聲吶實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)裝置設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 李 勛

鑒于在有限的培訓(xùn)和教學(xué)過程中難以完成水下聲學(xué)工程專業(yè)的整個聲納系統(tǒng)設(shè)計，因此難以在實(shí)際的聲納系統(tǒng)環(huán)境中調(diào)試和設(shè)計功能電路，一種模塊化的聲納實(shí)驗(yàn)方法被提議和實(shí)施。該設(shè)備主要由收發(fā)器轉(zhuǎn)換器，信號發(fā)生模塊，功率放大器模塊，信號調(diào)節(jié)模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，信號處理和控制模塊，顯示和控制模塊，接口模塊和數(shù)據(jù)組成。所有實(shí)驗(yàn)室都設(shè)計有靈活的即插即用界面，以方便將來的開發(fā)和調(diào)試。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，目前實(shí)驗(yàn)裝置的各項(xiàng)功能性指標(biāo)都能夠滿足預(yù)期的需求，并且已經(jīng)在很多實(shí)驗(yàn)室中得到了廣泛的應(yīng)用。

聲納系統(tǒng)的設(shè)計是水下聲學(xué)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重要組成部分，圍繞這一主題組織了基礎(chǔ)理論和實(shí)踐。然而，由于專業(yè)聲納系統(tǒng)的高度復(fù)雜性，專業(yè)性以及較長的開發(fā)周期，這就導(dǎo)致很難再較短的時間周期內(nèi)完成一套各項(xiàng)功能完善的聲吶系統(tǒng)的設(shè)計工作。將會導(dǎo)致很多水下聲吶實(shí)驗(yàn)的功能和系統(tǒng)很難再實(shí)驗(yàn)室的模擬操作中得到合理的實(shí)施和驗(yàn)證，比如：聲吶的轉(zhuǎn)向設(shè)計和功能電路的實(shí)現(xiàn)等，對于聲吶系統(tǒng)概念的建立會產(chǎn)生較大的影響。不利于從事聲吶實(shí)驗(yàn)研究的工作人員把理論知識和實(shí)踐操作相結(jié)合，缺少了相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和研究對比，對他們自身能力的提高會產(chǎn)生不利的影響。本文重點(diǎn)圍繞聲吶實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)裝置的設(shè)計進(jìn)行研究分析，通過合理化的設(shè)備搭建以滿足實(shí)驗(yàn)室人員對于功能開發(fā)，數(shù)據(jù)分析對比的需求，更好的模擬聲吶裝置在實(shí)際應(yīng)用中的形態(tài)，以便于實(shí)驗(yàn)者從實(shí)驗(yàn)裝置中獲取更精確的數(shù)據(jù)，以更好的把理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合，掌握聲吶裝置的工作原理，從而達(dá)到培訓(xùn)的效果。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的現(xiàn)狀和存在的不足

1.1 受實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備等條件的影響

隨著水聲通信技術(shù)日益成熟，水聲通信技術(shù)正逐步由軍用向海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋災(zāi)難預(yù)警等民用領(lǐng)域推廣。因此水下聲吶工程是具有很強(qiáng)國防特色的實(shí)踐工程專業(yè)，國防特色注定對工程設(shè)計人員實(shí)踐能力的培養(yǎng)要求高標(biāo)準(zhǔn)，高要求的儀器設(shè)備性能指標(biāo)，從而間接地提高了國防科學(xué)技術(shù)水平。國防專業(yè)的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用要比普通專業(yè)的費(fèi)用高，不能保證每個實(shí)驗(yàn)人員都有一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動的設(shè)備，學(xué)員的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)就嚴(yán)重受到束縛，不易于學(xué)員把理論和實(shí)踐相結(jié)合，從實(shí)踐中印證理論的正確性以及更直觀的了解聲吶在實(shí)際應(yīng)用中的作用和原理，不利于聲吶專業(yè)專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)和發(fā)展。

1.2 受實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響

水聲工程是一門研究聲波在水中傳播特性的科學(xué)。因此，在這一領(lǐng)域?qū)I(yè)人員的培訓(xùn)離不開對海中海況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于我國漫長的海岸線，廣闊的海域和復(fù)雜的海洋條件，無法保證每個學(xué)員都有機(jī)會在所有海洋條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，更多的需要依靠實(shí)驗(yàn)室模擬相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，這才實(shí)驗(yàn)結(jié)果上會出現(xiàn)較大的偏差，無法保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)性，另外因?yàn)槿鄙賹?shí)際應(yīng)用環(huán)境，學(xué)員學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)很難對聲吶實(shí)驗(yàn)有一個更真實(shí)的應(yīng)用情況的了解，會對實(shí)驗(yàn)成果產(chǎn)生一些影響。

2 實(shí)際應(yīng)用中的聲吶裝置和實(shí)驗(yàn)室聲吶裝置的系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 實(shí)際應(yīng)用中聲吶裝置的系統(tǒng)構(gòu)成

實(shí)際應(yīng)用中的聲納設(shè)備一般由陣列，電子柜和輔助設(shè)備組成。該陣列由通常為球形，圓柱形，扁平或線性的水下聲換能器的一定陣列組成。它可以分為接收陣列，發(fā)送陣列和收發(fā)器陣列。電子柜通常具有子系統(tǒng)，例如發(fā)送，接收，顯示和控制。 輔助設(shè)備包括與聲納陣列的傳輸控制相匹配的電源設(shè)備，連接電纜，水下接線盒和中繼器，提升，旋轉(zhuǎn)，俯仰，縮回，拖曳，懸掛和發(fā)射裝置。

換能器是聲納的重要設(shè)備。它是一種將聲能轉(zhuǎn)換為其他能量（例如機(jī)械能，電能和磁能）的設(shè)備。它有兩個目的：一個是在水下傳輸聲波，稱為“傳輸換能器”，相當(dāng)于空中的揚(yáng)聲器。另一種是在水下接收聲波，稱為“接收換能器”，等效于空氣麥克風(fēng)（通常稱為“麥克風(fēng)”）。 在實(shí)際應(yīng)用中，換能器通常用于同時發(fā)送和接收聲波。換能器的工作原理是利用壓電效應(yīng)或磁致伸縮，在這種效應(yīng)下，某些材料將在電場或磁場的作用下膨脹和收縮。

2.2 實(shí)驗(yàn)室中聲吶裝置的系統(tǒng)構(gòu)成

聲納實(shí)驗(yàn)裝置由干部和濕部兩部分組成。工作平臺包括信號產(chǎn)生模塊、功放模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理與控制模塊、顯示與控制模塊(觸摸屏)、數(shù)據(jù)傳輸模塊。濕端主要由發(fā)送傳感器和接收傳感器組成。聲納系統(tǒng)通電后，實(shí)驗(yàn)人員可以設(shè)置發(fā)射信號的振動頻率、脈沖寬度和幅度，并將其發(fā)送給信號處理和控制模塊。當(dāng)信號處理與控制模塊檢測到傳輸信號數(shù)據(jù)時，將指令信息發(fā)送給信號生成模塊，生成傳輸信號。發(fā)射機(jī)由功放模塊、信號采集模塊和控制模塊驅(qū)動，數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)據(jù)采集控制。經(jīng)過信號處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示控制模塊和接口模塊。實(shí)驗(yàn)人員可以在液晶屏上觀察接收到的信號波形，并讀取存儲在PC機(jī)上的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。這套裝置可以通過在實(shí)驗(yàn)室完整的模擬出聲吶實(shí)際應(yīng)用中的工作原理，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析信號源，幫助工程設(shè)計人員對聲吶有一個準(zhǔn)確合理的認(rèn)識，從而對科學(xué)研究、實(shí)際應(yīng)用提供更大的幫助。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 信號產(chǎn)生模塊

對于連續(xù)波脈沖信號，可以通過單片機(jī)控制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換(DA)，但這里設(shè)計的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備對信號產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行了擴(kuò)展和改進(jìn)，可以通過單片機(jī)+ FPGA驅(qū)動DDS模塊實(shí)現(xiàn)信號產(chǎn)生。根據(jù)采樣定理，對連續(xù)時間信號進(jìn)行量化，得到與頻率對應(yīng)的相序列，得到幅值序列，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換得到模擬信號輸出。在這一部分的設(shè)計中，MCU、FPDA和DDS模塊被設(shè)計成通用的硬件接口形式，便于工程師更換或進(jìn)一步開發(fā)，利于設(shè)備的迭代和替換。

3.2 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成。逆變器接收到的信號經(jīng)過濾波放大得到程序控制信號。然后通過AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換)采集信號，通過FPGA (Altra ep-4ce22f17c8)進(jìn)行檢測，并生成實(shí)時增益碼。根據(jù)測試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時自動增益控制。廣告采樣率的上限為2 Mhz，可以覆蓋最大的聲場信號采樣范圍。

3.3 信號處理和控制模塊

信號處理與控制模塊采用Altera公司的ep4ce22f17c8處理器，擴(kuò)展了sdram存儲器、epcs1650mhz晶振、電源等功能模塊。該模塊采用二合一沖壓接口和1.27 mm引腳排設(shè)計。可通過沖壓接口直接焊接到系統(tǒng)基材上，并通過引腳線與基材連接。設(shè)備更換方便靈活，為實(shí)驗(yàn)人員的發(fā)展提供了方便，在操作上更加便捷，在滿足數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可靠性更好的同時還極大地節(jié)省了數(shù)據(jù)分析的時間。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸和顯控模塊

顯示控制模塊使用Dacai DC10600F10電容觸摸屏,大10.1英寸的屏幕,32位單片機(jī)為核心處理器,支持JPEG圖像壓縮和MP3音頻、大量的配置控制和微觀腳本,支持文本、圖像、動畫、音頻和等傳統(tǒng)圖形曲線,系統(tǒng)有一個內(nèi)置的虛擬鍵盤,支持中英文輸入法,鍵盤將定制系統(tǒng),為學(xué)生提供方便的互動窗口，供學(xué)生對回聲進(jìn)行控制和觀察。串口用于上傳數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括兩部分:發(fā)送模塊軟件設(shè)計、接收和上傳數(shù)據(jù)軟件設(shè)計以及模塊程序流程圖。通電后，參數(shù)初始化并發(fā)送信號。AD采集模塊同步采集數(shù)據(jù)，信號由功放模塊驅(qū)動發(fā)送換能器的聲信號，接收換能器將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)數(shù)據(jù)采集到的信息內(nèi)容經(jīng)過濾波和放大后進(jìn)行AD模數(shù)轉(zhuǎn)換。 采集的信號臨時存儲在緩沖區(qū)中，通過串行端口上傳到計算機(jī)，并同時顯示在LCD屏幕上。

圖1 FPGA采集發(fā)出數(shù)據(jù)(a)和PC端接收數(shù)據(jù)(b)

5 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

5.1 顯控界面的測試

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系統(tǒng)顯示控制界面，主要包括參數(shù)設(shè)置、波形顯示以及系統(tǒng)工作控制等多項(xiàng)功能，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了軟件界面。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所采集的脈沖信號具有良好的波形顯示效果，而且其參數(shù)配置機(jī)具有完整的控制功能，在一定程度上，滿足了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計的功能要求。

5.2 數(shù)據(jù)采集傳輸結(jié)果測試

AD收集到回聲信號后，由FPGA控制以上傳數(shù)據(jù)，并在FPGA中進(jìn)行處理，結(jié)果可以顯示在LCD屏幕上。圖1顯示了這兩種模式的測試結(jié)果。圖1(a)是FPGA上傳數(shù)據(jù)，圖1(b)是PC接收數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，數(shù)據(jù)上傳速率與預(yù)設(shè)目標(biāo)一致。

結(jié)束語：本文提出一種新的聲吶實(shí)驗(yàn)裝置想法，根據(jù)這種新思路設(shè)計并完成了新型的聲吶實(shí)驗(yàn)?zāi)K化裝置。這種模塊化聲吶實(shí)驗(yàn)裝置，在設(shè)計上有多種不同的模塊系統(tǒng)組合而成，相互之間通過插件和數(shù)據(jù)接口進(jìn)行信息的傳導(dǎo)和結(jié)果的分析，彼此之間相隔聯(lián)系密不可分。能夠很好的模擬聲吶在實(shí)際應(yīng)用中的狀態(tài)和情況，幫助學(xué)員在實(shí)驗(yàn)室即可獲得聲吶在實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)，從而通過理論和實(shí)踐的相結(jié)合提升自身的技術(shù)能力。近年來隨著海洋探索需求的增加，國家社會對于專業(yè)化聲吶技術(shù)人才的需求更加強(qiáng)烈，該裝置為培養(yǎng)相關(guān)聲吶技術(shù)人才提供了極大的幫助，整套系統(tǒng)設(shè)備的平穩(wěn)性和數(shù)據(jù)可靠性均可以滿足實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)的效果。為我國聲吶技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支持和幫助。