水聲遙控通信裝置綜合實驗教學設計與實踐

張淑娟， 吳英姿， 李 想， 陳文劍， 田 野， 高明生

（哈爾濱工程大學水聲工程國家級實驗教學示范中心，哈爾濱 150001）

0 引 言

水聲工程是一門實驗科學［1-2］。該專業的課程設計要求具有水聲工程學科特色，同時兼顧寬口徑人才培養需求，并以提升學生專業知識應用能力和綜合素質為指導思想［3-6］。以學生為中心，以高水平研究成果為導向，以實現科研與實驗教學有機融合為課程教學目標，引導學生建立宏觀的系統思維和工程設計思想，培養學生的創新意識［7-9］。基于這一教學目標，緊密結合水聲專業背景，合理利用現有實驗教學和科研平臺，從科研成果中解析出適合本科生學習的微縮版科研項目，設置為課程設計的實驗教學題目，使學生在了解新技術、學習新理論、掌握新知識的同時建立系統思維和工程設計思想，不斷提高綜合素質。

1 實驗任務

水聲遙控通信裝置的功能是通過水面發送命令編碼實現對水下裝置的遠程遙控［10-12］。根據應用背景不同，其系統復雜度亦有區別。本實驗是設計并制作一套單收發、低速率的水聲通信遙控原理性裝置，并能夠在水池驗證所設計的水聲遙控通信系統整體方案的可行性。因此，在功能和指標上與工程用水聲遙控通信設備相比有所簡化，要求系統工作頻帶為20～30kHz，發射聲源級166 dB，作用距離不低于10 m。該實驗項目的開展響應了學校提出的科研反哺教學、科研成果應用到教學之中的教改思路。本實驗以聲吶電子系統設計為核心內容，通過方案論證和參數計算使學生深入理解聲吶系統工作原理，掌握聲吶電子系統設計和調試技術，學會并應用基本的水聲通信和信號處理理論。

2 參數計算及實施方案

2.1 系統參數計算

2.1.1 發射功率計算

水下點對點通信的聲吶方程［13］為

式中：SL為發射聲源級；TL為信號的傳播損失；NL為水下環境噪聲譜級；DI為接收換能器指向性指數；DT為接收信號的檢測閾值。

假設目標距離r＝200 m（設計指標不低于10 m，留出設計余量，所以按照200 m計算），信號上限工作頻率30 kHz，海水吸收系數a近似取0.003 dB／m，由表面聲道傳播損失經驗公式［13］可以計算得到：

假設工作海域環境噪聲譜級NL＝50 dB，換能器的接收指向性指數取為DI＝10 dB，設置檢測域為DT＝20 dB，將上述參量代入聲吶方程得到：計算發射聲源級約為166.62 dB，采用無指向性發射換能器，依據聲源級與發射聲功率Pa的關系：

計算出發射聲功率為Pa＝0.385 W，通常換能器的電聲轉換效率為5%，則系統的發射電功率不得低于7.7 W。

2.1.2 接收電路增益區間

水下傳播信號衰減嚴重［14-15］，所以必須進行放大處理，為防止增益過大導致信號限幅，需要對放大倍數進行控制，估算式為

式中：M為換能器的接收靈敏度；RL為接收信號幅度級，

Urec為接收信號峰峰值，單位為V，換能器中心頻率25 kHz，實驗用換能器靈敏度為－200 dB，結合上面計算的SL和TL，可以得出RL＝－140 dB。為了將接收信號的峰值控制在AD可采樣范圍內，接收電路需要120～160 dB的增益范圍，從而基本確定了接收電路的設計指標。

2.2 系統設計方案

根據系統參數計算及主動聲吶工作原理，設計系統框圖如圖1所示，其中發射部分采用STM32單片機進行發送信號編碼，通過D類功率放大器驅動發射換能器，聲波信號經過水聲信道作用在水聽器表面，從而產生微弱電信號，經濾波放大后由STM32開發板自帶ADC進行采樣，之后進行數據解碼處理。

圖1 水聲遙控通信裝置系統框圖

2.2.1 功率放大電路

運用STM32開發板發出兩路互補的PWM脈沖信號，信號幅值為3.3 V，頻率分別為22和27 kHz，分別代表0和1。脈沖持續的時間均為1 ms，間隔為500 ms，填充方波信號的占空比為50%。

D類功放可以將比較器輸出的PWM信號變成高電壓、大電流的大功率PWM信號［16］。項目采用的D類功率放大器由信號發生器、推動級、功率級、匹配電路、電源電路等5部分構成，如圖2所示。

圖2 發射功率放大器結構框圖

2.2.2 接收電路

接收電路的主要作用是將水聽器端的微弱電信號進行低噪放大濾波，以此達到ADC采樣要求的電壓區間，根據前面的理論計算，本系統接收部分可由3部分構成（見圖3）。

圖3 放大濾波電路實現框圖

第1級為前置放大電路，采用雙運放TL082對回波信號進行兩級放大，共放大30倍，可控增益部分采用VCA821，VCA821線性區域是40 dB（即放大100倍），通過改變控制電壓來改變可控增益放大電路的放大倍數，該電路可放大1～100倍。根據前級放大系統的放大指標要求，在接收機的可控增益放大器后面需要級聯兩個并聯的四階帶通濾波器，目的是分別濾出22、27 kHz兩個頻率的信號，為后續的檢測與判決機構提供檢測依據。

2.2.3 A／D采樣及數據處理電路

采用STM32開發板自帶ADC功能對信號進行采樣處理，經過計算后得出最終的判決結果，并且在LCD上進行顯示。判決程序流程圖如圖4所示。

圖4 判決程序流程圖

3 綜合實驗教學成果

該實驗項目主要面向水聲學院電子信息工程（水聲）專業學生開課，2016年至今已經順利開課5個學期，5屆學生參與了實驗項目具體內容設計、實驗過程、水池實驗以及總結報告的撰寫，圖5所示為學生在水箱、水池開展本實驗項目的工作場景以及回波信號顯示圖。

圖5 實驗現場及回波信號

很多同學將實驗成果進行功能拓展或者功能升級，申請校級、國家級大學生創新創業訓練計劃項目或者參加挑戰杯、互聯網＋等重大賽事，取得很多優異成績，近5年完成國家級創新項目20余項，取得國家級創新獎勵百余項，每年大約20多名同學提前進入科研團隊，直接參與國家級科研項目的研發。

4 結 語

水聲遙控通信裝置綜合實驗教學項目是一個集數模電路、傳感器等相關知識解決水聲通信問題的電子電路設計典型案例，需要運用水聲學、聲吶技術、水聲換能器、電子電路理論、信號處理等課程知識，并涉及電路原理圖設計、單片機程序開發、系統仿真分析、信號編解碼技術、產品制作、軟硬件聯調、水池實驗、專用儀器設備使用等實驗技術。可以使學生建立宏觀的系統思維和工程設計思想，掌握并靈活運用聲吶技術和電子電路理論知識、設計方法和調試技能，清晰完整地表述和解釋實驗數據，撰寫規范的系統設計總結報告，可培養學生良好的綜合素質、團隊合作和創新能力。