（电气工程专业论文）采用伪随机码技术检测地下金属管道防腐层状况的研究.pdf

中文摘要 缝下警遴豹检测，在爨鬻静黛产活动孛，意义是菲鬻重大熬。戈了减少溪 地下企属管道防腐层的损环而带来的重大事故和巨大经济损失，对地下管道定 簸避毋亍不开挖检测，分摄防瘗层状况，楚十分必要酶。 九十年代初，嘲内完成了以测量单元管段防腐绝缘电阻、评价防瘸层状况 方法的研究，该方法原理怒犍一可变频攀电售号旌趣到特测管道瞧一壤，鼹另 一端检测信号的衰减幅度，通过调节信号的频率使信号衰减达到一定藏围时， 根据信号频率的商低来推断防腐艨绝缘电阻参数傻。但是，它蠢一个较大的不 足之处，就是在测鬣过程中发射端必须将每次所使用的频率错诉另一接收端 点，接收端才能进行跟踪测量，测嚣一段管道要抉很多的频率点。因为质测蛰 段的条件各不楣丽，有时溯薰一激管道所使用的频率可能会覆菔整个频段，非 常费时费力，测量工作不太方便。 本谋瑟就是要探讨一稀更有效方便的方法，将伪随机码披术弓i 入这一领 域，威用与上述相同的测墩原理。在测量时只发收很少几次便得到整个频段的 溺鳖数据，使溅量z 终变褥篱单荔行，荠挺高灏囊糖确笈。 本课题根据测擞原理，建立了系统模型，确立了收发单元模块的功能。发 端浚蠢完成了蛰隧掇鹞戆产生、瓣载波戆精确移裙、爨随辊褥辩载波的调翩、 对调制信号的放大、功放和负载的匹配等单元的研制。辩最终用发端设各样机 在实褥懿警遂主敲了实验，绦巢是戆在不鲻戆警遂上将倍号发麓蓟受载( 管道 上，功率达到1 0 w 左右。 收端设条，设计了总斡原理摇絮，怼系统逡孝亍了莹粪实验，证鼹系统设诗 是合理的，硬件方筒完成了前放、倍频锁拥码钟产生器、解调器、步进控制器、 鉴相瓣等单元的调试实验。 关键谰：伪随机码地下管道测量 调制锁相解调步进控制 a b s t r a c t d e t e c t i o no fu n d e r g r o u n dp i p e l i n e si so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei n n o r m a la c t i v i t i e s r e g u l a r n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o no fs u c hp i p e sa n da n a l y s i so f a n t i e o r r o s i v el a y e ra r eq u i t e n e c e s s a r yt or e d u c et h ep o s s i b i l i t yo ff e t a la c c i d e m sa n dl a r g ee c o n o m i cl o s s e sr e s u l t e d f r o mt h ed a m a g e so f t h ea n t i c o r r o s i v el a y e ro f u n d e r g r o u n dm e t a lp i p e s i nt h ee a r l y1 9 9 0 s ，t h es t u d i e su p o n m e a s u r i n g t h ea n t i c o r r o s i v ei s o l a t e dr e s i s t o ro f u n i tp i p e l i n ea n df u r t h e re s t i m a t i n gt h es t a t u so fa n t i c o r r o s i v el a y e rh a v eb e e nd o n ei nt h e n a t i o n i nt h i sm e t h o da ne l e c t r o n i cs i g n a lw i t hav a r i a b l ef r e q u e n c yi sa p p l i e dt oo n ee n do f t h ep i p e l i n e t h e nd e t e c tt h ea r e n u a t e da m p l i t u d eo ft h es i g n a la tt h eo t h e re n d w h e r lt h e s i g n a li sa t t e n u a t e dw i t h i nac e r t a i nr a n g et h r o u g ha d j u s t i n gi t sf r e q u e n c y , t h ep a r a m e t e ro f i s o l a t e dr e s i s t o ri nt h ea n t i c o r r o s i v el a y e rc o u l db ee s t i m a t e db a s e do nt h ev a l u eo f s i g n a l f r e q u e n c y h o w e v e r , as e r i o u sd r a w b a c ke x i s t s t h er e c e i v e rc a r lt r a c kt h em e a s u r e m e n t o n l yi ft h eu s e df r e q u e n c yi sg i v e ne v e r yt i m e f u r t h e r m o r e ，m a n yf r e q u e n c yp o i n t sn e e dt o b ee m p l o y e di nm e a s u r i n ga p i e c eo f p i p e d u et ot h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n so f d i f f e r e n tp i p e s ， s o m e t i m e st h eu s e df r e q u e n c i e s m a y c o v e rt h ew h o l ef r e q u e n c yr a n g e t h e r e f o r e ，i ti sq u i t e t i m e c o n s u m i n g a n d l a b o r - c o n s u m i n g a n dn o tc o n v e n i e n ti nt h ed e t e c t i o n 。 av a l i da n de f f i c i e n tm e t h o di sp r e s e n t e di nt l l i st h e s i s t h et e c h n i q u eo fp s e u d o r a n d o mc o d ei si n t r o d u c e di n t ot h i sf i e l da n d a p p l i e dt ot h e a b o v em e a s u r e m e n t ，d a mo fa l l f r e q u e n c yr a n g ec a n b ea c h i e v e d o n l yt h r o u g h s e v e r a l t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n g t h e r e f o r e ， t h em e a s u r e m e n ti sr e l a t i v e l ye a s ya n d r e s o l u t i o ni si m p r o v e d i nt h i st h e s i s ，t h es y s t e mm o d e li sc o n s t r u c t e db a s e do nm e a s u r e m c n t p r i n c i p l ea n d t h ef u n c t i o no f t r a n s m i t t i n g r e c e i v i n gu n i tm o d u l ei sd e t e r m i n e d t h ef o l l o w i n gu n i t si nt h e t r a n s m i t t i n gd e v i c eh a v eb e e nd e v e l o p e d ：g e n e r a t i o no f p s e u d or a n d o mc o d e ，p r e c i s ep h a s e s h i f to fc a r r i e r w a v e ，c a r r i e r sm o d u l a t i o nb yp s e u d or a n d o mc o d e 。a m p l i f i c a t i o no f a m p l i t u d ea n dp o w e ro fm o d u l a t e ds i g n a la n dm a t c h e dl o a d i na d d i t i o n ，e x p e r i m e n t sh a v e b e e nd o n ef o rt h ep r a c t i c a lp i p e su s i n ge x a m p l et r a n s m i s s i o nm a c h i n e a sar e s u l t ，t h e s i g n a l sc a nb et r a n s m i t t e dt ot h e1 0 a da n dp o w e rc a nb ea sh i g ha s1 0w t h r o u g hd i f f e r e n t p i p e s w i t hr e g a r dt ot h er e c e i v i n gd e v i c e ，ag e n e r a lp r i n c i p l ef r a n l ei sd e s i g n e da n d s y s t e m i ss i m u l a t e d 髓er e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l e f u r t h e r , p r e * a m p l i f i e r , d o u b l e f r e q u e n c yp h a s el o c kp u l s eg e n e r a t o r , d e m o d u l a t o r , s t e pc o n t r o l l e ra n dp h a s ed e t e c t o rh a v e b e e n 考e 髓e df o rh a r d w a r ed e v i c e s k e y w o r d s ：p s e u d or a n d o mc o d e ，u n d e r g r o u n dp i p e ，m e a s u r e m e n t , m o d u l a t i o n ，p h a s e l o c k ， d e m o d u l a t e ，s t e pc o n t r o l l e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：哮勿i 司友签字日期： 秒9 了年77 月2 萝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：7 勿闺灰 导师签名 签字日期：弘一；年，月：争日签字日期：u 。3 年，月2 占日 第一章绪论 1 尚题的提出 第一搴绪论 随着社会的不断发展，埋地焱属管道也逐渐增多，我阑在城市供水、供 气、供热朔石油化工、油田、油气运输等行池部拥毒大爨的逖下管道，数量 有数十万公里，铃镶数万亿元。为了防止褒镪，都在钢蛰步 壁涂覆麓鹰层， 使钢管与土壤、地下水和空气隔离。经过多年的运行，这魑管道在不同的环 境条件下，防腐层会出现不同的情况。有的地方出现老化、剥离或破损，这 簿管体将会产生严鬟瓣藤缓，不久藏会穿魏黢野裂，由蠹乏霹楚遥或严霪弱事 故，给社会带来巨大的经济损失。统计资料袭明，因腐蚀所造成的损失是非 常惊人的，全球每年因腐蚀所造成的经济损必约7 千亿美元，占各国园民生 产总值的2 4 ，为地震、台风、水灾等自然灾害的6 依，我国9 5 年统计， 藤镶经济损失衰遮1 5 0 0 亿元。 为了减少因防腐艨的损坏而带来的重大攀故和巨大经济损失，对剐竣工 并已回填的管道进行检测以确定其防腐层的可用性是否达到了设计预定指 标，对地下譬遣定期遴孳亍不开挖捻测，分誊斤稼藤层获提，对警遂凌态彳擘出诊 断结果，给出被测管道舶腐蚀等级、决定大修或更换管段的具体位置，是十 分必要的，而且意义非常重大。 。2 卺炎羚缝下警遴防瘸瑟检测技术及设备概况 当前，国内外防腐层检测大多采用电磁法，其原理上大体可分为壤压梯 度法秘邀滚撵疫法嚣耪。“毫篷撵嶷法”笼较多稳痘蔫予毒戮缀保护豹簿j 蓬土， 在管线简单情况下的凇确率比较黼，但仪器本身不具备定位功能，须与定位 仪配合使用，检测工作量较大，丽当检测现场复杂时则束手无策，因此较适 合子对长瓣管道的定期监测。鸯戆产瑟孛使雳全球定位系绞同步裁颧浚嚣控 嚣8 电流开断，技术禽鬟眈较高，偿价格过崮罐子普及。一些应用“魄流梯 度法”的仪器使用g p s 技术，也存在价格高的问题。而国内生产的仪器往往 在抗干扰、测量精度及仪器稳定蚀上与国外产鼹存在一定藏距，还须改进羊硅 夔寒。 下面，就国内外使用较多的检测方法及成用仪器作一简单介绍。 1 2 1 直流电压梯度技术 采用直流电压梯度技术的代表仪器是d c v g 它可对有阴极保护系统的 管道防腐层破损点进行检测。其原理是：在待测管道中加入一个间断关开的 直流电信号，当管段有破损点时，该点处地面上会有球面的电场。d c v g 使 用毫伏表来测量插入地表的两个c a v c u m 4 电极之间的电压差。当电极越接 近破损点时，电压差会增大，而远离该点时，压差又会变小，在破损点正上 方时，电压差应为零值，由此便可确定破损点位置。再根据破损点处i r 降可 以推算出破损点面积。破埙点形状可用该点上方土壤电位分布的等位线图判 断。 仪器优点是：灵敏度高，可以精确地定位破损点；采用了对称交变信号， 消除了其他管中电流、土壤杂散电流的干扰，测量准确率较高；可以区别管 道分支和防腐层的破损点：可以淮确估算出防腐层面积，并且也能对防腐层 破损的形状进行判断。 缺点是：设备价格较高，测量工作劳动强度大，要配合定位仪使用；由 于电极与地面直接接触，因此当地面介质导电性差时，测量结果会不稳定； 通常仅适用于有阴极保护系统的管线；不同的土壤环境会对检测信号产生不 同的影响。 1 2 2 人体点容法 目前国产检测仪器多采用该方法。其原理是：对地下管道发送一交流电 信号，当地下管道防腐层有破点，在破损处形成电流通路，产生漏电电流， 向地面辐射，并在漏点上方形成地面电场。用人体做检漏仪的传感元件，检 测人员在漏点附近时，检测仪的声响和表头都开始有反应，在漏蚀点正上方 时，仪器反应最强，从而可准确地找到漏蚀点。 该类仪器的优点是：设备体积小，价格较低，使用方便，对操作人员要 求不高，现场简单时准确率较高。其缺点是：抗干扰性能差，当地下管网较 复杂时，容易产生错误的判断；发射机功率较小，测量距离受到一定限制； 须同时使用定位仪和检漏仪；不能判定防腐层老化程度。 1 2 3 密间隔电位法 该法为国外评估阴极保护系统和管道保护水平的标准方法之一。其原理 是：将一个参比电极放置于地面并与电压表相连，表的另一端与管道相连， 苎= 童堕丝 一 读取管地电位。在外加电流保护的管道中，通过测得的管地电位分布，即可 得出管道的保护程度。优点是：适用于复杂的地表情况，甚至可水下作业； 测量点多，数据较为准确，无须另配发射机。缺点是：测量程序复杂，对人 员要求高；测量中要求间隔较小，工作量过大；须与定位仪同时使用；通常 至少要三个人参加测量，一人负责管道定位，一人负责数据采集，第三人负 责回收导线。 1 ，2 4 涡流技术 不同成分的物质会对电磁信号产生不同反应。采用激励涡流衰变方法， 从地面所采集的脉冲瞬变数据中，分离提取与被测管道直接相关的时变信息， 计算检测点处埋设管体的金属蚀失量和防腐层绝缘电阻参数，根据蚀失量和 绝缘电阻参数的大小及随年度的变化速率评价埋地管道腐蚀程度和状态。对 无损的管道，由于管道构成成份比较一致，对电磁信号的反应也一致。而当 管道中出现破损时，这点的化学成分也会发生变化，对电磁信号的反应就会 产生变化。其特点是能直接测量管体的腐蚀程度，但测量须与定位仪器配合 使用。 1 2 5 多频管中电流法 原理是，当检测信号从管道某一点供入后，电流会通过管道经大地流回 发射机，并在管道流动中随距离增加而衰减。对于有一定长度的管道，电流 i 随距离x 成指数衰减，即： i=10 e 一“ 式中厶为发送点管中电流强度，为观测点管中电流强度，工为观测点至 发射点间的距离，o t 与管材、管径、信号频率和防腐层绝缘电阻有关的参数。 电流沿管道传播，由于电磁感应在管线附近形成磁场。在地面上用接收机测 量磁感应强度，可以计算电流强度与电流方向。当防腐层性能均匀时，管中 电流对数值与距离z 成线性关系。对于同一条管道，电流衰减率越小，防腐 层绝缘性越好，反之，防腐层质量越差。如果存在电流衰减异常( 电流急剧 下降) ，则存在电流的泄露或分支点。在排除出现管道分支的可能后，可以判 定管道在该点防腐层发生破损。 特点：可直接显示破损点位置，也可定性地判断各段防腐层的老化状况； 抗干扰性能强，特别适于地下管网比较复杂的情况：使用方便，变间距的测 量方法减少了检测的工作量； 国内应用较多的这类仪器大多是进口的，有美国f i s h o r 公司的t w 一7 7 0 第一章绪论 和英国r d 公司的r d 4 0 0 系列。主要的问题是价格比较昂贵。 1 2 6 变频一选频法 九十年代初，东北输油管理局与邮电部第五研究所完成了以测量单元管 段防腐绝缘电阻、评价防腐层状况方法的研究，该方法是将一可变频率电信 号施加到待测管道的一端，从另一端检测信号的衰减幅度，通过调节信号的 频率使信号衰减达到一定范围( 约2 3 d b ) 时，根据信号频率的高低来推断防 腐层绝缘电阻参数值，方法列入s y t 5 9 1 9 9 4 标准。特点是： ( 1 ) 可以测量埋地长输管道、油田及城市煤气管网连续管道上任意长度 管段的防腐层绝缘电阻参数( q m 2 ) ( 2 ) 适用于不同管径、不同钢质材料、不同防腐层绝缘材料、不同防腐 层结构、处于不同环境的埋地道。 ( 3 ) 测量时只需要在被测管段两端点与金属管实现电气联通( 可在检测 桩、闸门处) ，不必开挖管道不影响管道正常工作状况。 ( 4 ) 所测结果不受被测管段以外的管道长短，有无分支，有无阀门，有 无绝缘法兰及管道防腐层质量好坏的影响。 目前，采用变频选频法测量管道防腐层绝缘电阻参数技术，已在一些地 区管道中得到了应用，取得了一定的社会效益及经济效益。 但是，它有一个较大的不足之处，就是在测量过程中发射端必须将每次 所使用的频率告诉另一接收端点，接收端才能进行跟踪测量，测量一段管道 要换很多的频率点。选择频率的原则是：被测管段长，使用测量信号频率偏 低；被测管段短，使用频率偏高；管道防腐层质量差，使用信号频率偏低； 防腐层质量好，使用频率偏高。因为所测管段的条件各不相同，有时测量一 段管道所使用的频率可能会覆盖整个频段( 0 2 2 0 k h z ) ，非常费时费力， 频率分辨率较低，测量工作不太方便。本课题就是要探讨一种有效方便的方 法，在测量时只发收很少几次便得到整个频段的测量数据，使测量工作变得 简单易行，并提高测量精确度。 以上所列的方法及设备，技术上采用的都是单的频率信号，在抗干扰 性能上还有待于提高，将伪随机码技术引入这一领域，希望能提高设备的检 测性能。 1 3 本课题研究的内容与研究方法 本课题将伪随机码技术引入这一领域，希望在上述方法的检测性能的提 高上有所帮助。方法较多，本课题以变频选频法为切入点，进行研究探讨。 4 第一章绪论 如上所述，变频选频法的关键是找出收发两端信号衰减相差2 3 d b 的频率 点，然后再根据管道、防腐层和环境的参数进行分析，确定管道防腐层质量 的等级。数据分析已经有了确定的标准和模型，在此不做叙述了。 以往的仪器所用的信号就是单一的频率信号，本课题在信号的发送和接 收过程中引入伪随机码( p n 码) 技术，即扩展频谱技术，将载波信号用p n 码调制，使所发出的信号频谱展宽，在接收端用同样的p n 码进行相关解调， 将收发两端的信号进行相关分析处理，便可找出两端信号衰减2 3 d b 的频率 点。 本课题要解决以下几个关键技术： 1 ) 伪码扩频信号的相关接收技术； 本课题利用了扩频信号所具有的很好的相关特性，相关接收包括p n 码的搜索、捕获，最终实现码同步，同步问题是扩频系统中非常关 键的。 2 ) 收端码钟提取技术； 为了实现同步，必须保证收发两端的频率是相干的，因此，在收端 要将发端的频率信息解调出来，再通过锁相倍频器产生所需的码钟 频率。 3 ) 频谱分析技术； 课题中是通过比较两个接收端的相关函数的频谱中的幅频特性得出 所需的频率点的，因此要将相关函数进行采样，然后做频谱分析。 4 ) 不同土质信号衰减程度归一化技术。 不同土质情况下，信号传输的衰减各不一样，将衰减程度进行归一 化处理，才能得到更好的测量结果。 第二章测量原理 2 1 测量方法 第二章测量原理 采用伪随机码技术检测地下金属管道防腐层状况的测量原理是在管道的 一端发送扩频信号，在另一端( 与管道的实际走向无关) 接收( 收2 ) 该扩 频信号，同时发端还有一个参考接收机( 收1 ) ，其设置如图2 1 所示： 管道 图2 1 测量时仪器设置示意图 根据收1 和收2 两端接收信号的相关函数，分析出其幅频特性中的幅度 相差2 3 d b 的频率点，结合管道及环境的其它参数，对管道防腐层性能作出 评价。 2 2 测量原理 测量原理如图2 2 所示 图2 2 测量原理框图 设发送的扩频信号为c ( f ) ，被测管道的脉冲响应函数为g ( f ) ，则b 点的输 第二章测量原理 出信号y ( t ) 应为c ( f ) 与g ( t ) 的卷积，故y ( t ) 为： y ( f ) 2 l 。( 卜f ) 。g ( f ) d ( r ) ( 2 1 ) 再求y ( t ) 与c ( t ) 的互相关函数h ( e ) ： h ( 亭) 2 j o 。( t f ) 。y ( f ) d ( f ) ( 2 2 ) 将( 1 ) 代入( 2 ) 得： h ( 4 ) = r 哪一善) l 昏( 卜) 时) m ) ) = f 肛( f 一善) c ( f r ) g ( f ) d ( ) c ，( f ) 变换积分次序得： 向( # ) = f 昏( 卜善) c ( 卜f ) d ( f ) g ( f ) d ( r ) = ri 小( f f ) c ( f r ) d ( r ) g ( r ) d ( f ) 积分p ( ，一掌) c ( r r ) d ( f ) 是伪随机序列c ( t ) 的自相关函数。( 掌一r ) ， 故有： ( 孝) = f ( 宇一f ) g ( r ) d ( f ) 上式的富立叶变换为： h ( j c o ) = r 。( ，彩) g ( ，) 这样管道的传输函数为： g c 川= 等等 我们在收2 端得到h ( j c o ) ，在收1 端得到r 。( j c o ) 的幅频特性，这样也就知道了特定衰耗下的频率了， 所对应的频率就是所要检测的频率。 我们知道： l ：。gt 、e j 哦d = g ( 争e - f i v e ( 鲁) d ( 知 ( 2 3 ) g ( _ ，国) 就是被测管道 即g ( j c o ) = 一2 3 d b 时，c o = n g ( j n )( 2 4 ) 即通过控制互相关进行的速度，压缩图2 2 中点c 处信号的带宽。这 对实际测量工作是很有意义的。处理带宽压缩了n 倍，幅度扩大了n 倍。 实际测量时，如图2 1 所示，在发端放置一套接收机和一套发射机，在 7 第= 章测量原理 管道的另一端放置一套接收机，收1 端和收2 端同时接收所发信号进行相关 处理并自动记录处理数据，比较两端的结果，即可找出相差2 3 2 4 d b 对应 的频率点。根据这一频率点，结合管道的其它相关参数，便可计算出管道绝 缘电阻的参数，从而确定其防腐层的等级。 第三章系统建立 3 1 扩频原理 第三章系统建立 扩频技术已经广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领 域。扩频方式分为直接序列伪随机( d i r e c ts e q u e n c ep s e u d o n o i s e ，d s p n ) 方 式和跳频( f r e q u e n c eh o p p i n g ，f h ) 方式，本系统中采用第一种方式。 直接序列伪随机( d i r e c ts e q u e n c ep s e u d o n o i s e ，d s p n ) 方式，就是直接 用具有高码率的伪随机码序列在发端去扩展信号的频谱。在接收端，用相同 的伪随机码序列去进行相关解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。 3 2 信号的形式 信号的调制形式分为二相键控移相制( b p s k ) 和m s k ，b p s k 形式容易 产生，因此选用b p s k 这种形式。信号的般形式为： j ( f ) = f 仃s i n ( 卯。f + ( 一1 ) ”；)( 3 1 ) 式中： t 】表示对t 求整，量化单位码钟周期； c 。( 嘲) 是( 0 ，1 ) 变量；c 。表示相同码长的第i 种p n 码结构； 敛和p 表示载波角频率和信号功率。 将( 3 1 ) 式右边展开简化得： 5 ( r ) = f 万( 一1 ) 仲】) c o sc o 。t( 3 2 ) 由于c ，( 【小是一个周期信号，所以( 一1 ) 。川1 1 是周期信号，( 一1 ) 。，( 对应的频 谱函数c i ( 国) 是离散的线状谱。( 一1 ) 。r 1 几乎无直流分量，文献中给出了c t ( ) 的表达式： c 和) = 丁4 - y n 4 - g - 百荨s mn 伽一志) ( 3 _ 3 ) 式中：k 为不等于零的整数； 第三章系统建立 黾为码钟周期； 为c 对应的p n 码码长。 c o s 。t 的傅立叶变换是国的占( 脚一。) 函数，因此，s ( f ) 的频谱函数s ( ) 应为c ，( 国) 与j ( m c o 。) 的卷积： s ( ) = c ，( 珊) 占( 国一出。) 2 c ，( c o 一0 3 。)( 3 4 ) 由此看出，j ( f ) 的幅频特性曲线的包络是s a n ( x ) 函数形式，但无( 0 c 分量， 包络的第一对过零点在q 两侧噱士罢处，谱线间隔为等，信号功率主要集 中在主瓣内。 3 3 伪随机码的相关特性 m 序列的伪随机码有很好的自相关特性和互相关特性( 码甚长或者选择 码对时) ，这些特性是本课题的基础。设有两个序列c ，( f ) 和c ，( 【明) ，它们的 互相关函数姐f 】) 为： 叫) = t 蔓寺e ( _ 1 ) “叫小川岫出 。志0 c - 1 ) 州】) 嵋( f f 】) ( i ，) ， ( f - ，) ( f ，) ：1 , 2 ， ( 3 5 ) ，( r 】) 是p n 码( 一1 ) 。，】1 的自相关函数， f 1 ( f = 0 ) _ “2 一 ( r o ) ( 3 “) 设发端发射的信号为s ( r ) ，接收端搜索发端信号时，本地码为( 一1 ) 舢叫) ， 其中t 为参变量。搜索的过程就可求得本地码调制信号 ( 一1 ) 。7 ”c o s ( c o o t + 妒。) 与收信号的相关函数，与( 3 5 ) 式不同，相关运 算是在某特定频率上进行的，称为中频相关。 ) r ( o = “”(1 r：，【 = 第三章系统建立 “r ) = 志r 。州) ( 一p 训) c o s ( 叫+ 出( 3 - - 7 ) 将s ( f ) 换成( 3 2 ) 式的表达形式，代入上式得 似) 。志r 。4 - i 4 - f ( _ 1 r 舭”c o s ( 叫垤) ( _ 1 ) c o ( 1 t - r 1 ) c o s ( t o o t + p o ) 西 2 志r “瓜( - 1 ) “棚_ ”一s ( m 。一崩m 。吨m ( 3 - 8 ) 搜索过程中，调整本地码序列使本地码c o = e ，若本地码步进f = 0 ，即本地 码步进与收信号的码同步，则上式相关函数中的码因子( 一1 ) 。川加+ 。7 1 的 值为1 ，有： 删) = 志r “厨c o s 【( 国。一伊。吨肭 = 寺l 瓜c o s 【( 国。一，+ ( 伊。一】出( 3 - 9 ) 只要一吼三，上式被积函数便不为奇函数，则积分存在且可写出： ro = l ：。币下eh “一ad t = 2 - 以- f fb ( f )( 3 一l o ) 由此可以看出，若本地码步进与收信号的码同步，相关函数将出现一个峰值。 如图3 1 所示。 jk 【- o t 1 ) ? 。 | | 一t c lot c l t 图3 1 码同步时的相关值示意图 本课题中，由于接收信号是发射信号和管道脉冲响应函数的卷积，在接 收端( 见图5 一1 ) ，用恢复的载波加一个延迟( 这一延迟主要是为保证相关 输出不为零) ，和收信号做鉴相，得到发码和管道响应函数的卷积，然后和本 地码进行相关。因不是单纯的两个p n 码的相关，得到的结果将有所不同， 实际将得到图3 2 所示的曲线。 第三章系统建立 图3 2 中的相关函数曲线要经过几个周期的振荡，才能最终衰减到零， 将整个码同步搜索过程的相关值记录下来，对r o ( r ) 进行频谱分析，便可知道 其幅频特性，比较图2 1 中的收1 和收2 端的结果，就可得出所需的频率点。 图3 2 本地码搜索时出现的相关值曲线图 3 4 系统参数的选取 实际测量时所选用的频率基本上在l k h z1 5 k h z 之间。在我们这个系统 中选用载频为f = 1k h z ，这一频率接近变频选频法所用的频率下限，其频率 上限大概在几k h z ，我们选用1 6 k h z 。码钟频率厶选用1 6 k h z 就可以，这 样扩频信号的单边带宽为疋，。码长n 选为2 ”一1 = 1 0 2 3 ，本地码检测时步进 的步长为一个码元，积分时间为腮，。 系统带宽的选择与相关损耗有关，当系统带宽接近厶时，带宽增加时通 带内信号功率的增加速度低于通带内噪声功率的增加速率。系统带宽偏窄， 相关峰值降低太多，影响码的判决质量。文献给出了系统带宽与相关损耗的 关系，最佳系统带宽为( 3 4 ) 式信号主瓣宽度的6 0 ，这时相关损耗为0 7 5 d b ， 根据经验，系统带宽为主瓣的8 0 会更好些。 第四章发端设各 第四章发端设备的设计及实现 4 1 发端设备总体设计 4 1 1 发端设备组成 发端设备的主要功能是将载波和p n 码进行调制，产生的信号在通过功 率放大器和阻抗匹配单元输出到负载上。从总体设计上考虑，发端设备需要 设计频率综合器、p n 码产生器、调制器、移相器、功率放大器、滤波器和匹 配器等模块，由这些模块共同组成发端设备来完成其功能，其原理框图如图 4 1 所示。 图4 一l 发端设备原理框图 本课题中采用的是直接序列调制，就是载波直接被伪随机码序列调制。 在一般情况下调制方式可以是调幅、调频、调相和其它任何形式的振幅或角 度调制。在这里我们使用的是相移键控( b p s k ) 方式。 在发射机端，用伪随机码( p n 码) 去直接调 制载波。通常为提高发射机的工作效率和发射功 率，扩频系统中一般采用平衡调制器。抑制载波 的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也十分 有利。但在本课题中采用非平衡调制器，以求适 当保留载波分量，希望载波的抑制小一些，使载 波的同步变得更快些。在接收机端，用与发射机 端完全同步的p n 码对接收信号进行相关解扩。 4 1 2 工作流程 发端初始化 l发i k h z 信号 工 持续3 秒收螭锁定 l 发端调制= 个特定脉冲 l 1 秒钟后发删码调制载波t 4 5 。 i保留载波分j l 5 0 - 钟后停发 为了完成发端设备的功能，发端的工作流程 ! 豳4 - - 2 发端工作流程图 1 3 第四章发端设备 麓这样设计的，如圈4 2 所示，开梳后，遴行裙始亿，然后开始发送l k h z 的正弦波信号，持续3 秽钟，可使接收端将载波锁斑在发端的载波上，使接 收端酶颧率源和发漆穗予。接下来在载渡上调制两令特定懿脉冲，莆傲撞浚 端的时间基准，1 秒钟后发出p n 码调制载波4 5 0 的扩频信号，这样的调制 方式可绦蟹载波分垂，持续发送5 分镑惹箨圣，筵辩毂稼融经完成了一次接 收过程，所有数据保存下来。这样就可完成一段管线的测墩，如果希望多钡0 璧凡缀数据，只器重复溯凡次粼霹。 4 2p n 码产生器的设计 4 2 1 p n 码特性 在扩频系统中，信号频谱的扩展怒通过扩频码实现的。扩频系统的性能 嗣扩频码的性能肖很大关系。滁前面撼到的刚码相关特性外，扩频码还鸯下 歹i 特性： 1 、易于产生； 2 、 其有随枫性； 3 、 扩频码应具肖尽可能长的周期，便干扰者难以通过扩频鹤的一小 羧去重建整个序列。 从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但在接收机中 药了解扩，应当青一个隧发送溃扩频褥相同绦梅静磷。实际中应嗣簸多的楚 伪随机码绒伪噪声( p n ) 码，这类码序列最重要的特性是它具有近似于随机信 号稳性熬。嚣为襟声吴簿完全熬涟橇羧，氇爵疆谖爨存透酝于噪声静性栽。 倦是，真正的随机信号和噪声是不能趋复再现和产生的。我们只能产生一种 瑙翅毪懿、篾套荔产生又莓羧麴王囊笺裁豹垮凝弦净信号来近锾疆狡臻声瓣 性能，故称为伪随机码。 4 2 。2 i n 序歹 p n 鼹孛应翔竣广熬是m 黪秘，m 彦弱怒镑篷裰彦裁，其套与隧瓿壤声 相似的尖锐的相关函数特性，但这种序列并不是真鹰随机的，而是按一定的 筑律形式攥埂性蟪交往瓣彦到。蜀数人为豹谈诗产叟彝复裁，掰戬又被豫为 伪噪声码，即p n 码。因为m 序列是内线性移位寄存器网络产生的，它的周 期为2 “l ，n 是移垃毒存器级数大于l 豹歪按数，蠢予珏级移位寄毒器惑共 只有2 “个状态，除去全“0 ”状态外遥剩下2 “一1 种状态，所以i l l 序列又称 最长i 1 级线性移位寄存游序列。 m 序剃具有类似于随机序歹d 的往威，归纳起来有下列三点： 第四章发端设备 1 、平衡性：最大长度序列中1 的数目比0 始终多1 个，且l 的个数为 2 ”1 ，o 的个数为2 ”一l 。 2 、游程特性：把随机序列中连续出现0 或l 的子序列称为游程。连续的 。或l 的个数称为游程长度。随机序列中长度为l 的游程约占游程总数的1 2 ，长度为2 的游程约占游程总数的1 2 2 ，长度为3 的游程约占游程总数 的1 2 3 ，以次类推，长度为k 的游程约占游程总数的1 2 。 3 、移位可加性：某个m 序列同相移为任意值的同一m 序列的模2 和是 男一相移的i n 序列。 4 2 3p n 码产生器的设计 产生m 序列的线性反馈移位寄存器，叫最长线性反馈移位寄存器。产生 m 序列的线性反馈移位寄存器的网络结构不是随意的，m 序列的周期p 也不能 取任意值，而必须是p = 2 “一1 ，其结构中的第一级与1 1 级必须有反馈作用， 在反馈系数为1 的条件下，即有反馈连线时才能产生1 t i 序列。 在不同的应用系统中，对p n 码的选取条件各有不同，考虑本课题中对p n 码选取要求并不复杂，只要保证收发两端使用相同的结构即可。因此，选用 前面所述长度为n = 2 t 1 = 1 0 2 3 ，即n = l o 阶，反馈系数取为1 ，特征多项式选 为： f ( x 1 = 1 + x + x 3 + x 4 + x l o ( 4 1 ) 其逻辑圈如图4 2 所示 图4 3p n 码发生器逻辑图 伪随机序列可由线性反馈移位寄存器产生。由n 级串联的移位脉冲产生 器和模2 加法器组成，图4 3 所示为用1 0 级移位寄存器构成的p n 码序列发 生器。一般规定移位寄存器的状态是各级从左至右的顺序排列而成的序列， 这样的状态叫正状态或简称状态。首先将各个移位寄存器置位成初始状态， 在码钟的驱动下，移位寄存器开始移位，各级状态自左向右移到下一级，未 级输出一位数，其特征反馈端经过模2 加后又反馈到移位寄存器第一级，从 而形成移位寄存器的新状态，下一个码钟到来又继续上述过程。如此循环， 第四章发端设备 未级输出序列就是p n 码序列。改变特征反馈端的位置及数量还可以得到更多 不同的p n 码序列输出。 在图4 3 中，设初始状态从z 到z - o 为 0 1 0 0 11 0 1 0 1 则寄存器状态将依次变化为 0 1 0 0 1 1 0 1 0 l 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 l 一0 1 1 0 1 0 0 儿0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 一1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 一 共1 0 2 3 种状态，由此而输出的p n 码为 1 0 1 0 1 1 0 0 直到1 0 2 3 位，依次循环。 在工程应用中，p n 码可由硬件产生，也可由软件产生，本课题中，p n 码采用软硬件结合起来生成，其原理框图如图4 4 所示。 图4 4p n 码产生器原理框图 图中，e p r o m 选用2 7 c 6 4 ，按照上述方法，先用软件生成所需的一个周 期1 0 2 3 位p n 码，然后将这些p n 码按顺序写入e p r o m 的1 0 2 3 个单元。计 数器选用四位二进制计数器7 4 h c l 6 3 。三个四位二进制计数器组成的计数器 的最大值为4 0 9 5 ，而我们所要产生的p n 码长为1 0 2 3 ，只需其中的高端1 0 2 3 个状态即可完成它的计数功能，将计数器的不用的低端先置上数，也可以认 为先将计数器置为3 0 7 2 。每一个码钟的到来都使计数器加1 ，计数器的输出 加到e p r o m 的地址线上，e p r o m 根据地址线上的数据进行译码，将事先由 软件写入的这一单元的数据输出到数据线上，加到d 触发器的输入端，然后 由码钟的下降沿驱动d 触发器输出一个码元。随着码钟不断的到来，计数器 不断地增加，e p r o m 就依次输出已经排好的码元，直到计数器重新开始计 数。每完成一个周期的计数，就产生了一个完整的1 0 2 3 位的p n 码，同时还 产生一个特定的码“1 ”状态，反馈到各个计数器的置数端，使计数器计数重 1 6 第四章发端设备 图4 5p n 码产生器电路图 新开始，如此循环。具体电路如图4 5 所示。 4 3 频率综合器、调制器和滤波器的设计 4 3 1 频率综合器的设计 频率综合器的作用是为发射机或接收机提供稳定的频率源，频率合成器 分成两个基本类型。第一种类型叫做“直接式”，其所要的输出信号都是从一 个源( 或一组源) 经混频、倍频或分频或者任何不包含锁相环的其它方法产生 的。第二类叫做“间接式”，在频率发生部件中应用锁相环的都属于这一类。 本课题中，采用的是“直接式”频率合成器，它是用除法器的方式，给 出所需的频率。这里所需的频率为1 k h z 的载波和1 6 k h z 码钟。 选用2 m h z 的晶振，通过谐振电路输出2 m h z 的正弦波，再经过多级的 分频器，最终分别得到i k h z 的载波和1 6 k h z 码钟，再经过整形或滤波，分 别得到正弦波形式的信号。电路如图4 6 。 广尝= ，- 1 m 。 抄书。嘶臣静趣产。 q 2 巴_ _ 二二二二二二二二：i m i l l = 二_ 一 图4 6 频率综合器电路图 1 7 第四章发端设各 图中，采用2 m h z 的晶振，振荡电路产生2 m h z 的频率，分频器采用双 四位十进计数器7 4 h c 3 9 0 实现，经过三级5 分频得到1 6 k h z 的码钟频率， 再经过4 级2 分频得到1 k h z 的载波频率。 4 3 2 调制器的原理及设计 在直接序列系统中，用p n 码信号直接调制载波，通常是以码钟速率做 相移键控，即对于码中的“l ”发送某一载波相位，而对于“0 ”发送