便攜式水下聲信標探測定位設備技術設計與實現

曲加圣，楊 松

(中國船舶重工集團公司第七六○研究所，遼寧 大連 116013)

便攜式水下聲信標探測定位設備技術設計與實現

曲加圣，楊 松

(中國船舶重工集團公司第七六○研究所，遼寧 大連 116013)

針對聲基陣水下搜尋定位系統需要使用大型船只及直升機等大型操作平臺的缺點，介紹了一種簡單、便攜、高效的水下聲信標探測定位設備的設計與實現方法。利用指向性水聽器及混頻方法，將需要探測和定位的水下聲信標信號通過音頻形式輸出，充分利用指向性水聽器較普通水聽器空間增益高以及人耳對信號識別能力強的特點，提高了復雜海況條件下對弱信號的檢測能力。闡述了設備的組成、工作原理以及設備主要單元的設計方法，給出了設備樣機在海上試驗的結果，并對其適用的場合進行了說明。

水聲探測;混頻;帶通濾波;正交編碼

0 引言

對水下目標聲源進行探測、搜尋和定位時，設置聲基陣為目前應用最廣泛的一種水下定位技術。根據系統定位基線的長度，可分為長基線陣(LBL)、短基線陣(SBL)和超短基線陣(SSBL/USBL)。這些系統的共同特點是基線較長，超短基線的長度也接近10 m［1－3］，需要較大的操作平臺，且作用距離短，信號處理的接收設備復雜。

本文根據實際應用需求，針對聲信標的信號形式，設計了一種簡單、便攜、高效的聲信標探測定位設備，單人手持即可完成對聲信標的大范圍搜索，短時間內即可完成對聲信標的探測和定位，大大提高了搜索效率，該設備已經在實際使用中得到了很好的應用效果。

1 設備組成及工作原理

便攜式聲信標探測定位設備主要由指向性水聽器、接收處理主單元、控制單元、本振信號單元、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等部分組成。設備采用低功耗設計，利用鋰電池供電。進行了密封耐壓設計，可整體在水下使用。指向性水聽器與系統殼體采用縱向水密通過螺紋連接，防水耳機通過水密連接器與主機相連。系統框圖如圖1所示，示意圖如圖2所示。

便攜式聲信標探測定位設備可對5～80 kHz范圍內有規律的CW(單頻脈沖)信號目標聲源探測和搜索，利用指向性水聽器的指向性特性，可以像手電筒一樣對目標進行探測。水聽器信號放大后經過頻帶范圍在5～80 kHz之間的有源帶通濾波器，濾波器電路利用2個數字電位器，通過控制單元使其中心頻率可調。設備的面板有2個機械編碼器，分別用來調節電路的增益大小和選擇搜尋的目標頻率。

使用時，操作者可通過操作面板機械編碼器選擇需要探測搜索的目標頻率，控制單元根據機械編碼器的輸出將該信息在LCD顯示屏上顯示，同時控制帶通濾波器的數字電位器變化，調整濾波器的中心頻率，并輸出混頻器的本振信號。本振信號和濾波器輸出通過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，同時信號的強弱在面板上的LED光柱指示器上也顯示出來。

本設備的設計充分利用了指向性水聽器較普通水聽器空間增益高以及人耳對信號識別能力強的特點，提高了復雜海況條件下對弱信號的檢測能力。

2 實現方法

2.1 濾波器設計

接收機的濾波電路是由運放器件構成有源帶通濾波器，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型電路結構，為了使本濾波電路的中心頻率連續可調，采用了調整精確、可以程序控制的數字電位器。多重反饋電路結構如圖3所示。

圖3 多重反饋電路結構Fig.3 The structure of multiple reactive circuit

圖中R1b和R2為數字電位器，此濾波器特點是電路簡單，元件數量少，容差的靈敏度低。中心頻率和濾波器品質因數Q可調，Q值受放大器的增益限制［4］，它的傳遞函數為:

式中:R1為R1a和R1b并聯的總電阻。

而每個全級點帶通節的二級標準傳遞函數為:

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

2.2 混頻器設計

混頻技術在高頻電子電路中應用非常廣泛，在現有的集成電路中大多數應用于高頻、甚高頻信號處理，在低頻、甚低頻時不能通用。一般低頻混頻可通過采用模擬開關或運放配合適當的電阻、電容來實現，并在后端加低通濾波器來獲得有用信號。這種方法電路實現簡單，但同時其效果也差強人意，如果要達到較為理想的效果，則需要在混頻后接入較高性能的低頻帶通濾波器，給電路設計帶來不便。

為了更好地解決低頻混頻問題，在本設備設計中，混頻器主體由三極管電路構成，在基極上施加輸入信號，發射極施加本振信號，集電極輸出接1個互感線圈。本振信號由直接頻率合成器電路產生，輸入到三極管的發射極。集電極和電源之間有一電感和電容構成諧振電路(頻率為1.5 K)通過互感線圈輸出，以得到我們所需的音頻信號。

圖4 混頻原理Fig.4 The mixing principle

本振信號為混頻器的輸入之一，需要根據用戶選擇的目標聲源的頻率變化輸出相應頻率的正弦信號。目標頻率范圍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量直接利用控制器件分頻是無法實現的。在本設備中，采用了直接數字頻率合成器(DDS)芯片AD9832。該芯片具有超高速的頻率轉換時間，極高的頻率分辨率和較低的相位噪聲，在頻率改變與調頻時，DDS器件能保持相位的連續，因此很容易實現頻率、相位和幅度調制，并且可編程控制。AD9832芯片的控制時序如圖5所示。

可通過對AD9832器件的SCLK，SDATA，FSYNC等管腳的控制，根據輸出的本振頻率寫入相應的數據SDATA至內部寄存器。輸出頻率通過Fout=FREG*FMCLK/232計算得到，其中，MCLK為數字時鐘輸入端，FREG為寫入頻率寄存FREG中的數值。

2.3 音頻功率放大單元

圖5 AD9832控制時序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，該系統具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優點。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芯片內部的1個晶體管發射極近似為地，電路的放大倍數可以通過外部電阻靈活調整，電路的放大倍數的調整范圍為20～200，增益約為26～46 dB。在實際電路中，在引腳1和8(或者1和5)外接電阻時，只改變交流通路，所以必須在外接電阻回路中串聯1個大容量電容。

2.4 控制單元設計

控制單元主要完成的功能如下:

1)監測面板頻率選擇控制機械編碼器的變化，根據判斷結果，控制混頻電路的2個數字電位器、AD9832的正弦波本振輸出，以及面板的LCD上顯示用戶當前選擇搜索的目標頻率;

2)監測面板增益選擇控制的機械編碼器的變化，根據判別結果，控制數字電位器輸出。

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

探測搜索頻率控制和增益選擇控制通過操作面板上的2個機械編碼器來完成，機械編碼器的輸出為2路相位差90°的正交脈沖信號，波形如圖8所示。根據2路正交脈沖信號之間相位的超前與滯后關系，可以有效地對正交信號進行辨向和細分。機械編碼器可360°旋轉，單片機根據觸發程序中斷的機械編碼器輸出端子判斷旋轉方向，確定頻率、增益的加減，根據觸發中斷的次數確定加減的數值。控制單元程序流程如圖9(a)所示，主程序流程圖如圖9(b)所示。

3 結語

本設備樣機在海上進行了相關性能測試試驗，測試人員利用摩托小艇，搜尋目標選擇為國際通用民航黑匣子水聲信標，布放于水下。聲信標發出的信號為頻率為37.5 kHz，周期1 s，寬度為10 ms的CW脈沖信號，搜索距離可達到2 km。

本設備采用電池供電，通過水密設計可整體在水下使用。設備功耗低、體積小，對操作平臺要求較少，可應用于小艇探測、指導潛水員水下手持作業等多種場合，也可通過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

［1］孫樹民，李悅.淺談水下定位技術的發展［J］.廣東造船，2006，(4):19 －24.

［2］孫貴青，李啟虎.聲矢量傳感器研究進展［J］.聲學學報，2004，29(6):481 －490.SUW Gui-qing，LI Qi-hu.Progress of study on acoustic vector sensor［J］.Acta Acustica，2004，29(6):481 －490.

［3］喻敏.長程超短基線定位系統研制［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2006.

［4］阿瑟.B.威廉斯.電子濾波器設計手冊［M］.喻春軒，等譯.北京:電子工業出版社，1986.177－180.

［5］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［6］秦龍.MSP430單片機C語言應用程序設計實例精講［M］.北京:電子工業出版社，2005.

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，主要從事水聲信號處理及工程應用方面的研究。