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摘要：該文提出了一種用于多普勒計(jì)程儀聲學(xué)信號(hào)的處理方法，通過(guò)對(duì)多普勒計(jì)程儀換能器的高壓隔離發(fā)射信號(hào)和儀表運(yùn)放差分放大回信號(hào)處理方法，大大提高了回波信號(hào)的信噪比，送入后期信號(hào)處理通道，簡(jiǎn)化了處理方法，提高了測(cè)速精度，有利于多普勒測(cè)速穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：多普勒；聲學(xué)；信號(hào)處理；儀表運(yùn)放

中圖分類號(hào)：TN966.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）01-0168-02

1 概述

目前，測(cè)量船舶運(yùn)動(dòng)速度的方法有電磁式計(jì)程儀、壓差式計(jì)程儀、多普勒計(jì)程儀等方法。多普勒計(jì)程儀是根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)體超聲波存在多普勒頻移原理，亦即多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)已經(jīng)大量應(yīng)用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的速度，測(cè)量衛(wèi)星速度也是根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理。多普勒計(jì)程儀采用了聲學(xué)換能器向海水中發(fā)射聲吶，接收換能器收到海底回波信號(hào)后與發(fā)射的聲學(xué)信號(hào)存在頻移。多普勒計(jì)程儀測(cè)速原理如下圖1所示。

在船底安裝四個(gè)收發(fā)兼用的超聲波換能器（如圖2所示），分別向船首前方向和船尾后方向發(fā)射和接收超聲波，超聲波的波束俯角（超聲波發(fā)射方向和船舶速度方向的夾角）均為α，發(fā)射的超聲波頻率為fT。假設(shè)船舶運(yùn)動(dòng)速度為V。接收回波的頻率為：

同時(shí)，求航速對(duì)時(shí)間的積分就是航程。

通過(guò)上述分析可以看出，多普勒計(jì)程儀的關(guān)鍵還是要求解回波信號(hào)的頻率，發(fā)射信號(hào)的頻率已知，根據(jù)回波信號(hào)的頻率變化就能求解船舶航速。

2 多普勒計(jì)程儀超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

船舶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到海水海流的影響噪聲比較大，超聲波信號(hào)受到的船舶振動(dòng)的影響比較大，造成在大噪聲環(huán)境中提取微弱聲波信號(hào)難度非常大。如何在惡劣環(huán)境中提取和分析聲波信號(hào)一直是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的多普勒計(jì)程儀的性能特點(diǎn)和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)分析多普勒計(jì)程儀的回波信號(hào)處理方法還存在許多提升空間。根據(jù)現(xiàn)有的信號(hào)處理理論，提高回波信號(hào)的信噪比有兩個(gè)基本措施：一是提高發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，提高發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度可以提高聲波信號(hào)的穿透能力，現(xiàn)有的技術(shù)手段可以做到800VP-P電壓幅度；二是采用超低噪聲儀表運(yùn)放作為信號(hào)放大前級(jí)放大器，可以從源頭上降低噪聲，提高信號(hào)質(zhì)量。同時(shí)，發(fā)射電路和接收電路采用隔離措施，可以大大提高回波信號(hào)質(zhì)量，避免高壓發(fā)射信號(hào)的噪聲進(jìn)入回波電路。發(fā)射電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

利用該發(fā)射電路，可以隔離換能器與系統(tǒng)電源。通過(guò)變壓器隔離，升壓產(chǎn)生高壓脈沖，輸入的高壓直流信號(hào)通過(guò)MOSFET控制產(chǎn)生高壓尖峰脈沖，經(jīng)過(guò)變壓器升壓后產(chǎn)生更強(qiáng)的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射聲波信號(hào)。后級(jí)電路還設(shè)計(jì)了阻容電路，用于換能器阻抗匹配，減少諧波信號(hào)，提高聲功率。

3 回波信號(hào)處理

高壓發(fā)射脈沖激勵(lì)換能器后產(chǎn)生的聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)海水路徑，淺水模式通過(guò)海流微生物層反射回來(lái)，如果聲波強(qiáng)至大能夠穿過(guò)海流通過(guò)海底反射。兩種工作模式所測(cè)得航速不同，第一種經(jīng)過(guò)海流微生物層反射的回波處理后得到的是相對(duì)海流的航速，稱為相對(duì)速度。第二種經(jīng)過(guò)海水到達(dá)海底反射回的聲波信號(hào)處理后得到的是相對(duì)海底的航速，成為絕對(duì)速度。聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)海水路徑后到達(dá)接收換能器后包含了大量的噪聲，接收換能器將接收的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，轉(zhuǎn)換的電信號(hào)非常微弱，需要放大比較高的倍數(shù)。為了提高回波信號(hào)的回波質(zhì)量使用高增益低噪聲儀表運(yùn)放。

處理后的聲波信號(hào)如圖5所示。通過(guò)聲波回波波形圖可以看出，經(jīng)過(guò)差分隔離放大后的信號(hào)信噪比很高，通過(guò)將此高精度的信號(hào)送入后期數(shù)字信號(hào)處理電路，保證了系統(tǒng)的整體精度。

4 總結(jié)

本文提出了一種利用隔離變壓器產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)激勵(lì)聲學(xué)換能器，使用高精度低噪聲儀表運(yùn)放放大回波信號(hào)，通過(guò)發(fā)射電路和接收電路的完全隔離，提高了回波信號(hào)的信噪比，大大提高了系統(tǒng)的處理精度。為實(shí)現(xiàn)高精度的多普勒計(jì)程儀奠定了基礎(chǔ)信號(hào)源。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法可行，能夠進(jìn)一步提高多普勒計(jì)程儀的精度和可靠性。

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