聲吶實驗培訓裝置設計與實現

杭州應用聲學研究所 李 勛

鑒于在有限的培訓和教學過程中難以完成水下聲學工程專業的整個聲納系統設計，因此難以在實際的聲納系統環境中調試和設計功能電路，一種模塊化的聲納實驗方法被提議和實施。該設備主要由收發器轉換器，信號發生模塊，功率放大器模塊，信號調節模塊，數據采集模塊，信號處理和控制模塊，顯示和控制模塊，接口模塊和數據組成。所有實驗室都設計有靈活的即插即用界面，以方便將來的開發和調試。通過實驗數據表明，目前實驗裝置的各項功能性指標都能夠滿足預期的需求，并且已經在很多實驗室中得到了廣泛的應用。

聲納系統的設計是水下聲學工程專業人才培養的重要組成部分，圍繞這一主題組織了基礎理論和實踐。然而，由于專業聲納系統的高度復雜性，專業性以及較長的開發周期，這就導致很難再較短的時間周期內完成一套各項功能完善的聲吶系統的設計工作。將會導致很多水下聲吶實驗的功能和系統很難再實驗室的模擬操作中得到合理的實施和驗證，比如：聲吶的轉向設計和功能電路的實現等，對于聲吶系統概念的建立會產生較大的影響。不利于從事聲吶實驗研究的工作人員把理論知識和實踐操作相結合，缺少了相關的數據分析和研究對比，對他們自身能力的提高會產生不利的影響。本文重點圍繞聲吶實驗培訓裝置的設計進行研究分析，通過合理化的設備搭建以滿足實驗室人員對于功能開發，數據分析對比的需求，更好的模擬聲吶裝置在實際應用中的形態，以便于實驗者從實驗裝置中獲取更精確的數據，以更好的把理論和實驗數據結合，掌握聲吶裝置的工作原理，從而達到培訓的效果。

1 傳統實驗方式的現狀和存在的不足

1.1 受實驗儀器設備等條件的影響

隨著水聲通信技術日益成熟，水聲通信技術正逐步由軍用向海洋環境監測、海洋災難預警等民用領域推廣。因此水下聲吶工程是具有很強國防特色的實踐工程專業，國防特色注定對工程設計人員實踐能力的培養要求高標準，高要求的儀器設備性能指標，從而間接地提高了國防科學技術水平。國防專業的實驗費用要比普通專業的費用高，不能保證每個實驗人員都有一套實驗教學活動的設備，學員的學習、實驗就嚴重受到束縛，不易于學員把理論和實踐相結合，從實踐中印證理論的正確性以及更直觀的了解聲吶在實際應用中的作用和原理，不利于聲吶專業專業技術人才的培養和發展。

1.2 受實驗環境的影響

水聲工程是一門研究聲波在水中傳播特性的科學。因此，在這一領域對專業人員的培訓離不開對海中海況進行實驗。由于我國漫長的海岸線，廣闊的海域和復雜的海洋條件，無法保證每個學員都有機會在所有海洋條件下進行實驗，更多的需要依靠實驗室模擬相關實驗環境，這才實驗結果上會出現較大的偏差，無法保證實驗數據的真實嚴謹性，另外因為缺少實際應用環境，學員學習實驗很難對聲吶實驗有一個更真實的應用情況的了解，會對實驗成果產生一些影響。

2 實際應用中的聲吶裝置和實驗室聲吶裝置的系統構成

2.1 實際應用中聲吶裝置的系統構成

實際應用中的聲納設備一般由陣列，電子柜和輔助設備組成。該陣列由通常為球形，圓柱形，扁平或線性的水下聲換能器的一定陣列組成。它可以分為接收陣列，發送陣列和收發器陣列。電子柜通常具有子系統，例如發送，接收，顯示和控制。 輔助設備包括與聲納陣列的傳輸控制相匹配的電源設備，連接電纜，水下接線盒和中繼器，提升，旋轉，俯仰，縮回，拖曳，懸掛和發射裝置。

換能器是聲納的重要設備。它是一種將聲能轉換為其他能量（例如機械能，電能和磁能）的設備。它有兩個目的：一個是在水下傳輸聲波，稱為“傳輸換能器”，相當于空中的揚聲器。另一種是在水下接收聲波，稱為“接收換能器”，等效于空氣麥克風（通常稱為“麥克風”）。 在實際應用中，換能器通常用于同時發送和接收聲波。換能器的工作原理是利用壓電效應或磁致伸縮，在這種效應下，某些材料將在電場或磁場的作用下膨脹和收縮。

2.2 實驗室中聲吶裝置的系統構成

聲納實驗裝置由干部和濕部兩部分組成。工作平臺包括信號產生模塊、功放模塊、信號調理模塊、數據采集模塊、信號處理與控制模塊、顯示與控制模塊(觸摸屏)、數據傳輸模塊。濕端主要由發送傳感器和接收傳感器組成。聲納系統通電后，實驗人員可以設置發射信號的振動頻率、脈沖寬度和幅度，并將其發送給信號處理和控制模塊。當信號處理與控制模塊檢測到傳輸信號數據時，將指令信息發送給信號生成模塊，生成傳輸信號。發射機由功放模塊、信號采集模塊和控制模塊驅動，數據采集模塊由數據采集控制。經過信號處理后，將數據發送給顯示控制模塊和接口模塊。實驗人員可以在液晶屏上觀察接收到的信號波形，并讀取存儲在PC機上的原始數據進行數據處理和分析。這套裝置可以通過在實驗室完整的模擬出聲吶實際應用中的工作原理，通過實驗數據分析信號源，幫助工程設計人員對聲吶有一個準確合理的認識，從而對科學研究、實際應用提供更大的幫助。

3 系統硬件設計

3.1 信號產生模塊

對于連續波脈沖信號，可以通過單片機控制數字模擬轉換(DA)，但這里設計的實驗教學設備對信號產生的實驗程序進行了擴展和改進，可以通過單片機+ FPGA驅動DDS模塊實現信號產生。根據采樣定理，對連續時間信號進行量化，得到與頻率對應的相序列，得到幅值序列，通過數模轉換得到模擬信號輸出。在這一部分的設計中，MCU、FPDA和DDS模塊被設計成通用的硬件接口形式，便于工程師更換或進一步開發，利于設備的迭代和替換。

3.2 數據接收模塊

數據采集模塊主要由信號調理模塊和數據采集模塊組成。逆變器接收到的信號經過濾波放大得到程序控制信號。然后通過AD(模數轉換)采集信號，通過FPGA (Altra ep-4ce22f17c8)進行檢測，并生成實時增益碼。根據測試結果，實現了實時自動增益控制。廣告采樣率的上限為2 Mhz，可以覆蓋最大的聲場信號采樣范圍。

3.3 信號處理和控制模塊

信號處理與控制模塊采用Altera公司的ep4ce22f17c8處理器，擴展了sdram存儲器、epcs1650mhz晶振、電源等功能模塊。該模塊采用二合一沖壓接口和1.27 mm引腳排設計。可通過沖壓接口直接焊接到系統基材上，并通過引腳線與基材連接。設備更換方便靈活，為實驗人員的發展提供了方便，在操作上更加便捷，在滿足數據分析的結果可靠性更好的同時還極大地節省了數據分析的時間。

3.4 數據傳輸和顯控模塊

顯示控制模塊使用Dacai DC10600F10電容觸摸屏,大10.1英寸的屏幕,32位單片機為核心處理器,支持JPEG圖像壓縮和MP3音頻、大量的配置控制和微觀腳本,支持文本、圖像、動畫、音頻和等傳統圖形曲線,系統有一個內置的虛擬鍵盤,支持中英文輸入法,鍵盤將定制系統,為學生提供方便的互動窗口，供學生對回聲進行控制和觀察。串口用于上傳數據。

4 系統軟件設計

系統軟件主要包括兩部分:發送模塊軟件設計、接收和上傳數據軟件設計以及模塊程序流程圖。通電后，參數初始化并發送信號。AD采集模塊同步采集數據，信號由功放模塊驅動發送換能器的聲信號，接收換能器將聲信號轉換為電信號。當數據采集到的信息內容經過濾波和放大后進行AD模數轉換。 采集的信號臨時存儲在緩沖區中，通過串行端口上傳到計算機，并同時顯示在LCD屏幕上。

圖1 FPGA采集發出數據(a)和PC端接收數據(b)

5 系統測試與結果分析

5.1 顯控界面的測試

實驗教學的系統顯示控制界面，主要包括參數設置、波形顯示以及系統工作控制等多項功能，并以此為基礎設計了軟件界面。根據實驗結果表明，所采集的脈沖信號具有良好的波形顯示效果，而且其參數配置機具有完整的控制功能，在一定程度上，滿足了實驗系統設計的功能要求。

5.2 數據采集傳輸結果測試

AD收集到回聲信號后，由FPGA控制以上傳數據，并在FPGA中進行處理，結果可以顯示在LCD屏幕上。圖1顯示了這兩種模式的測試結果。圖1(a)是FPGA上傳數據，圖1(b)是PC接收數據。經過測試，數據上傳速率與預設目標一致。

結束語：本文提出一種新的聲吶實驗裝置想法，根據這種新思路設計并完成了新型的聲吶實驗模塊化裝置。這種模塊化聲吶實驗裝置，在設計上有多種不同的模塊系統組合而成，相互之間通過插件和數據接口進行信息的傳導和結果的分析，彼此之間相隔聯系密不可分。能夠很好的模擬聲吶在實際應用中的狀態和情況，幫助學員在實驗室即可獲得聲吶在實際應用中的數據，從而通過理論和實踐的相結合提升自身的技術能力。近年來隨著海洋探索需求的增加，國家社會對于專業化聲吶技術人才的需求更加強烈，該裝置為培養相關聲吶技術人才提供了極大的幫助，整套系統設備的平穩性和數據可靠性均可以滿足實驗培訓的效果。為我國聲吶技術的發展提供了有力的支持和幫助。