曲加圣，楊 松

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七六○研究所，遼寧 大連 116013)

便攜式水下聲信標(biāo)探測(cè)定位設(shè)備技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曲加圣，楊 松

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七六○研究所，遼寧 大連 116013)

針對(duì)聲基陣水下搜尋定位系統(tǒng)需要使用大型船只及直升機(jī)等大型操作平臺(tái)的缺點(diǎn)，介紹了一種簡(jiǎn)單、便攜、高效的水下聲信標(biāo)探測(cè)定位設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。利用指向性水聽(tīng)器及混頻方法，將需要探測(cè)和定位的水下聲信標(biāo)信號(hào)通過(guò)音頻形式輸出，充分利用指向性水聽(tīng)器較普通水聽(tīng)器空間增益高以及人耳對(duì)信號(hào)識(shí)別能力強(qiáng)的特點(diǎn)，提高了復(fù)雜海況條件下對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)能力。闡述了設(shè)備的組成、工作原理以及設(shè)備主要單元的設(shè)計(jì)方法，給出了設(shè)備樣機(jī)在海上試驗(yàn)的結(jié)果，并對(duì)其適用的場(chǎng)合進(jìn)行了說(shuō)明。

水聲探測(cè);混頻;帶通濾波;正交編碼

0 引言

對(duì)水下目標(biāo)聲源進(jìn)行探測(cè)、搜尋和定位時(shí)，設(shè)置聲基陣為目前應(yīng)用最廣泛的一種水下定位技術(shù)。根據(jù)系統(tǒng)定位基線的長(zhǎng)度，可分為長(zhǎng)基線陣(LBL)、短基線陣(SBL)和超短基線陣(SSBL/USBL)。這些系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是基線較長(zhǎng)，超短基線的長(zhǎng)度也接近10 m［1－3］，需要較大的操作平臺(tái)，且作用距離短，信號(hào)處理的接收設(shè)備復(fù)雜。

本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，針對(duì)聲信標(biāo)的信號(hào)形式，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、便攜、高效的聲信標(biāo)探測(cè)定位設(shè)備，單人手持即可完成對(duì)聲信標(biāo)的大范圍搜索，短時(shí)間內(nèi)即可完成對(duì)聲信標(biāo)的探測(cè)和定位，大大提高了搜索效率，該設(shè)備已經(jīng)在實(shí)際使用中得到了很好的應(yīng)用效果。

1 設(shè)備組成及工作原理

便攜式聲信標(biāo)探測(cè)定位設(shè)備主要由指向性水聽(tīng)器、接收處理主單元、控制單元、本振信號(hào)單元、功放單元、操作面板單元、電池及電源電路單元以及水密耳機(jī)等部分組成。設(shè)備采用低功耗設(shè)計(jì)，利用鋰電池供電。進(jìn)行了密封耐壓設(shè)計(jì)，可整體在水下使用。指向性水聽(tīng)器與系統(tǒng)殼體采用縱向水密通過(guò)螺紋連接，防水耳機(jī)通過(guò)水密連接器與主機(jī)相連。系統(tǒng)框圖如圖1所示，示意圖如圖2所示。

便攜式聲信標(biāo)探測(cè)定位設(shè)備可對(duì)5～80 kHz范圍內(nèi)有規(guī)律的CW(單頻脈沖)信號(hào)目標(biāo)聲源探測(cè)和搜索，利用指向性水聽(tīng)器的指向性特性，可以像手電筒一樣對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。水聽(tīng)器信號(hào)放大后經(jīng)過(guò)頻帶范圍在5～80 kHz之間的有源帶通濾波器，濾波器電路利用2個(gè)數(shù)字電位器，通過(guò)控制單元使其中心頻率可調(diào)。設(shè)備的面板有2個(gè)機(jī)械編碼器，分別用來(lái)調(diào)節(jié)電路的增益大小和選擇搜尋的目標(biāo)頻率。

使用時(shí)，操作者可通過(guò)操作面板機(jī)械編碼器選擇需要探測(cè)搜索的目標(biāo)頻率，控制單元根據(jù)機(jī)械編碼器的輸出將該信息在LCD顯示屏上顯示，同時(shí)控制帶通濾波器的數(shù)字電位器變化，調(diào)整濾波器的中心頻率，并輸出混頻器的本振信號(hào)。本振信號(hào)和濾波器輸出通過(guò)混頻電路和音頻功放電路，得到人耳能辨別的1.5 kHz左右的聲音信號(hào)，同時(shí)信號(hào)的強(qiáng)弱在面板上的LED光柱指示器上也顯示出來(lái)。

本設(shè)備的設(shè)計(jì)充分利用了指向性水聽(tīng)器較普通水聽(tīng)器空間增益高以及人耳對(duì)信號(hào)識(shí)別能力強(qiáng)的特點(diǎn)，提高了復(fù)雜海況條件下對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)能力。

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1 濾波器設(shè)計(jì)

接收機(jī)的濾波電路是由運(yùn)放器件構(gòu)成有源帶通濾波器，頻率范圍在5～80 kHz之間。帶通濾波器電路采用多重反饋改進(jìn)型電路結(jié)構(gòu)，為了使本濾波電路的中心頻率連續(xù)可調(diào)，采用了調(diào)整精確、可以程序控制的數(shù)字電位器。多重反饋電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多重反饋電路結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of multiple reactive circuit

圖中R1b和R2為數(shù)字電位器，此濾波器特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，元件數(shù)量少，容差的靈敏度低。中心頻率和濾波器品質(zhì)因數(shù)Q可調(diào)，Q值受放大器的增益限制［4］，它的傳遞函數(shù)為:

式中:R1為R1a和R1b并聯(lián)的總電阻。

而每個(gè)全級(jí)點(diǎn)帶通節(jié)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)為:

式中:ωr等于2πfr，即極點(diǎn)諧振頻率;H為增益常數(shù)。通過(guò)式(1)和式(2)得到

2.2 混頻器設(shè)計(jì)

混頻技術(shù)在高頻電子電路中應(yīng)用非常廣泛，在現(xiàn)有的集成電路中大多數(shù)應(yīng)用于高頻、甚高頻信號(hào)處理，在低頻、甚低頻時(shí)不能通用。一般低頻混頻可通過(guò)采用模擬開(kāi)關(guān)或運(yùn)放配合適當(dāng)?shù)碾娮琛㈦娙輥?lái)實(shí)現(xiàn)，并在后端加低通濾波器來(lái)獲得有用信號(hào)。這種方法電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但同時(shí)其效果也差強(qiáng)人意，如果要達(dá)到較為理想的效果，則需要在混頻后接入較高性能的低頻帶通濾波器，給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)不便。

為了更好地解決低頻混頻問(wèn)題，在本設(shè)備設(shè)計(jì)中，混頻器主體由三極管電路構(gòu)成，在基極上施加輸入信號(hào)，發(fā)射極施加本振信號(hào)，集電極輸出接1個(gè)互感線圈。本振信號(hào)由直接頻率合成器電路產(chǎn)生，輸入到三極管的發(fā)射極。集電極和電源之間有一電感和電容構(gòu)成諧振電路(頻率為1.5 K)通過(guò)互感線圈輸出，以得到我們所需的音頻信號(hào)。

圖4 混頻原理Fig.4 The mixing principle

本振信號(hào)為混頻器的輸入之一，需要根據(jù)用戶選擇的目標(biāo)聲源的頻率變化輸出相應(yīng)頻率的正弦信號(hào)。目標(biāo)頻率范圍5～80 kHz，以0.1 kHz為最小分辨率，如此高的分辨率以及需要輸出的本振數(shù)量直接利用控制器件分頻是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在本設(shè)備中，采用了直接數(shù)字頻率合成器(DDS)芯片AD9832。該芯片具有超高速的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，極高的頻率分辨率和較低的相位噪聲，在頻率改變與調(diào)頻時(shí)，DDS器件能保持相位的連續(xù)，因此很容易實(shí)現(xiàn)頻率、相位和幅度調(diào)制，并且可編程控制。AD9832芯片的控制時(shí)序如圖5所示。

可通過(guò)對(duì)AD9832器件的SCLK，SDATA，F(xiàn)SYNC等管腳的控制，根據(jù)輸出的本振頻率寫(xiě)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)SDATA至內(nèi)部寄存器。輸出頻率通過(guò)Fout=FREG*FMCLK/232計(jì)算得到，其中，MCLK為數(shù)字時(shí)鐘輸入端，F(xiàn)REG為寫(xiě)入頻率寄存FREG中的數(shù)值。

2.3 音頻功率放大單元

圖5 AD9832控制時(shí)序Fig.5 The control timing of AD9832

音頻功率放大單元以音頻功率放大器芯片LM386為主體，該系統(tǒng)具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)。電路的工作原理如圖6所示。

圖6 功率放大電路原理Fig.6 The principle of the power amplifier circuit

由于在交流通路中LM386芯片內(nèi)部的1個(gè)晶體管發(fā)射極近似為地，電路的放大倍數(shù)可以通過(guò)外部電阻靈活調(diào)整，電路的放大倍數(shù)的調(diào)整范圍為20～200，增益約為26～46 dB。在實(shí)際電路中，在引腳1和8(或者1和5)外接電阻時(shí)，只改變交流通路，所以必須在外接電阻回路中串聯(lián)1個(gè)大容量電容。

2.4 控制單元設(shè)計(jì)

控制單元主要完成的功能如下:

1)監(jiān)測(cè)面板頻率選擇控制機(jī)械編碼器的變化，根據(jù)判斷結(jié)果，控制混頻電路的2個(gè)數(shù)字電位器、AD9832的正弦波本振輸出，以及面板的LCD上顯示用戶當(dāng)前選擇搜索的目標(biāo)頻率;

2)監(jiān)測(cè)面板增益選擇控制的機(jī)械編碼器的變化，根據(jù)判別結(jié)果，控制數(shù)字電位器輸出。

考慮到系統(tǒng)電池供電，選擇了低功耗的MSP430單片機(jī)，控制單元框圖如圖7所示。

探測(cè)搜索頻率控制和增益選擇控制通過(guò)操作面板上的2個(gè)機(jī)械編碼器來(lái)完成，機(jī)械編碼器的輸出為2路相位差90°的正交脈沖信號(hào)，波形如圖8所示。根據(jù)2路正交脈沖信號(hào)之間相位的超前與滯后關(guān)系，可以有效地對(duì)正交信號(hào)進(jìn)行辨向和細(xì)分。機(jī)械編碼器可360°旋轉(zhuǎn)，單片機(jī)根據(jù)觸發(fā)程序中斷的機(jī)械編碼器輸出端子判斷旋轉(zhuǎn)方向，確定頻率、增益的加減，根據(jù)觸發(fā)中斷的次數(shù)確定加減的數(shù)值?？刂茊卧绦蛄鞒倘鐖D9(a)所示，主程序流程圖如圖9(b)所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)備樣機(jī)在海上進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試人員利用摩托小艇，搜尋目標(biāo)選擇為國(guó)際通用民航黑匣子水聲信標(biāo)，布放于水下。聲信標(biāo)發(fā)出的信號(hào)為頻率為37.5 kHz，周期1 s，寬度為10 ms的CW脈沖信號(hào)，搜索距離可達(dá)到2 km。

本設(shè)備采用電池供電，通過(guò)水密設(shè)計(jì)可整體在水下使用。設(shè)備功耗低、體積小，對(duì)操作平臺(tái)要求較少，可應(yīng)用于小艇探測(cè)、指導(dǎo)潛水員水下手持作業(yè)等多種場(chǎng)合，也可通過(guò)安裝適宜的支桿在水面輔船使用。

圖9 控制單元程序流程圖Fig.9 The flow chart of controlling unit program

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The design and implementation in portable underwater acoustic beacon detection and orientation equipment

QV Jia-sheng YANG Song
(The 760 Research Institute of CSIC，Dalian 110613，China)

Aiming at the defect which the underwater search orientation system based on acoustic array requires use the big ship and helicopter.This report introduces the design and realization of the underwater detective search instrument which is simple，portable，high efficient.The use of directional hydrophone and mixing methods，the underwater acoustic beacon signal required for detection and orientation is output for the audio format.It utilizes the space gain of directional hydrophone which is higher than the common one and the strong ability that human distinguish from signal.It improves the detectability of weak signal in the complex condition of sea.The report expatiates on the composition，operation principle and the designing method of the primary unit of the instrument，gives the experiment result on the sea for the swatch instrument，and explains the available situation of the instrument.

underwater acoustic detect;mixing;band filter;orthogonal encoding.

TB566

A

1672－7649(2012)04－0075－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.017

2011－07－26;

2011－08－03

曲加圣(1980－)，男，工程師，主要從事水聲信號(hào)處理及工程應(yīng)用方面的研究。