中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 王 偉

小平臺(tái)探測(cè)接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 王 偉

為了接收水下目標(biāo)回波，研究設(shè)計(jì)了一款適用于無(wú)纜定點(diǎn)剖面檢測(cè)儀的小型化水聲接收機(jī)，系統(tǒng)采用硬件電路實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱、強(qiáng)干擾噪聲影響的輸入信號(hào)預(yù)處理，使其滿足后端數(shù)字處理要求?？紤]到工作環(huán)境，設(shè)計(jì)中降低系統(tǒng)噪聲與功耗，湖試結(jié)果表明，該接收機(jī)能有效接收目標(biāo)信息，具有靈敏度高、一致性好等優(yōu)點(diǎn)。

接收機(jī)；低噪聲；探測(cè)

0 引言

到今天為止，人們發(fā)現(xiàn)聲波是在水介質(zhì)中傳播距離最遠(yuǎn)、傳播衰減最小的信息載體，水聲技術(shù)被用于對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位，在軍事救援和民用捕撈等眾多方面都有著不可替代的地位。無(wú)纜定點(diǎn)剖面監(jiān)測(cè)儀為一小型化水下監(jiān)測(cè)平臺(tái)，探測(cè)系統(tǒng)包括小型聲基陣、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)三部分，基陣信號(hào)經(jīng)接收機(jī)放大濾波處理，被A/D芯片采樣后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

探測(cè)系統(tǒng)為了保證能有效的檢測(cè)出微弱的水聲信號(hào)，接收機(jī)電路必須是低噪聲的，否則聲信號(hào)就會(huì)淹沒(méi)在電路噪聲里，使得后置處理電路無(wú)法可靠檢測(cè)到有用信號(hào)。且由于剖面儀長(zhǎng)期連續(xù)工作在水下，整體電路是一個(gè)無(wú)人值守的全自動(dòng)信號(hào)接收、處理平臺(tái)，所以最大限度的降低功耗也成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一。然而，在一種電子芯片中低功耗與低噪聲指標(biāo)是相互制約的，功耗指標(biāo)低時(shí)其噪聲指標(biāo)就偏高，為此，接收機(jī)選用低噪聲運(yùn)算放大器TLC2262，對(duì)微弱水聲信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；信號(hào)處理機(jī)采用低功耗單片機(jī)MSP430和DSP芯片TMS320C5509采樣接收機(jī)的輸出信號(hào)，工作電流僅為1mA。

1 主要性能指標(biāo)

性能指標(biāo)表征了一個(gè)設(shè)備的用途及功能，人們通過(guò)這些指標(biāo)來(lái)衡量設(shè)備性能的優(yōu)劣，并據(jù)此進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。本接收機(jī)的主要性能指標(biāo)為：

(1)接收機(jī)靈敏度：≤10uV

(2)接收機(jī)噪聲：≤5uV

(3)輸入阻抗：≥100kΩ

(4)固定增益：≥60dB

(5)濾波器通頻帶：10Hz～1kHz

(6)濾波器阻帶衰減：≥40dB

(7)通道數(shù)：2

(8)通道輸出幅度一致性：＜1.5dB

(9)供電方式：±5V

(10)電流：≤1mA

2 水聲接收機(jī)原理

經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離海洋介質(zhì)傳輸，水聲信號(hào)不僅會(huì)有衰減損失，還可能會(huì)發(fā)生信號(hào)畸變，嚴(yán)重影響到數(shù)字處理器接收端的信號(hào)檢測(cè)。因此，我們希望提高接收端的信號(hào)噪聲比，放大微弱的有用信號(hào)，濾除通頻帶外噪聲與高次諧波，這樣就可以方便后續(xù)的A/D采樣與處理。本接收機(jī)是一個(gè)雙通道的水聲通信系統(tǒng)，采用多個(gè)換能器組合成一定的基陣，達(dá)到目標(biāo)參數(shù)的接收基陣孔徑，形成接收波束，用于接收特定帶寬內(nèi)的水聲信息。單通道內(nèi)的模擬預(yù)處理電路包括預(yù)放大、帶通濾波器、補(bǔ)償放大、電平抬升、電壓跟隨器以及數(shù)字接口等幾部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接收機(jī)原理圖

3 主要功能模塊及實(shí)現(xiàn)

3.1 放大電路

由于集成運(yùn)算放大器具有體積小、重量輕、成本低、耗電低、可靠性強(qiáng)和易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了電子設(shè)計(jì)者的廣泛使用。為滿足此探測(cè)系統(tǒng)噪聲低和頻帶寬的要求，需要選擇一款低噪聲級(jí)的前放，而第一級(jí)前放的噪聲級(jí)也直接決定了水聲接收機(jī)的靈敏度。在此選用運(yùn)算放大器TLC2262，其電壓噪聲譜密度只有12nV/Hz1/2，增益帶寬積可達(dá)0.71MHz。每個(gè)預(yù)處理通道內(nèi)采用多級(jí)放大電路串聯(lián)的方式滿足整機(jī)放大不少于60dB的要求，且如果第一級(jí)增益足夠的高，則其后各級(jí)的噪聲影響可忽略不計(jì)，因此，這里第一級(jí)應(yīng)該設(shè)計(jì)選擇較大的增益，但又不宜過(guò)大，要保證輸入端最大幅值的回波信號(hào)輸出時(shí)不能限幅。

運(yùn)算放大器TLC2262被設(shè)計(jì)構(gòu)成同相放大器，接收機(jī)每個(gè)通道上由兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)，每級(jí)放大40倍，采用級(jí)間阻容耦合方式防止電路產(chǎn)生自激。

3.2 跟隨電路

在電子電路中，有時(shí)后級(jí)電路會(huì)對(duì)前級(jí)電路產(chǎn)生較強(qiáng)干擾，或有些前級(jí)電路的輸出帶負(fù)載能力較弱，這時(shí)要用到緩沖電路，其具有的高輸入阻抗、低輸出阻抗特性能達(dá)到前后級(jí)阻抗匹配和增強(qiáng)電路帶載能力的目的。跟隨器就是一種滿足上述功能的緩沖電路。

由于跟隨電路輸入阻抗高，輸出阻抗低，可以構(gòu)成很好的驅(qū)動(dòng)電路。所以，系統(tǒng)選用TLC2254構(gòu)成電壓跟隨器，放置在接收機(jī)輸出端，增強(qiáng)了接收機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，輸出大電流。

3.3 帶通濾波器

有源濾波器是基于運(yùn)算放大器的RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，參數(shù)易于調(diào)節(jié)，覆蓋的頻率范圍很寬，其具有的高輸入阻抗和低輸出阻抗有利于多級(jí)串聯(lián)，并能方便的在不同濾波器類(lèi)型之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于希望濾波器具有高通帶平穩(wěn)度，且滿足阻帶衰減≥40dB要求，故系統(tǒng)采用TLC2262分別構(gòu)成巴特沃斯二階低通濾波器與高通濾波器，兩者串聯(lián)構(gòu)成帶通濾波器，原理電路如圖2所示。

一般情況下，具體設(shè)計(jì)有源濾波器的步驟如下：

(1)根據(jù)通頻帶外衰減速率的要求，確定濾波器階數(shù)n；

(2)選擇具體的電路形式，如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器或帶阻濾波器或相應(yīng)的組合等；

(3)建立起電路的數(shù)學(xué)模型（微分方程或傳遞函數(shù)），根據(jù)系數(shù)的方程組，由截止頻率fc、品質(zhì)因數(shù)Q求出電路中元件的具體數(shù)值；

(4)安裝電路并進(jìn)行調(diào)試，使電路的性能滿足指標(biāo)要求。

由多次數(shù)學(xué)仿真計(jì)算可知，當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q=1時(shí)，二階有源濾波效果最佳，根據(jù)通頻帶寬10Hz～1kHz，確定出實(shí)際電路中的電阻、電容數(shù)值，分別得到的有源高通濾波、低通濾波器幅頻特性曲線如圖3所示。

圖2 帶通濾波器電路

圖3 高通濾波器與低通濾波器串聯(lián)構(gòu)成帶通濾波器幅頻特性曲線

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

采用層次化電路原理圖的設(shè)計(jì)方法，使得雙通道預(yù)處理電路在結(jié)構(gòu)上完全相同，提高輸出信號(hào)的幅值、相位一致性。對(duì)所設(shè)計(jì)的接收機(jī)電路單板進(jìn)行測(cè)試，在±5V電源供電的條件下，電流消耗為1mA，滿足功耗指標(biāo)的要求；對(duì)接收機(jī)進(jìn)行自噪聲測(cè)試，等效輸入端開(kāi)路噪聲為1uA，短路噪聲為0.5uA，符合接收機(jī)的噪聲指標(biāo)要求；測(cè)試多級(jí)放大模塊，兩級(jí)增益為64dB，滿足接收機(jī)的增益指標(biāo)要求。對(duì)1通道輸入0.5mV，500Hz正弦波信號(hào)，輸出波形幅值接近800mV，實(shí)際測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4所示，逐漸變化輸入信號(hào)頻率至通頻帶外，輸出波形幅值小于500mV，小于通帶內(nèi)信號(hào)幅值的0.7，接收機(jī)濾波特性正常。

由聲基陣、接收處理電路、連接電纜與電池構(gòu)成小平臺(tái)探測(cè)系統(tǒng)，試驗(yàn)平臺(tái)錨泊于航道水下30m，收集客船跑航跡的噪聲。回收數(shù)據(jù)如圖5所示，持續(xù)時(shí)間289s，在第50s左右干擾消失，呈現(xiàn)出比較干凈的環(huán)境噪聲背景，然后客船目標(biāo)出現(xiàn)，在150s左右目標(biāo)從探測(cè)平臺(tái)最近處通過(guò)。目標(biāo)通過(guò)時(shí)幅度3.41dB，達(dá)到最低背景處幅度0.83dB的3倍以上，超過(guò)檢測(cè)門(mén)限，檢測(cè)到目標(biāo)，檢測(cè)距離約500m。

圖4 輸入信號(hào)幅度0.5mV，頻率500Hz對(duì)應(yīng)輸出波形

圖5 航路檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本論文設(shè)計(jì)完成了一款小型化的高指標(biāo)水聲信號(hào)接收機(jī)，采用低噪聲的前置放大，可以實(shí)現(xiàn)接收機(jī)對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)；采用了兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸人信號(hào)的能量檢測(cè)。將該接收機(jī)應(yīng)用于不同類(lèi)型的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)上，能有效達(dá)到對(duì)特定頻率范圍的信號(hào)采樣目的，同時(shí)滿足了各通道之間幅值和相位一致性的要求。通過(guò)湖上試驗(yàn)，接收機(jī)具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，并且在10Hz～1kHz頻率內(nèi)是恒品質(zhì)因數(shù)Q的放大濾波。所以，該接收機(jī)對(duì)于水下目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)具有較高的使用價(jià)值。

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