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本文研究的是水下声靶接收处理系统设计。声靶主要分为信号接收、信号处理、回波发送三个主要部分,本文研究的重点是信号接收和信号处理。为了达到较好的实时性,采用了NI公司开发的软件LabVIEW和硬件:基于PXIe总线的FlexRio5781适配器和FlexRio7965RFPGA。由于FPGA可以通过板载时钟精确地控制程序运行时间,因此系统中的数据采集和计算部分都放在FPGA上进行,上位机PC只负责数据的显示。
信号接收的主要工作为信号采集。在采集信号部分中,设置了空闲、触发、采集三个状态,避免了因空采而造成的系统资源浪费。触发采用了阈值和上升沿判断,可以有效控制信号的触发。在采集过程中,由于5781适配器的采样速率不能无限降低,导致过采样,文中在比较了几种降采样的方法后,采用抽取点数的方法。
信号处理部分的工作是信号识别,以及信号参数的估计等。参数估计部分是对信号包络宽度及信号频率的判断。频率判断通过傅里叶变换求出。声纳的触发信号一般为一定长度的脉冲信号,因此需要通过判断脉冲信号的宽度来确定是否为有效的触发信号。判断宽度需要对信号进行求包络,因此要用到希尔伯特变换。求解希尔伯特变换的方法有两种:频域和时域。其中频域方法是以快速傅里叶变换为基础求取信号的解析信号,但是这种方法的缺陷是信号变换的长度受快速傅里叶变换长度的限制,因此不能对任意长的信号进行变换。虽然可以通过拼接两段信号来解决,但是包络中间会出现起伏,影响最终的判决。
为了克服频域方法的弊端,采用了时域方法来做希尔伯特变换。时域方法是在线性相位滤波器的基础上设计希尔伯特滤波器。由于FPGA上没有相应的滤波器和卷积运算,采用了移位相加的办法模拟卷积运算。又因为设计的滤波器是有限阶,只能对理想情况进行逼近,因此在某些频域范围上的信号通过滤波器后会发生衰减。为了解决衰减的问题采用了抽取点数和归一化两种方式,最后得到的包络结果比较理想。
文章的最后是将系统应用在水池试验里进行检测。为了验证系统的可靠性,人为地增加了一个干扰信号。实验结果表明,系统通过信号宽度和频率的判断可以较好地排除干扰。