水聲遙控通信裝置綜合實驗教學(xué)設(shè)計與實踐

張淑娟， 吳英姿， 李 想， 陳文劍， 田 野， 高明生

（哈爾濱工程大學(xué)水聲工程國家級實驗教學(xué)示范中心，哈爾濱 150001）

0 引 言

水聲工程是一門實驗科學(xué)［1-2］。該專業(yè)的課程設(shè)計要求具有水聲工程學(xué)科特色，同時兼顧寬口徑人才培養(yǎng)需求，并以提升學(xué)生專業(yè)知識應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)為指導(dǎo)思想［3-6］。以學(xué)生為中心，以高水平研究成果為導(dǎo)向，以實現(xiàn)科研與實驗教學(xué)有機融合為課程教學(xué)目標，引導(dǎo)學(xué)生建立宏觀的系統(tǒng)思維和工程設(shè)計思想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識［7-9］?；谶@一教學(xué)目標，緊密結(jié)合水聲專業(yè)背景，合理利用現(xiàn)有實驗教學(xué)和科研平臺，從科研成果中解析出適合本科生學(xué)習(xí)的微縮版科研項目，設(shè)置為課程設(shè)計的實驗教學(xué)題目，使學(xué)生在了解新技術(shù)、學(xué)習(xí)新理論、掌握新知識的同時建立系統(tǒng)思維和工程設(shè)計思想，不斷提高綜合素質(zhì)。

1 實驗任務(wù)

水聲遙控通信裝置的功能是通過水面發(fā)送命令編碼實現(xiàn)對水下裝置的遠程遙控［10-12］。根據(jù)應(yīng)用背景不同，其系統(tǒng)復(fù)雜度亦有區(qū)別。本實驗是設(shè)計并制作一套單收發(fā)、低速率的水聲通信遙控原理性裝置，并能夠在水池驗證所設(shè)計的水聲遙控通信系統(tǒng)整體方案的可行性。因此，在功能和指標上與工程用水聲遙控通信設(shè)備相比有所簡化，要求系統(tǒng)工作頻帶為20～30kHz，發(fā)射聲源級166 dB，作用距離不低于10 m。該實驗項目的開展響應(yīng)了學(xué)校提出的科研反哺教學(xué)、科研成果應(yīng)用到教學(xué)之中的教改思路。本實驗以聲吶電子系統(tǒng)設(shè)計為核心內(nèi)容，通過方案論證和參數(shù)計算使學(xué)生深入理解聲吶系統(tǒng)工作原理，掌握聲吶電子系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試技術(shù)，學(xué)會并應(yīng)用基本的水聲通信和信號處理理論。

2 參數(shù)計算及實施方案

2.1 系統(tǒng)參數(shù)計算

2.1.1 發(fā)射功率計算

水下點對點通信的聲吶方程［13］為

式中：SL為發(fā)射聲源級；TL為信號的傳播損失；NL為水下環(huán)境噪聲譜級；DI為接收換能器指向性指數(shù)；DT為接收信號的檢測閾值。

假設(shè)目標距離r＝200 m（設(shè)計指標不低于10 m，留出設(shè)計余量，所以按照200 m計算），信號上限工作頻率30 kHz，海水吸收系數(shù)a近似取0.003 dB／m，由表面聲道傳播損失經(jīng)驗公式［13］可以計算得到：

假設(shè)工作海域環(huán)境噪聲譜級NL＝50 dB，換能器的接收指向性指數(shù)取為DI＝10 dB，設(shè)置檢測域為DT＝20 dB，將上述參量代入聲吶方程得到：計算發(fā)射聲源級約為166.62 dB，采用無指向性發(fā)射換能器，依據(jù)聲源級與發(fā)射聲功率Pa的關(guān)系：

計算出發(fā)射聲功率為Pa＝0.385 W，通常換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率為5%，則系統(tǒng)的發(fā)射電功率不得低于7.7 W。

2.1.2 接收電路增益區(qū)間

水下傳播信號衰減嚴重［14-15］，所以必須進行放大處理，為防止增益過大導(dǎo)致信號限幅，需要對放大倍數(shù)進行控制，估算式為

式中：M為換能器的接收靈敏度；RL為接收信號幅度級，

Urec為接收信號峰峰值，單位為V，換能器中心頻率25 kHz，實驗用換能器靈敏度為－200 dB，結(jié)合上面計算的SL和TL，可以得出RL＝－140 dB。為了將接收信號的峰值控制在AD可采樣范圍內(nèi)，接收電路需要120～160 dB的增益范圍，從而基本確定了接收電路的設(shè)計指標。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計算及主動聲吶工作原理，設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中發(fā)射部分采用STM32單片機進行發(fā)送信號編碼，通過D類功率放大器驅(qū)動發(fā)射換能器，聲波信號經(jīng)過水聲信道作用在水聽器表面，從而產(chǎn)生微弱電信號，經(jīng)濾波放大后由STM32開發(fā)板自帶ADC進行采樣，之后進行數(shù)據(jù)解碼處理。

圖1 水聲遙控通信裝置系統(tǒng)框圖

2.2.1 功率放大電路

運用STM32開發(fā)板發(fā)出兩路互補的PWM脈沖信號，信號幅值為3.3 V，頻率分別為22和27 kHz，分別代表0和1。脈沖持續(xù)的時間均為1 ms，間隔為500 ms，填充方波信號的占空比為50%。

D類功放可以將比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM信號［16］。項目采用的D類功率放大器由信號發(fā)生器、推動級、功率級、匹配電路、電源電路等5部分構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 發(fā)射功率放大器結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 接收電路

接收電路的主要作用是將水聽器端的微弱電信號進行低噪放大濾波，以此達到ADC采樣要求的電壓區(qū)間，根據(jù)前面的理論計算，本系統(tǒng)接收部分可由3部分構(gòu)成（見圖3）。

圖3 放大濾波電路實現(xiàn)框圖

第1級為前置放大電路，采用雙運放TL082對回波信號進行兩級放大，共放大30倍，可控增益部分采用VCA821，VCA821線性區(qū)域是40 dB（即放大100倍），通過改變控制電壓來改變可控增益放大電路的放大倍數(shù)，該電路可放大1～100倍。根據(jù)前級放大系統(tǒng)的放大指標要求，在接收機的可控增益放大器后面需要級聯(lián)兩個并聯(lián)的四階帶通濾波器，目的是分別濾出22、27 kHz兩個頻率的信號，為后續(xù)的檢測與判決機構(gòu)提供檢測依據(jù)。

2.2.3 A／D采樣及數(shù)據(jù)處理電路

采用STM32開發(fā)板自帶ADC功能對信號進行采樣處理，經(jīng)過計算后得出最終的判決結(jié)果，并且在LCD上進行顯示。判決程序流程圖如圖4所示。

圖4 判決程序流程圖

3 綜合實驗教學(xué)成果

該實驗項目主要面向水聲學(xué)院電子信息工程（水聲）專業(yè)學(xué)生開課，2016年至今已經(jīng)順利開課5個學(xué)期，5屆學(xué)生參與了實驗項目具體內(nèi)容設(shè)計、實驗過程、水池實驗以及總結(jié)報告的撰寫，圖5所示為學(xué)生在水箱、水池開展本實驗項目的工作場景以及回波信號顯示圖。

圖5 實驗現(xiàn)場及回波信號

很多同學(xué)將實驗成果進行功能拓展或者功能升級，申請校級、國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目或者參加挑戰(zhàn)杯、互聯(lián)網(wǎng)＋等重大賽事，取得很多優(yōu)異成績，近5年完成國家級創(chuàng)新項目20余項，取得國家級創(chuàng)新獎勵百余項，每年大約20多名同學(xué)提前進入科研團隊，直接參與國家級科研項目的研發(fā)。

4 結(jié) 語

水聲遙控通信裝置綜合實驗教學(xué)項目是一個集數(shù)模電路、傳感器等相關(guān)知識解決水聲通信問題的電子電路設(shè)計典型案例，需要運用水聲學(xué)、聲吶技術(shù)、水聲換能器、電子電路理論、信號處理等課程知識，并涉及電路原理圖設(shè)計、單片機程序開發(fā)、系統(tǒng)仿真分析、信號編解碼技術(shù)、產(chǎn)品制作、軟硬件聯(lián)調(diào)、水池實驗、專用儀器設(shè)備使用等實驗技術(shù)?？梢允箤W(xué)生建立宏觀的系統(tǒng)思維和工程設(shè)計思想，掌握并靈活運用聲吶技術(shù)和電子電路理論知識、設(shè)計方法和調(diào)試技能，清晰完整地表述和解釋實驗數(shù)據(jù)，撰寫規(guī)范的系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)報告，可培養(yǎng)學(xué)生良好的綜合素質(zhì)、團隊合作和創(chuàng)新能力。