探测蛙人用声纳信号发生器设计
摘 要
研究表明对于不依赖于水下运载器的蛙人，各种巨额花费的大型海上防御和警戒设备对他们毫无办法，目前只有蛙人探测声纳才能抵御蛙人对港口等重点海上设施造成的威胁。为了防范恐怖主义分子和敌对势力利用蛙人对港口、钻井平台、海滨等重要措施进行破坏，本课题围绕CW信号发生电路，使用了keil、Ewb软件进行编程仿真，对产生CW信号进行原理分析、元器件选择和程序设计，主要包括以下几个研究内容。首先基于主动声纳方程，研究分析了水下声信号传输，介绍了信号分辨率和探测距离之间的矛盾。其次为了解决产生CW信号方法的缺陷提出了一种新的CW信号产生方法，使产生的CW波满足蛙人探测声纳的要求。最后根据这种方法对CW信号发生器电路的元器件进行了分析选择，并以单片机AT89C2051为核心进行了电路的设计和焊接，最终成功调制出CW波形。
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关键字:反蛙人声纳；主动声纳；CW信号；
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1 课题的提出及研究意义 1
1.1.1 课题来源与背景 1
1.1.2 研究意义 2
1.2 课题的现状与发展 2
1.2.1 国外现状 2
1.2.2 国内现状 3
1.2.3 发展趋势 4
1.3 课题内容 4
1.4 本章小结 5
第二章 发射信号分析与方案设计 6
2.1 水下声信号传输分析 6
2.1.1 声纳基本原理 6
2.1.2 声纳方程 9
2.2 发射信号选择 12
2.3 CW信号电路设计 12
2.4 元器件选择 14
2.4.1 单片机 14
2.4.2 滤波器 16
2.4.3 模拟开关 18
2.4.4 隔离器 19
2.5 本章小结 20
第三章 软件设计与仿真 21
3.1 基于AT89C2051的程序设计 21
3.1.1 程序设计流程 21
3.1.2 中断定时器设计 23
3.1.3 程序烧写 25
3.2 Ewb 软件滤波仿真 25
3.3 本章小结 27
第四章 硬件设计与调试 28
4.1 硬件电路的制作 28
4.2 各部分电路信号调试 29
4.3本章小结 32
第五章 总结与展望 33
5.1 总结 33
5.2 展望 34
参考文献 35
致谢 37
第一章 绪论
1.1 课题的提出及研究意义
1.1.1 课题来源与背景
在以前，海上防御和警戒的对象大部分是舰艇和潜艇等大型目标，但是随着水下武器装备朝着小型化发展，我国海军基地，民用和商业港口，海上钻井平台，海滩和其他重要设施很可能遭受恐怖分子和敌对势力察觉不到的水下攻击。而众所周知，在偷袭性破坏战中蛙人有着其他武器在战争中无法取代的作用。
图1 各国蛙人
8O年代发生于安哥拉的两艘前苏联舰艇遭“蛙人”炸毁事件；2000年一艘名为科尔号的军舰也遭到自称为“圣战者”的两名恐怖分子自杀式快艇袭击，造成近50人伤亡；2008年恐怖主义分子在靠近海岸处乘坐橡皮艇从港口上岸在孟买制造恐怖袭击事件，伤亡近500人。2008年，一艘斯里兰卡海军的军舰在层层防护下被泰米尔猛虎组织的海虎突击队员使用一枚水下炸弹炸伤。而这不久之前恐怖主义分子进行潜水员水下袭击培训的迹象被人发现，近海水面或浅水区域对小型目标探测技术水平的缺失已经成为海上防御安全体系的阿基利斯之踵，极有可能遭受恐怖分子的袭击。
凡此种种表明恐怖分子正在一步一步的将袭击路线瞄准了安全保卫不足的“海洋”空间。因此，为了保证重要设施的安全，应当尽快建立完整的水下安保系统，加快严密监控重点水域设施。目前，世界上大多数发达国家已经逐渐开始对防御港口技术进行水下研究开发和控制，包括最重要的手段—蛙人探测声纳系统。目前为止仅有蛙人探测声纳能检测到蛙人可能对港口等重要海上设备造成的威胁，因为当蛙人在水下进行活动而不依赖于运载器时，由于体积小的特点、造成他的反射回波弱，所以，探测蛙人声纳便成为港口设施防御的关键。为了完成对蛙人和小型水下活动目标的自动追踪、搜索、辨认和报警，其常被放置于岸边或港口底部，是目前水下监控防卫蛙人对港口、码头、海上钻井平台、军舰系泊区等重要海上设施以及海滨水域进行破坏袭击的主要设备。
1.1.2 研究意义
一般来说探测蛙人声纳最经常使用的是主动声纳高频搜索技术，并且拥有高精确度，实时声图等特点，其检测距离在几百米到上千米，工作频率通常为6OkHZ到100kHz。通常来说探测蛙人声纳系统信号的频率越大，对目标的探测和识别就更有利。然而，由于水下声传播的特性，水下声波信号衰减与信号频率成正比。情况相同时，频率大的，衰减速度快，能够传输的距离更短。但频率一旦减小，对目标的分辨率又降低。目前，蛙人探测声纳的设计主要是由分辨率和范围限制。本文将在目标探测距离不小于1km的要求下，以声纳方程为理论依据，研究各频率信号在水声传播的衰减关系，选取合适的声波频率范围，在此基础上研制探测蛙人用声纳信号发生器。
另外，在搜索水下物体时，为了减小不可见区域、增加信号的分辨率和测量精准度，发射的声波通常采用短脉冲长度的单频矩形脉冲信号。这样发射脉冲信号的上升沿及下降沿就必须有更高的标准，因此本文提出了一种新的信号产生电路方法，具有频率稳定，容易调试，电路简易可靠的性质。
1.2 课题的现状与发展
1.2.1 国外情况
英国Sonardyne公司最近研发出来一款探测蛙人用声纳系统，可以在水下主动追踪可疑物体，同时还能够判决出目标危险等级。其特点是全方位360度检测、探测追踪范围大、失误率低，一般不会发生跟踪物体信号断开的状况。英国另外一家公司研究出的Cerberus防卫蛙人水下声纳系统，其信号的中心频率在70kHz左右，能够对800米范围内的物体从30度～36O度进行全角度检测，另外能够在海中500米距离内探测出蛙人的胸腔反射所独有的性质。加拿大C-tech公司的第5代高质量海上监测声纳CSDS-85，它的信号工作频率为80 kHz，不过发射信号类型仅有连续波CW，其所发射的信号波的带宽宽度为3 kHz，检测档位能够选择多个，检测的距离最远可及2000米，能够全方位360度对水域进行监视，也能够选择在扇面区域范围内监视。此声纳系统不但可以独立地对水下目标进行探测，而且可以同其它声纳仪器联合起来一起工作，构建为范围更大的探测系统。
2006年北约水下技术研究基地对港口防卫系统(NATO—HOP06)实施了一次水下试验，分别开展了对装备开式呼吸器和闭式呼吸器的水下蛙人预防的试验，实验结果证明了声纳系统的技术性能。美军基地港口与海上基地装备的近程水下警戒声纳系统，主要是为了保护在港口停泊的军舰而进行反蛙人的水下防护。这套系统中包括了一个直径大概为l0英寸，长度达18英寸的主动探测声纳，以及一套红外线加综合性雷达设备，系统功能融合是由软件实现的。除了为实时检测提供数据外，该系统还能进行快速反击，装备了非致命水下武器能够给水下入侵的蛙人打击。
1.2.2 国内情况
声纳探测蛙人已经逐步在国内取得研究和发展，并且在最近几年开始兴起，在青岛奥帆赛水下安全探测中蛙人声纳已经取得了巨大的成功。目前，上海航运科学院和中国科学院声学研究所，为蛙人探测声纳系统的发展进行了合作生产。与之前相比，此新型声纳系统的笼盖角度从90度加大到180度，信号发射的中心频率为70kHz，滤波器的带宽大小10 kHz，发射信号有CW连续波以及LFM线性调频信号两种信号波形，信号的带宽范围最小有4kHz，最大能到达20 kHz，可以调理声纳系统的信号分辨率同信号衰减之间的矛盾，达到较为满意的状态。同时为了更好地石英水下复杂地形，它还能够通过调节实现垂直相控发射，调节范围最大可达±1 5度。另外当处于海中环境干扰剧烈的情况下时能够不受太多影响的检测水下可疑物体，检测范围可达200米。并且还可以实现自动跟踪识别功能，在有可疑目标进入防卫区域时马上向探测中心报警。该声纳系统的水平标准在海内已经处于领先等级，水平标准能够跟上国际的高级水准。此外，还可以进行多台声纳系统之间的同步工作，抑制各自的干扰，使其探测范围进一步加大。这一技术将是以后探测蛙人声纳在未来发展的重要方向。
1.2.3 发展趋势
探测蛙人声纳系统在如今发展的趋势紧要的是解决两个问题 一是解决检测范围与精准度的矛盾问题，另一方面是解决目标自动跟踪与识别技术。
第一个问题主要就是提高信噪比，可以从信号形式、系统设计角度进行考虑以及信号处理方面进行考虑，在输入信噪比一定的状况下，尽量抑制噪声干扰，以提高信号的输出信噪比。考虑到宽带信号范围和分辨率与信号带宽之间的关系，因此可以通过发射长脉冲来提高输出信噪比，从而使它能够在不降低的分辨率的情况下，探测距离更远的目标。其次，可以从信号处理上入手，通过一系列的方法使背景更加平稳化。包括配准自动图像、分离出动静目标等．在精确修正过图像位置之后，就能够开始进一步的分析运动目标．这里可以使用分离动静目标的计算方法，也就是通过利用图像连续帧的信息，把收集到的原始图像信息分离开来，分别划分为运动目标图像和静态目标图像，最后再通过一系列方法对图像进行处理，并最终完成动态目标的提取和探测。
第二个问题如何对目标进行自动跟踪和识别是探测蛙人声纳系统信号处理技术的核心问题，其关键是如何判别出帆船、蛙人、大型鱼群与礁石等不同目标。在理论上可以使用最大似然概率滤波法、基于系统与目标的数据库聚类分析法、贝叶斯滤波算法等一系列方法 ，但实际上对蛙人声学特征的研究还未完成尚在继续，因此在很多探测蛙人声纳系统中采用的是一些在不断的实验中产生的经验法，比如可以从船舰反射信号的连续谱特征来判别舰船目标，根据对大型鱼群或者大型鱼类反射信号目标强度较小的性质来判别蛙人，同时还可以根据反射信号分析出的鱼群行动速度和特征轨迹特征来判别蛙人与鱼类。根据运动方向前进平缓、行动轨迹平缓的特点来分辨是否是水下机器人。因此对蛙人目标的判别可以根据这些不断实验得出来的反射信号特点来形成适当的分类方法来进行判别，从而实现自动跟踪处理。
1.3 课题内容
水下蛙人所使用的潜水压缩空气瓶，是一个外径20公分左右，高度60公分左右的材料为34cm合金结构钢圆柱。相关研究表明对于蛙人所使用氧气瓶，在20kHz以上时，目标强度较大，通过检测其对入射声波的反射以及散射波，可以实现蛙人探测，针对此需求，设计相应的信号发生器，其用于实现对探测换能器的驱动，从而形成蛙人探测声纳的发射部分。在目标探测距离不小于1km的要求下，以声纳方程为理论依据，研究各频率信号在水声传播的衰减关系，选取合适的声波频率范围，在此基础上研制探测蛙人用声纳信号发生器。
1.4 本章小结
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