基于聲級測量的水聲接收機設計與實現

帥高山

(海軍駐宜昌地區軍事代表室，湖北 宜昌 443003)

基于聲級測量的水聲接收機設計與實現

帥高山

(海軍駐宜昌地區軍事代表室，湖北 宜昌 443003)

隨著現代降噪技術的發展，水中艦艇的噪聲級越來越低，使得目標信號越來越微弱。本文設計了一種估計水中艦艇的聲源級，同時不失去水中艦艇輻射噪聲的有效信息的水聲接收機，采用四路檢波和電平提升電路，經過單片機MSP430F5438的處理，得到目標聲源級。采用該方法設計的接收機結構簡單，性能可靠，功耗低，實時性好，滿足現代水下自主檢測系統的需求。

水中艦艇;噪聲級;低功耗;接收機

0 引言

隨著科技的發展，水中艦艇的降噪技術越來越成熟，水中艦艇輻射噪聲級逐年下降。水中艦艇輻射噪聲是被動聲探測的信號源，它的寬帶總聲級特性是水聲接收機寬帶能量檢測與寬帶聲輻射計算的基礎。確定目標聲級對水中艦艇目標大小的識別有重要的作用。本文介紹一種寬范圍聲級測量的水聲接收機設計方法，接收機實現簡單、可靠，實時性好，而且體積小、自噪聲小、功耗低，能滿足接收機在水下長時間可靠工作的要求。

1 系統結構

水中艦艇信號經過復雜的水聲信道調制后到達接收端，信號十分微弱，要求接收機自噪聲小。為了滿足樣機長時間水下工作的要求，樣機系統的功耗要很低。本文設計的樣機系統采用低功耗、低噪聲的設計技術［1］。整個樣機系統框圖如圖1所示，接收換能器信號經過接收機前端放大、濾波后，分別經過四路放大、檢波，然后由單片機MCU-MSP430F5438采樣，經計算得到目標聲源級。

圖1 樣機系統框圖Fig．1 Illustration of the prototype system

2 接收機設計

接收機的自噪聲大小是接收機系統低噪聲設計的關鍵，尤其對前置級噪聲控制極為重要。因為前置放大器本身的噪聲幾乎與信號得到同樣的放大，本文設計中前置級選用低噪聲二極管放大器3DM3C。在常規的接收機中，為了保證接收機的動態范圍，一般會采用AGC電路，但會失去目標信號有效的原始信息。為了解決這個矛盾，本文采用四級放大電路，每一級放大都有原始信號輸出和檢波電平輸出。接收機電路框圖如圖2所示。

圖2 接收機電路框圖Fig．2 Graph of the receiver circuit

接收機帶通濾波器目的是選取通帶內信號而抑制帶外干擾信號，采用MAXIM公司集成連續時間有源濾波器MAX274［2］搭建而成。與開關電容濾波器相比，該濾波器實現方案工作不需要外部提供時鐘，避免外部時鐘與噪聲信號的串擾，滿足微弱信號探測的要求。濾波器后接射極跟隨器實現前后級隔離，減小級間干擾。本文采用一片MAX274級聯構成八階的Chebyshev帶通濾波器，以8～12 kHz帶通濾波器為例給出其電路實現原理及其幅頻響應曲線見圖3所示。

接收機需要對四級放大后的目標信號進行幅度實時監測，對水中艦艇目標信號能量進行估計。文中每級放大都采用5倍放大(14 dB)，四級放大共56 dB的動態范圍，保證可處理的水中艦艇目標信號在一個寬動態范圍之內。設計精密半波整流電路，將雙極性的信號轉換成單極性的信號，然后在通過RC低通濾波電路對輸出的幅度信息實時的平滑，送出平穩幅值信息。根據特定幅度門限，判定輸出信號限幅狀況，選擇適當增益檢波輸出信號送后續數字處理模塊進行能量估計等計算。以選擇最大不失真信號送數字信號處理分機做進一步處理。其電路原理圖如圖4所示。

圖4 放大檢波電路原理圖Fig.4 Illustration of the amplifying wave detection circuit

3 信號與數據處理模塊

本文是在獲得距離r先驗知識的條件下測量聲級的，根據式(1)可以獲得傳播損失TL，聲吶系統參數已知，再根據被動聲吶方程式(2)，可得目標聲源的噪聲級 SL［3］。

其中：SL為水中艦艇目標輻射聲源級;TL為傳播損失;NL為環境噪聲級;DI為接收換能器方向性指數;DT為檢測閥;α為介質吸收系數。

信號與數據處理模塊主要是模擬部分產生的檢波信號(DIA、DIB、DIC、DID)和電平提升信號(INA、INB、INC、IND)的處理，電平提升信號保留了水中艦艇噪聲的有效信息，經DSP處理，可用于做信號的數字分析處理等算法。信號與數據處理模塊的系統框圖如圖5所示。

圖5 信號與數據處理框圖Fig．5 Illustration of signal and data processing

接收機的增益(通道)控制由單片機(MCU)根據輸出信號限幅狀況，選擇最大不飽和輸出的增益(通道)，所以接收機的增益已知，接收換能器的靈敏度是已知的，測得放大檢波電路后輸出電壓值，就可得到水中艦艇的輻射噪聲在接收機輸入端的強度，在獲得目標距離r后，利用聲吶方程進而估計水中艦艇輻射噪聲聲源級。具體計算如下：

其中：Uo為接收機輸出信號幅度;Uin為接收機接收端信號幅度;A為接收機的放大倍數;Vin為接收換能器接收到的聲壓值;S為接收換能器靈敏度;VdBin為接收換能器輸入端噪聲級(dB)。

單片機(MCU)的詳細工作流程如圖6所示。

圖6 MCU工作流程Fig．6 Flow chart of the MCU working process

4 水池試驗及驗證

樣機調試工作完成后，在消聲水池對接收機系統進行了試驗測試。消聲水池長20 m，寬8 m，水深7.5 m。收發合置換能器A、標準水聽器B＆K2690、收發合置換能器B間距1 m，布放于水下2 m處，實驗現場布置如圖7所示。由于水聲換能器的接收及發射頻響曲線不平坦，故需使用標準水聽器對發射機及接收機進行標定。標定完成后，對系統性能進行了測試，接收機的接收換能器布入水中，實驗中利用信號源Agilent 33120A產生CW脈沖模擬目標輻射聲信號，利用標準小球B＆K8102監視目標輻射聲源級。

圖7 實驗現場布置圖Fig．7 Layout of the testing site

為了方便在示波器上觀察，CW脈沖信號脈寬不能太窄;為了避免由于消聲水池消聲效果不理想而帶來拖尾現象，CW脈沖信號脈寬不能太寬;在這里取CW脈沖信號寬度10 ms，周期500 ms。

圖8為標準小球B＆K8102接收到信號經前放B＆K2690放大后，連接到示波器顯示的響應結果，圖中，前面小脈沖為觸發信號，后面幅度大的脈沖為實現將接收信號增大20 dB后發出的波形，可見系統能穩定、可靠應答。對8～12 kHz信號進行測試，10 kHz信號下測試結果如表1所示。

5 結語

本文介紹了可估計目標聲源級的水聲接收機設計與實現，該接收機能獲得水中艦艇目標聲源級，經消聲水池測試，工作頻帶在8～12 kHz，當聲源目標信號強度在100～180 dB之內，接收機接收聲級誤差不超過1 dB。接收機的平均功耗不超過100 mW，具有電路結構簡單、實時性好、低功耗、低噪聲、小尺寸等優點，符合現代水下接收機的設計需求，在獲得水中艦艇目標航速的條件下，可以估計目標的噸位，進而實現對水中艦艇目標的大小識別。

［1］彭勃，張效民，于洋，趙延安．水聲目標模擬器的設計與實現［J］．計算機測量與控制，2010，18(2)：417－418．

［2］Maxim Instruments，Max274 Datasheet，2004．

［3］尤立克RJ．水聲原理(第三版)［M］．哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社，1990.270－272．

Design and implementation of a new hydroacoustic receiver based on source level measurement

SHUAI Gao-shan
(The Military Representatives Ofiice of PLA Navy in Yichang，Yichang 443003，China)

Due to the development of noise reduction technology，the noise level of naval vessels is becoming lower and lower，which leads to the attenuating signal intensity．In this paper，a new hydroacoustic receiver is put forward which can retain information of target radiation noise as well as estimate target source level through quadruple detection and level amplifying circuit and SCM MSP430F5438 processing．This new design has a simple-structure，reliable real time performance and low power consumption，which can meet the requirement of modern autonomous detection system．

naval vessels;noise level;lower power consumption;receiver

U666．7

A

1672－7649(2012)05－0094－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.05.022

2011－06－01;

2011－09－21

帥高山(1972－)，男，工程師，主要從事水中兵器信號處理研究。