信号 的相位、幅度和频率等参数信息来完成工作。声
呐接收阵各阵元输出信号的信号幅度、相位会存 在误差，这些误差主要由两部分构成：一是由阵 元位置引起的相位误差，大小与阵元间距、工作 频率有关，该误差是后端信号处理的重要参数； 二是与由前端多通道预处理电路的器件（电阻、电
收稿日期：２０１５．０４．０９；修回日期：２０１５－０５—２０． 作者简介：陈 发（１９８８一），男，在读硕士，主要研究领域为水声信号处理
３３２ Ｔｏｒｐｅｄｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｗｗ．ｙ￣ｓｚｚ．ｃｎ ２０１５年１０月 陈 发，等：多通道声呐接收机幅度相位误差补偿方案 第５期 容及放大器等）的不一致性引起的幅度、相位差， 大小与器件特性、工作频率及温度等有关，这部 分误差会给后端信号参数的提取带来偏差。 目前有关多通道声呐接收机预处理电路幅相 均衡的研究较少。张立琛、代明清等人设计的多 通道声呐预处理系统［２０】，虽然具有动态范围大、 放大增益高、低噪声等特点，但系统均采用模拟 器件，其不一致性带来的幅相偏差问题并没有解 决。声呐和雷达的工作体制存在很多相似点，因 此很多雷达中的信号处理方法被引进水声中。杜 俊蛟为了解决雷达多通道体制中各通道之间的幅 相不一致性，提出了基于现场可编程门阵ＹｌＪ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）的校正方法，该 方法只是一个附加模块，对原接收机内部结构没 有要求，实时性高【４］。 文中，在文献［４］的基础上提出多通道声呐接 收机的幅相一致性偏差补偿方案。首先采用快速 傅里叶变换（ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｌｎ，ＦＦＴ）法测量标 准信号（不同频率）经过各个通道之后的幅度和相 位差值，然后将信号频率和固定补偿值对应存放 在内存中，当实际接收信号进入后，通过测量信 号频率，调用相应的补偿值即可。该方法具有算 法简单、精度高、容易实现、不影响声呐预处理 电路结构等特点，工程应用价值高。 图１声呐接收机结构框图 Ｆｉｇ．１ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｏｎａｒ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 图中，预处理模块包括前置放大器、滤波器 等，主要功能为对接收的信号进行放大，抗混叠 滤波。为了在后续的信号处理端之前补偿此模块 产生的幅相偏差，首先需要将电路结构带来的误 差测量出来。 鱼雷技术ＷＷＷ．ｙｌｊｓｚｚ．ｃｎ １．１信号参数测量 这里，有价值的信号参数为幅度、初相位及 中心频率。目前信号参数测量的方法非常多，大体 可以分为３类：基于模拟电路技术的模拟方法，这 类方法主要包括相位比较法、相位检波法、过零比 较法和模拟相乘法等；基于虚拟仪表技术的锁相环 法 ；基于数字信号处理技术的数字方法，这类方 法主要包括线性插值法、数字相关法【 、快速傅里 叶变换法【 、偏最小二乘法和希尔伯特变换法 引等。 考虑到节约硬件电路和算法实施的简单有效 性，需要寻找一种可以将３个参数同时测量出来 的算法。相关法可以同时测量信号幅度和相位， 但不能够测量频率：而ＦＦＴ法能够将信号的３个 参数测量出来，因此是合适的算法。 对于一个离散信号ｘ（ｎ１，其离散傅里叶变换为
（ ）＝Ｚｘ（ ） 葛 （ ＝０，…，Ｎ一１） （１） 那么对于一个离散周期信号 （ ）＝Ａｓｉｎ［ ＋ ） （２）
式中：整数ｑ表示频率，范围为０≤ｇ≤Ⅳ一１； 为初相位。对ｘ（ｎ１进行离散傅里叶变换，得
： ｓｎｓｉｎｆ ＋ ：（ ） 【 ｅ ＿。
ｅＪ￣ｏ ， ，
２ ２
（３） 根据复指数周期序列的正交性．知
Ｎ－１ （ ）＝｛ ： 嚣 ４
因此，式（３）可以化为 （尼）＝ （ｇ）： ［ｓｉｎ 一ｊｃｏｓｅ］ （５） 进一步化简得到
ＲｏＥｘ（ｋ）￣＝Ｎ２ ｓｉｎ
Ｉｎ１［ （七）］＝ －Ｎ ｃ。ｓ
＋。…ＲｅＥＸ（ｋ）Ｌ＼／＿Ｉ１ （６）
３３３ ２０１５年１０月 鱼雷技术 第２３卷 从上式可知，通过搜索频谱的峰值，可以确 定信号的幅度和中心频率为 Ａ＝ａｂｓＩ Ｘ（ｋ）ｌ（２／Ｎ） （７） Ｆ＝ ／Ｎ （８） 其中，ｋ为峰值所在的索引值。 那么对于２路等频信号Ｘ１（ｎ）和ｘ２（ｎ），其以 ｘ ｆ １为参考信号的相位差为 卸＝ａｒｃ协Ｒｅ（Ｘ１）Ｉｍ（Ｘ２）－Ｒｅ（Ｘ２）Ｉｍ（Ｘ１）ｌ（９） 显然，通过式（６卜式（８）可求解信号的３个参数。 １．２参数测量模型改进 参数测量采用ＦＦＴ法，其测量误差一方面来 源于ＦＦＴ算法的固有误差，另一方面则是信噪比 的影响。 首先，需要对信号进行整周期采样，否则测 量误差较大。这里是将误差补偿作为常量，提前 采用标准信号测量，信号中心频率已知，因此可 以做到整周期采样。 其次，离散傅里叶变换存在能量泄漏和栅栏 效应，导致测量结果偏差较大。可以通过加窗 ＦＦＴ来减少这类误差。对于单频周期信号： Ｘ１（ ）＝４ ｓｉｎ（ｃｏ０ｎ＋Ｃｌ１），加窗处理后得 Ｘ１ （ ）＝Ｘｌ（刀）ｗ（ ） （１０） 式中，ｗ（ｎ）为窗函数，目前常用的有矩形窗、海 明窗、汉宁窗及布莱克曼窗等。利用上式进行ＦＦＴ， 然后求得信号参数 ２１ｘ，ｌ／Ｗｏ（０） （１１） 其中，Ｉ Ｉ为搜索到的信号频谱峰值。对于两路 信号，其相位差为 Ｘ１２ＲｅＩｍ Ｘ２１ＲＲｅｅ－－ Ｘ２ｈｎＲｅ Ｘ２ｌｈｎｉｍ ］（１２） Ｉ １Ｒｅ ２Ｒｅ十 ｌｈｎ ２ｈｎ Ｊ 注意，当信号非周期采样时，每一路的信号 初相位测量有误差，但两者大小相同，相减刚好 抵消，因此加窗处理可以改善非整周期采样带来 的误差，与此同时，还可以改善噪声带来的影响。 虽然加窗可以改善算法的性能，但是因为窗 函数的主瓣宽度和旁瓣高度是相互矛盾的，因此 可能在信号参数测量过程中不得不折衷考虑各参 数的测量精度。 ３３４ 参数测量之后，就可以对通道之间的信号进 行补偿。假设信号的幅度补偿量为 ，相位补偿 量为△ ，则转换补偿量为Ａｓ＝ＡＡｅ ＝ｃ＋ｄｉ： 将待补偿信号写为Ｓ＝ａ＋ｂｉ，那么补偿过程即为 ｓＡｓ：（ａ＋ｂｉ）×（ｃ＋ ）＝ａｃ一６ ＋（６ｃ＋ａｄ）ｉ （１３） 可见补偿过程为一复数相乘运算，只需要将