某水聲測距定位系統(tǒng)信號控制處理方法探析＊

陳東賓

（海軍駐溫州地區(qū)軍事代表室 舟山 316000）

1 引言

能把兩種不同形式的能量進行互相轉(zhuǎn)換的器件稱為換能器。水聲信號的發(fā)射與接收是由水聲換能器實現(xiàn)的，在水聲設(shè)備中多數(shù)采用電—聲轉(zhuǎn)換，因為這種轉(zhuǎn)換方式最便于人工控制。水聲換能器是指能將電能和聲能進行相互轉(zhuǎn)換的裝置，它利用晶體（石英或酒石酸鉀鈉）、壓電陶瓷（鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛）等的壓電效應(yīng)和鐵鎳合金的磁致伸縮效應(yīng)來進行工作。所謂壓電效應(yīng)，是把晶體按一定方向切成薄片，并在晶體薄片上施加壓力，在它的兩端面上會分別產(chǎn)生正電荷和負電荷。反之在晶體薄片上施加拉伸力時，它的兩個端面上就會產(chǎn)生與加壓力時相反的電荷。電致伸縮效應(yīng)，即在晶體的兩個端面上施加交變電壓，晶體就會產(chǎn)生相應(yīng)的機械變形，引起周圍水介質(zhì)產(chǎn)生周期性震動，并最終形成聲波。通過這兩種方式，水聲換能器得以實現(xiàn)水聲信號的發(fā)射與接受功能［1～2］。

2 發(fā)射信號的調(diào)制放大

為實現(xiàn)同步測距，系統(tǒng)在原理上采用兩個GPS時鐘分別接到信號發(fā)射端與接收端，并同時發(fā)出時鐘信號，通過測量兩路信號到達接收端的時間差，最終得到兩端之間的距離。

2.1 發(fā)射信號的調(diào)制

由于時鐘本身發(fā)出的秒脈沖信號頻率較低，不能在水中傳輸，因此系統(tǒng)利用單片機芯片內(nèi)部時鐘電路產(chǎn)生的高頻信號作為載體。該內(nèi)部時鐘電路實際是由高增益反向放大器、石英晶體振蕩器和微調(diào)電容構(gòu)成的穩(wěn)定自激振蕩器，它可以不斷產(chǎn)生固定頻率的高頻脈沖信號［3］，再經(jīng)單片機芯片邏輯變換后交替輸出兩路低電平。用時鐘信號控制低電平的輸出，就可以將連續(xù)不斷的高頻脈沖信號轉(zhuǎn)換成為一系列與時鐘秒脈沖信號寬度相同的高頻脈沖波段，從而實現(xiàn)高低頻信號的調(diào)制。

2.2 發(fā)射信號的放大

由于傳輸距離是通過測量傳輸時間差計算得到的，測量誤差可以表示為［4］

其中，B為系統(tǒng)工作帶寬，單頻正弦脈沖又可表示為B＝1／T，T為信號周期（s）；S／N為接收信號信噪比。

由此可以看出，為了提高定位的精確性，減小測時誤差，需要提高信號的帶寬或者是信噪比。對于前者，減小信號的周期可以提高帶寬，但信號的周期要考慮多種因素包括被測目標的運動速度、信號傳輸距離以及減小模糊距離的要求等綜合決定。提高信噪比的方法有兩種，提高傳輸信號能量或者減小接收噪聲，當(dāng)前較多采用的方法是通過功率來提高信號能量。系統(tǒng)發(fā)射機采用推挽功率放大電路如圖1所示，其中場效應(yīng)管在電路設(shè)計中被設(shè)計城斷開、接通的開關(guān)使用。當(dāng)有信號輸入時，場效應(yīng)管接通，通過變壓器輸出大幅度正弦波，反之不能輸出，從而達到放大信號能量的目的。

圖1 功率放大電路

3 水聲信號的接收與檢測

當(dāng)水聲信號到達接收換能器后，被轉(zhuǎn)化為電信號進入接收機電路。接收機電路要對接收到的信號的處理，因此整個電路又分為放大模塊、濾波模塊、積分鑒壓模塊，如圖2所示。

圖2 信號處理流程圖

3.1 信號的放大

圖3 集成運放電路方框圖

對信號進行放大的主要元器件是集成運算放大器，它是一種將各種電子元件以及它們之間的連線所組成的完整電路采用專門的制造工藝集成在半導(dǎo)體單晶芯片上，以完成某種特定功能的器件。集成運放電路由四部分構(gòu)成，包括輸入級、中間級、輸出級和偏置電路。

由于系統(tǒng)中部分接收換能器要放置于水下某一深度位置上，采用帶屏蔽層的長電纜傳輸信號，微弱信號在傳輸過程中會受到干擾，需要采用差動放大電路以減小共模干擾，提高輸入阻抗，消除零點漂移。

圖4 預(yù)放大模塊電路示意圖

3.2 選頻放大

預(yù)放大處理針對于所有頻率的信號，這些信號包括有效信號以及作業(yè)環(huán)境本身所含有的背景噪音信號，為了便于后續(xù)使用，還需要有選擇性的對有效信號的強度進行加強，這一過程由選頻放大器實現(xiàn)。經(jīng)過預(yù)放大處理后的信號進入選頻放大器，選頻放大器再從多種頻率的輸入信號中，選取系統(tǒng)所采用頻率的信號進一步放大。

圖5 選頻放大器原理圖

如圖5所示，放大器由集成運放和LC并聯(lián)反饋回路組成，LC并聯(lián)回路的表達式可以表示為

由表達式可以看出阻抗Z是頻率的函數(shù)，當(dāng)通過反饋電路的信號頻率為系統(tǒng)設(shè)定頻率時產(chǎn)生諧振，此時wL＝1／wC，并聯(lián)回路對該頻率阻抗呈現(xiàn)最大，且成純電阻性，此時放大器的電壓放大倍數(shù)最大。當(dāng)其他頻率信號通過時，回路阻抗下降，放大器的電壓放大倍數(shù)降低，信號得不到放大。

3.3 濾波電路

濾波通常分為無源濾波和有源濾波，前者是指濾波電路中只含有無源元件（電阻、電容、電感），該類濾波電路的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率會隨負載而變化，致使其常常不符合信號處理的要求。而有源濾波則除含有無源元件外還包括有源元件（單極型管、雙極型管、集成運放）較好的解決了負載對濾波特性的影響。按照濾波電路的工作頻帶，濾波又可以分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波器和全通濾波。設(shè)定截止頻率f，頻率低于f的信號可以通過，高于f的信號被衰減的濾波電路成為低通濾波，反之成為高通濾波；設(shè)低頻段截止頻率為f1，高頻段截止頻率為f2，頻率在兩者之間的信號可以通過，反之被衰減的濾波電路稱為帶通濾波，反之稱為帶阻濾波［7］。

針對本系統(tǒng)，由于低頻信號在水中不能傳播，為了能實現(xiàn)信號的傳輸，與高頻信號進行了調(diào)制，因此經(jīng)過選頻放大器篩選放大出來的有效信號是由一系列并不規(guī)整的高頻振蕩脈沖組成的，為了得到所需要的低頻信號，必須進行濾波處理，即通過檢波電路將高低頻信號進行分離。此外，由于高頻振蕩信號的存在增加了電壓比較器的非必要工作量，也需要將高頻信號加以過濾，消除高頻信號的不利影響。

如圖6所示，利用二極管的正向?qū)ㄌ匦员Ａ糨斎胄盘柕恼氩糠?，T1的作用主要是利用集成運放引入反饋電路來增強二極管的正向?qū)ㄐ?。?jīng)過二極管處理后的信號進入由T2構(gòu)成的低通濾波電路，濾掉調(diào)制信號內(nèi)部的高頻信號并保留信號外包絡(luò)線，使之成為規(guī)整的低頻脈沖信號進入電壓比較器。

圖6 濾波電路圖

濾波電路對輸入信號的處理效果示意圖如圖7所示：

圖7 濾波電路效果示意圖

3.3 積分鑒壓

對于系統(tǒng)而言，積分鑒壓模塊主要作用是對輸出的低頻信號進行相位補償，消除因信號相位偏移帶來的時間計量上的誤差。同時起到輸出電平作用，當(dāng)進入模塊的脈沖信號電壓幅度達到預(yù)設(shè)值時為有效信號，此時電壓比較器輸出高電平，并最終進入下一工作階段。

4 結(jié)語

通過試驗表明，調(diào)制處理后的時鐘信號與聲信號進行轉(zhuǎn)換后能夠在水介質(zhì)中傳輸不失真，同時，經(jīng)過接收電路放大處理后能夠較好的提高所需頻率信號的強度并有效降低噪音信號的影響，滿足檢測需求。此外，濾波及積分鑒壓模塊使信號得到進一步規(guī)整，為信號后續(xù)使用提供了便利。

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