远程水声信号遥控接收系统研究
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摘要
水雷作为一种重要的战略武器，其新型品种远程遥控水雷的研制已成为各国海洋工程领域的研究热点。信息在发射机和水雷之间的可靠传输，离不开水声远程信息传输技术的发展，因此，远程水声信道特性的分析尤为重要。本文对远程遥控水雷系统将要应用的水声信道的传播特性进行了分析，在对远程水声信道特性进行全面分析的基础上，通过理论分析、计算机仿真、硬件电路的实验等对目标海域信道的水文参数、声场分析所用的声场模型、声传播特性和遥控接收系统性能指标进行了系统、深入的研究。本文的主要研究工作及所取得的成果如下：
1．系统、深入地研究了水声信道特性及其对水声远程信息传输系统的影响；从声纳方程出发，确定了系统的最佳工作频段；在声传播损失计算的基础上，给出了声源级的预报；基于时变信道理论，描述了远程水声信道的衰落特性。以上研究为最佳系统的设计和技术参数的选取提供了重要的依据。
2．研究了基于声线理论的水声信道声场模型，分析并仿真了在多种不同声速条件下的声线传播以及不同海底状况下的声传播；结合相干多途信道的系统函数，通过求取本征声线进行了水声信道响应的预测。
3．分析了远程遥控接收系统的参数如接收机输入信噪比、接收机灵敏度、自动增益和接收机通带带宽等，并对遥控接收系统性能指标进行了估算，为远程遥控接收机的设计提供了一定的理论依据。
4．结合对水声信道特性和远程遥控接收系统的分析，进行了远程遥控接收机的设计，包括接收机低噪声前置放大器的设计、带通滤波器电路的设计和集成以及自动增益控制电路的设计，最后对接收机模拟电路进行了调试。
As an important stratagemical weapon, a new type mine, the long-range remote control mine, has become a hot research area in oceanic engineering. The efficient and reliable information transmission between transmitter and the mine greatly relies upon the development of long-range underwater acoustic information transmission techniques,so the analysis of the characteristics of underwater acoustic is absolutely necessary. The dissertation is devoted to the study on the characteristics of underwater acoustic channels for mine. Based on the comprehensive analysis on the characteristics of underwater acoustic channels, the research on the parameters of target sea area,the acoustic model, the characteristics of underwater acoustic transmission and the parameters of capability of long-range remote control receiving system is systematically conducted through theoretical analysis, computer simulation and testing of circuit. The main results and achivements are as follows:
1. The propagation characteristics of underwater acoustic channels and their influences on long-range information transmission are studied thoroughly. Based on the sonar equation, the optimal frequency band is abtained. From the calculation about transmission loss,the source level is forecasted .Based on the random time varying channel theory, the fading characteristics of long-range underwater acoustic channels are analyzed. Then the important reference are provided for the optimal system design and technical parameters selecting of long-range underwater acoustic information transmission system.
2. The underwater acoustic channel model based on ray theory is studied, and in combination with the system function of coherent multi-path channel, the method for underwater acoustic channel response prediction through eigenrays finding is obtained.
3. The parameters of the long-range remote control receiving system are analyzed and simulated thoroughly, such as the signal to noise ratio(SNR) at
the receiver,the delicacy of receiver, auto-gain and band-width of the pass-band. Then the important references are provided for the design of long-range remote control receiver.
4. According to the analyses of underwater acoustic channel and long-range remote control receiving system, we designed the long-range remote control receiver, including a low noise prefix-amplifier, a band pass filter and an auto-gain control circuit. Finally, the analog part of the receiver is tested and the frequency response of this receiving system is obtained..
1．系统、深入地研究了水声信道特性及其对水声远程信息传输系统的影响；从声纳方程出发，确定了系统的最佳工作频段；在声传播损失计算的基础上，给出了声源级的预报；基于时变信道理论，描述了远程水声信道的衰落特性。以上研究为最佳系统的设计和技术参数的选取提供了重要的依据。
2．研究了基于声线理论的水声信道声场模型，分析并仿真了在多种不同声速条件下的声线传播以及不同海底状况下的声传播；结合相干多途信道的系统函数，通过求取本征声线进行了水声信道响应的预测。
3．分析了远程遥控接收系统的参数如接收机输入信噪比、接收机灵敏度、自动增益和接收机通带带宽等，并对遥控接收系统性能指标进行了估算，为远程遥控接收机的设计提供了一定的理论依据。
4．结合对水声信道特性和远程遥控接收系统的分析，进行了远程遥控接收机的设计，包括接收机低噪声前置放大器的设计、带通滤波器电路的设计和集成以及自动增益控制电路的设计，最后对接收机模拟电路进行了调试。
As an important stratagemical weapon, a new type mine, the long-range remote control mine, has become a hot research area in oceanic engineering. The efficient and reliable information transmission between transmitter and the mine greatly relies upon the development of long-range underwater acoustic information transmission techniques,so the analysis of the characteristics of underwater acoustic is absolutely necessary. The dissertation is devoted to the study on the characteristics of underwater acoustic channels for mine. Based on the comprehensive analysis on the characteristics of underwater acoustic channels, the research on the parameters of target sea area,the acoustic model, the characteristics of underwater acoustic transmission and the parameters of capability of long-range remote control receiving system is systematically conducted through theoretical analysis, computer simulation and testing of circuit. The main results and achivements are as follows:
1. The propagation characteristics of underwater acoustic channels and their influences on long-range information transmission are studied thoroughly. Based on the sonar equation, the optimal frequency band is abtained. From the calculation about transmission loss,the source level is forecasted .Based on the random time varying channel theory, the fading characteristics of long-range underwater acoustic channels are analyzed. Then the important reference are provided for the optimal system design and technical parameters selecting of long-range underwater acoustic information transmission system.
2. The underwater acoustic channel model based on ray theory is studied, and in combination with the system function of coherent multi-path channel, the method for underwater acoustic channel response prediction through eigenrays finding is obtained.
3. The parameters of the long-range remote control receiving system are analyzed and simulated thoroughly, such as the signal to noise ratio(SNR) at
the receiver,the delicacy of receiver, auto-gain and band-width of the pass-band. Then the important references are provided for the design of long-range remote control receiver.
4. According to the analyses of underwater acoustic channel and long-range remote control receiving system, we designed the long-range remote control receiver, including a low noise prefix-amplifier, a band pass filter and an auto-gain control circuit. Finally, the analog part of the receiver is tested and the frequency response of this receiving system is obtained..
引文
1．《中国集成电路大全》编写委员会编：《中国集成电路大全集成运算放大器》 国防工业出版社，1985
2．《实用电子电路手册(模拟电路分册)》编写组编：实用电子电路手册(模拟电路分册)，高等教育出版社．1991
3．郑君里，白应奎，龚明莆，通信系统大规模集成电路，人民邮电出版社，1988
4．[美]弗雷德里克W．休斯，集成运算放大器原理及应用，成都电讯工程学院出版社，1987
5．方志豪，晶体管低噪声电路，科学出版社，1984
6．[美]R．J．尤立克，洪申译，水声原理，哈尔滨船舶工程学院出版社，1990
7．张贤达，保铮，通信信号处理，国防工业出版社，2000
8．程刚，张锋国，刘东，水中远程遥控装置接收系统技术参数分析，探测与控制学报，22(2)51-54：，2000
9．徐贵英，水雷引信声遥控声源的深度配置研究，现代引信，69(4)：52～56，1996
10．杨士莪，水声原理[M]，哈尔滨工程大学出版社，1984
11．张忠兵，马远良等，基于声线到达时差的浅海声速剖面反演，西北工业大学学报，20(1)：36～39，2002
12．曾向阳，陈克安，基于声线法的声场脉冲响应计算机模拟研究，西北工业大学学报，18(4)：629～633，2000
13．汪德昭，尚尔昌，水声学，北京：科学出版社，1981
14．高松龄，柴勤忠，多径传播的水声信号模拟研究，石油大学学报(自然科学版)，21(6)：96～98，1997
15．史永臣，姜冠亭，杨士莪，声波在过度区契形海域的传播特性研究，黑龙江大学自然科学学报，18(1)：50～57，2001
16．孙枕戈，基于声线理论信道模型的匹配被动定位，西北工业大学博士论文，1995
17．张歆，张小蓟，水声数字遥控系统，应用声学，12(4)：12～15，1993
18．孙枕戈，马远良，屠庆平，分层海洋介质中本征声线的快速算法，应用声
学学报，16(4)：7～15，1996
19．蒋德军，胡涛，时延估计技术及其在多途环境中的应用，声学学报，26(1)：34～40，2001
20．张歆，基于声场模型的水声通信特性与系统设计的研究，西北工业大学博士学位论文，2000
21．李允武，水声学与海洋工程，物理，27(10)：583～587，1998
22．李启虎，水声信号处理领域若干专题研究进展，应用声学，20(1)：1～5，2001
23．刘伯胜，水声学原理，哈尔滨船舶工程学院出版社，1989
24．惠峻英，水下声信道，北京：国防工业出版社，1991
25．顾金海，叶学千，水声学基础，北京：国防工业出版社，1981
26．张仁和，海面和介质起伏对不同路径相干性的影响，声学学报，4(1)：109～123，1979
27．程刚等，水中远程遥控装置发射系统技术参数分析，探测与控制学报，22(1)：26～30，2000
28．李启虎，声纳信号处理引论，北京：海洋出版社，1985
29．相敬林，王海燕，微弱信号检测技术与近感系统，西北工业大学出版社，1993
30．樊昌信，詹道庸等，通信原理，北京：国防工业出版社，1995
31．曹志刚，钱亚生，现代通信原理，北京：清华大学出版社，1992
32．李建新，刘乃安，刘继平，现代通信系统分析与仿真—MATLAB通信工具箱，陕西：西安电子科技大学出版社，2000
33．陈亚勇，MATLAB信号处理详解，北京：人民邮电出版社，2001
34．楼顺天，李博菡，基于MATLAB的系统分析与设计—信号处理，西安电子科技大学出版社，2000
35．S．M．凯依著，黄建国等译，现代谱估计，北京：科学出版社，1994
36．孙肖子，张畴先等，电子线路基础，西安电子科技大学出版社，1996
37．高鹏，安涛，寇怀成，电路设计与制版—Protel 99入门与提高，人民邮电出版社，2000
38．聂铁军等，数值计算方法，西安：西北工业大学出版社，1990
39. Munk W J.Acoust.Soc.Am, 55(1):220～224, 1974
40．王峰，赵俊渭等，基于射线模型的水声信道的仿真软件设计，电声技术，204(6)：8～10，2002
41．陈励军，自相关法多途时延估计及其实验结果，东南大学学报，28(1)：18～23，1998
42．范敏毅，惠俊英，点噪声源在近程声场中传播损失的仿真研究，应用声学17(6)：35～38，1998
43．刘颖，王树勋，梁应敞，多通道干扰下的多径时延估计，电子学报，29(6)：762～765，2001
44. Etter P.C.,Underwater acoustic modeling: principles, techniques and applications, Elsevier science publisher LTD, 1991
45．[美]斯蒂芬，接收系统设计，宇航出版社，1991
46．罗建，系统灵敏度理论导论，西北工业大学出版社，1996
2．《实用电子电路手册(模拟电路分册)》编写组编：实用电子电路手册(模拟电路分册)，高等教育出版社．1991
3．郑君里，白应奎，龚明莆，通信系统大规模集成电路，人民邮电出版社，1988
4．[美]弗雷德里克W．休斯，集成运算放大器原理及应用，成都电讯工程学院出版社，1987
5．方志豪，晶体管低噪声电路，科学出版社，1984
6．[美]R．J．尤立克，洪申译，水声原理，哈尔滨船舶工程学院出版社，1990
7．张贤达，保铮，通信信号处理，国防工业出版社，2000
8．程刚，张锋国，刘东，水中远程遥控装置接收系统技术参数分析，探测与控制学报，22(2)51-54：，2000
9．徐贵英，水雷引信声遥控声源的深度配置研究，现代引信，69(4)：52～56，1996
10．杨士莪，水声原理[M]，哈尔滨工程大学出版社，1984
11．张忠兵，马远良等，基于声线到达时差的浅海声速剖面反演，西北工业大学学报，20(1)：36～39，2002
12．曾向阳，陈克安，基于声线法的声场脉冲响应计算机模拟研究，西北工业大学学报，18(4)：629～633，2000
13．汪德昭，尚尔昌，水声学，北京：科学出版社，1981
14．高松龄，柴勤忠，多径传播的水声信号模拟研究，石油大学学报(自然科学版)，21(6)：96～98，1997
15．史永臣，姜冠亭，杨士莪，声波在过度区契形海域的传播特性研究，黑龙江大学自然科学学报，18(1)：50～57，2001
16．孙枕戈，基于声线理论信道模型的匹配被动定位，西北工业大学博士论文，1995
17．张歆，张小蓟，水声数字遥控系统，应用声学，12(4)：12～15，1993
18．孙枕戈，马远良，屠庆平，分层海洋介质中本征声线的快速算法，应用声
学学报，16(4)：7～15，1996
19．蒋德军，胡涛，时延估计技术及其在多途环境中的应用，声学学报，26(1)：34～40，2001
20．张歆，基于声场模型的水声通信特性与系统设计的研究，西北工业大学博士学位论文，2000
21．李允武，水声学与海洋工程，物理，27(10)：583～587，1998
22．李启虎，水声信号处理领域若干专题研究进展，应用声学，20(1)：1～5，2001
23．刘伯胜，水声学原理，哈尔滨船舶工程学院出版社，1989
24．惠峻英，水下声信道，北京：国防工业出版社，1991
25．顾金海，叶学千，水声学基础，北京：国防工业出版社，1981
26．张仁和，海面和介质起伏对不同路径相干性的影响，声学学报，4(1)：109～123，1979
27．程刚等，水中远程遥控装置发射系统技术参数分析，探测与控制学报，22(1)：26～30，2000
28．李启虎，声纳信号处理引论，北京：海洋出版社，1985
29．相敬林，王海燕，微弱信号检测技术与近感系统，西北工业大学出版社，1993
30．樊昌信，詹道庸等，通信原理，北京：国防工业出版社，1995
31．曹志刚，钱亚生，现代通信原理，北京：清华大学出版社，1992
32．李建新，刘乃安，刘继平，现代通信系统分析与仿真—MATLAB通信工具箱，陕西：西安电子科技大学出版社，2000
33．陈亚勇，MATLAB信号处理详解，北京：人民邮电出版社，2001
34．楼顺天，李博菡，基于MATLAB的系统分析与设计—信号处理，西安电子科技大学出版社，2000
35．S．M．凯依著，黄建国等译，现代谱估计，北京：科学出版社，1994
36．孙肖子，张畴先等，电子线路基础，西安电子科技大学出版社，1996
37．高鹏，安涛，寇怀成，电路设计与制版—Protel 99入门与提高，人民邮电出版社，2000
38．聂铁军等，数值计算方法，西安：西北工业大学出版社，1990
39. Munk W J.Acoust.Soc.Am, 55(1):220～224, 1974
40．王峰，赵俊渭等，基于射线模型的水声信道的仿真软件设计，电声技术，204(6)：8～10，2002
41．陈励军，自相关法多途时延估计及其实验结果，东南大学学报，28(1)：18～23，1998
42．范敏毅，惠俊英，点噪声源在近程声场中传播损失的仿真研究，应用声学17(6)：35～38，1998
43．刘颖，王树勋，梁应敞，多通道干扰下的多径时延估计，电子学报，29(6)：762～765，2001
44. Etter P.C.,Underwater acoustic modeling: principles, techniques and applications, Elsevier science publisher LTD, 1991
45．[美]斯蒂芬，接收系统设计，宇航出版社，1991
46．罗建，系统灵敏度理论导论，西北工业大学出版社，1996