水下主动电磁探测信号处理实验教学系统

谭思炜， 唐 波， 张林森， 王 鹏， 张静远

（海军工程大学兵器工程学院，武汉 430033）

0 引 言

主动电磁水下目标探测技术日益受到重视，在民用和军事领域得到了广泛的应用、研究，如海洋金属矿产资源勘测、水下沉船定位与救援，水中兵器近场目标探测等［1-4］。由于受海水介质导电性的影响，水下主动电磁探测多使用电磁波的甚低频以下频段，其探测机理、目标反射特性及其信号处理与特征识别方法与空气中的无线电探测技术存在较大差异。如何结合实际应用做好相关课程的教学工作，是当前培养水下目标探测与识别专业技术人才的理工院校亟待思考和解决的问题之一。

近年来，通过实验教学大力提升学生的工程实践和自主创新能力已成为国内高校人才培养的基本共识，是新时期高校教育教学改革的重要内容［5-6］。在目标探测技术领域，相关实验系统的设计与开发主要是面向科研试验，少有专门针对教学的实验系统，尤其是面向水下主动电磁探测的原理性实验教学系统更是显见报道［7-9］。为加深学生对相关技术原理的理解，激发自主学习兴趣，培养实践动手能力，设计开发一种可用于水下主动电磁探测技术的信号处理原理教学的实验教学系统。系统以水中兵器近场目标探测应用为背景，提供水下主动电磁探测接收机的信号处理原理及全流程演示，包含各关键节点信号波形测试、目标信号模拟、接收机技术指标和抗干扰性能测试等功能。此外，系统还提供外部接收机接口，为进一步拓展实验教学和自主实验提供了可能。

1 实验系统基本原理

1.1 水下主动电磁探测基本原理

海水中主动电磁场探测基本原理示意如图1所示。探测系统在搭载平台周围产生均匀交变的电磁场，其激励信号通常为窄带低频连续正弦波，在无目标时系统的接收天线会耦合到发射天线的直达场干扰，又称直接耦合干扰。该干扰与目标回波信号具有同频特性，因而须在接收目标信号的同时予以消除。当有目标时，目标的铁磁壳体会在探测系统辐射电磁场的作用下感应产生2次涡流场，影响搭载平台周围分布电磁场的均匀性，形成电磁场的局部畸变。当探测系统搭载平台在目标附近通过时，接收天线感应到的目标信号如图1中所示。接收机通过对目标信号包络特征的提取和识别，在包络最大值附近即距目标最近处输出判决动作信号，完成对目标的探测［10］。

图1 水下主动电磁探测基本原理示意图

1.2 信号处理原理

为实现上述探测过程，水下主动电磁探测系统按照图2所示的经典信号处理原理框图完成对目标的探测与识别。图2中，滤波放大电路对接收天线输入信号进行整形，无目标时可认为该信号为直接耦合干扰，自适应补偿电路同步产生直接耦合干扰补偿信号，在滤波放大电路中与输入信号相抵消［11-12］。当输入为目标信号时，检波电路提取目标信号的包络特征［13］；微分电路随后对包络信号的变化率进行识别，以消除慢变干扰；闸门电路对包络幅值进行识别，以判断目标距离。

图2 信号处理原理框图

综合判决模块一方面对超过门限包络的持续时间进行鉴别，以判断目标尺度，另一方面根据系统的控制指令对接收机的工作状态进行控制。控制指令包括：工作模式、AT指令和DT延时指令。除DT延时指令外，其他指令均由系统平台给出。

移相电路用于对参考电压移相，产生多路不同相位的参考信号，供自适应补偿电路和同步检波电路使用。参考电压由发射天线内部线圈直接耦合发射信号输出。此外，移相电路还产生计时时钟，供计时电路使用。

2 实验教学系统总体设计

2.1 需求分析

2.1.1 接收机方案

数字信号处理技术已在众多应用领域替代模拟信号处理技术，成为现代接收机系统设计与实现的首选［14］。数字信号处理产生的中间信号难以在教学现场被直接观测，只能事后通过数据回放显示，不利于实验系统的现场教学［15-16］。为提高学员的实验参与程度，锻炼实践动手能力，水下主动电磁探测信号处理实验教学系统中的算法实现模块基于图2中的经典信号处理原理框图，采用接收机硬件电路技术方案，并使用传统模拟信号处理技术实现，在算法关键信号节点处预留波形测试点，以提高实验教学的直观性。

2.1.2 观察信号的选取

预留观察的信号应是能够充分反映信号处理算法主要原理及流程的关键信号。图2中，检波、自适应补偿和积分等电路既是接收机的核心电路，又是理解水下主动电磁探测技术原理的关键，需对上述信号预留观测节点。移相、自适应补偿等电路作为算法的辅助功能模块，除对核心算法做出贡献外，还对接收机的状态控制、综合判决等功能提供支持，也应视情预留信号测试点。接收机中的所有测试点应通过系统的操作面板统一引出，方便操作。

2.1.3 系统功能与教学拓展

除满足基本水下电磁探测系统接收机的信号测试外，系统还应能够根据实验项目的设计和实验教学需求具备多种功能，如产生不同类型、不同参数的模拟目标信号或模拟干扰信号，通过切换、调整不同信号的输入，观察接收机的响应，通过实验对比帮助学生深入掌握水下主动电磁探测的基本原理和信号处理算法，达到较为全面理解接收机的基本原理、工作过程和主要性能指标的教学目的。为拓展教学科研，系统还可设外部接收机接口，通过接口将外部接收机的关键信号引入系统的操作面板。此外，还可配合使用系统的其它辅助硬件资源，如收、发天线，完成对外部接收机的各项功能、性能指标的测试，为开展学生的自主创新实验提供可能。

2.2 实验教学系统组成

基于上文分析设计的水下主动电磁探测实验教学系统如图3所示。

图3 水下主动电磁探测信号处理实验系统组成

该系统主要由实验装置和上位机组成。实验装置是水下主动电磁探测信号处理算法的执行组件，既是系统的核心，同时又是学生进行实验操作和波形观测的主要对象——其内部集成有接收机电路、信号处理机电路及系统供电电源。实验装置通过交互式操作面板提供接收机中关键信号的测试节点。为配合实验装置工作，通过上位机对整个实验任务、实验流程和实验参数进行操作、设置，并产生满足接收机不同工况需求的输入信号。为拓展功能，系统还提供了可选配件——电磁接收天线和发射天线，为实现陆上或水下主动电磁探测系统的实验演示验证提供了条件。

3 实验装置设计

3.1 实验装置箱体

实验教学系统中实验装置实物如图4所示。

图4 实验装置实物图

实验装置采用铝合金箱体设计，箱盖可拆卸，箱盖内侧设有收纳袋，可收纳使用说明书、电缆等随箱附件。箱体内部可分为上、中、下3层，上层为操作面板，是进行实验操作的主要区域，具备算法原理学习、信号节点测试、模拟目标信号或干扰信号产生、接收机工作状态指令输入等实验功能；中层为电路层，安装有接收机电路板和信号处理机电路板，前者是水下主动电磁探测信号处理算法的执行组件，后者是实验教学系统的控制中心；下层安装有直流电源，用于将操作面板上接入的市电转换为电路板所需要标准的直流电源。

3.2 典型接收机电路

典型接收机电路采用模块化设计，如图5所示。

图5 接收机电路的模块化设计

接收机电路可划分为6个模块：选频放大、自适应补偿、移相、特征识别、综合判决和指令输入等电路，各模块通过母板实现信号和电源的连接。接收机电路各模块提供的信号测试与信号输入接口见表1。

表1 典型接收机各模块测试信号设置

3.3 信号处理机电路

信号处理机电路是实验教学系统中负责系统控制、人机交互、波形产生的核心组件，采用DSP+FPGA的硬件构架，主要包含RS-232、DDS、A/DC和D/AC等模块，根据上位机指令实现单频连续或脉冲信号的发生与参数调整，对8路模拟信号的采集与数据回放等功能。信号处理机电路的原理框图如图6所示。

图6 信号处理机电路原理框图

3.4 操作面板

实验装置操作面板如图7所示，可分为4个功能区域：算法学习、上位机控制、接收机选择和系统供电区。面板上所有信号的输入接口和测试接口均使用BNC母座，方便接插。

图7 实验箱操作面板

（1）算法学习区。提供接收机的信号输入接口和关键信号测试接口，是实验操作的主要区域。根据接收机信号处理算法绘制了原理框图，将所有信号接口与原理框图中的相关模块分别对应布局，方便学生在测试观察关键信号的同时，结合原理框图加深对原理的理解，具有较好的直观性。

为兼具接收机实验教学和电磁发射—接收全系统验证实验教学，操作面板为接收机提供了模拟目标信号和接收线圈信号两种输入选择。模拟目标信号默认由实验装置的信号处理机电路产生，也可由外部信号源提供，具有较高的信噪比；接收线圈输入则由外接接收天线感应电磁场得到，为微弱信号。前者在输入接收机后，绕过其前置滤波放大电路，后者则从接收机最前端输入。输入信号选择可通过拨动操作面板上的“输入选择”摇臂开关完成。

由于接收机的状态控制指令均为数字信号，因而操作面板上除内部产生的DT延时指令外，其余控制指令均采用摇臂开关的输入，方便操作。每个指令均对应一个LED，实时显示指令状态。接收机最终的判决输出，即“动作指示”也在操作面板上通过LED予以显示。

（2）上位机控制区。位于操作面板下方，为学生提供了1路上位机通信接口、3路信号源接口，以及8路模拟信号采集接口，分别与信号处理机电路板的对应端连接。配合使用上位机可控制实验装置的信号处理机电路产生所需信号，使用双头BNC电缆即可将其输入到接收机电路。此外，还可控制模拟信号采集接口对接收机的关键信号进行波形采样，并在上位机上显示、回放。

（3）接收机选择区。位于操作面板右侧中间，为外部接收机预留了插座接口，通过摇臂开关可完成对内、外接收机的选择接入。外部接收机只需按照一定的芯线定义即可实现其内部信号与操作面板上对应关键信号测试接口的连接。接口内提供27 V直流电源，可满足外部接收机的供电需求。任一时刻，未被选中的接收机将被自动断电，避免内外接收机之间的信号串扰。

（4）系统供电区。位于操作面板的右上方，采用市电供电，是实验教学系统唯一的电源输入。电源接口自带滤波模块，包含开关和熔断器。通电后，市电由操作面板引入实验装置下层的线性电源，线性电源由面板上的“Power”开关控制，并由DC指示灯指示其工作状态。系统供电区还提供了27 V、±12 V、5 V等直流电源端子，与信号处理机电路板电源模块相连，可通过对上述端子电压的测量来判断实验装置状态是否正常。

4 上位机软件与实验设计

上位机软件是实验任务选择、实验过程与数据管理的人机交互界面，采用Visual C++语言设计，基于Windows MFC框架实现，其功能组成如图8所示，分为实验任务选择和实验数据管理两大模块。

图8 上位机软件主要功能组成

4.1 实验任务选择

实验任务选择模块为学生提供3种教学实验类型：接收机原理实验、接收机指标测试实验和接收机抗干扰实验。

（1）典型接收机原理实验。实验旨在让学生通过实验操作，掌握接收机的系统组成、工作过程和接收信号处理算法流程等原理性知识。实验包含同步检波原理、自适应补偿原理和全流程算法等实验。其中，同步检波原理实验需要学生使用上位机软件控制实验装置产生参考信号和模拟目标信号，以观察同步检波电路中乘法器和检波器的输出波形以及检波电路的相位选择特性，帮助学生理解同步检波的基本原理；自适应补偿原理实验可让学生直观地理解直接耦合干扰自适应补偿电路的基本原理；全流程算法实验则通过模拟接收机的全工作流程，帮助学生掌握接收机的目标信号包络提取、特征识别、综合判决等算法流程和原理。

（2）典型接收机指标测试实验。实验旨在让学生通过对接收机的动作灵敏度、直接耦合干扰补偿性能等主要技术指标的测试，掌握接收机技术指标的测试方法，巩固对信号处理算法原理的理解。测试过程中，学生需自行完成测试方法、测试信号波形及参数的设计，培养学生独立思考的能力。

（3）典型接收机抗干扰实验。实验旨在让学生在掌握了水下主动电磁探测信号处理算法原理的基础上，进一步拓展对接收机抗干扰能力和抗干扰机理的学习与研究，提升自主分析问题、解决问题的能力，综合性较强。实验包括抗阻塞干扰、抗扫频干扰和抗应答干扰等实验。上位机抗干扰实验功能界面如图9所示。

图9 上位机软件部分功能界面

4.2 实验数据管理

该模块主要提供数据采集与回放功能。系统最大可支持8路模拟信号的同步采样，采样频率可在1～24 000 Hz之间按需取值，采集数据自动保存。学生可根据需要回放系统保存的历史数据。波形显示界面集成了NI示波器插件，可对波形进行选取、平移、缩放等的基本操作。

5 结 语

基于典型接收机的硬件实现，设计了可用于水下主动电磁探测信号处理的实验教学系统。通过装置操作面板，学生可测量、观察接收机中关键信号的时域波形，学习信号处理算法原理。配合上位机的使用，可根据需要控制实验装置产生不同参数的模拟目标信号、参考信号、直接耦合干扰及其他类型的外部干扰等信号，完成对水下主动电磁探测的主要技术指标、抗干扰机理的实践教学。此外，实验教学系统还可外接发射、接收天线，进一步实现对水下主动电磁探测全系统全流程的实验验证。

该系统具有操作使用方便，人机交互性好，功能拓展性高等特点，为水下主动电磁探测技术的实验教学提供有效支持，对于提升学生的动手能力和创新能力具有积极作用。