水聲圓柱陣高信噪比電子系統設計

中圖分類號：TB9;TP274.2 文獻標志碼：A文章編號：1674-5124（2025）07-0129-07

Abstract： In the process ocean noise measurement target localization，the hardware system's noise level directly affects the accuracy reliability detection results.Therefore，improving the signal-to-noise ratio the detection system is a crucial task in the detection process. This paper aims to design a high signal-tonoise ratio data acquisition storage system based on a 48-element cylindrical array，by combining analog digital circuits with other technical means，to improve the signal-to-noise ratio the detection system in tasks such as underwater noise measurement， weak target measurement， acoustic positioning. After esting， the system's equivalent noise pressure spectrum level is 40.5dB@1kHz. ， the overall noise level in the working bwidth is lower than the ocean environmental noise level O-level sea state under normal circumstances， showing excellent performance in the existing domestic underwater acoustic array receiving system. The modular design concept the entire system provides it with flexible scalability，making it possible to fer an effective technical solution for different applications such as ocean noise measurement underwater targetlocalization.

words： sonar array; cylindrical array; low noise; system design; performance test

0 引言

復雜的水下環境導致了海洋環境噪聲的差異與顯著變化，這就對海洋環境噪聲和水下弱目標的測量提出了迫切的要求[1-2]。傳統的測量設備主要為單個水聽器，這種設備存在輸出信號弱、指向性差、抗干擾能力差以及搭建測量系統繁瑣等問題[3]。要解決這些問題，一種方法是增強水聽器本身性能來拓寬傳感范圍，還有就是采用指向性良好的水聲傳感器陣列。聲吶陣列可以使水聲探測獲得更多的估計參數，而且陣列能夠消除多徑效應帶來的時延，提高了接收端的信噪比。

聲吶陣列作為水聲探測系統中最重要的部分，其關鍵技術便在于高性能的水聽器陣列和電子艙。其中，水聽器主要承擔將檢測到的聲信號轉化為可測量的電信號的任務，其性能優劣直接決定了系統探測的能力[4。而電子艙內的硬件系統則承擔著對水聽器陣列信號進行傳輸、存儲和處理，以及控制整個系統工作的任務，相比于傳感器，電子艙內的硬件系統更為復雜，需要著重進行設計。為使聲吶陣列采集到的數據誤差盡可能小、精度盡可能高，非常有必要研制一套高信噪比、低功耗的聲吶陣列電子系統。面對海洋復雜的水聲環境和不斷發展的水下自標“隱身\"技術，如何提高系統信噪比是系統設計過程中面臨的重要問題[5]。其中，牛緒儒設計了一種系統自噪聲較低的矢量聲學潛標采集存儲系統，有效帶寬內等效輸入噪聲譜級在 52dB 左右，遠低于海洋環境噪聲，提高了潛標系統的探測能力[6]。張亮等設計了一種高性能低噪聲數據采集板卡，其信噪比可達 60dB ，傳輸速率為28Mbit/s，具有一定的實用性[7]。王玥設計了一種用于潛標的基陣信號采集系統，在 1kHz 處的噪聲約為 42dB ，低于大洋深處0級海況的環境噪聲 45dB@1kHz 。在全頻帶內滿足各種低噪聲海洋環境中的應用[8]。

本文基于48陣元圓柱陣列設計了一套高信噪比聲吶陣列電子系統。系統采用模塊化設計方法，能適用于海洋探測、聲源定位等各個方面的陣列信號采集與存儲，具有低噪聲、高一致性、模塊化、可擴展等優點和重要的工程應用價值。

1系統總體方案設計

1.1 關鍵技術研究

陣列系統在工作時，由于水下環境比較復雜，那些比較微弱或者是距離比較遠的弱自標信號很容易被噪聲掩蓋。在實際應用中，信噪比高低直接影響到系統對信號的鑒別能力、探測的距離與深度、采集數據的準確性與可靠性以及水聲通信的質量。所以為了采集到水下微弱的聲學信號，陣列系統的自噪聲應該遠低于外界環境噪聲，因此模擬前端的設計尤為關鍵，它通常決定了整個電子系統的靈敏度。其次，水聲信號經過模擬前端調理后傳輸給模數轉換器，模數轉換器在整個數據采集系統中占據著相當重要的地位。針對水聲信號這類微弱信號，選取高精度、低噪聲的ADC能夠確保更精確的采樣。

綜上所述，為匹配圓柱陣系統的工程應用背景以及低噪聲高信噪比的目標，設計如表1所示關鍵技術參考指標。

1.2 圓柱陣列

本文應用的陣列幾何結構規則，同時兼備直線陣和圓陣的優點，在垂直方向和水平方向均具有指向性，消除了空間方位模糊，能夠更好地抑制噪聲和干擾，提高測量精度和測量增益[9]。陣列實物如圖1所示，其外徑為 1.3m ，內徑為 0.82m ，陣高 0.3m 每條垂直線陣含2個聲壓水聽器，其工作頻段為

200～2500Hz ，空域處理的最高頻率為 2100Hz ，每個水聽器輸出1路信號，圓柱陣共輸出48路信號?；囋诳臻g上呈立體分層分布，每個陣元都是全向接收的水聽器，而且整個基陣在聲學上是透明的，在工作頻段范圍內因內部結構件引起的聲反射和散射都比較小。采用48陣元可以基本滿足對海洋環境噪聲以及水下遠距離弱目標信號的探測需求。圖2為基陣水平波束圖，經計算可得其理論陣增益為 12dB ，在進行波束優化設計時能夠產生較低的旁瓣，同時還有較好的魯棒性、互換性，滿足工程實際需要[10]

1.3 系統工作原理

本文使用的圓柱陣列屬于被動陣，其主要任務是對水下聲信號進行檢測、識別和定位。為了提高系統的性能和可靠性，本文采用了模擬電路和數字電路結合的方法。模擬電路可以處理模擬信號，但是抗干擾能力較差，容易受到噪聲干擾；而數字電路可以處理數字信號，但是對信號的失真和噪聲比較敏感。通過將兩種電路結合使用，可以在系統設計中避免這些缺點，提高系統的性能和可靠性。當系統工作時，48陣元聲吶陣列會接收目標發出的聲學信號并將其轉換為電信號，同時通過水聽器端的前置放大電路對其進行第一級放大。然后信號經水密線纜傳輸至電子艙，電子艙內各模塊對其進行預處理、采集傳輸和存儲，也可經交換機將數據實時上傳至上位機進行后續處理，具體工作原理如圖3所示。

該硬件系統采用模塊化設計，包括48陣元水聽器內部的前置放大模塊、48通道信號調理模塊、48通道AD采集模塊、交換機模塊、數據存儲模塊、主控模塊和電源模塊。其中，由于該系統主體部分需要置于電子艙中，所以各模塊尺寸也是在設計中需要重點考慮的問題。

2電子系統硬件設計

1 模擬前端設計

模擬前端模塊包括前置放大器和信號調理兩部

分，該模塊的噪聲性能在降低電路總體噪聲性能中占據重要地位，需要重點考慮。

1.1 低噪聲前置放大器設計

前置放大器是水聽器輸出開路電壓的第一級電路，它將水聽器的輸出電壓信號進行放大，并且實現阻抗變換。根據弗里斯公式可知，前置放大電路作為第一級放大電路，具有高增益和低噪聲，能有效提高測量系統的性能[11]。在實現信號放大基本功能的同時，也需滿足阻抗匹配和噪聲匹配要求。

負載阻抗與激勵源內部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態就稱為阻抗匹配。水聽器的輸出阻抗是關于頻率的函數，在低頻情況下，阻抗可以達到吉歐級別，這對前置放大器的輸入電阻提出較高的要求。通常情況下，前置放大器的輸入阻抗是水聽器輸出阻抗的100倍。

本文以美國ADI公司生產的低功耗、高性能軌對軌精密儀表放大器芯片AD8422為核心器件進行前置放大器的設計，該芯片的等效輸入電壓噪聲典型值為 輸入阻抗取決于輸入端的配置方式，默認情況下的差分輸入阻抗為 20MΩ □采用LTspice軟件對其進行電壓噪聲仿真，得到該前置放大器的等效輸入噪聲典型值為 1kHz ，仿真結果如圖4所示。

另外，在設計時，電子系統中數字電路產生的電磁輻射會干擾到模擬電路，且數字電路與其相鄰的電路會存在一定耦合，產生耦合噪聲。所以本系統將前置放大電路集成到水聽器模塊內并設置單獨的前放艙，以隔絕整體電子艙的輻射干擾。

1.2信號調理模塊設計

前放將微弱的水聲信號進行第一級放大后，其中的噪聲信號也會同步放大，這時需要設計濾波器對輸出信號進行調理[12]。如圖5所示，調理部分首先將前放輸入的差分信號轉換為方便處理的單端信號；采用Butterworth型二階高通濾波器與四階低通濾波器相結合的形式濾除帶外噪聲提高信噪比，在設計濾波器時，按照“小電阻大電容\"的器件選型思路，以降低濾波器電路中電阻的熱噪聲影響；可控增益放大器（VGA）AD605不需要數字電平控制，很大程度上避免了數字電平引起的噪聲干擾，而且能夠按照控制模塊輸出的VGA增益電平來設置二級放大倍數；最后單端信號轉換為抗干擾能力強的差分信號傳輸至采集模塊以達到降低自噪聲的目的。

2 采集模塊設計

在進行采集電路設計選型的時候，主要考慮模擬數字轉換器（ADC）的采樣率和分辨率以及功耗指標。目前主流的ADC有逐次逼近型、∑-△型和流水線型三種[13]。其中Σ-△型ADC具有高分辨率、低噪聲的特點，通過過采樣技術，將噪聲擴展到很寬的頻帶上，然后利用調制器對噪聲頻譜進行整形，將大部分噪聲能量移出到目標頻帶外，最后通過內部的數字濾波器濾除大部分的帶外噪聲，從而實現了低噪聲數據采集。表2列出了幾種常見Σ-△型ADC芯片的性能參數。

可以看到AD7768的功耗遠小于其他兩種芯片，在使用電池供電的環境下也能進行長時間的工作，而且其采樣率可達 256kS/s ，分辨率為24bit，可以實現更精確的采樣，滿足系統設計要求。此外ADC芯片的基準電壓也直接影響了其采集精度，在設計時須確?；鶞孰妷旱姆€定[14]。

如圖6所示為采集模塊電路結構圖，主要由ADC及其外圍電路、FPGA控制電路和傳輸存儲電路構成。

其中，存儲部分選擇研華工業存儲的MIO-2263嵌入式單板作為硬件系統的數據存儲模塊，通過SATA接口將采集數據存儲至1TB容量的低功耗固態硬盤中，可以滿足48通道水聲數據以及非聲傳感器數據的存儲要求。

3系統性能測試

3.1 前置放大器測試

測試時將待測前置放大器置于真空球中，使用低噪聲電源模塊進行供電，真空球放置于隔震氣墊之上，采用美國安捷倫公司的Agilent35670A型號信號分析儀對電路輸出電壓噪聲頻率譜密度進行采集。噪聲測試系統如圖7所示。

測試的等效輸入電壓噪聲密度結果如圖8所示，測試結果表明，基于集成運放AD8422的放大器等效輸入噪聲典型值為 $1 2 . 5 ～ ＼mathrm { n V / ＼sqrt { H z } } ＼textcircled { ＼omega } 1 ～ ＼mathrm { k H z } .$ ，在測試帶內，具有較好的噪聲性能。

之所以略高于仿真結果，可能是由于電路元件參數誤差、PCB設計引入的額外噪聲或溫度與環境條件的不同等因素造成的偏差。

3.2信號調理模塊測試

通過低噪聲電源模塊給前放模塊與調理模塊供電，將系統前置放大模塊的輸入端短接，增益設置為正常工作增益：前置放大模塊增益為 32dB ，調理模塊增益為 20dB （總400倍）。輸出信號由頻譜分析儀接收，并對 0～1500Hz 帶寬內的噪聲進行測量。如表3所示為第一通道等效輸人噪聲頻率譜密度，可以看到在通帶內調理電路等效輸入噪聲頻率譜密度保持在 15nV/ VHz以下。

3.3采集精度及相幅一致性測試

系統采集精度決定采集模塊能否準確地將調理模塊輸出的模擬信號轉換為數字信號，因此對不同VGA增益下電子艙系統的采集精度進行測試。由信號發生器產生一對頻率為 1kHz ，幅值為50mVpp 的正弦波差分信號，使該信號接人調理模塊第1通道，利用采集模塊采集、傳輸，上位機LabVIEW程序讀取，其中設置VGA放大器增益依次為-14、0、12、24、34dB，利用本硬件系統進行采集，結果如表4所示。

硬件系統對經過VGA放大后采集輸出信號的實際幅值與理論輸出幅值的最大誤差小于 0.5% ，表明在 -14～34dB 的VGA增益范圍內，若輸人信號不超過系統量程，調理、采集模塊能夠較好地還原輸入信號。

聲吶系統中接收機各通道的相位與幅度的一致性是影響后續水聲信號處理的關鍵因素。為此，需要測試硬件系統水聲采集通道的初始幅相一致性，由信號發生器作為信號源生成一對頻率為 1kHz 幅值為 50mVpp 的差分信號，并將其接入硬件系統調理模塊48通道的輸入端，設置VGA增益為0dB，選擇1通道作為參考通道，分別測試這48個通道的幅度與相位一致性，測試結果如圖9和圖10所示。

從圖9、10可以看出，各通道輸出信號與參考通道之間的幅度偏差小于 ±0.5dB 、相位偏差小于 ?±2^°

3.4 整機性能測試

考慮到電子艙內部系統復雜，會對采集到的水聲信號產生一定影響，為此，對聲吶系統整機功耗與噪聲進行測試。將各個電路板安置在固定立柱上并進行裝艙，將水聽器輸出接人電子艙，將整個基陣吊放至消聲水池進行測試。信號調理電路增益設置為 34dB（50 倍），利用采集模塊采集信號并傳輸至存儲模塊，通過上位機文件傳輸協議（FTP）讀取數據。在系統穩定工作過程中，測得其整機動態功耗為 45W ，滿足設計要求。

系統第48通道自噪聲頻譜如圖11所示，在200Hz 至 5kHz 的通帶內，聲吶系統整機噪聲功率譜密度約為 ，基于 34dB 增益下的系統整機噪聲與對應水聽器靈敏度，計算整個系統的噪聲譜級。

NL=EN-G-S

式中：NL——系統等效噪聲聲壓譜級，dB（ 0dB= EN——系統噪聲功率譜密度級， dB（0dB= ：G —VGA增益，dB;S——水聽器靈敏度， 。

根據Knudsen海洋環境噪聲譜[15]列出如表5所示的圓柱聲吶陣列系統的噪聲譜級與0級海況噪聲對比表，可以看到，在 2kHz 以下的通帶內系統整體噪聲譜級低于此帶寬下0級海況（參考 1μPa 對應的聲強）的海洋環境噪聲[16]。

綜上所述，通過消聲水池測試結果可知，該系統的各項功能模塊均能正常工作，可以完成水聲信號的高精度采集，傳輸與存儲。且其系統等效噪聲譜級為 40.5dB@1kHz. ，各通道輸出信號與參考通道之間的幅度偏差小于 ±0.5dB 、相位偏差小于 ?±2^° O與現有水聲信號采集存儲系統的相關指標相比，本系統在低噪聲、高幅相一致性等方面在滿足設計指標的同時還具有一定優勢，充分展示了該硬件系統的可靠性與穩定性。

4結束語

本文針對水聲探測設備中的噪聲問題，設計了高信噪比聲吶陣列電子系統。以48陣元圓柱聲吶陣列系統在水下環境中的噪聲測量和聲學定位等工程應用為設計背景，詳細闡述了圓柱陣列接收機的硬件電子系統設計方法。經過測試，本文設計的硬件系統整體噪聲小于此帶寬下0級海況的海洋環境噪聲，在工作帶寬內表現優于國內現有的水聲陣列接收機。整個系統采用模塊化設計思想，可根據需要進行擴展，為海洋噪聲測量和水聲目標定位等工程應用提供一種技術解決方案。

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（編輯：莫婕）