劉銘洲

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

相對(duì)于普通的探測(cè)聲吶，成像聲吶能夠以實(shí)時(shí)、直觀的圖像畫面來呈現(xiàn)探測(cè)區(qū)域的目標(biāo)信息，不僅可以判斷水下目標(biāo)的有無，還可以提供更高的分辨水平和更豐富的目標(biāo)細(xì)節(jié)，在海底地形測(cè)繪、堤壩缺陷檢測(cè)以及水下搜救打撈等國(guó)防和民生領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1-4]。成像聲吶在發(fā)揮作用的同時(shí)，由于操作使用不當(dāng)或長(zhǎng)時(shí)間工作所引起的故障會(huì)給使用者造成一定的困擾[5]，對(duì)此，本文分別從高頻成像聲吶的組成、工作原理、故障原因、檢測(cè)方法以及維修處置等幾方面進(jìn)行詳細(xì)說明。

1 高頻成像聲吶的工作原理及組成

高頻成像聲吶可以對(duì)水下場(chǎng)景、靜止及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，并且可以通過得到的聲學(xué)圖像多角度地觀察和識(shí)別目標(biāo)，提高潛水員對(duì)水下環(huán)境的感知能力。高頻成像聲吶采用主動(dòng)聲吶模式，聲吶將編碼發(fā)射信號(hào)通過發(fā)射換能器陣列輻射至水中，經(jīng)過目標(biāo)發(fā)射后，接收換能器陣列將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后通過A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，反導(dǎo)出水下目標(biāo)圖像，將圖像結(jié)果通過顯控屏進(jìn)行顯示。系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。

圖1 高頻成像聲吶工作原理圖

該系統(tǒng)主要由高頻成像聲吶主機(jī)、水密電纜、目鏡以及電池模塊4 大部分組成。其中，聲吶主機(jī)包括收發(fā)換能器、功放單元、數(shù)字采集模塊、控制處理模塊以及核心模塊等部分，目鏡為顯示設(shè)備，顯示處理后的圖像。高頻成像聲吶系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

2 高頻成像聲吶硬件及軟件系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)

高頻成像聲吶硬件系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）作為架構(gòu)核心。FPGA 實(shí)現(xiàn)控制、數(shù)據(jù)處理、處理結(jié)果顯示以及存儲(chǔ)等功能，并根據(jù)需求進(jìn)行相應(yīng)的命令下發(fā)。硬件系統(tǒng)完成多個(gè)通道微弱信號(hào)的信號(hào)調(diào)理以及數(shù)據(jù)采集，數(shù)字端完成波束成型信號(hào)處理以及成像信號(hào)處理等算法的實(shí)現(xiàn)，將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并通過目鏡進(jìn)行圖像顯示。硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 軟件系統(tǒng)

在嵌入式端軟件程序架構(gòu)中，從傳感器發(fā)射脈沖開始到完成一幀圖像結(jié)束，為一個(gè)工作周期。處理端可通過指令更改參數(shù)，必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整下發(fā)。FPGA 的一包數(shù)據(jù)包括了指令和數(shù)據(jù)。嵌入式端的軟件架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 嵌入式端軟件架構(gòu)

算法程序架構(gòu)包括參數(shù)控制范圍、計(jì)算量限制因素以及設(shè)備工作參數(shù)。算法完成單頻或調(diào)頻信號(hào)回波處理。算法程序框如圖5 所示。

圖5 算法程序框

3 故障檢測(cè)與維修

針對(duì)不同的探測(cè)場(chǎng)景和水況條件，通過大量的成像測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及長(zhǎng)時(shí)間工作與監(jiān)測(cè)，聲吶設(shè)備出現(xiàn)諸多故障，主要包括聲吶開機(jī)后出現(xiàn)紅屏或綠屏現(xiàn)象，聲吶主機(jī)無法開機(jī)，聲吶開機(jī)后死機(jī)，聲吶成像效果弱等故障。一般的故障處理可以通過檢測(cè)結(jié)果定位到相應(yīng)的板件模塊。由于板件更換費(fèi)用較高，為提高優(yōu)質(zhì)的保障力，本章對(duì)常見故障問題的檢測(cè)處置進(jìn)行說明，并針對(duì)常用板件介紹故障檢測(cè)及維修方法。通過本章故障檢測(cè)與維修方法的研究，可使維修人員快速掌握解決故障問題的能力。

3.1 開機(jī)后出現(xiàn)紅屏或綠屏現(xiàn)象

故障現(xiàn)象：將主機(jī)、目鏡及電池連接，放入水中后加電啟動(dòng)，主機(jī)成像圖像顯示正常。1 h 后目鏡顯示畫面突然變?yōu)榧t色或綠色，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，更換目鏡工作1 h 后仍然出現(xiàn)故障。

此時(shí)外接顯示器測(cè)試未發(fā)現(xiàn)異常，排除了因板件引起故障的因素。因此故障應(yīng)定位在高清多媒體接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）線路上。

圖6 為HDMI 數(shù)據(jù)傳輸接線表，紅色、綠色、藍(lán)色傳輸線分別對(duì)應(yīng)屏幕產(chǎn)生故障的3 種顏色，找到對(duì)應(yīng)故障顏色位置重新焊接，并按照一致順序?qū)⒕€纜沿根部向上雙絞。完成操作后加電測(cè)試，此時(shí)主機(jī)工作正常。確定該故障現(xiàn)象是因HDMI 數(shù)據(jù)線相互干擾所致，安裝設(shè)備時(shí)應(yīng)注意線纜位置，不能擠壓HDMI 線纜。

圖6 HDMI 數(shù)據(jù)傳輸接線結(jié)構(gòu)圖

3.2 主機(jī)無法開機(jī)

對(duì)于主機(jī)加電后黑屏無顯示問題，有4 個(gè)部件可能導(dǎo)致該故障，即電池、目鏡、控制處理模塊及功放單元，應(yīng)分別對(duì)這些部件進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)電池時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)量電壓應(yīng)≥24 V；檢測(cè)目鏡時(shí)，對(duì)目鏡加電，目鏡應(yīng)正常顯示圖像；檢測(cè)控制模塊時(shí)，輸入24 V 電壓，模塊可開機(jī)工作且畫面顯示正常；檢測(cè)功放單元時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)量輸入端電壓應(yīng)為24 V，輸出端電壓應(yīng)為5 V，用示波器檢測(cè)功放單元發(fā)射電壓應(yīng)≥500 V。若以上檢測(cè)情況均為正常，說明該設(shè)備工作正常，可正常開機(jī)。如果出現(xiàn)故障，應(yīng)按照由易到難的順序進(jìn)行檢測(cè)。

3.3 開機(jī)后死機(jī)現(xiàn)象

故障現(xiàn)象：主機(jī)、目鏡及電池連接后，放入水中加電啟動(dòng)，主機(jī)工作正常。30 min 后，主機(jī)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

有3 個(gè)部件可能導(dǎo)致該故障出現(xiàn)，分別是控制處理模塊、核心模塊及數(shù)字采集模塊。檢測(cè)控制模塊時(shí)，輸入24 V 電壓，應(yīng)可開機(jī)工作且畫面顯示正常；檢測(cè)核心模塊時(shí)，主要測(cè)量FPGA 程序是否運(yùn)行正常；檢測(cè)數(shù)字采集模塊時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)量輸出端應(yīng)有5 V 電壓，數(shù)字采集模塊上的網(wǎng)絡(luò)集成電路應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。以上檢測(cè)情況均為正常，說明該設(shè)備工作正常。

3.4 成像效果弱

主機(jī)開機(jī)后圖像顯示較暗，說明主機(jī)成像效果弱。有2 個(gè)部件可能導(dǎo)致該故障出現(xiàn)，應(yīng)分別對(duì)核心模塊和功放單元進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法按照3.2 及3.3 章節(jié)的方法進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，故障經(jīng)常出現(xiàn)在功放單元，由于功放單元發(fā)射功率低導(dǎo)致成像效果弱。

3.5 功放單元故障維修

功放單元主要提供核心模塊、數(shù)字采集模塊、模擬板供電功能以及提供發(fā)射功率放大等作用，常見的故障有加電后無電壓輸出、無發(fā)射功率或功率低等現(xiàn)象。功放單元的檢測(cè)環(huán)境如圖7 所示。

圖7 功放單元檢測(cè)環(huán)境

3.5.1 無電壓輸出

若功放單元無電壓輸出，首先用萬(wàn)用表檢測(cè)輸入端的24 V 電壓是否正常，其次分別對(duì)功放單元 5 V，24 V，30 V 等測(cè)試點(diǎn)電壓進(jìn)行測(cè)量，如發(fā)現(xiàn)異常，分別對(duì)M1，M2，R11～R15，V6，V7 等元器件進(jìn)行測(cè)量，更換損壞的元器件，功放單元即可正常工作。

3.5.2 無功率輸出

若功放單元無功率輸出，首先搭建好測(cè)試環(huán)境，用計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件設(shè)置增益、發(fā)射信號(hào)形式、發(fā)射信號(hào)頻率、發(fā)射脈沖寬度等參數(shù)。設(shè)置完成后點(diǎn)擊發(fā)射，用示波器測(cè)量功放單元發(fā)射端是否有 500 V 電壓輸出信號(hào)，如檢測(cè)發(fā)現(xiàn)無輸出或輸出信號(hào)小等問題，需更換K73L 模塊，更換后功放單元即可正常工作。

3.6 控制處理模塊故障維修

控制處理模塊主要完成圖像處理、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)回放等任務(wù)，常見的故障主要有無法連接網(wǎng)絡(luò)、HDMI 接顯示器無輸出等。

3.6.1 設(shè)備無法連接網(wǎng)絡(luò)

設(shè)備無法連接網(wǎng)絡(luò)的問題一般由控制處理模塊故障導(dǎo)致，首先應(yīng)檢查L(zhǎng)AN1 模塊和LAN2 模塊是否正常。這兩個(gè)器件一般會(huì)有燒壞現(xiàn)象，更換后網(wǎng)絡(luò)即可正常連接。圖8 為控制處理模塊正面圖，圖中箭頭所指為燒壞的LAN2 模塊。

圖8 控制處理模塊正面

3.6.2 HDMI 接顯示器無輸出

設(shè)備HDMI 接顯示器無輸出故障一般由控制處理模塊故障導(dǎo)致，此時(shí)需測(cè)量HDMI 信號(hào)DDI2_TX0_DP/DN，DDI2_TX1_DP/DN 以及CPU 等器件。更換損壞的器件后，控制處理模塊即可正常工作。圖9 為控制處理模塊背面圖，箭頭所指為需要檢查的器件。

圖9 控制處理模塊背面

3.7 數(shù)字采集模塊故障維修

數(shù)字采集模塊主要提供核心模塊供電電壓，實(shí)現(xiàn)核心模塊與控制處理模塊間的通信任務(wù)，在使用中可能出現(xiàn)無法供電的故障。處理故障時(shí)，首先檢測(cè)5 V 輸入端電壓是否正常，如出現(xiàn)異常應(yīng)將故障定位到功放單元，其次檢測(cè)輸出端3.3 V 和2.5 V 電壓是否正常，如出現(xiàn)異常應(yīng)檢測(cè)更換，更換后數(shù)字采集模塊可正常工作。數(shù)字采集模塊如圖10 所示。

圖10 數(shù)字采集模塊

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了高頻成像聲吶的組成及原理，并詳細(xì)介紹了高頻成像聲吶的故障檢測(cè)與維修方法。通過研究故障檢測(cè)與維修方法，可使維修人員快速掌握故障排除能力，有效提高了保障能力。