程江林, 李正平

(安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷擴大,海洋水聲環(huán)境和目標(biāo)探測水聲技術(shù)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。壓電陶瓷水聽器是把水下聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的換能器,廣泛用于水聲采集系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)、地震勘探系統(tǒng)等,是海洋水聲測量必需的信號采集設(shè)備。水下的探測、識別、通信以及海洋環(huán)境監(jiān)測和海洋資源的開發(fā),都離不開水聽器[2]。

在水聲探測系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時,水聽器既與振動的或壓力變化的介質(zhì)接觸,又與數(shù)據(jù)采集單元相連接。進(jìn)行作業(yè)前,由于在生產(chǎn)組裝或者檢修過程中的人為疏忽,有可能造成水聽器中1只或多只水聽器極性相反的情況存在。水聽器的極性直接與其輸出信號的正反方向相關(guān),如1個正向脈沖信號輸入到極性相同的2個不同水聽器之后,將會輸出與原始信號幅度方向一致的信號;而極性相反的水聽器會產(chǎn)生1個正向、1個負(fù)向的脈沖信號。因此,僅從水聽器輸出信號無法準(zhǔn)確判斷原始波形的正、負(fù)方向,從而造成極性相反的水聽器影響采集信號的質(zhì)量,降低水聲探測的效果。隨著水聲探測技術(shù)的進(jìn)步,壓電陶瓷水聽器使用數(shù)量越來越龐大,一個勘探項目使用數(shù)萬串水聽器,而尋找極性相反的水聽器比較麻煩。如對海上水聲探測而言,受水聽器陣列電纜收放困難的制約,水聽器極性的檢測更加困難[3]。目前在水聲信號檢測領(lǐng)域中水聽器極性檢測的方法很少。

針對上述問題,本文提出了一種用于壓電陶瓷水聽器極性檢測的方法。該方法通過計算機控制激勵模塊產(chǎn)生主動式測試信號源,并配合極性測試算法來分析水聽器所采集到的波形信息,進(jìn)而判斷出水聽器的極性。該方法簡單可靠、操作方便,可廣泛應(yīng)用于水聲信號檢測領(lǐng)域中。

1 水聽器極性檢測原理

壓電陶瓷水聽器是用于測量水聲壓力的一種傳感器件,以輸出電壓的形式模擬水的壓力變換,其輸出信號會跟隨水聲壓力的變化而變化[4],壓電陶瓷水聽器工作頻率范圍為3～2 000 Hz。當(dāng)水聽器連接極性正確時,其會輸出與待測信號相位一致的電信號,如圖1a所示;反之,當(dāng)水聽器連接極性錯誤時,其會輸出與待測信號相位相反的電信號,如圖1b所示。當(dāng)待測信號存在多極性時,即存在多個波峰,如果水聽器極性相反,會體現(xiàn)在輸出信號反向上,那么采集儀器沒有辦法分辨原始信號的第1個波峰位置到底在哪個時刻,這將會造成數(shù)據(jù)分析、圖像重構(gòu)時的延遲偏差。在聲學(xué)探測應(yīng)用中,信號波峰到達(dá)時刻直接與待測目標(biāo)物體的距離遠(yuǎn)近相關(guān)。延遲的偏差將會直接影響水聲探測采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量,導(dǎo)致重構(gòu)圖像的失真。

圖1 水聽器極性對輸出信號的影響

因此,如果待測的聲學(xué)信號是一個已知的激勵源,利用該已知特性的信號(如固定頻率的正弦波)激勵2個壓電陶瓷水聽器,其一為極性連接正確的水聽器,另一個為待測極性的水聽器,那么通過對比分析這2個水聽器輸出信號之間的相位關(guān)系,即可實現(xiàn)對待測水聽器極性的檢測[5]。

2 極性檢測裝置的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)組成

本文所提出的壓電陶瓷水聽器極性檢測方法所用裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,分為檢測裝置和待測設(shè)備2個部分。待測水聽器為水聲采集儀的探頭,也可以是由多個水聽器探頭構(gòu)成一個探測陣列;檢測裝置則由激勵模塊和上位機軟件構(gòu)成。

圖2 極性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該檢測裝置的激勵模塊內(nèi)部安裝一個發(fā)射換能器,其可由受控的電信號推動產(chǎn)生聲波信號[6]；并且在該激勵模塊中,安裝一個極性連接正確的參考水聽器,與其相連接的處理電路可以實時采集到該參考水聽器檢測的聲學(xué)信號,并通過通信通道RS485將采集數(shù)據(jù)上傳給上位機。系統(tǒng)工作時,將激勵模塊安置在待測水聽器的正上方(如圖2所示),并打開水聲采集儀。此時,操作人員通過上位機軟件向激勵模塊發(fā)送控制命令使其進(jìn)入檢測狀態(tài),當(dāng)處理電路接收到該指令時,會啟動處理電路的信號源單元DAC驅(qū)動發(fā)射換能器發(fā)射聲波,并同時產(chǎn)生一個硬件的同步觸發(fā)信號發(fā)送給水聲采集儀,用于觸發(fā)水聲采集儀開始采集來自待測水聽器檢測到的聲學(xué)信號,而同時處理電路內(nèi)部的采集單元ADC也會采集來自參考水聽器所檢測到的聲學(xué)信號。

由于待測水聽器與參考水聽器都放置在發(fā)射換能器附近,聲波傳播到2種水聽器的距離近似相等,假設(shè)兩者距離誤差1 cm,按照聲波在海水中傳播速度1 500 m/s計算,2個水聽器接收到的信號延遲誤差約為6.7 μs,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通常水聲探測信號數(shù)字化采樣時間間隔(如1 ms),因此可以認(rèn)為2種水聽器同時采集到了聲學(xué)激勵信號。經(jīng)過這種同步操作,可保證極性檢測裝置所采集到的聲學(xué)信號能夠與水聲采集儀采集到的信號嚴(yán)格同步。激勵模塊是一個具有固定物理結(jié)構(gòu)的測試盒,在對待測水聽器進(jìn)行極性檢測時,將激勵模塊放置在待測水聽器正上方,保證每個待測水聽器與參考水聽器接收到的信號差在可忽略的范圍,從而便于進(jìn)行極性的分析。

該檢測裝置的軟件部分為極性測試軟件,工作于上位機。極性測試軟件可實現(xiàn)對激勵單元硬件系統(tǒng)的控制及信號的采集,從而完成對待測水聽器信號和激勵模塊參考水聽器信號波形的對比分析和顯示[7]。

為了保證待測水聽器極性檢測的準(zhǔn)確性,提高信噪比,需要對激勵模塊所產(chǎn)生的信號做一定的處理。當(dāng)激勵模塊接收到上位機軟件發(fā)送的控制信號后,其內(nèi)部的處理電路將控制發(fā)射換能器先產(chǎn)生一個頻率為300 Hz、30個周期長度振幅較小的正弦波信號,緊接著再產(chǎn)生一個頻率為300 Hz、10個周期長度振幅較大的正弦波信號。其中,小信號用于讓發(fā)射換能器穩(wěn)定起振,大信號用于檢測待測水聽器極性,激勵模塊輸出的信號波形如圖3所示。

圖3 激勵模塊輸出信號波形

極性測試軟件對采集的待測水聽器信號和激勵模塊參考水聽器信號進(jìn)行分析處理,在激勵模塊信號中先找到大信號的范圍,并從中找出最大的10個正尖峰和最小的10個負(fù)尖峰,然后通過比較第1個峰值的正負(fù)性來判斷待測水聽器的連接是正接還是反接[8]。若正負(fù)性一致(即待測水聽器極性連接方式與參考水聽器的一致),則水聽器極性為正;若正負(fù)性相反(即待測水聽器極性連接方式與參考水聽器的相反),則水聽器極性為負(fù)。

2.2 硬件設(shè)計部分

由2.1節(jié)分析可知,激勵模塊是整個極性檢測裝置的核心,激勵模塊用于檢測待測水聽器極性是否正確,其作用主要有2個方面:① 給待測水聽器和其內(nèi)部參考水聽器提供激勵聲學(xué)源;② 通過數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳其內(nèi)部參考水聽器所采集的信號至上位機。

激勵模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示,由水聽器、發(fā)射換能器、單片機、傳輸模塊、電源模塊和鋰電池組成。

圖4 激勵模塊示意圖

極性測試軟件控制單片機內(nèi)DAC模塊產(chǎn)生固定頻率的音頻信號,并由功放進(jìn)行信號放大后帶動發(fā)射換能器發(fā)聲,以此來完成振源的作用[9]。此時內(nèi)部水聽器檢測發(fā)射換能器發(fā)出的信號,并通過ADC模塊進(jìn)行信號采集,再將該信號通過數(shù)據(jù)傳輸模塊以RS485信號上傳給上位機軟件做進(jìn)一步處理。

2.3 軟件設(shè)計部分

極性測試軟件主要完成對水聽器和激勵模塊采集數(shù)據(jù)的分析和處理,并將測試結(jié)果使用紅、藍(lán)標(biāo)識符進(jìn)行標(biāo)識,通過波形顯示模塊進(jìn)行對比顯示,檢測人員可通過波形對比快速判斷待測水聽器的極性。上位機程序使用Qt5進(jìn)行開發(fā),采用多進(jìn)程來實現(xiàn)特定的功能。

軟件主程序流程如圖5所示。

在數(shù)據(jù)處理中,首先判斷待測通道的信號質(zhì)量,若信號有干擾且信號質(zhì)量有問題,則此時軟件界面顯示信號弱,并結(jié)束測試。在信號質(zhì)量沒有問題的前提下,將待測水聽器和激勵模塊中參考水聽器采集的信號去直流并歸一到相應(yīng)電壓值下。因為根據(jù)設(shè)置閾值或其他方法直接判斷第1個峰值的位置,可能會存在誤判的情況,所以通過主程序先定位待測水聽器和參考水聽器接收的信號中10個周期長度的正弦波大信號范圍,再從大信號范圍內(nèi)分別找出最大的10個正尖峰和最小的10個負(fù)尖峰。記錄這20個尖峰中第1個尖峰的峰值,并判斷水聽器和激勵模塊第1個峰值的正負(fù)性是否一致。若正負(fù)性一致,則待測水聽器正接;若正負(fù)性不一致,則待測水聽器反接。

圖5 軟件主程序流程

3 測試及分析

為了測試和驗證水聽器極性檢測方法的有效性,本文通過對水聽器正接、反接以及移除激勵模塊(測試盒)3種測試方式,驗證軟件是否能正確判斷出正接、反接、信號弱3類情況。

3種測試方式波形對比如圖6所示。

圖6 3種測試方式波形對比

首先按照測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完成實驗平臺的搭建;再正確連接待測水聽器和水聲采集儀,將激勵模塊放到待測水聽器的上方;上電之后,使用極性測試軟件檢測水聽器極性，并通過波形顯示模塊顯示對比波形。

由圖6可知，當(dāng)待測水聽器正接水聲采集儀時,水聽器和激勵模塊輸出信號的第1個峰值正負(fù)性一致;當(dāng)反接水聲采集儀時,水聽器和激勵模塊輸出信號的第1個峰值正負(fù)性相反;當(dāng)移除測試盒時,水聽器輸出的信號弱,此時無法判斷水聽器極性。

4 結(jié) 論

本文提出了一種用于壓電陶瓷陶瓷水聽器極性檢測的方法，并對該方法的有效性進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明,本文方法能夠有效地檢測實際連接在系統(tǒng)中的水聽器極性,由于有了最直接的波形數(shù)據(jù),操作人員可以很容易地對當(dāng)前水聽器極性做出快速判斷。在測試過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)測試環(huán)境發(fā)生變化時,如水聽器擺放位置變化、水聽器下方是否放置墊子等,實驗結(jié)果會受到一定的影響[10],因此在測試前,應(yīng)確保實驗環(huán)境的穩(wěn)定。