主動聲探測信號的捕獲與回波重構(gòu)電路設(shè)計

張海濤，羅 建，聶宜召，劉亞萍，趙亞磊

（西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安 710072）

0 引言

無論是從水下新型制導(dǎo)武器的研制或是從水聲對抗的角度來說，主動聲探測信號回波模擬技術(shù)都具有重要意義[1]。但快速捕獲短暫的大動態(tài)范圍主動探測脈沖并進行回波重構(gòu)，要求系統(tǒng)具有較高的實時性。以往研究的自動增益控制（AGC）電路的方向主要集中于大帶寬、大動態(tài)范圍，對靈敏度的研究較少，一般AGC電路的建立時間為0.4 s，對于高實時性的應(yīng)用延遲較大。為了提高系統(tǒng)的實時性，本文采用多級固定增益放大、多路同步采集的方法可以接近實時地采集微弱信號，較自動增益控制放大電路提高了系統(tǒng)的實時性。同時，由于搭建電路的運放采用一般的運算放大器，與AGC電路對比，本文的方案降低了經(jīng)濟成本。

1 系統(tǒng)工作環(huán)境

主動聲探測系統(tǒng)依靠目標的反射信號來探測目標，其工作原理如圖1所示。本文所設(shè)計的系統(tǒng)探測對象就是這種短暫的主動探測脈沖。

圖1 主動聲探測系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of active sound detection system

主動探測系統(tǒng)在工作時，按一定的周期T,發(fā)射一固定脈沖寬度τ的超聲信號（頻率為f）。當沒有目標時，系統(tǒng)只接收到水面的反射回波；當有目標通過時，就會接收到目標的反射回波信號。這一回波信號一般是在水面回波到達之前到達，即引起測距值變短[2]。在實際應(yīng)用中，τ一般為3～5 ms，f為20～80 kHz，T為 400～600 ms。對此短脈沖信號進行對抗，需要實時存儲接收到的波形信號，并且立即做出判斷與處理，這對系統(tǒng)的實時性提出很高的要求。

信號通過壓電陶瓷換能器獲取，通過聲電換算，接收到的電壓信號大約100 μV左右。采集100 μV的微弱信號需要考慮如何提高系統(tǒng)的信噪比。

對海洋環(huán)境噪聲的譜級研究從第二次世界大戰(zhàn)開始就已進行,并取得了大量實測數(shù)據(jù)和理論成果,其中Wenz所總結(jié)的譜級曲線具有代表性[3]。其譜級大體上可以分成相互覆蓋的3段：1）低頻段（1～100 Hz）,每倍頻程-10～-8 dB 衰減；2）中頻段（100～500 Hz）,這一段譜較為平緩,主要來源于遠處的行船。這一段譜級的強弱與航運的頻繁程度有關(guān)；3）高頻段（500～25 000 Hz），每倍頻程按5～6 dB衰減,主要來源于風動海面。在短脈沖信號采集系統(tǒng)的工作頻段內(nèi)，海洋環(huán)境噪聲在高頻部分（大于20 kHz）對系統(tǒng)影響較小，于是要求短脈沖信號采集系統(tǒng)的濾波器在低頻部分具有良好的性能[4]。

2 系統(tǒng)原理

如圖2所示，一個完整的主動探測脈沖回波模擬系統(tǒng)主要由信號預(yù)處理、信號放大、信號采集與存儲、重構(gòu)回波發(fā)射等部分組成。微弱信號首先通過信號預(yù)處理電路提高信號的信噪比，由放大電路將信號放大至 AD可采集的范圍，由信號采集與存儲電路對信號進行采集并存儲，通過DSP對采集波形進行波形分析與重構(gòu)，并將重構(gòu)回波發(fā)射出去。

圖2 系統(tǒng)總體框圖Fig.2 Overall block diagram of system

信號預(yù)處理的目的是提高信號的信噪比。對采集的原始信號進行放大時，雖然同時將噪聲放大，但在濾波器輸入端，信號已經(jīng)是一個較大的值，信號通過濾波器后會濾除放大后的帶外噪聲，可以有效地減小系統(tǒng)的等效輸入噪聲。此外，由于換能器的輸出阻抗很大，為了可以接收更多的信號，需要前級放大器具有較大的輸入阻抗，于是前級放大器采用同相放大電路結(jié)構(gòu)。為了改善前級放大器的整體性能，在同相放大器的后級接1個反向放大器，不僅可以彌補同相放大器抗干擾能力差的性質(zhì)，而且可以靈活地改變前級放大倍數(shù)[5]。

主動聲探測脈沖信號頻帶為20～80 kHz，由于信號本身是未知的，所以頻帶適當?shù)恼箤挷⒉粫绊懴到y(tǒng)性能。由于海洋環(huán)境噪聲集中于低頻段，所以濾波器的下邊帶阻帶衰減需要大一些。此外，由于信號在傳播過程中發(fā)生頻帶展寬，單頻信號會變成窄帶信號，為了采集的信號不失真，需要降低帶內(nèi)紋波，因此系統(tǒng)采取巴特沃斯濾波器進行信號濾波[6]。信號預(yù)處理電路的總體框圖如圖3所示。

圖3 信號預(yù)處理方案Fig.3 Signal preprocessing scheme

針對實時性的需求，本文提出多級固定增益放大多級輸出的信號采集方式，如圖4所示，信號進入多級放大電路，每一級都輸出一定放大倍數(shù)的信號，通過4級放大達到10 000倍的總放大倍數(shù)，可以將0.1 mV的信號放大至1 V。對于不同幅度的輸入信號，通過多級放大的冗余采集，其中必有1路未被限幅并且達到滿足AD可采集的范圍，將該路采集的信號進行分析即可。將同相放大器與反相放大器交替級聯(lián)，既可提高系統(tǒng)抗干擾能力，又可改善信號的偏置現(xiàn)象。

圖4 放大電路方案Fig.4 Amplifying circuit scheme

如圖5所示，信號采集與觸發(fā)的主要目的是將經(jīng)過信號調(diào)理后的信號進行 AD采集并以數(shù)字形式存儲。對于只能采集單邊信號的單極性 ADC，在本系統(tǒng)中需要電位提升等輔助電路將其搬移到正半周，在本文中采用加法器。為了使 DSP明確何時處理數(shù)據(jù)以及處理哪路數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要通過包絡(luò)檢波對各路信號進行檢波，當某一路ADC檢測到具有一定寬度與幅度的脈沖信號后，即可判斷主動聲探測脈沖信號是否來臨以及哪一路的信號適合處理。

圖5 信號采集與觸發(fā)方案Fig.5 Signal acquisition and trigger scheme

DSP信號采集電路工作原理如圖6所示，通過4路AD同時采集，采集結(jié)束后將信號發(fā)送至DSP。選用具有菊花鏈的AD采集芯片可以將各個AD進行級聯(lián)，用單一的數(shù)據(jù)鏈路傳輸數(shù)據(jù)。整個信號采集電路利用I2S的時鐘信號作為采樣AD的啟動轉(zhuǎn)換脈沖，同時觸發(fā)4路AD進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，將級聯(lián)的4路AD的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過SPI串口讀取并存儲，DSP提取出合適通道的采集數(shù)據(jù)進行分析。

依據(jù)系統(tǒng)原理，采集主動探測脈沖的時間與所選器件的響應(yīng)時間成正相關(guān)，采集電路基本可以達到信號的無延遲采集。因此，系統(tǒng)的實時性主要取決于 DSP的數(shù)據(jù)處理能力。而在算法層面，回波重構(gòu)采用波形存儲重發(fā)技術(shù)，耗時較少，基于以上設(shè)計方案，系統(tǒng)可以達到較高的實時性。而且，由于系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，增加了廉價器件的使用，總體具有較高的經(jīng)濟優(yōu)勢。

圖6 信號采集方案Fig.6 Signal acquisition scheme

3 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)由 STM32F103單片機作為控制芯片，由TMS320C5535作為信號處理器，由低噪放NE5532作為放大器，由AD8058作為有源濾波器的運放，由AD5512作為波形輸出的DA轉(zhuǎn)換器，由ADS8860作為信號采集的AD轉(zhuǎn)換器。

信號預(yù)處理電路包括低噪前放與濾波器，低噪前放采用NE5532，它的增益帶寬積為10 MHz，輸入噪聲為適合作為系統(tǒng)的前級運放[7]。有源濾波器運放選型為 AD8058，其輸入噪聲為壓擺率為1 000 V/μs，并且具有低失真的特性。低噪前放采用同相放大器，提高系統(tǒng)的輸入阻抗。濾波器采用2級濾波器級聯(lián)的方式，第1級為高通濾波器，第2級為低通濾波器，因為噪聲主要集中在低頻段，這樣可以有效降低輸入噪聲。

信號放大電路采用4級級聯(lián)的方式，4級放大器同相反相交替級聯(lián)，采用電容進行級間耦合，避免級間直流偏置，降低系統(tǒng)設(shè)計難度。信號采集輔助電路包括檢波電路與信號提升電路，檢波電路采用二極管包絡(luò)檢波，信號提升電路采用同相加法器。

STM32F103通過AD采集包絡(luò)檢波后的信號，判斷脈沖信號是否到來，通過串行端口發(fā)送觸發(fā)信號到 DSP，觸發(fā)相應(yīng)通道進行波形分析與重構(gòu)。DSP解算并重構(gòu)回波后，通過DA轉(zhuǎn)換器將重構(gòu)后的信號波形發(fā)射出去，由AD5512構(gòu)成的DA轉(zhuǎn)換器具有雙極型輸出的功能，通過加接運放，可以驅(qū)動60 kΩ的負載[8]。

4 測試驗證

對安裝調(diào)試完成的電路進行了各模塊的功能測試。表1給出了分級測試的結(jié)果，總放大倍數(shù)為：10 229.118，可以將0.1 mV的信號放大至1 V，滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

表1 放大器輸出信號Table 1 Output signal of amplifier

采用點頻法測試了濾波器的幅頻響應(yīng)特性曲線，如圖7所示。由幅頻響應(yīng)曲線可知，濾波器的響應(yīng)在帶內(nèi)逐漸增加且分段恒定，故取兩者的中間值作為濾波器的帶內(nèi)響應(yīng)幅值，取2.17 V。所以濾波器的-3 dB點為19 kHz與92 kHz，高通的阻帶衰減為18.4 dB，低通的阻帶衰減為20.4 dB，帶內(nèi)紋波為2.3 dB，滿足濾除帶外噪聲的要求。

圖7 濾波器幅頻響應(yīng)特性曲線Fig.7 Amplitude-frequency response characteristic curve of filter

單片機利用ADC采集包絡(luò)檢波后的幅值，來判斷是否符合采集的條件。為了測試單片機，采用可變電位器將2.5 V的直流電壓進行分壓逐級調(diào)整。對于2.5 V的電壓，設(shè)置3個閾值：小于0.5 V、大于0.5 V而小于2.0 V、大于2.0 V而小于2.5 V。通過測試，數(shù)據(jù)發(fā)送時間約為0.1 ms，基本滿足實時性的要求。

5 結(jié)束語

論文討論了主動脈沖信號的捕獲與回波重構(gòu)電路模塊的設(shè)計，分析了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計方法以及芯片選型與應(yīng)用，完成了信號捕獲與回波重構(gòu)系統(tǒng)的硬件設(shè)計。采用STM32控制系統(tǒng)的信號采集與數(shù)據(jù)交互。完成了電路設(shè)計、硬件調(diào)試以及功能測試，測試結(jié)果表明此方案可以應(yīng)用于主動脈沖信號的捕獲與回波重構(gòu)，具有重要的參考價值。