張文霞（青島理工大學(xué)琴島學(xué)院，山東 青島　266100）袁健（山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島　266001）

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一種基于激光干涉原理的水聲應(yīng)答器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文霞（青島理工大學(xué)琴島學(xué)院，山東 青島266100）
袁?。ㄉ綎|省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島266001）

隨著海洋資源的開發(fā)利用和對(duì)海洋環(huán)境研究的深入，水下目標(biāo)定位的應(yīng)用越來越廣泛。無論是在長(zhǎng)基線、短基線或超短基線定位系統(tǒng)中，水聲應(yīng)答器均是關(guān)鍵部件之一，它可以根據(jù)整個(gè)定位系統(tǒng)的需要，控制水下傳感器以提供目標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)[1、2]。海洋環(huán)境水聲信道的環(huán)境復(fù)雜，如：強(qiáng)噪聲、強(qiáng)起伏、多徑干擾、多普勒頻移，對(duì)水聲應(yīng)答器的精度、可靠性、功耗等都有特殊要求[3、4]。然而由于傳統(tǒng)壓電陶瓷接收式水聲應(yīng)答器存在非線性響應(yīng)的缺陷[5]，導(dǎo)致輸入信號(hào)幅度與輸出的信號(hào)大小成非線性關(guān)系。本文設(shè)計(jì)一種激光干涉接收式水聲應(yīng)答器，應(yīng)答器由光路部分和電子部分組成。光路部分主要完成微弱水聲信號(hào)的檢測(cè)，電子部分完成光電轉(zhuǎn)換以及回發(fā)脈沖的生成和發(fā)射功能，利用激光干涉方法[6、7]接收并檢測(cè)微弱的水聲信號(hào)。其具有線性響應(yīng)特性，檢測(cè)的水聲信號(hào)幅度與輸出的信號(hào)大小成線性關(guān)系，避免了壓電陶瓷固有的非線性響應(yīng)。具有檢測(cè)范圍寬、檢測(cè)精度高的優(yōu)勢(shì)，可以用于遠(yuǎn)距離水聲定位系統(tǒng)、水下石油勘探二次定位等技術(shù)領(lǐng)域。

1　激光干涉式應(yīng)答器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

激光干涉接收式水聲應(yīng)答器由三部分構(gòu)成，如圖1所示：（1）前端信號(hào)接收及預(yù)處理模塊。由激光干涉式水聲檢測(cè)模塊和信號(hào)調(diào)理模塊組成；（2）信號(hào)處理模塊。采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)判別和回發(fā)信息的編碼生成；（3）脈沖回發(fā)模塊。由增益自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊、功率放大模塊和壓電陶瓷換能器構(gòu)成。

圖1　激光干涉式水聲應(yīng)答器結(jié)構(gòu)圖

激光干涉式水聲檢測(cè)模塊，如圖2所示，是由振動(dòng)膜、透鏡、反射鏡等組成的光學(xué)傳感部分。激光干涉式水聲檢測(cè)模塊的工作原理是，由光源發(fā)出的單頻激光經(jīng)準(zhǔn)直儀投射到分光鏡上，經(jīng)分光鏡將入射光線分成兩束：一束進(jìn)入測(cè)量臂，通過透鏡照射到置于透鏡焦點(diǎn)處的測(cè)量反射鏡上。此光束再由測(cè)量反射鏡反射，經(jīng)過透鏡后，以與原入射光束平行的方向返回到分光棱鏡上；另一束入射到固定在相位調(diào)制壓電陶瓷2上的參考反射鏡2后，反射到另一個(gè)固定在相位補(bǔ)償壓電陶瓷1上的參考反射鏡1上，再由參考反射鏡1反射回分光棱鏡。這樣兩束光經(jīng)測(cè)量反射鏡和參考反射鏡1、2反射后，分別照射到分光棱鏡后重新會(huì)合并反射到光電探測(cè)器上，并維持一個(gè)恒定的干涉圖案。干涉圖案通過光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；電信號(hào)在信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)（如圖3所示），經(jīng)過放大、濾噪等過程進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)。信號(hào)處理模塊對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行采集和A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行脈沖檢測(cè)，檢測(cè)到有效脈沖后，進(jìn)行脈沖判別并生成回發(fā)脈沖信號(hào)，然后輸出回發(fā)脈沖信號(hào)給脈沖回發(fā)模塊。脈沖回發(fā)模塊主要將信號(hào)處理模塊輸出的回發(fā)脈沖信號(hào)經(jīng)增益自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊調(diào)整到發(fā)射模塊要求的輸入范圍，經(jīng)功率放大模塊進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，完成脈沖回發(fā)。系統(tǒng)工作電源由內(nèi)置鋰電池供電，通過電源轉(zhuǎn)換模塊提供激光器和其他電路模塊的工作電壓和電流。

圖2　激光干涉式水聲檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3　信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)軟硬件模塊化設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前端信號(hào)接收及預(yù)處理模塊由激光干涉接收式水聲檢測(cè)模塊和信號(hào)調(diào)理模塊組成。采用激光干涉檢測(cè)方法的水聲檢測(cè)模塊采用激光干涉式接收方式。激光干涉式水聲檢測(cè)模塊主要由光路部分和電子部分組成。光路部分由：穩(wěn)頻氦-氖激光器、光準(zhǔn)直器、分光鏡組成；電子部分由光電二極管、諧振放大器、同步解調(diào)器、延遲單元、主頻發(fā)生器、功率放大器、差分集成放大器組、記錄系統(tǒng)組成。其中光路部分，采用圓形振動(dòng)片作為接收器的感應(yīng)元件，接收器采用低功耗、小體積的穩(wěn)頻氦-氖激光器作為光源，生成穩(wěn)定的具有固定波長(zhǎng)的激光。光準(zhǔn)直器將發(fā)射的激光進(jìn)行準(zhǔn)直處理。分光鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)入射激光的反射和透射。光電二極管接收光信號(hào)，把干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。諧振放大器工作在線性區(qū)間，把接收到的電信號(hào)進(jìn)行放大10,000倍；放大的信號(hào)頻率是25kHz，放大器產(chǎn)生的信號(hào)正比于干涉檢測(cè)模塊的兩個(gè)干涉臂的長(zhǎng)度之差，避免非線性因素的影響。主頻發(fā)生器產(chǎn)生頻率、振幅、占空比固定的（25kHz，5V）主頻信號(hào)用于對(duì)光電二極管輸出的干涉電信號(hào)的調(diào)制。延遲單元對(duì)來自主頻發(fā)生器的主頻信號(hào)產(chǎn)生半個(gè)波長(zhǎng)的相移，用于對(duì)經(jīng)過主頻信號(hào)已調(diào)制的干涉信號(hào)的解調(diào)。這樣就構(gòu)成一個(gè)調(diào)制-解調(diào)通信系統(tǒng)，可以有效避免外界低頻噪聲對(duì)干涉信號(hào)的影響。功率放大器把主頻信號(hào)進(jìn)行放大，用來控制壓電陶瓷1，達(dá)到對(duì)干涉強(qiáng)度圖樣進(jìn)行調(diào)制的效果以避免低頻噪聲。同步解調(diào)器，接收來自延遲單元的被延遲了半個(gè)波長(zhǎng)的主頻發(fā)生器信號(hào)，對(duì)被調(diào)制的原始干涉電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，其產(chǎn)生振幅正比于輸入信號(hào)相位的兩路信號(hào)，得到解調(diào)后的原始干涉電信號(hào)，然后把解調(diào)后的原始干涉電信號(hào)送給差分集成放大器組。差分集成放大器組由兩級(jí)放大電路組成，其中第一級(jí)為跟隨器，第二級(jí)為放大器。第二級(jí)放大器的輸出信號(hào)通過升壓變壓器后，輸出高壓電信號(hào)，用來控制壓電陶瓷2的振動(dòng)，對(duì)光程差進(jìn)行拉伸和壓縮，補(bǔ)償了干涉檢測(cè)模塊中干涉臂長(zhǎng)之間的光程差。其中升壓變壓器的匝數(shù)比根據(jù)壓電陶瓷的輸入輸出特性確定，壓電陶瓷2在±λ/2（λ為激光波長(zhǎng)）范圍內(nèi)來補(bǔ)償干涉儀臂長(zhǎng)之間的光程差，超出±λ/2的光程差需要進(jìn)行復(fù)位。

記錄系統(tǒng)對(duì)差分集成放大器組的第一級(jí)跟隨器的輸出電壓進(jìn)行A/D采樣。采用單片機(jī)的比較器輸入端口，其采集并比較差分集成放大器組一級(jí)跟隨器模塊的輸出電壓與內(nèi)部參考電壓）的大小。當(dāng)一級(jí)跟隨器模塊的輸出電壓的最大值時(shí)，單片機(jī)輸出幅值周期為1ms的正復(fù)位脈沖，使差分集成放大器組的二級(jí)放大電路經(jīng)過變壓器輸出高壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷2產(chǎn)生相應(yīng)的形變，此時(shí)對(duì)應(yīng)光程差拉伸λ/2；當(dāng)時(shí)，單片機(jī)輸出幅值周期為1ms的負(fù)復(fù)位脈沖，輸出到差分集成放大器組的二級(jí)放大器，二級(jí)放大器經(jīng)過變壓器后輸出高壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷2產(chǎn)生相應(yīng)形變，此時(shí)對(duì)應(yīng)光程差收縮λ/2。單片機(jī)記錄下正復(fù)位、負(fù)復(fù)位的次數(shù)，輸出模擬信號(hào)（正比于光程差）的值計(jì)算如下：

海洋中的低頻噪聲會(huì)引起高靈敏的振動(dòng)膜的微小形變，該形變可以改變邁克爾遜干涉儀的位相差，導(dǎo)致干涉條紋的變化，為濾除海洋中低頻噪聲對(duì)信號(hào)的影響，通過設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)濾波器組的濾波參數(shù)調(diào)理模塊進(jìn)行噪聲濾除。圖3是本文提出的激光干涉式水聲應(yīng)答器信號(hào)調(diào)理模塊結(jié)構(gòu)圖，主要由前置濾波器和窄帶濾波器組成濾波器組以及放大檢波和門限比較器組成，濾波器組主要完成信號(hào)的預(yù)處理功能；激光干涉式水聲檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)經(jīng)前置濾波、兩路窄帶濾波、信號(hào)放大、包絡(luò)檢波、自適應(yīng)門限比較器，一部分進(jìn)入單片機(jī)I/O口，一部分經(jīng)過邏輯或非門，并與單片機(jī)中斷輸入端口相接，觸發(fā)外部中斷。自適應(yīng)門限比較器的門限電壓由輸入電壓的RC充電電路提供，門限電壓是隨輸入電壓的高低而動(dòng)態(tài)變化的，調(diào)節(jié)RC充放電時(shí)常數(shù)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整輸入電壓使輸出電壓滿足單片機(jī)數(shù)據(jù)采集端口的電壓要求。

2.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該嵌入式軟件主要完成以下功能：

（1）通過水聲換能器實(shí)現(xiàn)水聲應(yīng)答器脈沖信號(hào)的生成和發(fā)送；

（2）對(duì)接收水聲換能器的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和存儲(chǔ)。

激光干涉式水聲應(yīng)答器的接收模塊采用激光干涉式檢測(cè)方法，發(fā)射模塊采用水聲探頭換能器（壓電陶瓷）進(jìn)行發(fā)射，接收到的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理模塊，進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)，信號(hào)處理模塊主要由AVRMega16L單片機(jī)組成。Mega16L單片機(jī)主要完成采集信號(hào)的校驗(yàn)、解碼、判決和回發(fā)脈沖的產(chǎn)生等功能。信號(hào)調(diào)理模塊中的或非門模塊與單片機(jī)的中斷輸入端口連接，其輸出信號(hào)觸發(fā)外部中斷。控制軟件由主控程序和中斷服務(wù)子程序構(gòu)成。

單片機(jī)主程序首先進(jìn)行端口初始化，初始化定時(shí)器和外部中斷向量寄存器，然后開中斷并進(jìn)入休眠模式。等待外部中斷，若發(fā)生中斷則進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，工作流程（如圖4所示）為：

AVRMega16L單片機(jī)主程序首先進(jìn)行端口初始化，定義端口數(shù)據(jù)方向和功能；初始化定時(shí)器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換端口；然后打開定時(shí)器，通過PWM端口發(fā)送一定數(shù)量的脈沖，該脈沖信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)的定時(shí)器2口發(fā)出后，經(jīng)功率放大器模塊進(jìn)行信號(hào)放大，并經(jīng)變壓器產(chǎn)生高壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)換能器壓電陶瓷，并由換能器聲壓電陶瓷探頭發(fā)出振動(dòng)信號(hào)。采用輪詢方式進(jìn)行AD采樣，每隔13ms采集一次，采樣完成后進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)，延遲500ms后，進(jìn)行下一次發(fā)送和接收。

圖4　信號(hào)處理模塊單片機(jī)主程序流程圖

中斷服務(wù)子程序采集兩路脈沖信號(hào)并存儲(chǔ)，然后判斷所采集的信號(hào)是否為標(biāo)識(shí)位，去除標(biāo)識(shí)位之后，進(jìn)行一定次數(shù)的采樣（采集8次）。采集次數(shù)滿足后，進(jìn)行判斷：若是與該應(yīng)答器預(yù)置的組碼相同，則單片機(jī)對(duì)將要回應(yīng)的信息進(jìn)行編碼，該信息包含應(yīng)答器的預(yù)置身份識(shí)別碼，中斷服務(wù)子程序軟件流程如圖5所示，回應(yīng)脈沖編碼完成后，該脈沖信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)的PWM口發(fā)出后，經(jīng)功率放大器模塊進(jìn)行信號(hào)放大，并經(jīng)變壓器產(chǎn)生高壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)換能器壓電陶瓷，并由換能器聲壓電陶瓷探頭發(fā)出振動(dòng)信號(hào)，如圖6所示。

圖5　信號(hào)處理模塊單片機(jī)中斷服務(wù)子程序流程圖

圖6　脈沖回發(fā)模塊結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1部分關(guān)鍵模塊電路設(shè)計(jì)

圖7所示電壓轉(zhuǎn)換與穩(wěn)壓電路的核心芯片為L(zhǎng)M7805，其將12VDC穩(wěn)壓輸出為5VDC，其中電容均為100F，L2為10mH的電感，D1為4007二極管。

圖7　電源轉(zhuǎn)換與穩(wěn)壓模塊

信號(hào)接收與預(yù)處理電路圖如圖8所示，接收到的模擬信號(hào)經(jīng)過前置低通和帶通濾波器后，再利用差分放大器進(jìn)行信號(hào)放大。

圖8　水聲信號(hào)接收與預(yù)處理電路

圖9為Mega16L單片機(jī)及外圍元件電路圖。其中第11引腳進(jìn)行模擬電信號(hào)采集，第16引腳發(fā)送PWM脈沖信號(hào)。第9、10引腳分別連接RS232模塊的第12和第11引腳，第4引腳連接復(fù)位電路的Reset信號(hào)端，低電平有效。第7、8引角連接外部8MHz晶振，第6、18、39引腳連接數(shù)字地GND，第19、20、21、22、23、34引腳分別連接JTAG端口的SCL、SDA、TCK、TMS、TDO和TDI信號(hào)端。第5，17，38引腳連接數(shù)字電源VCC端，第27引腳連接模擬電源端口AVCC，VCC和AVCC通過10H電感進(jìn)行連接。第29引腳AREF通過100pF的電容與數(shù)字地GND連接。第29引腳與數(shù)字地GND連接。其他引腳懸空。

圖9　Mega16L單片機(jī)及外圍元件

圖10為脈沖發(fā)射模塊，其中發(fā)送功率放大模塊T1為16:270變壓器，脈沖電壓峰峰值約800V，將來自于SSP端腳的PWM信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷進(jìn)行水聲信號(hào)發(fā)射。

圖10　脈沖發(fā)射模塊

圖11(a)和圖11(b)為單片機(jī)控制板系統(tǒng)圖和PCB圖，控制板處理器選用Mega16L是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，Mega16L的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，可以減緩系統(tǒng)在功耗與處理速度之間的矛盾，能夠滿足系統(tǒng)的需求。

圖11(a)　單片機(jī)控制板系統(tǒng)圖

圖11(b)　單片機(jī)控制板PCB圖

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將激光干涉式應(yīng)答器置于實(shí)驗(yàn)水池中，調(diào)整好壓電陶瓷換能器發(fā)射面與擋板間的距離，固定好應(yīng)答器后，可用數(shù)字示波器測(cè)得電路板上經(jīng)帶通濾波電路處理前的回波信號(hào)和單片機(jī)的采樣的模擬信號(hào)。通過調(diào)節(jié)濾波器組的濾波參數(shù)，能夠?yàn)V除一定頻率的噪聲。圖12為連接35kHz水下?lián)Q能器，在擋板距離為0.75m時(shí)測(cè)得的回波波形，圖13為帶通濾波電路處理后的回波信號(hào)。對(duì)比圖12和圖13，可見濾波后的回波脈沖波形消除了信號(hào)毛刺，利于單片機(jī)對(duì)回波模擬信號(hào)的采集和碼判斷，從而在一定程度上減小誤碼率。

圖12濾波前的回波脈沖信號(hào)

圖13　濾波后的回波脈沖信號(hào)

4　結(jié)論

利用激光干涉方法接收并檢測(cè)微弱的水聲信號(hào)，避免了壓電陶瓷固有的非線性響應(yīng)。利用系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)了應(yīng)答器系統(tǒng)前端信號(hào)接收及預(yù)處理模塊、信號(hào)處理模塊和脈沖回發(fā)模塊的軟硬件，對(duì)應(yīng)答器系統(tǒng)進(jìn)行了收發(fā)測(cè)試，針對(duì)系統(tǒng)調(diào)試中出現(xiàn)的噪聲問題，通過調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]田坦,劉國(guó)枝,孫大軍.聲吶技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2000.

[2]惠俊英,李春旭,梁國(guó)龍等.聲壓和振速聯(lián)合信號(hào)處理抗相干干擾[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2000,25(5):389-394.

[3]馮海鴻,梁國(guó)龍,惠俊英.目標(biāo)方位的聲壓,振速聯(lián)合估計(jì)[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2000,25(6):516-520.

[4]竇秀明,代作曉,華建文等.激光干涉信號(hào)的位置及偏差提取[J].光電技術(shù)應(yīng)用,2007,28(4):576-578.

[5]R.S.Bucy,P.D.Joseph.Filtering for Stochastic Processes with Applications to Guidance[M].AMSChelsea Publ.,2005.

[6]楊振寰著,母國(guó)光,羊國(guó)光,莊松林譯.光學(xué)信息處理[M].天津:南開大學(xué)出版社,1986.

[7]G.I.Dolgikh.Study into Seismoacoustic Processes in the Ocean-Continent Transition Zone by the Unequal Arm Laser Strainmeter[M].Cand.Sci.(Phys.-Math.)Dissertation,Vladivostok,1988.

張文霞（1980-），女，山東臨沂人，講師，碩士，現(xiàn)就職于青島理工大學(xué)琴島學(xué)院機(jī)電工程系，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

袁?。?980-），男，山東榮成人，助理研究員，博士，現(xiàn)就職于山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，主要研究方向?yàn)楹Ｑ髾z測(cè)儀器開發(fā)。

摘要：傳統(tǒng)壓電陶瓷接收式水聲應(yīng)答器存在非線性響應(yīng)的缺陷，導(dǎo)致輸入信號(hào)幅度與輸出的信號(hào)幅度成非線性關(guān)系。本文基于光學(xué)干涉儀原理設(shè)計(jì)一種激光干涉接收式水聲應(yīng)答器。利用激光干涉方法接收并檢測(cè)微弱的水聲信號(hào)，檢測(cè)的水聲信號(hào)幅度與輸出的信號(hào)大小成線性關(guān)系，避免了壓電陶瓷固有的非線性響應(yīng)；利用系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)了應(yīng)答器系統(tǒng)前端信號(hào)接收及預(yù)處理模塊、信號(hào)處理模塊和脈沖回發(fā)模塊，對(duì)應(yīng)答器系統(tǒng)進(jìn)行了收發(fā)測(cè)試，并針對(duì)系統(tǒng)調(diào)試中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)和改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：非線性響應(yīng)；激光干涉原理；水聲應(yīng)答器；模塊化設(shè)計(jì)方法

Transponder System Based on Laser Interference Principle

Abstract:Since the conventional underwater acoustic transponder is made of piezoelectric ceramic with the nonlinear response,we designed a kind of hydroacoustic transponder based on laser interferometer principle.It is based on the principle of laser interferometry to detect weak signals,avoiding the non-linear response of the inherent piezoelectric ceramics,with a linear relation between the detected acoustic signal and its output signal.We designed the front-end module named signal receiving,pre-processing module,signal processing module and the back-pulse module using the modular concept and made an experiment to test the laser interference principle based transponder and adjusted the filter parameters to improve the transponder filter performance.

Key words:Nonlinear response; Laser interference principle; Underwater acoustic transponder; Modular design method

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：★山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2012FL18）；青島科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（13-1-4-172-jch）；山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（201308）

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1003-0492(2016)02-0094-05

中圖分類號(hào)：TP273