主動(dòng)聲探測(cè)信號(hào)的捕獲與回波重構(gòu)電路設(shè)計(jì)

張海濤，羅 建，聶宜召，劉亞萍，趙亞磊

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072）

0 引言

無(wú)論是從水下新型制導(dǎo)武器的研制或是從水聲對(duì)抗的角度來(lái)說(shuō)，主動(dòng)聲探測(cè)信號(hào)回波模擬技術(shù)都具有重要意義[1]。但快速捕獲短暫的大動(dòng)態(tài)范圍主動(dòng)探測(cè)脈沖并進(jìn)行回波重構(gòu)，要求系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性。以往研究的自動(dòng)增益控制（AGC）電路的方向主要集中于大帶寬、大動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)靈敏度的研究較少，一般AGC電路的建立時(shí)間為0.4 s，對(duì)于高實(shí)時(shí)性的應(yīng)用延遲較大。為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，本文采用多級(jí)固定增益放大、多路同步采集的方法可以接近實(shí)時(shí)地采集微弱信號(hào)，較自動(dòng)增益控制放大電路提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，由于搭建電路的運(yùn)放采用一般的運(yùn)算放大器，與AGC電路對(duì)比，本文的方案降低了經(jīng)濟(jì)成本。

1 系統(tǒng)工作環(huán)境

主動(dòng)聲探測(cè)系統(tǒng)依靠目標(biāo)的反射信號(hào)來(lái)探測(cè)目標(biāo)，其工作原理如圖1所示。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)探測(cè)對(duì)象就是這種短暫的主動(dòng)探測(cè)脈沖。

圖1 主動(dòng)聲探測(cè)系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of active sound detection system

主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)在工作時(shí)，按一定的周期T,發(fā)射一固定脈沖寬度τ的超聲信號(hào)（頻率為f）。當(dāng)沒(méi)有目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)只接收到水面的反射回波；當(dāng)有目標(biāo)通過(guò)時(shí)，就會(huì)接收到目標(biāo)的反射回波信號(hào)。這一回波信號(hào)一般是在水面回波到達(dá)之前到達(dá)，即引起測(cè)距值變短[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，τ一般為3～5 ms，f為20～80 kHz，T為 400～600 ms。對(duì)此短脈沖信號(hào)進(jìn)行對(duì)抗，需要實(shí)時(shí)存儲(chǔ)接收到的波形信號(hào)，并且立即做出判斷與處理，這對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提出很高的要求。

信號(hào)通過(guò)壓電陶瓷換能器獲取，通過(guò)聲電換算，接收到的電壓信號(hào)大約100 μV左右。采集100 μV的微弱信號(hào)需要考慮如何提高系統(tǒng)的信噪比。

對(duì)海洋環(huán)境噪聲的譜級(jí)研究從第二次世界大戰(zhàn)開(kāi)始就已進(jìn)行,并取得了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論成果,其中Wenz所總結(jié)的譜級(jí)曲線具有代表性[3]。其譜級(jí)大體上可以分成相互覆蓋的3段：1）低頻段（1～100 Hz）,每倍頻程-10～-8 dB 衰減；2）中頻段（100～500 Hz）,這一段譜較為平緩,主要來(lái)源于遠(yuǎn)處的行船。這一段譜級(jí)的強(qiáng)弱與航運(yùn)的頻繁程度有關(guān)；3）高頻段（500～25 000 Hz），每倍頻程按5～6 dB衰減,主要來(lái)源于風(fēng)動(dòng)海面。在短脈沖信號(hào)采集系統(tǒng)的工作頻段內(nèi)，海洋環(huán)境噪聲在高頻部分（大于20 kHz）對(duì)系統(tǒng)影響較小，于是要求短脈沖信號(hào)采集系統(tǒng)的濾波器在低頻部分具有良好的性能[4]。

2 系統(tǒng)原理

如圖2所示，一個(gè)完整的主動(dòng)探測(cè)脈沖回波模擬系統(tǒng)主要由信號(hào)預(yù)處理、信號(hào)放大、信號(hào)采集與存儲(chǔ)、重構(gòu)回波發(fā)射等部分組成。微弱信號(hào)首先通過(guò)信號(hào)預(yù)處理電路提高信號(hào)的信噪比，由放大電路將信號(hào)放大至 AD可采集的范圍，由信號(hào)采集與存儲(chǔ)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)，通過(guò)DSP對(duì)采集波形進(jìn)行波形分析與重構(gòu)，并將重構(gòu)回波發(fā)射出去。

圖2 系統(tǒng)總體框圖Fig.2 Overall block diagram of system

信號(hào)預(yù)處理的目的是提高信號(hào)的信噪比。對(duì)采集的原始信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，雖然同時(shí)將噪聲放大，但在濾波器輸入端，信號(hào)已經(jīng)是一個(gè)較大的值，信號(hào)通過(guò)濾波器后會(huì)濾除放大后的帶外噪聲，可以有效地減小系統(tǒng)的等效輸入噪聲。此外，由于換能器的輸出阻抗很大，為了可以接收更多的信號(hào)，需要前級(jí)放大器具有較大的輸入阻抗，于是前級(jí)放大器采用同相放大電路結(jié)構(gòu)。為了改善前級(jí)放大器的整體性能，在同相放大器的后級(jí)接1個(gè)反向放大器，不僅可以彌補(bǔ)同相放大器抗干擾能力差的性質(zhì)，而且可以靈活地改變前級(jí)放大倍數(shù)[5]。

主動(dòng)聲探測(cè)脈沖信號(hào)頻帶為20～80 kHz，由于信號(hào)本身是未知的，所以頻帶適當(dāng)?shù)恼箤挷⒉粫?huì)影響系統(tǒng)性能。由于海洋環(huán)境噪聲集中于低頻段，所以濾波器的下邊帶阻帶衰減需要大一些。此外，由于信號(hào)在傳播過(guò)程中發(fā)生頻帶展寬，單頻信號(hào)會(huì)變成窄帶信號(hào)，為了采集的信號(hào)不失真，需要降低帶內(nèi)紋波，因此系統(tǒng)采取巴特沃斯濾波器進(jìn)行信號(hào)濾波[6]。信號(hào)預(yù)處理電路的總體框圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)預(yù)處理方案Fig.3 Signal preprocessing scheme

針對(duì)實(shí)時(shí)性的需求，本文提出多級(jí)固定增益放大多級(jí)輸出的信號(hào)采集方式，如圖4所示，信號(hào)進(jìn)入多級(jí)放大電路，每一級(jí)都輸出一定放大倍數(shù)的信號(hào)，通過(guò)4級(jí)放大達(dá)到10 000倍的總放大倍數(shù)，可以將0.1 mV的信號(hào)放大至1 V。對(duì)于不同幅度的輸入信號(hào)，通過(guò)多級(jí)放大的冗余采集，其中必有1路未被限幅并且達(dá)到滿(mǎn)足AD可采集的范圍，將該路采集的信號(hào)進(jìn)行分析即可。將同相放大器與反相放大器交替級(jí)聯(lián)，既可提高系統(tǒng)抗干擾能力，又可改善信號(hào)的偏置現(xiàn)象。

圖4 放大電路方案Fig.4 Amplifying circuit scheme

如圖5所示，信號(hào)采集與觸發(fā)的主要目的是將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行 AD采集并以數(shù)字形式存儲(chǔ)。對(duì)于只能采集單邊信號(hào)的單極性 ADC，在本系統(tǒng)中需要電位提升等輔助電路將其搬移到正半周，在本文中采用加法器。為了使 DSP明確何時(shí)處理數(shù)據(jù)以及處理哪路數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要通過(guò)包絡(luò)檢波對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行檢波，當(dāng)某一路ADC檢測(cè)到具有一定寬度與幅度的脈沖信號(hào)后，即可判斷主動(dòng)聲探測(cè)脈沖信號(hào)是否來(lái)臨以及哪一路的信號(hào)適合處理。

圖5 信號(hào)采集與觸發(fā)方案Fig.5 Signal acquisition and trigger scheme

DSP信號(hào)采集電路工作原理如圖6所示，通過(guò)4路AD同時(shí)采集，采集結(jié)束后將信號(hào)發(fā)送至DSP。選用具有菊花鏈的AD采集芯片可以將各個(gè)AD進(jìn)行級(jí)聯(lián)，用單一的數(shù)據(jù)鏈路傳輸數(shù)據(jù)。整個(gè)信號(hào)采集電路利用I2S的時(shí)鐘信號(hào)作為采樣AD的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換脈沖，同時(shí)觸發(fā)4路AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，將級(jí)聯(lián)的4路AD的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過(guò)SPI串口讀取并存儲(chǔ)，DSP提取出合適通道的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

依據(jù)系統(tǒng)原理，采集主動(dòng)探測(cè)脈沖的時(shí)間與所選器件的響應(yīng)時(shí)間成正相關(guān)，采集電路基本可以達(dá)到信號(hào)的無(wú)延遲采集。因此，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性主要取決于 DSP的數(shù)據(jù)處理能力。而在算法層面，回波重構(gòu)采用波形存儲(chǔ)重發(fā)技術(shù)，耗時(shí)較少，基于以上設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)可以達(dá)到較高的實(shí)時(shí)性。而且，由于系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，增加了廉價(jià)器件的使用，總體具有較高的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

圖6 信號(hào)采集方案Fig.6 Signal acquisition scheme

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由 STM32F103單片機(jī)作為控制芯片，由TMS320C5535作為信號(hào)處理器，由低噪放NE5532作為放大器，由AD8058作為有源濾波器的運(yùn)放，由AD5512作為波形輸出的DA轉(zhuǎn)換器，由ADS8860作為信號(hào)采集的AD轉(zhuǎn)換器。

信號(hào)預(yù)處理電路包括低噪前放與濾波器，低噪前放采用NE5532，它的增益帶寬積為10 MHz，輸入噪聲為適合作為系統(tǒng)的前級(jí)運(yùn)放[7]。有源濾波器運(yùn)放選型為 AD8058，其輸入噪聲為壓擺率為1 000 V/μs，并且具有低失真的特性。低噪前放采用同相放大器，提高系統(tǒng)的輸入阻抗。濾波器采用2級(jí)濾波器級(jí)聯(lián)的方式，第1級(jí)為高通濾波器，第2級(jí)為低通濾波器，因?yàn)樵肼曋饕性诘皖l段，這樣可以有效降低輸入噪聲。

信號(hào)放大電路采用4級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，4級(jí)放大器同相反相交替級(jí)聯(lián)，采用電容進(jìn)行級(jí)間耦合，避免級(jí)間直流偏置，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。信號(hào)采集輔助電路包括檢波電路與信號(hào)提升電路，檢波電路采用二極管包絡(luò)檢波，信號(hào)提升電路采用同相加法器。

STM32F103通過(guò)AD采集包絡(luò)檢波后的信號(hào)，判斷脈沖信號(hào)是否到來(lái)，通過(guò)串行端口發(fā)送觸發(fā)信號(hào)到 DSP，觸發(fā)相應(yīng)通道進(jìn)行波形分析與重構(gòu)。DSP解算并重構(gòu)回波后，通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器將重構(gòu)后的信號(hào)波形發(fā)射出去，由AD5512構(gòu)成的DA轉(zhuǎn)換器具有雙極型輸出的功能，通過(guò)加接運(yùn)放，可以驅(qū)動(dòng)60 kΩ的負(fù)載[8]。

4 測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)安裝調(diào)試完成的電路進(jìn)行了各模塊的功能測(cè)試。表1給出了分級(jí)測(cè)試的結(jié)果，總放大倍數(shù)為：10 229.118，可以將0.1 mV的信號(hào)放大至1 V，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

表1 放大器輸出信號(hào)Table 1 Output signal of amplifier

采用點(diǎn)頻法測(cè)試了濾波器的幅頻響應(yīng)特性曲線，如圖7所示。由幅頻響應(yīng)曲線可知，濾波器的響應(yīng)在帶內(nèi)逐漸增加且分段恒定，故取兩者的中間值作為濾波器的帶內(nèi)響應(yīng)幅值，取2.17 V。所以濾波器的-3 dB點(diǎn)為19 kHz與92 kHz，高通的阻帶衰減為18.4 dB，低通的阻帶衰減為20.4 dB，帶內(nèi)紋波為2.3 dB，滿(mǎn)足濾除帶外噪聲的要求。

圖7 濾波器幅頻響應(yīng)特性曲線Fig.7 Amplitude-frequency response characteristic curve of filter

單片機(jī)利用ADC采集包絡(luò)檢波后的幅值，來(lái)判斷是否符合采集的條件。為了測(cè)試單片機(jī)，采用可變電位器將2.5 V的直流電壓進(jìn)行分壓逐級(jí)調(diào)整。對(duì)于2.5 V的電壓，設(shè)置3個(gè)閾值：小于0.5 V、大于0.5 V而小于2.0 V、大于2.0 V而小于2.5 V。通過(guò)測(cè)試，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間約為0.1 ms，基本滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

論文討論了主動(dòng)脈沖信號(hào)的捕獲與回波重構(gòu)電路模塊的設(shè)計(jì)，分析了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以及芯片選型與應(yīng)用，完成了信號(hào)捕獲與回波重構(gòu)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。采用STM32控制系統(tǒng)的信號(hào)采集與數(shù)據(jù)交互。完成了電路設(shè)計(jì)、硬件調(diào)試以及功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明此方案可以應(yīng)用于主動(dòng)脈沖信號(hào)的捕獲與回波重構(gòu)，具有重要的參考價(jià)值。