矢量水聽器信號調理電路設計*

王文龍

(海軍潛艇學院　青島　266071)

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矢量水聽器信號調理電路設計*

王文龍

(海軍潛艇學院青島266071)

摘要以ICP壓電加速度計和壓電陶瓷圓環聲強計為敏感元件的三維同振式矢量水聽器需要恒流源激勵，且輸出信號微弱，不能直接長距離傳輸。為解決這個問題，論文研究設計了一種矢量水聽器信號調理電路，主要包括恒流源、一階RC高通濾波器、儀用放大器和二階巴特沃斯低通濾波器。制作了測試電路，并進行了性能測試。測試結果表明該信號調理電路能夠實現對矢量水聽器進行恒流源激勵，對原始信號進行放大、濾波等功能，滿足矢量水聽器的使用需求。

關鍵詞矢量水聽器; 信號調理電路; 恒流源; 儀用放大器; 低通濾波器

Class NumberTB566

1　引言

近年來，由于各種減震降噪技術的快速發展，世界先進海軍潛艇和艦艇的噪聲不斷下降，頻率上往低頻段發展，這就對探測聲納提出了更高的要求。傳統的聲納由聲壓水聽器組成，由于受孔徑限制，工作頻段較高，對低頻信號探測能力不足[1]，頻段較低的拖曳陣聲納又存在左右舷模糊問題。復合式矢量水聽器由聲壓傳感器和矢量傳感器兩部分裝配而成，二者具有相同的等效聲中心，能夠同步、共點地測量水下聲場中的聲壓標量和振速矢量信息[2～3]。矢量水聽器具有體積小、靈敏度高、自然余弦指向性、抗各向同性噪聲等優點，單個矢量水聽器就可實現對水下目標的空間測向和多目標分辨[4]，在低頻遠距離目標檢測方面具有優勢[5]。

在矢量水聽器領域，以內置集成電路(ICP)的壓電加速度計和壓電陶瓷圓環聲強計為敏感元件的同振式矢量水聽器發展迅速，但是矢量水聽器的原始輸出信號微弱，不能直接進行長距離線纜傳輸。為了解決以上問題，本文設計了一種用于三維同振式矢量水聽器的前端信號調理電路，可以實現對矢量水聽器進行激勵、對原始信號進行放大濾波等功能，便于矢量水聽器信號的后續傳輸和采樣。

2　信號調理電路設計

本文所針對的同振式矢量水聽器內部所采用的矢量傳感器為ICP壓電加速度計，聲壓傳感器為壓電陶瓷圓管聲強計[6]。ICP壓電加速度計的靈敏度為2856mV/g，頻率范圍為10Hz～5kHz，諧振頻率為15kHz，偏置電壓為8V～12V。根據所選水聽器的特性，設計信號調理電路單個通道的結構如圖1所示。

圖1　信號調理電路矢量通道

信號調理電路的輸入端接的是三維同振式矢量水聽器的輸出端，共有Vx、Vy、Vz和P四個通道，因此信號調理板包含四個通道的信號調理電路。圖1為一個矢量通道的電路結構，聲壓通道與矢量通道的區別在于少了一個恒流源，因為矢量水聽器的三個振速通道需要恒流源激勵，而聲壓通道不需要。每個矢量通道配接ICP壓電加速度傳感器的一個通道，恒流源通過Vin向加速度傳感器提供恒流供電；振動加速度信號通過CR高通隔直后，隔掉直流偏壓，送差動放大器放大，再經過二階巴特沃斯低通濾波器濾波后，經輸出端輸出，通過長電纜傳輸到采集系統進行數據采集。要求V+供電為13V～18V，V-為-13V～-18V，V+與V-電壓不對稱度不超過1%。下面將分別對信號調理電路中幾個功能模塊的設計、器件選擇等進行論述。

2.1恒流源

ICP壓電加速度傳感器的每個通道都需要2.5mA左右的恒流源來激勵，本文選用LM317L來搭建恒流源。LM317L是一種100mA輸出可調的正電源穩壓芯片。根據其官方數據手冊推薦設計來搭建恒流源電路，如圖2。圖中C為電源濾波電容，選為0.1μF即可；R為電流調整電阻，根據數據手冊，該恒流源電流為Iout=1.25V/R，而ICP壓電加速度傳感器需要的激勵電流為Iout=2.5mA，結合電阻常見阻值，選取R=510Ω。負載處接ICP加速度傳感器的一個通道。輸出信號處為不斷變化的電壓信號，即為矢量水聽器的輸出信號。

圖2　恒流源

2.2RC高通濾波器

為了將矢量水聽器輸出信號中的直流分量和低頻分量濾除，需要將矢量水聽器輸出信號在進入差動放大器前先通過一階RC高通濾波器[7]，其原理如圖3。由于水聽器頻率范圍從10Hz開始，所以這里將其截止頻率fc=ω0/2π=1/2πRC設置靠近10Hz，結合常見的電容、電阻數值，最終選擇C=10nF，R=2MΩ，得截止頻率約為8Hz。

圖3　一階RC高通濾波器

2.3儀用放大器

為了減小噪聲，提高信號精度，本文選取了典型的儀用放大器來設計差動放大電路。放大器件選擇了進口的低噪聲低漂移的差動數據放大器INA103。儀用放大器是一種精密差分電壓放大器，能有效放大差模信號，具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調漂移等優點，適合于水聲放大電路。儀用放大器電路原理如圖4所示。

圖4　儀用放大器[8～9]

2.4低通濾波器

矢量水聽器頻率范圍最大到5000Hz，因此將信號放大后經過了一個低通濾波器，本文選擇電路簡單有效的單位增益二階壓控電壓源低通濾波器，其原理如圖5，選擇了低噪聲、低漂移、高速的單運放LF356N來實現。令Q=0.7071，成為巴特沃斯濾波器。其衰減速度為-40dB/10倍頻。電路中，R在KΩ～MΩ之間取值，而C1=2C2，C2=0.7071/2πfcpR[10]。本系統需要fcp=5000Hz，可據此來選取C1、C2與R的取值。結合常見的電容、電阻數值，最終選擇R=20KΩ，C1=2nF，C2=1nF，得截止頻率約為5627Hz。為了提高通帶截止頻率的穩定性，電路里的電容選擇溫度系數較小的聚碳酸酯薄膜電容。

圖5　單位增益二階壓控電壓源低通濾波器[10]

3　性能測試

本文最后完成的信號調理電路實物如圖6。根據需求，最終完成的系統頻率范圍為8Hz～5.6KHz，放大倍數為10倍。接下來對其進行了性能測試。

圖6　信號調理電路實物圖

為了測試其性能是否符合要求，將信號發生器接其輸入端，將其輸出端接到示波器，進行頻響測試。輸入頻率為100Hz，峰峰值Vpp為100mV的正弦信號，測試結果如圖7所示。圖中1通道為原始信號，可見其為頻率100Hz、峰值100mV的標準正弦波信號；2通道為經過信號調理電路的輸出信號，可見其為頻率100Hz、峰峰值1V的標準正弦波信號。輸出信號的波形完整、光滑、沒有畸變，較輸入信號放大10倍，且相位一致，符合設計要求。

圖7　示波器測試截屏

圖8　頻率增益特性

輸入峰峰值Vpp為100mV，頻率在0.1Hz～100kHz內的多個的正弦信號進行人工掃頻測試，實際測試的不同頻率點處的頻率特性曲線見圖8。圖中橫軸為頻率，按10倍頻程顯示，縱軸為輸出信號峰峰值與與輸入信號峰峰值之比，即信號增益。由圖可見，信號在8Hz～5.6kHz通頻帶內有很平坦響應，放大倍數為10倍。由于系統中存在儀用放大器，在討論低通和高通濾波器的頻響時須先將增益除以10倍。由圖可見在8Hz處其頻響約為-3dB，在高通濾波器過渡帶衰減約為-20dB/10倍頻，符合一階RC高通濾波器特性。在5.6kHz處其頻響約為-3dB，在低通濾波器過渡帶衰減約為-40dB/10倍頻，符合二階巴特沃思低通濾波器特性。

經測試，本信號調理電路的主要技術指標如表1所示。

表1　信號調理電路主要技術指標

4　結語

本文設計并實現了一種簡單可靠的矢量水聽器前端信號調理電路。該電路包括恒流源電路、高通濾波電路、差分放大電路和低通濾波電路等，各部分結構清晰、功能明確。本電路所設計的信號調理電路為差動輸入，抗共模干擾能力極強。根據要求，差動儀用放大器增益可在1～1000倍之間改變，二階巴特沃斯低通濾波器轉折頻率也可在10Hz～100kHz之間改變，靈活性強。對實際電路的測試表明，該電路在噪聲、增益、通帶等特性方面符合設計指標，能夠滿足對同振式矢量水聽器進行激勵和前端信號調理的使用需求。

參 考 文 獻

[1] 孫芹東.拖曳陣矢量陣元的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學碩士學位論文，2013,5.

[2] 陳洪娟.矢量傳感器[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2006：8-9.

[3] 孫貴青，李啟虎，楊秀庭,等.新型光纖水聽器和矢量水聽器[J].物理，2006，35(8)：650.

[4] 孟春霞.單矢量水聽器多目標方位估計方法研究[D].哈爾濱工程大學碩士學位論文，2005：10.

[5] 惠俊英，惠娟著.矢量聲信號處理基礎[M].北京：國防工業出版社，2009.

[6] 孫芹東，笪良龍，侯文姝,等.一種新型姿態實時修正矢量水聽器的設計[J].聲學技術，2015，34(2)：304.

[7] 明銘.多路同步水聲數據采集系統的設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學碩士學位論文，2012：11.

[8] 李興武.矢量水聽器信號調理與數據采集系統設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學博士學位論文，2011：23.

[9] 鄭家龍.集成電子技術基礎教程[M].第二版上冊.北京:高等教育出版社，2008：342.

[10] 黃瑞祥.模擬電子技術基礎[M].杭州：浙江大學出版社，2013：285.

*收稿日期：2015年10月3日,修回日期：2015年11月17日

基金項目：國家自然科學基金項目(編號:61203271)資助。

作者簡介：王文龍,男,碩士研究生,研究方向：水聲換能器信號獲取與處理。

中圖分類號TB566

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.038

Design of Signal Preconditioning Circuit for Vector Hydrophone

WANG Wenlong

(Navy Submarine Academy， Qingdao266071)

AbstractThe three-dimensional vibration vector hydrophone which use ICP piezoelectric accelerometer and piezoelectric ceramic ring sound intensity meter as the sensitive element need constant current source as power source. And its output signal is weak， which can not be transmitted at long range. In order to solve this problem， a kind of signal preconditioning circuit for vector hydrophone is designed in this paper， which contains constant-current source， one order RC high pass filter (HPF)， instrument amplifier and two order Butterworth low pass filter (LPF). Then the test circuit is fabricated and the performance test is carried out. The test results show that the vector hydrophone can be powered and its original signal can be amplified and filtered by this signal preconditioning circuit， which means that this signal preconditioning circuit can meet the demand of working with the vector hydrophone.

Key Wordsvector hydrophone, signal preconditioning circuit, constant-current source, instrument amplifier, LPF