水聲換能器基陣信號采集系統優化設計

鄧異　梁燕　周勇

摘 要：水聲換能器的信號采集系統是實現換能器頻譜分析、數據記錄或信號源產生的關鍵。傳統的信號采集采用基于VXI和PXI總線實時數據記錄軟件實現，實時性、準確性不好。提出一種基于阻抗匹配與功率激勵的水聲換能器基陣信號采集系統設計方案。通過引入阻抗匹配與功率激勵方案，提高換能器回波微弱差異信息的能量增益，去除檢測儀電路中耦合噪聲。仿真結果表明，系統具有較高的穩定性，抗干擾能力較強，實現對水聲換能器基陣信號準確實時采集，為提高對水下目標信號的搜索和識別能力奠定基礎。

關鍵詞：水聲換能器；信號采集；系統設計；阻抗匹配

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-02

0 引 言

水聲換能器基陣均采用多元陣，利用晶體（石英或酒石酸鉀鈉）、壓電陶瓷（鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛等）的壓電效應或鐵鎳合金的磁致伸縮效應來進行工作。基陣輸出信號的路數較多，這就要求采用多通道采集系統，水聲換能器的信號輸入可以是電信號、水聲信號、物理信號等，利用電致伸縮效應和壓電效應來產生和接收超聲波。回波作用在水聲換能器的晶體上，壓電效應水聲換能器的兩個端面上便可能得到電信號[1，2]。水聲換能器的信號采集系統是實現換能器頻譜分析、數據記錄或信號源產生的關鍵，研究水聲換能器的信號采集系統設計對提高水聲換能器的信號采集和處理能力具有重要意義[3-5]。本文提出一種基于阻抗匹配與功率激勵的水聲換能器基陣信號采集系統設計方案，通過系統設計和仿真實驗驗證了本文設計的換能器系統的優越性能。

1 系統方案設計和總體模型構建

1.1 換能器聲學基陣信號采集系統方案設計

在換能器的信號采集系統設計中，數據采集系統是整個系統的基礎，本系統利用5409A循環尋址的特點，設計了系數對稱的FIR帶通濾波器。換能器主要包括如下幾個部分：DSP信號處理器、PCI總線及橋接電路、邏輯控制設備等，通過換能器的串聯調諧匹配設計，實現回波模擬，通過回波模擬，模擬目標強度、距離和速度這三方面信息。本文設計基于復雜阻抗寬帶激勵的華能器串聯調諧電路，控制模擬信號預處理機的動態增益碼、對信號作頻譜分析，由DSP控制A/D轉換頻率，當轉換完成后通過CPLD產生DSP中斷，接收信號的回發，實現對存儲波形的重發。

水聲信號必須通過聲學基陣將聲信號轉換為電信號，通過DSP控制D/A轉換器進行數/模轉換，這一過程涉及到寬帶聲學基陣、寬帶基陣電匹配網絡和收發轉換電路的系統模型構建，為了產生推動聲學基陣所需聲強級，需要模擬信號預處理機的壓控放大器。綜上分析，得到整個系統設計D/A數據轉換工作流程如圖1所示。

通過圖1所示的由D/A轉換器，輸出的電壓信號在（0～4.095 V）之間，選擇信號輸出種類（包括CW、LFM、HFM等），根據這些信息生成特定波形。通過PCI橋接芯片與PC機進行通信，實現人機對話，最后通過功率放大器將輸出信號進行功率放大，使其具有所需的功率。

1. 2 基于阻抗匹配與功率激勵的基陣信號采集算法

2 水聲換能器信號采集系統硬件電路實現

設計的水聲換能器信號采集系統硬件電路包括寬帶基陣阻抗匹配、大動態范圍模擬信號預處理機研制、高速信號采集與處理系統及功率放大等幾大方面。換能器的硬件系統采用TI公司的TMS320VC5409A和PLX公司的PCI 9054為核心構建信號處理系統， 通過上述阻抗匹配與功率激勵技術，解決系統整個帶寬范圍內容抗、感抗匹配等問題。根據上述分析，設計換能器信號采集系統電路，換能器串聯復合匹配等效電路如圖2所示。

3 仿真測試與性能分析

為了測試本文設計系統的性能，進行仿真實驗，實驗參數設計中，換能器的壓擺率為80 V/?s （G = +2），低噪聲噪聲典型值為11 nV/ Hz （f=100 kHz） ，換能器聲學基陣為10位，ADC運算放大器穩定到1/1 024的一半，即0.05%；12位ADC要求穩定到1/4 096的一半，即0.01%。在進行調諧匹配和信號采集時，聲學換能器系統采樣率至少200 kHz，DSP控制SEL1電平，“1”放大100倍，“0”放大10倍。根據上述參數設計和系統電路設計，設定目標模擬器為一個能發射寬帶目標回波的水下航行器，目標模擬器可以模擬不同運動速度的目標，輸入信噪比-15.5 dB，模擬目標速度0 m/s，7.5 m/s，15 m/s時的實時運行采集結果，得到水聲換能器的基陣信號采集結果如圖3所示，為對比算法性能，在同等條件下采用文獻[3]設計的系統進行信號采集，得到對比結果。

分析上述信號采集結果可見，采用本文方法有效避免了換能器接收信號產生調諧失真，有效實現對水聲信號的采集和回波接收，提高換能器回波微弱差異信息的能量增益，系統全局穩定，信號采集的抗干擾能力強，性能優越。

4 結 語

本文研究并完成了基于阻抗匹配與功率激勵的水聲換能器基陣信號采集系統設計，為接收來自水下制導武器的制導信號奠定基礎。換能器的串聯調諧匹配設計是實現換能器頻譜分析、數據記錄或信號源產生的關鍵技術。通過本文系統設計和算法改進，提高換能器回波微弱差異信息的能量增益，去除檢測儀電路中耦合噪聲，仿真實驗得出本系統的全局穩定性和信號采集的準確性優于傳統方法。隨著水聲通信技術的發展和應用推廣，本文設計的水聲換能器系統將有較好的應用前景。

參考文獻

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