張文照 肖昌潤(rùn)

（1.海軍工程大學(xué)艦船工程系 武漢 430033）（2.海軍后勤技術(shù)裝備研究所 北京 100072）

1 引言

水聲定位系統(tǒng)是潛艇自航模試驗(yàn)必需的測(cè)量系統(tǒng)，其任務(wù)是實(shí)時(shí)獲取自航模在水下的位置，了解自航模的運(yùn)行狀況。TOA 定位系統(tǒng)是水聲定位系統(tǒng)中最常見的一種。該系統(tǒng)的基本原理是通過(guò)測(cè)量發(fā)射換能器所發(fā)出的水聲信號(hào)傳播到多個(gè)不同基站所需的時(shí)延，從而進(jìn)一步解算得到發(fā)射換能器的位置。對(duì)水聲信號(hào)傳播時(shí)延的測(cè)量首先需要對(duì)接收換能器所采集到的模擬信號(hào)予以檢測(cè)，判斷發(fā)射換能器發(fā)出的聲信號(hào)是否已經(jīng)到達(dá)接收換能器。傳統(tǒng)的鑒壓式信號(hào)檢測(cè)是基于電壓比較電路工作的，其基本原理是比較水聲接收換能器采集到的電信號(hào)是否超過(guò)預(yù)先設(shè)定的門限電壓從而完成對(duì)水聲信號(hào)的檢測(cè)［1～2］。由于傳播信道對(duì)水聲信號(hào)的衰減及多途影響，接收換能器采集到的水聲信號(hào)會(huì)表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)范圍大及時(shí)域波形畸變的特點(diǎn)，在此情況下，鑒壓式的水聲接收機(jī)往往不能正常工作。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，利用單片機(jī)、PC 機(jī)或DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程的程控放大器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)功能已日趨成熟。但是，對(duì)于TOA 這一單一工作頻率的水聲定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這勢(shì)必造成產(chǎn)品成本提高、技術(shù)復(fù)雜化和裝備、設(shè)備龐大及操作管理不便等缺點(diǎn)。單純的利用高性能運(yùn)放及普通的電子元器件設(shè)計(jì)滿足精度要求并且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的接收機(jī)對(duì)于自航模試驗(yàn)而言才是較為可行的方案。本文從信號(hào)的頻域特性出發(fā)，應(yīng)用鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)單一頻率水聲信號(hào)的檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種鑒頻式水聲接收機(jī)，通過(guò)測(cè)距試驗(yàn)驗(yàn)證了其在大動(dòng)態(tài)范圍下工作的有效性，并對(duì)其特性做了一些討論。

2 TOA水聲定位系統(tǒng)及鑒壓式接收機(jī)簡(jiǎn)介

2.1 TOA 水聲定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

TOA 定位系統(tǒng)的基本構(gòu)成主要包括水聲發(fā)射機(jī)、水聲接收機(jī)、水聲換能器、GPS同步鐘、信號(hào)采集卡、計(jì)算機(jī)以及輸出設(shè)備等?；驹硎峭ㄟ^(guò)測(cè)量發(fā)射換能器所發(fā)出的水聲信號(hào)傳播到多個(gè)不同基站所需的時(shí)延，從而進(jìn)一步得到發(fā)射換能器的位置。該方法在保證對(duì)時(shí)精準(zhǔn)的前提下，可以得到比較精確的定位坐標(biāo)。試驗(yàn)開始前，兩個(gè)同步鐘均由GPS衛(wèi)星統(tǒng)一授時(shí)，并對(duì)其自身的振蕩器作精準(zhǔn)校準(zhǔn)，以保證其在脫開GPS連接后所發(fā)出的秒脈沖能夠與GPS時(shí)標(biāo)完全重合，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)同步鐘的完全同步。試驗(yàn)開始后，由岸基同步鐘發(fā)出的秒脈沖觸發(fā)采集卡上的計(jì)數(shù)器開始工作。與此同時(shí)，由艇載同步鐘發(fā)出的秒脈沖觸發(fā)水聲信號(hào)發(fā)出。當(dāng)接收部分偵測(cè)到該水聲信號(hào)之后，水聲接收機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)觸發(fā)計(jì)時(shí)器停止工作，并將計(jì)時(shí)結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)，從而完成對(duì)聲波傳播時(shí)延的測(cè)量。水聲定位系統(tǒng)時(shí)延測(cè)量原理如圖1所示。

2.2 鑒壓式水聲接收機(jī)基本工作原理及缺點(diǎn)

鑒壓式水聲接收機(jī)工作的基本原理是通過(guò)預(yù)放大、鑒頻放大、低通濾波及積分包絡(luò)將接收換能器采集來(lái)的信號(hào)整形為原始信號(hào)的包絡(luò)放大線的形式，并通過(guò)電壓比較器對(duì)整形后的信號(hào)予以檢波，當(dāng)信號(hào)幅值大于預(yù)先設(shè)定的門限電壓時(shí)，接收機(jī)輸出一個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)采集卡計(jì)時(shí)器停止工作。圖2給出了鑒壓式水聲接收機(jī)的工作框圖。

圖1 水聲定位系統(tǒng)時(shí)延測(cè)量原理

但是由于水聲信號(hào)在距離上的衰減十分顯著，因此要求水聲接收機(jī)工作的動(dòng)態(tài)范圍十分大，這便對(duì)接收機(jī)預(yù)放大倍數(shù)的設(shè)置提出了很高的要求，在實(shí)際的自航模試驗(yàn)中，往往由于預(yù)放大倍數(shù)設(shè)置的不合理導(dǎo)致水聲定位精度十分粗糙。另外，由于水聲信道多途相干性，輸出信號(hào)包絡(luò)線上升沿的斜率會(huì)被鈍化，鈍化的程度也應(yīng)取決于聲信號(hào)傳播的路徑。由于傳播路徑是未知的，因此僅僅采用電壓比較來(lái)判定聲信號(hào)到達(dá)時(shí)間存在著很大的不確定性，這種不確定性更會(huì)加劇水聲定位系統(tǒng)精度的降低。為了克服鑒壓式水聲接收機(jī)的缺點(diǎn)，本文從信號(hào)的頻域出發(fā)，設(shè)計(jì)了鑒頻式水聲接收機(jī)，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)頻域的處理來(lái)實(shí)現(xiàn)水聲信號(hào)的檢測(cè)。

圖2 鑒壓式水聲接收機(jī)的工作框圖

3 鑒頻式水聲接收機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1 鑒頻式水聲接收機(jī)工作基本原理

鑒頻式水聲接收工作基本原理是，通過(guò)輸入耦合和AGC 自動(dòng)增益將接收換能器采集得到的信號(hào)調(diào)整到LM567輸入電壓幅值范圍內(nèi)，通過(guò)LM567對(duì)放大之后的信號(hào)做鑒頻處理，當(dāng)捕捉到發(fā)射換能器所發(fā)出頻率為50kHz的信號(hào)后，LM567輸出低電平，出發(fā)延遲器進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)過(guò)程，輸出一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為Td的高電平，在經(jīng)過(guò)后續(xù)的脈沖產(chǎn)生電路輸出驅(qū)動(dòng)電腦采集卡上計(jì)時(shí)器關(guān)閉的脈沖信號(hào)。圖3給出其工作原理的框圖。由于輸入耦合以及脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路與傳統(tǒng)的鑒壓式接收機(jī)工作方式相同，因此，本文不再贅述，下面就AGC自動(dòng)增益、鑒頻處理以及延遲電路的設(shè)計(jì)做一個(gè)詳細(xì)的介紹。

圖3 鑒頻式水聲接收機(jī)工作框圖

3.2 AGC自動(dòng)增益電路

接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍DR（Dynamic Range），是指接收機(jī)能夠接收檢測(cè)到的信號(hào)功率從最小信號(hào)MDS到接收機(jī)輸入1－dB壓縮點(diǎn)之間的功率變化范圍，是接收機(jī)最重要的性能指標(biāo)之一。在自航模試驗(yàn)中水聲接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到120dB，在這樣苛刻的工作條件下，如何保證接收機(jī)正常工作是一個(gè)需要解決的問題。而應(yīng)用AGC 自動(dòng)增益電路是解決這一難題的有效途徑。通過(guò)AGC自動(dòng)增益電路，可以實(shí)現(xiàn)接受端距發(fā)射機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)所接收到的微弱信號(hào)的大增益和較近時(shí)所接收到的強(qiáng)信號(hào)的小增益甚至衰減，來(lái)保證后續(xù)鑒頻電路一直處于正常工作電壓范圍內(nèi)。AGC 是一個(gè)直流電壓負(fù)反饋系統(tǒng)，控制信號(hào)代表信道輸出幅度檢波后的直流值與參考電壓之間的誤差值，若輸入信號(hào)幅度變化，則控制信號(hào)也隨著變化，其作用是使誤差減小到最小值。本文設(shè)計(jì)的AGC電路中變?cè)鲆娣糯蠡螂娬{(diào)衰減通過(guò)寬帶、增益連續(xù)可變的電壓控制放大器VCA610 實(shí)現(xiàn)，DC放大器則由OPA620實(shí)現(xiàn)，圖4給出了其電路圖［6］。

圖4 本文AGC電路設(shè)計(jì)圖

電路中OPA620的功能起到一個(gè)比較器的作用。R102和R103一方面給控制電壓VC提供靜態(tài)工作電壓，另一方面作為C104的放電電阻；C104為放電電容；R104作為C104的充電電阻；D101 是一個(gè)檢波二極管，它是多普勒信息處理中最常用的；C105起到相位補(bǔ)償作用。參考直流電位Vr是通過(guò)R107，R108，Rw101分壓得到，用來(lái)控制輸出電壓的V0的幅值。

圖5 VCA610增益特性

其工作原理如下：靜態(tài)工作時(shí)，負(fù)電壓－VS通過(guò)電阻R102 和R103 給放電電容提供靜態(tài)工作電壓－2.0V，使VCA610 以最大的放大倍數(shù)38.5dB 對(duì)輸入的弱小信號(hào)進(jìn)行放大。當(dāng)VCA610輸出信號(hào)的單峰值大于參考直流電位VR 時(shí)，OPA620輸出高電位，使D101導(dǎo)通，電流通過(guò)充電電阻R103給充放電電容C104充電，使CH 電位升高，控制VCA610的放大倍數(shù)減小（VCA610放大增益曲線見圖4），直至VCA610 輸出信號(hào)的單峰值等于參考直流電位Vr。當(dāng)VCA610 輸出信號(hào)的單峰值小于參考直流電位Vr時(shí)，OPA620輸出低電位，使D101截至，充放電電容CH 通過(guò)放電電阻R1 和R2 放電，使CH 電位降低，控制VCA610的放大倍數(shù)增大，直至VCA610 輸出信號(hào)的單峰值等于參考直流電位VR。可以通過(guò)調(diào)節(jié)充電電容C104 和充電電阻R103以及放電電阻R104 來(lái)控制整個(gè)增益調(diào)整速度的快慢。為了濾去直流電源中交流分量的影響，在電路的電源支路加上了隔直電容C101，C102，C103，C106，C107。

3.3 鑒頻處理電路

鑒頻處理是通過(guò)LM567 通用鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)的。LM567是一種常見的低價(jià)解碼集成電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。LM567內(nèi)部包含了放大器、電壓控制振蕩器VCO、積分鑒相器（I鑒相器）和正交鑒相器（Q 鑒相器）等部件?；驹硎峭ㄟ^(guò)外設(shè)的RC振蕩電路和環(huán)路濾波電容驅(qū)動(dòng)VCO以產(chǎn)生一定頻譜純度和相位的振蕩信號(hào)，并將其和3腳輸入的信號(hào)一起交給兩個(gè)鑒相器作比較，當(dāng)輸入信號(hào)與VCO 振蕩信號(hào)頻譜純度和相位一致（即輸入的信號(hào)的頻率落在VCO自由振蕩頻率f0附近的帶寬BW 范圍內(nèi)）時(shí)，通過(guò)輸出濾波電容輸出一個(gè)低電平，不一致時(shí)輸出高電平［7］。根據(jù)相關(guān)資料，本文涉及的鑒頻處理電路如圖8所示。

圖6 LM567內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 LM567帶寬控制規(guī)律

圖8 鑒頻處理電路

圖8中，RW301、R302和C304按照式（1）的關(guān)系來(lái)控制VCO 輸出信號(hào)的自由振蕩頻率（即無(wú)外加控制電壓時(shí)的振蕩頻率）。

環(huán)路電容C302按照式（2）的關(guān)系帶寬BW。

式（2）中，ui為輸入信號(hào)的幅值，20mV＜ui＜200mV，可以通過(guò)上一小節(jié)介紹的AGC 電路的參考電壓Vr控制輸出。減小帶寬可以提高整個(gè)測(cè)時(shí)系統(tǒng)的精度，但是會(huì)增加系統(tǒng)的延遲。C303同樣是為了消除直流電壓VS中的交流分量的影響而加入的隔直電容。

3.4 抗多途效應(yīng)的延遲電路

由于水聲信道的多途性，在一個(gè)采樣周期內(nèi)，接收換能器會(huì)多次接收到發(fā)射換能器所發(fā)出的同一個(gè)信號(hào)，鑒頻電路也會(huì)多次輸出低電平，除了第一次輸出的低電平外，其余的輸出均為雜波干擾，不應(yīng)該輸入后續(xù)計(jì)算機(jī)采集卡。本文采取一個(gè)延遲器，在捕捉到某個(gè)時(shí)刻發(fā)射機(jī)發(fā)出的水聲信號(hào)后，延遲器進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)過(guò)程，輸入的電平將不再起作用，直至?xí)悍€(wěn)態(tài)過(guò)程結(jié)束。該延遲器由555電路實(shí)現(xiàn)，圖9給出了該延遲器電路的電路圖。由于自航模運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)大于2m／s，試驗(yàn)場(chǎng)聲速不會(huì)大于1600m／s，兩個(gè)相隔采樣時(shí)刻接收機(jī)捕捉得到的水聲信號(hào)之間的時(shí)間間隔t＞T－2／1600（T為水聲定位系統(tǒng)的采樣周期），因此延遲電路的暫穩(wěn)態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間Td可 以 設(shè) 置 為T－2／1600。

圖9 延遲電路

延遲電路的工作過(guò)程可以描述為：當(dāng)鎖相環(huán)電路未捕捉到發(fā)射換能器發(fā)出的信號(hào)時(shí)，延遲器的輸入為高電平，電路處于穩(wěn)態(tài)，輸出為0。鎖相環(huán)捕捉到信號(hào)之后，延遲器輸入為低電平，電路立刻進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，輸出跳轉(zhuǎn)為高電平。一直持續(xù)到Td時(shí)刻C501充電完畢，電路再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，輸出立刻翻轉(zhuǎn)為0。

4 測(cè)距試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 測(cè)距試驗(yàn)步驟

為了能真實(shí)體現(xiàn)出本文設(shè)計(jì)的鑒頻式水聲接收機(jī)的工作特性，本文所進(jìn)行的測(cè)距試驗(yàn)是在自航模試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)水域開展的。試驗(yàn)中，將水聲發(fā)射換能器與接收換能器放置在相同水深處的兩個(gè)固定點(diǎn)上，通過(guò)GPS測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的水平距離，用計(jì)算機(jī)采集軟件測(cè)量并記錄一段時(shí)間內(nèi)水聲信號(hào)傳播的時(shí)延值，之后改變發(fā)射換能器的位置，重復(fù)以上步驟。為了加大測(cè)試信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)的影響，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都分別測(cè)量了發(fā)射機(jī)工作電壓為12V 和24V的兩種情況。

4.2 鑒頻式接收機(jī)與鑒壓式接收機(jī)測(cè)距精度比較

通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得出表1所列結(jié)果。

表1 測(cè)時(shí)均方差

由表1可以看出，鑒頻式接收機(jī)工作穩(wěn)定，隨著距離的改變測(cè)時(shí)均方差變化不大。相反，鑒壓式接收機(jī)工作十分不穩(wěn)定，測(cè)時(shí)誤差的均方差對(duì)距離的敏感度十分高。特別是當(dāng)發(fā)射換能器與接收換能器相距50.6m 時(shí)，由于發(fā)射機(jī)工作電壓為24V，接收換能器采集的信號(hào)過(guò)強(qiáng)，接收機(jī)已經(jīng)不能正常工作。

4.3 應(yīng)用鑒頻式接收機(jī)測(cè)距結(jié)果聲速擬合

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的鑒頻式水聲接收機(jī)的有效性，本文設(shè)計(jì)了如下檢驗(yàn)方法，通過(guò)不同距離d下測(cè)時(shí)結(jié)果t可以回歸出一個(gè)聲速c，并與聲速儀實(shí)測(cè)結(jié)果相比較，如果兩者相同或者相近，那么可以證明該接收機(jī)是有效和可靠的［9～11］。

線性回歸模型為

式中t0為測(cè)時(shí)系統(tǒng)延遲。

圖10 聲速線性回歸

線性回歸的結(jié)果見表2，回歸直線見圖10，聲速儀測(cè)量結(jié)果為1393m／s，因此可以證明所設(shè)計(jì)的水聲接收機(jī)在大動(dòng)態(tài)范圍下工作是十分可靠的。

表2 聲速回歸結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種可用于TOA 水聲定位系統(tǒng)的鑒頻式水聲接收機(jī)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)工作的有效性，其工作性能受測(cè)試距離的影響不大，并對(duì)發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱不敏感，滿足水聲定位系統(tǒng)的精度需求。

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