鑒頻式水聲接收機的設(shè)計及特性研究＊

張文照 肖昌潤

（1.海軍工程大學(xué)艦船工程系 武漢 430033）（2.海軍后勤技術(shù)裝備研究所 北京 100072）

1 引言

水聲定位系統(tǒng)是潛艇自航模試驗必需的測量系統(tǒng)，其任務(wù)是實時獲取自航模在水下的位置，了解自航模的運行狀況。TOA 定位系統(tǒng)是水聲定位系統(tǒng)中最常見的一種。該系統(tǒng)的基本原理是通過測量發(fā)射換能器所發(fā)出的水聲信號傳播到多個不同基站所需的時延，從而進(jìn)一步解算得到發(fā)射換能器的位置。對水聲信號傳播時延的測量首先需要對接收換能器所采集到的模擬信號予以檢測，判斷發(fā)射換能器發(fā)出的聲信號是否已經(jīng)到達(dá)接收換能器。傳統(tǒng)的鑒壓式信號檢測是基于電壓比較電路工作的，其基本原理是比較水聲接收換能器采集到的電信號是否超過預(yù)先設(shè)定的門限電壓從而完成對水聲信號的檢測［1～2］。由于傳播信道對水聲信號的衰減及多途影響，接收換能器采集到的水聲信號會表現(xiàn)出動態(tài)范圍大及時域波形畸變的特點，在此情況下，鑒壓式的水聲接收機往往不能正常工作。隨著計算機和數(shù)字信號處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用單片機、PC 機或DSP來實現(xiàn)可編程的程控放大器，實現(xiàn)信號檢測功能已日趨成熟。但是，對于TOA 這一單一工作頻率的水聲定位系統(tǒng)來說，這勢必造成產(chǎn)品成本提高、技術(shù)復(fù)雜化和裝備、設(shè)備龐大及操作管理不便等缺點。單純的利用高性能運放及普通的電子元器件設(shè)計滿足精度要求并且結(jié)構(gòu)相對簡單的接收機對于自航模試驗而言才是較為可行的方案。本文從信號的頻域特性出發(fā)，應(yīng)用鎖相環(huán)電路實現(xiàn)了對單一頻率水聲信號的檢測，設(shè)計了一種鑒頻式水聲接收機，通過測距試驗驗證了其在大動態(tài)范圍下工作的有效性，并對其特性做了一些討論。

2 TOA水聲定位系統(tǒng)及鑒壓式接收機簡介

2.1 TOA 水聲定位系統(tǒng)簡介

TOA 定位系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要包括水聲發(fā)射機、水聲接收機、水聲換能器、GPS同步鐘、信號采集卡、計算機以及輸出設(shè)備等?；驹硎峭ㄟ^測量發(fā)射換能器所發(fā)出的水聲信號傳播到多個不同基站所需的時延，從而進(jìn)一步得到發(fā)射換能器的位置。該方法在保證對時精準(zhǔn)的前提下，可以得到比較精確的定位坐標(biāo)。試驗開始前，兩個同步鐘均由GPS衛(wèi)星統(tǒng)一授時，并對其自身的振蕩器作精準(zhǔn)校準(zhǔn)，以保證其在脫開GPS連接后所發(fā)出的秒脈沖能夠與GPS時標(biāo)完全重合，從而實現(xiàn)兩個同步鐘的完全同步。試驗開始后，由岸基同步鐘發(fā)出的秒脈沖觸發(fā)采集卡上的計數(shù)器開始工作。與此同時，由艇載同步鐘發(fā)出的秒脈沖觸發(fā)水聲信號發(fā)出。當(dāng)接收部分偵測到該水聲信號之后，水聲接收機發(fā)出脈沖信號觸發(fā)計時器停止工作，并將計時結(jié)果傳輸給計算機，從而完成對聲波傳播時延的測量。水聲定位系統(tǒng)時延測量原理如圖1所示。

2.2 鑒壓式水聲接收機基本工作原理及缺點

鑒壓式水聲接收機工作的基本原理是通過預(yù)放大、鑒頻放大、低通濾波及積分包絡(luò)將接收換能器采集來的信號整形為原始信號的包絡(luò)放大線的形式，并通過電壓比較器對整形后的信號予以檢波，當(dāng)信號幅值大于預(yù)先設(shè)定的門限電壓時，接收機輸出一個脈沖驅(qū)動計算機采集卡計時器停止工作。圖2給出了鑒壓式水聲接收機的工作框圖。

圖1 水聲定位系統(tǒng)時延測量原理

但是由于水聲信號在距離上的衰減十分顯著，因此要求水聲接收機工作的動態(tài)范圍十分大，這便對接收機預(yù)放大倍數(shù)的設(shè)置提出了很高的要求，在實際的自航模試驗中，往往由于預(yù)放大倍數(shù)設(shè)置的不合理導(dǎo)致水聲定位精度十分粗糙。另外，由于水聲信道多途相干性，輸出信號包絡(luò)線上升沿的斜率會被鈍化，鈍化的程度也應(yīng)取決于聲信號傳播的路徑。由于傳播路徑是未知的，因此僅僅采用電壓比較來判定聲信號到達(dá)時間存在著很大的不確定性，這種不確定性更會加劇水聲定位系統(tǒng)精度的降低。為了克服鑒壓式水聲接收機的缺點，本文從信號的頻域出發(fā)，設(shè)計了鑒頻式水聲接收機，通過對接收信號頻域的處理來實現(xiàn)水聲信號的檢測。

圖2 鑒壓式水聲接收機的工作框圖

3 鑒頻式水聲接收機的設(shè)計

3.1 鑒頻式水聲接收機工作基本原理

鑒頻式水聲接收工作基本原理是，通過輸入耦合和AGC 自動增益將接收換能器采集得到的信號調(diào)整到LM567輸入電壓幅值范圍內(nèi)，通過LM567對放大之后的信號做鑒頻處理，當(dāng)捕捉到發(fā)射換能器所發(fā)出頻率為50kHz的信號后，LM567輸出低電平，出發(fā)延遲器進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)過程，輸出一個時長為Td的高電平，在經(jīng)過后續(xù)的脈沖產(chǎn)生電路輸出驅(qū)動電腦采集卡上計時器關(guān)閉的脈沖信號。圖3給出其工作原理的框圖。由于輸入耦合以及脈沖信號產(chǎn)生電路與傳統(tǒng)的鑒壓式接收機工作方式相同，因此，本文不再贅述，下面就AGC自動增益、鑒頻處理以及延遲電路的設(shè)計做一個詳細(xì)的介紹。

圖3 鑒頻式水聲接收機工作框圖

3.2 AGC自動增益電路

接收機動態(tài)范圍DR（Dynamic Range），是指接收機能夠接收檢測到的信號功率從最小信號MDS到接收機輸入1－dB壓縮點之間的功率變化范圍，是接收機最重要的性能指標(biāo)之一。在自航模試驗中水聲接收機動態(tài)范圍可以達(dá)到120dB，在這樣苛刻的工作條件下，如何保證接收機正常工作是一個需要解決的問題。而應(yīng)用AGC 自動增益電路是解決這一難題的有效途徑。通過AGC自動增益電路，可以實現(xiàn)接受端距發(fā)射機較遠(yuǎn)時所接收到的微弱信號的大增益和較近時所接收到的強信號的小增益甚至衰減，來保證后續(xù)鑒頻電路一直處于正常工作電壓范圍內(nèi)。AGC 是一個直流電壓負(fù)反饋系統(tǒng)，控制信號代表信道輸出幅度檢波后的直流值與參考電壓之間的誤差值，若輸入信號幅度變化，則控制信號也隨著變化，其作用是使誤差減小到最小值。本文設(shè)計的AGC電路中變增益放大或電調(diào)衰減通過寬帶、增益連續(xù)可變的電壓控制放大器VCA610 實現(xiàn)，DC放大器則由OPA620實現(xiàn)，圖4給出了其電路圖［6］。

圖4 本文AGC電路設(shè)計圖

電路中OPA620的功能起到一個比較器的作用。R102和R103一方面給控制電壓VC提供靜態(tài)工作電壓，另一方面作為C104的放電電阻；C104為放電電容；R104作為C104的充電電阻；D101 是一個檢波二極管，它是多普勒信息處理中最常用的；C105起到相位補償作用。參考直流電位Vr是通過R107，R108，Rw101分壓得到，用來控制輸出電壓的V0的幅值。

圖5 VCA610增益特性

其工作原理如下：靜態(tài)工作時，負(fù)電壓－VS通過電阻R102 和R103 給放電電容提供靜態(tài)工作電壓－2.0V，使VCA610 以最大的放大倍數(shù)38.5dB 對輸入的弱小信號進(jìn)行放大。當(dāng)VCA610輸出信號的單峰值大于參考直流電位VR 時，OPA620輸出高電位，使D101導(dǎo)通，電流通過充電電阻R103給充放電電容C104充電，使CH 電位升高，控制VCA610的放大倍數(shù)減?。╒CA610放大增益曲線見圖4），直至VCA610 輸出信號的單峰值等于參考直流電位Vr。當(dāng)VCA610 輸出信號的單峰值小于參考直流電位Vr時，OPA620輸出低電位，使D101截至，充放電電容CH 通過放電電阻R1 和R2 放電，使CH 電位降低，控制VCA610的放大倍數(shù)增大，直至VCA610 輸出信號的單峰值等于參考直流電位VR?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)充電電容C104 和充電電阻R103以及放電電阻R104 來控制整個增益調(diào)整速度的快慢。為了濾去直流電源中交流分量的影響，在電路的電源支路加上了隔直電容C101，C102，C103，C106，C107。

3.3 鑒頻處理電路

鑒頻處理是通過LM567 通用鎖相環(huán)電路實現(xiàn)的。LM567是一種常見的低價解碼集成電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。LM567內(nèi)部包含了放大器、電壓控制振蕩器VCO、積分鑒相器（I鑒相器）和正交鑒相器（Q 鑒相器）等部件。基本原理是通過外設(shè)的RC振蕩電路和環(huán)路濾波電容驅(qū)動VCO以產(chǎn)生一定頻譜純度和相位的振蕩信號，并將其和3腳輸入的信號一起交給兩個鑒相器作比較，當(dāng)輸入信號與VCO 振蕩信號頻譜純度和相位一致（即輸入的信號的頻率落在VCO自由振蕩頻率f0附近的帶寬BW 范圍內(nèi)）時，通過輸出濾波電容輸出一個低電平，不一致時輸出高電平［7］。根據(jù)相關(guān)資料，本文涉及的鑒頻處理電路如圖8所示。

圖6 LM567內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 LM567帶寬控制規(guī)律

圖8 鑒頻處理電路

圖8中，RW301、R302和C304按照式（1）的關(guān)系來控制VCO 輸出信號的自由振蕩頻率（即無外加控制電壓時的振蕩頻率）。

環(huán)路電容C302按照式（2）的關(guān)系帶寬BW。

式（2）中，ui為輸入信號的幅值，20mV＜ui＜200mV，可以通過上一小節(jié)介紹的AGC 電路的參考電壓Vr控制輸出。減小帶寬可以提高整個測時系統(tǒng)的精度，但是會增加系統(tǒng)的延遲。C303同樣是為了消除直流電壓VS中的交流分量的影響而加入的隔直電容。

3.4 抗多途效應(yīng)的延遲電路

由于水聲信道的多途性，在一個采樣周期內(nèi)，接收換能器會多次接收到發(fā)射換能器所發(fā)出的同一個信號，鑒頻電路也會多次輸出低電平，除了第一次輸出的低電平外，其余的輸出均為雜波干擾，不應(yīng)該輸入后續(xù)計算機采集卡。本文采取一個延遲器，在捕捉到某個時刻發(fā)射機發(fā)出的水聲信號后，延遲器進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)過程，輸入的電平將不再起作用，直至?xí)悍€(wěn)態(tài)過程結(jié)束。該延遲器由555電路實現(xiàn)，圖9給出了該延遲器電路的電路圖。由于自航模運動速度不會大于2m／s，試驗場聲速不會大于1600m／s，兩個相隔采樣時刻接收機捕捉得到的水聲信號之間的時間間隔t＞T－2／1600（T為水聲定位系統(tǒng)的采樣周期），因此延遲電路的暫穩(wěn)態(tài)過程持續(xù)時間Td可 以 設(shè) 置 為T－2／1600。

圖9 延遲電路

延遲電路的工作過程可以描述為：當(dāng)鎖相環(huán)電路未捕捉到發(fā)射換能器發(fā)出的信號時，延遲器的輸入為高電平，電路處于穩(wěn)態(tài)，輸出為0。鎖相環(huán)捕捉到信號之后，延遲器輸入為低電平，電路立刻進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，輸出跳轉(zhuǎn)為高電平。一直持續(xù)到Td時刻C501充電完畢，電路再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，輸出立刻翻轉(zhuǎn)為0。

4 測距試驗驗證

4.1 測距試驗步驟

為了能真實體現(xiàn)出本文設(shè)計的鑒頻式水聲接收機的工作特性，本文所進(jìn)行的測距試驗是在自航模試驗現(xiàn)場水域開展的。試驗中，將水聲發(fā)射換能器與接收換能器放置在相同水深處的兩個固定點上，通過GPS測量兩點的水平距離，用計算機采集軟件測量并記錄一段時間內(nèi)水聲信號傳播的時延值，之后改變發(fā)射換能器的位置，重復(fù)以上步驟。為了加大測試信號的動態(tài)范圍接收機的影響，每個測試點都分別測量了發(fā)射機工作電壓為12V 和24V的兩種情況。

4.2 鑒頻式接收機與鑒壓式接收機測距精度比較

通過對測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計得出表1所列結(jié)果。

表1 測時均方差

由表1可以看出，鑒頻式接收機工作穩(wěn)定，隨著距離的改變測時均方差變化不大。相反，鑒壓式接收機工作十分不穩(wěn)定，測時誤差的均方差對距離的敏感度十分高。特別是當(dāng)發(fā)射換能器與接收換能器相距50.6m 時，由于發(fā)射機工作電壓為24V，接收換能器采集的信號過強，接收機已經(jīng)不能正常工作。

4.3 應(yīng)用鑒頻式接收機測距結(jié)果聲速擬合

為了驗證所設(shè)計的鑒頻式水聲接收機的有效性，本文設(shè)計了如下檢驗方法，通過不同距離d下測時結(jié)果t可以回歸出一個聲速c，并與聲速儀實測結(jié)果相比較，如果兩者相同或者相近，那么可以證明該接收機是有效和可靠的［9～11］。

線性回歸模型為

式中t0為測時系統(tǒng)延遲。

圖10 聲速線性回歸

線性回歸的結(jié)果見表2，回歸直線見圖10，聲速儀測量結(jié)果為1393m／s，因此可以證明所設(shè)計的水聲接收機在大動態(tài)范圍下工作是十分可靠的。

表2 聲速回歸結(jié)果

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種可用于TOA 水聲定位系統(tǒng)的鑒頻式水聲接收機，通過試驗驗證了其在大動態(tài)范圍內(nèi)工作的有效性，其工作性能受測試距離的影響不大，并對發(fā)射信號的強弱不敏感，滿足水聲定位系統(tǒng)的精度需求。

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