水聲圓柱陣高信噪比電子系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TB9;TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1674-5124（2025）07-0129-07

Abstract： In the process ocean noise measurement target localization，the hardware system's noise level directly affects the accuracy reliability detection results.Therefore，improving the signal-to-noise ratio the detection system is a crucial task in the detection process. This paper aims to design a high signal-tonoise ratio data acquisition storage system based on a 48-element cylindrical array，by combining analog digital circuits with other technical means，to improve the signal-to-noise ratio the detection system in tasks such as underwater noise measurement， weak target measurement， acoustic positioning. After esting， the system's equivalent noise pressure spectrum level is 40.5dB@1kHz. ， the overall noise level in the working bwidth is lower than the ocean environmental noise level O-level sea state under normal circumstances， showing excellent performance in the existing domestic underwater acoustic array receiving system. The modular design concept the entire system provides it with flexible scalability，making it possible to fer an effective technical solution for different applications such as ocean noise measurement underwater targetlocalization.

words： sonar array; cylindrical array; low noise; system design; performance test

0 引言

復(fù)雜的水下環(huán)境導(dǎo)致了海洋環(huán)境噪聲的差異與顯著變化，這就對海洋環(huán)境噪聲和水下弱目標(biāo)的測量提出了迫切的要求[1-2]。傳統(tǒng)的測量設(shè)備主要為單個水聽器，這種設(shè)備存在輸出信號弱、指向性差、抗干擾能力差以及搭建測量系統(tǒng)繁瑣等問題[3]。要解決這些問題，一種方法是增強(qiáng)水聽器本身性能來拓寬傳感范圍，還有就是采用指向性良好的水聲傳感器陣列。聲吶陣列可以使水聲探測獲得更多的估計參數(shù)，而且陣列能夠消除多徑效應(yīng)帶來的時延，提高了接收端的信噪比。

聲吶陣列作為水聲探測系統(tǒng)中最重要的部分，其關(guān)鍵技術(shù)便在于高性能的水聽器陣列和電子艙。其中，水聽器主要承擔(dān)將檢測到的聲信號轉(zhuǎn)化為可測量的電信號的任務(wù)，其性能優(yōu)劣直接決定了系統(tǒng)探測的能力[4。而電子艙內(nèi)的硬件系統(tǒng)則承擔(dān)著對水聽器陣列信號進(jìn)行傳輸、存儲和處理，以及控制整個系統(tǒng)工作的任務(wù)，相比于傳感器，電子艙內(nèi)的硬件系統(tǒng)更為復(fù)雜，需要著重進(jìn)行設(shè)計。為使聲吶陣列采集到的數(shù)據(jù)誤差盡可能小、精度盡可能高，非常有必要研制一套高信噪比、低功耗的聲吶陣列電子系統(tǒng)。面對海洋復(fù)雜的水聲環(huán)境和不斷發(fā)展的水下自標(biāo)“隱身\"技術(shù)，如何提高系統(tǒng)信噪比是系統(tǒng)設(shè)計過程中面臨的重要問題[5]。其中，牛緒儒設(shè)計了一種系統(tǒng)自噪聲較低的矢量聲學(xué)潛標(biāo)采集存儲系統(tǒng)，有效帶寬內(nèi)等效輸入噪聲譜級在 52dB 左右，遠(yuǎn)低于海洋環(huán)境噪聲，提高了潛標(biāo)系統(tǒng)的探測能力[6]。張亮等設(shè)計了一種高性能低噪聲數(shù)據(jù)采集板卡，其信噪比可達(dá) 60dB ，傳輸速率為28Mbit/s，具有一定的實(shí)用性[7]。王玥設(shè)計了一種用于潛標(biāo)的基陣信號采集系統(tǒng)，在 1kHz 處的噪聲約為 42dB ，低于大洋深處0級海況的環(huán)境噪聲 45dB@1kHz 。在全頻帶內(nèi)滿足各種低噪聲海洋環(huán)境中的應(yīng)用[8]。

本文基于48陣元圓柱陣列設(shè)計了一套高信噪比聲吶陣列電子系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，能適用于海洋探測、聲源定位等各個方面的陣列信號采集與存儲，具有低噪聲、高一致性、模塊化、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)和重要的工程應(yīng)用價值。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 關(guān)鍵技術(shù)研究

陣列系統(tǒng)在工作時，由于水下環(huán)境比較復(fù)雜，那些比較微弱或者是距離比較遠(yuǎn)的弱自標(biāo)信號很容易被噪聲掩蓋。在實(shí)際應(yīng)用中，信噪比高低直接影響到系統(tǒng)對信號的鑒別能力、探測的距離與深度、采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性以及水聲通信的質(zhì)量。所以為了采集到水下微弱的聲學(xué)信號，陣列系統(tǒng)的自噪聲應(yīng)該遠(yuǎn)低于外界環(huán)境噪聲，因此模擬前端的設(shè)計尤為關(guān)鍵，它通常決定了整個電子系統(tǒng)的靈敏度。其次，水聲信號經(jīng)過模擬前端調(diào)理后傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器在整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。針對水聲信號這類微弱信號，選取高精度、低噪聲的ADC能夠確保更精確的采樣。

綜上所述，為匹配圓柱陣系統(tǒng)的工程應(yīng)用背景以及低噪聲高信噪比的目標(biāo)，設(shè)計如表1所示關(guān)鍵技術(shù)參考指標(biāo)。

1.2 圓柱陣列

本文應(yīng)用的陣列幾何結(jié)構(gòu)規(guī)則，同時兼?zhèn)渲本€陣和圓陣的優(yōu)點(diǎn)，在垂直方向和水平方向均具有指向性，消除了空間方位模糊，能夠更好地抑制噪聲和干擾，提高測量精度和測量增益[9]。陣列實(shí)物如圖1所示，其外徑為 1.3m ，內(nèi)徑為 0.82m ，陣高 0.3m 每條垂直線陣含2個聲壓水聽器，其工作頻段為

200～2500Hz ，空域處理的最高頻率為 2100Hz ，每個水聽器輸出1路信號，圓柱陣共輸出48路信號。基陣在空間上呈立體分層分布，每個陣元都是全向接收的水聽器，而且整個基陣在聲學(xué)上是透明的，在工作頻段范圍內(nèi)因內(nèi)部結(jié)構(gòu)件引起的聲反射和散射都比較小。采用48陣元可以基本滿足對海洋環(huán)境噪聲以及水下遠(yuǎn)距離弱目標(biāo)信號的探測需求。圖2為基陣水平波束圖，經(jīng)計算可得其理論陣增益為 12dB ，在進(jìn)行波束優(yōu)化設(shè)計時能夠產(chǎn)生較低的旁瓣，同時還有較好的魯棒性、互換性，滿足工程實(shí)際需要[10]

1.3 系統(tǒng)工作原理

本文使用的圓柱陣列屬于被動陣，其主要任務(wù)是對水下聲信號進(jìn)行檢測、識別和定位。為了提高系統(tǒng)的性能和可靠性，本文采用了模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合的方法。模擬電路可以處理模擬信號，但是抗干擾能力較差，容易受到噪聲干擾；而數(shù)字電路可以處理數(shù)字信號，但是對信號的失真和噪聲比較敏感。通過將兩種電路結(jié)合使用，可以在系統(tǒng)設(shè)計中避免這些缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。當(dāng)系統(tǒng)工作時，48陣元聲吶陣列會接收目標(biāo)發(fā)出的聲學(xué)信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，同時通過水聽器端的前置放大電路對其進(jìn)行第一級放大。然后信號經(jīng)水密線纜傳輸至電子艙，電子艙內(nèi)各模塊對其進(jìn)行預(yù)處理、采集傳輸和存儲，也可經(jīng)交換機(jī)將數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理，具體工作原理如圖3所示。

該硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括48陣元水聽器內(nèi)部的前置放大模塊、48通道信號調(diào)理模塊、48通道AD采集模塊、交換機(jī)模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、主控模塊和電源模塊。其中，由于該系統(tǒng)主體部分需要置于電子艙中，所以各模塊尺寸也是在設(shè)計中需要重點(diǎn)考慮的問題。

2電子系統(tǒng)硬件設(shè)計

1 模擬前端設(shè)計

模擬前端模塊包括前置放大器和信號調(diào)理兩部

分，該模塊的噪聲性能在降低電路總體噪聲性能中占據(jù)重要地位，需要重點(diǎn)考慮。

1.1 低噪聲前置放大器設(shè)計

前置放大器是水聽器輸出開路電壓的第一級電路，它將水聽器的輸出電壓信號進(jìn)行放大，并且實(shí)現(xiàn)阻抗變換。根據(jù)弗里斯公式可知，前置放大電路作為第一級放大電路，具有高增益和低噪聲，能有效提高測量系統(tǒng)的性能[11]。在實(shí)現(xiàn)信號放大基本功能的同時，也需滿足阻抗匹配和噪聲匹配要求。

負(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)就稱為阻抗匹配。水聽器的輸出阻抗是關(guān)于頻率的函數(shù)，在低頻情況下，阻抗可以達(dá)到吉?dú)W級別，這對前置放大器的輸入電阻提出較高的要求。通常情況下，前置放大器的輸入阻抗是水聽器輸出阻抗的100倍。

本文以美國ADI公司生產(chǎn)的低功耗、高性能軌對軌精密儀表放大器芯片AD8422為核心器件進(jìn)行前置放大器的設(shè)計，該芯片的等效輸入電壓噪聲典型值為 輸入阻抗取決于輸入端的配置方式，默認(rèn)情況下的差分輸入阻抗為 20MΩ □采用LTspice軟件對其進(jìn)行電壓噪聲仿真，得到該前置放大器的等效輸入噪聲典型值為 1kHz ，仿真結(jié)果如圖4所示。

另外，在設(shè)計時，電子系統(tǒng)中數(shù)字電路產(chǎn)生的電磁輻射會干擾到模擬電路，且數(shù)字電路與其相鄰的電路會存在一定耦合，產(chǎn)生耦合噪聲。所以本系統(tǒng)將前置放大電路集成到水聽器模塊內(nèi)并設(shè)置單獨(dú)的前放艙，以隔絕整體電子艙的輻射干擾。

1.2信號調(diào)理模塊設(shè)計

前放將微弱的水聲信號進(jìn)行第一級放大后，其中的噪聲信號也會同步放大，這時需要設(shè)計濾波器對輸出信號進(jìn)行調(diào)理[12]。如圖5所示，調(diào)理部分首先將前放輸入的差分信號轉(zhuǎn)換為方便處理的單端信號；采用Butterworth型二階高通濾波器與四階低通濾波器相結(jié)合的形式濾除帶外噪聲提高信噪比，在設(shè)計濾波器時，按照“小電阻大電容\"的器件選型思路，以降低濾波器電路中電阻的熱噪聲影響；可控增益放大器（VGA）AD605不需要數(shù)字電平控制，很大程度上避免了數(shù)字電平引起的噪聲干擾，而且能夠按照控制模塊輸出的VGA增益電平來設(shè)置二級放大倍數(shù)；最后單端信號轉(zhuǎn)換為抗干擾能力強(qiáng)的差分信號傳輸至采集模塊以達(dá)到降低自噪聲的目的。

2 采集模塊設(shè)計

在進(jìn)行采集電路設(shè)計選型的時候，主要考慮模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣率和分辨率以及功耗指標(biāo)。目前主流的ADC有逐次逼近型、∑-△型和流水線型三種[13]。其中Σ-△型ADC具有高分辨率、低噪聲的特點(diǎn)，通過過采樣技術(shù)，將噪聲擴(kuò)展到很寬的頻帶上，然后利用調(diào)制器對噪聲頻譜進(jìn)行整形，將大部分噪聲能量移出到目標(biāo)頻帶外，最后通過內(nèi)部的數(shù)字濾波器濾除大部分的帶外噪聲，從而實(shí)現(xiàn)了低噪聲數(shù)據(jù)采集。表2列出了幾種常見Σ-△型ADC芯片的性能參數(shù)。

可以看到AD7768的功耗遠(yuǎn)小于其他兩種芯片，在使用電池供電的環(huán)境下也能進(jìn)行長時間的工作，而且其采樣率可達(dá) 256kS/s ，分辨率為24bit，可以實(shí)現(xiàn)更精確的采樣，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。此外ADC芯片的基準(zhǔn)電壓也直接影響了其采集精度，在設(shè)計時須確?；鶞?zhǔn)電壓的穩(wěn)定[14]。

如圖6所示為采集模塊電路結(jié)構(gòu)圖，主要由ADC及其外圍電路、FPGA控制電路和傳輸存儲電路構(gòu)成。

其中，存儲部分選擇研華工業(yè)存儲的MIO-2263嵌入式單板作為硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲模塊，通過SATA接口將采集數(shù)據(jù)存儲至1TB容量的低功耗固態(tài)硬盤中，可以滿足48通道水聲數(shù)據(jù)以及非聲傳感器數(shù)據(jù)的存儲要求。

3系統(tǒng)性能測試

3.1 前置放大器測試

測試時將待測前置放大器置于真空球中，使用低噪聲電源模塊進(jìn)行供電，真空球放置于隔震氣墊之上，采用美國安捷倫公司的Agilent35670A型號信號分析儀對電路輸出電壓噪聲頻率譜密度進(jìn)行采集。噪聲測試系統(tǒng)如圖7所示。

測試的等效輸入電壓噪聲密度結(jié)果如圖8所示，測試結(jié)果表明，基于集成運(yùn)放AD8422的放大器等效輸入噪聲典型值為 $1 2 . 5 ～ ＼mathrm { n V / ＼sqrt { H z } } ＼textcircled { ＼omega } 1 ～ ＼mathrm { k H z } .$ ，在測試帶內(nèi)，具有較好的噪聲性能。

之所以略高于仿真結(jié)果，可能是由于電路元件參數(shù)誤差、PCB設(shè)計引入的額外噪聲或溫度與環(huán)境條件的不同等因素造成的偏差。

3.2信號調(diào)理模塊測試

通過低噪聲電源模塊給前放模塊與調(diào)理模塊供電，將系統(tǒng)前置放大模塊的輸入端短接，增益設(shè)置為正常工作增益：前置放大模塊增益為 32dB ，調(diào)理模塊增益為 20dB （總400倍）。輸出信號由頻譜分析儀接收，并對 0～1500Hz 帶寬內(nèi)的噪聲進(jìn)行測量。如表3所示為第一通道等效輸人噪聲頻率譜密度，可以看到在通帶內(nèi)調(diào)理電路等效輸入噪聲頻率譜密度保持在 15nV/ VHz以下。

3.3采集精度及相幅一致性測試

系統(tǒng)采集精度決定采集模塊能否準(zhǔn)確地將調(diào)理模塊輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因此對不同VGA增益下電子艙系統(tǒng)的采集精度進(jìn)行測試。由信號發(fā)生器產(chǎn)生一對頻率為 1kHz ，幅值為50mVpp 的正弦波差分信號，使該信號接人調(diào)理模塊第1通道，利用采集模塊采集、傳輸，上位機(jī)LabVIEW程序讀取，其中設(shè)置VGA放大器增益依次為-14、0、12、24、34dB，利用本硬件系統(tǒng)進(jìn)行采集，結(jié)果如表4所示。

硬件系統(tǒng)對經(jīng)過VGA放大后采集輸出信號的實(shí)際幅值與理論輸出幅值的最大誤差小于 0.5% ，表明在 -14～34dB 的VGA增益范圍內(nèi)，若輸人信號不超過系統(tǒng)量程，調(diào)理、采集模塊能夠較好地還原輸入信號。

聲吶系統(tǒng)中接收機(jī)各通道的相位與幅度的一致性是影響后續(xù)水聲信號處理的關(guān)鍵因素。為此，需要測試硬件系統(tǒng)水聲采集通道的初始幅相一致性，由信號發(fā)生器作為信號源生成一對頻率為 1kHz 幅值為 50mVpp 的差分信號，并將其接入硬件系統(tǒng)調(diào)理模塊48通道的輸入端，設(shè)置VGA增益為0dB，選擇1通道作為參考通道，分別測試這48個通道的幅度與相位一致性，測試結(jié)果如圖9和圖10所示。

從圖9、10可以看出，各通道輸出信號與參考通道之間的幅度偏差小于 ±0.5dB 、相位偏差小于 ?±2^°

3.4 整機(jī)性能測試

考慮到電子艙內(nèi)部系統(tǒng)復(fù)雜，會對采集到的水聲信號產(chǎn)生一定影響，為此，對聲吶系統(tǒng)整機(jī)功耗與噪聲進(jìn)行測試。將各個電路板安置在固定立柱上并進(jìn)行裝艙，將水聽器輸出接人電子艙，將整個基陣吊放至消聲水池進(jìn)行測試。信號調(diào)理電路增益設(shè)置為 34dB（50 倍），利用采集模塊采集信號并傳輸至存儲模塊，通過上位機(jī)文件傳輸協(xié)議（FTP）讀取數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)穩(wěn)定工作過程中，測得其整機(jī)動態(tài)功耗為 45W ，滿足設(shè)計要求。

系統(tǒng)第48通道自噪聲頻譜如圖11所示，在200Hz 至 5kHz 的通帶內(nèi)，聲吶系統(tǒng)整機(jī)噪聲功率譜密度約為 ，基于 34dB 增益下的系統(tǒng)整機(jī)噪聲與對應(yīng)水聽器靈敏度，計算整個系統(tǒng)的噪聲譜級。

NL=EN-G-S

式中：NL——系統(tǒng)等效噪聲聲壓譜級，dB（ 0dB= EN——系統(tǒng)噪聲功率譜密度級， dB（0dB= ：G —VGA增益，dB;S——水聽器靈敏度， 。

根據(jù)Knudsen海洋環(huán)境噪聲譜[15]列出如表5所示的圓柱聲吶陣列系統(tǒng)的噪聲譜級與0級海況噪聲對比表，可以看到，在 2kHz 以下的通帶內(nèi)系統(tǒng)整體噪聲譜級低于此帶寬下0級海況（參考 1μPa 對應(yīng)的聲強(qiáng)）的海洋環(huán)境噪聲[16]。

綜上所述，通過消聲水池測試結(jié)果可知，該系統(tǒng)的各項功能模塊均能正常工作，可以完成水聲信號的高精度采集，傳輸與存儲。且其系統(tǒng)等效噪聲譜級為 40.5dB@1kHz. ，各通道輸出信號與參考通道之間的幅度偏差小于 ±0.5dB 、相位偏差小于 ?±2^° O與現(xiàn)有水聲信號采集存儲系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)相比，本系統(tǒng)在低噪聲、高幅相一致性等方面在滿足設(shè)計指標(biāo)的同時還具有一定優(yōu)勢，充分展示了該硬件系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

4結(jié)束語

本文針對水聲探測設(shè)備中的噪聲問題，設(shè)計了高信噪比聲吶陣列電子系統(tǒng)。以48陣元圓柱聲吶陣列系統(tǒng)在水下環(huán)境中的噪聲測量和聲學(xué)定位等工程應(yīng)用為設(shè)計背景，詳細(xì)闡述了圓柱陣列接收機(jī)的硬件電子系統(tǒng)設(shè)計方法。經(jīng)過測試，本文設(shè)計的硬件系統(tǒng)整體噪聲小于此帶寬下0級海況的海洋環(huán)境噪聲，在工作帶寬內(nèi)表現(xiàn)優(yōu)于國內(nèi)現(xiàn)有的水聲陣列接收機(jī)。整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，為海洋噪聲測量和水聲目標(biāo)定位等工程應(yīng)用提供一種技術(shù)解決方案。

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（編輯：莫婕）