（水声工程专业论文）高分辨浅水多波束测深仪模拟系统设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i b e a me c h os o u n d e ri sa na b s o l u t e l yn e c e s s a r ys e a f l o o rm a p p i n gd e v i c e w i t hh i g he f f i c i e n c ya n da c c u r a c ya n dr e s o l u t i o na sw e l l ，w h i c hi sw i d e l yu s e di n s u c hf i e l d sa ss e a f l o o rr e s o u r c ee x p l o r a t i o n ，s e a f l o o re n v i r o n m e n ts u r v e y ，t h e s a f e t ya s s u r a n c eo fu n d e r w a t e rn a v i g a t i o n ，o c e a ne n g i n e e r i n g ，s h i p s i d ea n dp o r t c o n s t r u c t i o n ，t h et r a n s p o r t a t i o na b o v ew a t e r ，s e a r o u t ed r e d g i n ga n dt h es u r v e yo f w a t e rr e s o u r c e si nr i v e r sa l o n gw i t hb a n k sa n ds oo n t h er e s e a r c hi sc o n d u c t e do v e rt h em u l t i c h a n n e lt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r t e c h n o l o g yw i t hh i 曲a c c u r a c ya n dh i 曲d e n s i t ya n dl o wn o i s eb a s e do nt h e d e v e l o p m e n to fh i g hr e s o l u t i o ns h a l l o ww a t e rm u l t i b e a me c h os o u n d e r ，a n da w h o l es y s t e mw h i c hc o n s i s t so ft h em u l t i b e a mt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ra n dp o w e r m o d u l ei sd e v e l o p e d f i r s t l yt h ep a r a m e t e r sa n dd e s i g nm e t h o d sa r ed i s c u s s e dw i t ht h er e s e a r c ho f t h ep r i n c i p l eo fm u l t i b e a me c h os o u n d e ra n dt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fh i 曲 r e s o l u t i o ns h a l l o ww a t e rm u l t i b e a me c h os o u n d e r a f t e rt h ed e t a i l e ds t u d yo f l o wn o i s ei n r e c e i v i n gs y s t e m ，al o w n o i s ep r e a m p l i f i e r i s d e s i g n e da n da n 8 0 一c h a n n e lr e c e i v e rb o a r di sd e v e l o p e d t h e n ，an e ww a yo fa g ca n df r e q u e n c yc o n v e r s i o ni sd e s i g n e d p l u s ，a g i cb a n d p a s sf i l t e ri st r i e da n da n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y ，a n dt h et a r g e ti sa c h i e v e d s u c c e s s f u l l yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n to fc h a n n e lp h r a s ec o n s i s t e n c y i nt h e 8 0 一c h a n n e lh i g hd e n s i t yr e c e i v i n gs y s t e m a l s o ，i ti sf e a s i b l et od r i v edc l a s sp o w e ra m p l i f i e r 谢t l lv a r i e dp o w e r d i r e c t l yb ya d o p t i n gt h ef p g ai nt h em u l t i c h a n n e lp h r a s ec o n t r o lt r a n s m i t t e r b e s i d e s ，t h es y s t e mp o w e rb o a r d 州也1 1 i 曲d e n s i t yi sd e s i g n e dw h i c hu s e s t h ed c d cm o d u l ep r o v i d i n gm a n yk i n d so fp o w e rs u p p l i e s ，a n dt h er e q u i r e m e n t o fn o i s ea n dr i p p l ei np o w e rs y s t e mi sf i n a l l ym e tb yd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gt h e r e l a t e df i l t e rc i r c u i t s l a s t l y ，t h ef u n c t i o n sa n dp a r a m e t e r so ft h es y s t e mp r o v et o b ee x c e l l e n ti nt h el a k ee x p e r i m e n ta f t e ra l lt h et e s t i n gw o r kd o n ew e l l 哈尔滨工程大学硕十学位论文 k e yw o r d s ：m u l t i b e a me c h os o u n d e r ；m u l t i c h a n n e l ；u n d e r w a t e ra c o u s t i c r e c e i v e r ；u n d e r w a t e ra c o u s t i ct r a n s m i t t e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：u 年3月7 日 哈尔滨 二稃大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 在我们这个蔚蓝色的星球上，海洋蕴涵着广阔的空间和巨大的资源，对 于人类的生存和发展至关重要。特别是在当今世界经济、科技高速发展，陆 地资源减少，人口增加、环境恶化的情况下，世人对海洋的关注达到了前所 未有的高度。占地球面积7 1 的海洋，生物资源总量高达4 0 0 6 0 0 亿吨， 生物物种达1 8 万种之多，是陆地物种的3 倍”1 。海洋的意义当然不只于此， 海洋经济是我国国民经济的重要组成部分。在科学研究方面，科学技术是国 家参与国际竞争能力的重要标志，也是海洋开发的基础和动力。海洋是科技 运用的重要领域。利用海洋高新技术对天然气水合物、深海矿物、生物资源、 深海生物基因等新型海洋资源的开发研究，是目前海洋科学研究的热点。海 洋勘探获取的资料无疑也可用于军事领域，事关国家海洋国土安全。在某种 意义上说，海洋竞争，包括维护海洋权益的竞争，就是海洋高新科学技术的 竞争嘲。 人类用科学方法进行海洋科学考察己有1 0 0 余年的历史，而大规模、系 统地对世界海洋进行考察则仅有3 0 年左右p 1 。现代海洋探测着重于海洋资源 的应用和开发，探测石油资源的储量、分布和利用前景，监测海洋环境的变 化过程及其规律。海洋地质调查和技术手段主要有：利用人造卫星导航和全 球定位系统( g p s ) ，以及无线电导航系统来确定调查船或观测点在海上的位 置。利用回声测深仪和多波束回声测深仪测量水深和探测海底地形地貌等h 1 。 多波束测深仪是一种高效的海底地形测绘设备，它是在回声测深仪的基 础上发展起来的。多波束测深仪的一次测量能给出与航行方向垂直的垂面内 几十个甚至上百个海底被测点的水深值，或者一条一定宽度的全覆盖水深条 带，所以它能准确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和 高低变化，从而比较精细地描绘出海底地形地貌的特征。这种测深系统的测 量速度快、精度高，记录数字化和快速自动绘图，把测深技术从点、线扩展 到面，从而大大提高测绘效率，被广泛用于大陆边缘调查，港口建设中的水 下地质条件评估，航道疏浚，水下目标搜索，水库库容计算等方面情1 。 哈尔滨 _ 程大学硕士学传论文 1 2 多波束测深仪发展历史与现状 多波束海底地形探测技术是随着现代水声、电子、计算视、信号处理技 术的进步而发展起来的，其基本概念起始于1 9 5 6 年夏季在美国的w o o d sh o l e 海洋学院强开的一次学术研讨会，在这次会上首次大胆地提出了多波束测深 的构想，立即在科学家中产生了反响，并引起了军方的注意。1 9 6 0 年美国海 军研究局( o n r ) 开始制定这一构想的实旌计划。从那时起至今其技术发展大 致经历了以下几个主要阶段； 第一阶段从上世纪六十年代初至七十年代末，主要是多波束海底地形测 量的基本理论取得进展，僵技术上还十分粗糙，性能比较差。 第二阶段从上世纪八十年开始，多波束测深技术进展较快，发展了“v ” 型m i l l s 交叉阵技术，数字相移波束形成技术，对边缘波束具有声线补偿功 能从而增加了测量覆盖宽度，这些技术经过十几年的发展日趋完善。至八十 年代末、九十年代初，已经有多家跨图公司运用这些技术推出不同型号，适 应不同水深的系列产品，较典型的产品有德圜a t l a s 公司的m d 一2 、美国 s e a b e a m 公司的s e a b e a m 2 0 0 0 等，测深波束通常为几十个至近百个，测量覆 盖宽度为水深豹4 7 倍左右。与此同时，人们也认识到，要迸一步增加测量 覆盖宽度，提高边缘波束探测精度，必须在小掠射角海底反向散射信号到达 时闻与到达方位的嵩精度估计技术方谶继续取褥突破。 第三阶段从九十年代初期开始，发展了分裂波束相位检测方法和高精度 的t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) 、d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 联合估计技术，提高了边 缘波束海底反向散射信号到达时间与到达方位估计的精度，同时还采用d s p 并行处理技术提高了数字波束形成的实时运算能力，支持运算量庞大的参数 估计算法，实现了新的技术跨越，从蕊使测量覆盖宽度大幅度增加，达到水 深的7 倍以上，测深波束超过一百至几百个，具有很高的测绘效率，比如美 国s e a b e a m 2 1 0 0 系列、s i m r a de m 3 0 0 0 d 等，就是应用这些技术接墨筋产晶。 第四阶段从九十年中后期开始到现在，新材料声学基阵、高性能处理计 算枧、以及新的信号处理方法被采用。该阶段推出的产晶最重要特征就是在 进行地形测量的同时，还能够完成同一海区的地貌( 声学图像) 测量，并配有 底质分类软件。同时，基于多波束的海底浅层剖面测量技术也在研究中，但 2 哈尔溟一r 程大学硕七学何论文 目前仍未达到产品化水平。 未来的一段时间内，多波束系统在系统研制方面将主要集中在仪器结构 和性能两个方面。在仪器结构方面，将向更小的体积和重量、更高的集成度 以及更灵活的安装和维修方向发展；在仪器的性能方面，将趋于更可靠、更 稳健，同时在确保测深密度和精度的前提下，提高系统的分辨率，改善系统 的成像质量，进而达到兼顾侧扫声纳的目的。 国内多波束海底地形地貌综合探测技术研究起步较晚，但已经有一定的 研究基础。在多波束测深方面，我国的研究始于上个世纪七十年代，至八十 年代中，中国科学院声学研究所和天津海洋测绘研究所联合研制了某小型多 波束测深声纳样机，但未能成为正式产品。“九五”期间，多波束测深技术 被列为海军重点攻关项目，1 9 9 2 1 9 9 9 年由哈尔滨工程大学主持，天津海军 测绘研究所等单位参加联合研制成功的我国首台多波束条带测深仪，成为国 产第一台实用型产品。国内专家评价该系统在性能指标方面达到了二十世纪 九十年代初国际同期产品的先进水平，已经装备在我国南海海军中远海测量 船上投入使用。并因此获得1 9 9 9 年部级科技进步一等奖，获2 0 0 0 年国家科 技进步奖提名。有关研究成果曾多次在中央电视台科技博览节目中特别介绍。 但是，到目前为止，我国浅海大陆架区域测量急需的高精度、高分辨、超宽覆 盖多波束海底地形地貌系统还没有研制出烈6 1 。 对比国内外产品的性能，由于国外海底综合探测技术的迅猛发展，产品 生产工艺先进、经验丰富，我国现有海底综合探测设备在分辨力、波束数、 测深精度、覆盖范围、多功能化等主要性能方面都已经明显落后陋1 。因此， 开展相关研究已经迫在眉睫。 我们所处的世界本质上是模拟的时间、空间和各种物理量均连续变 化、无限可分。任何电子系统都必须依赖模拟电路作为与外部世界的接1 ：3 。 多波束测深仪也不例外。包括信号发射系统、接收系统、电源系统等部分在 内的模拟系统是多波束测深仪必不可少的重要组成部分。 本文基于黑龙江省中小企业创新基金项目高分辨浅水多波束测深仪 的研制开展多通道、高精度、高密度、低噪声水声发射与接收技术的研究。 哈尔滨t 稗大学硕士学位论文 1 3 论文主要工作 本论文的主要工作内容为高分辨浅水多波束测深仪的模拟系统研制。包 括8 0 通道低噪声前放板、8 0 通道高密度低噪声信号调理板、5 6 通道水声发 射机以及低噪声大功率密度电源板的研制。具体内容包括： 1 对接收系统的低噪声前置放大器进行理论计算及方案论证，设计制作并 调试8 0 通道低噪声水声信号前放板。 2 研究简化双二次型带通滤波器、自动增益控制器和变频器的基本原理和 设计方法，研制8 0 通道高密度信号调理板。同时要考虑多通道系统的通 道间一致性问题。 3 对水声发射机进行理论研究，设计并制作一套高效率、小体积、可控功 率的5 6 通道相控水声发射机。 4 对系统的供电方案进行论证，研制一套能够给系统模拟部分供电的低噪 声、高功率密度电源板。 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章高分辨浅水多波束测深仪原理及系统构成 2 1 多波束测深仪基本原理 多波束测深仪的发射基阵和接收基阵采用相互垂直的“t ”形结构。发射 基阵平行于船体的首尾线安装，而接收基阵垂直于船体的首尾线安装。发射 信号和接收信号分别在某一方向上形成较小的方向角，而在垂直的另一方向 上形成较宽的方向角，其目的是使测量系统对船体的运动姿态要求降低到最 低程度m 。 具体的测量过程为1 ：换能器基阵发射自然形成的扇形声波波束，照射 测量船正下方的一条狭窄水域，同时启动计数器；声波在水中传播，碰到该 水域底部泥沙等界面时发生反射，到达换能器的回波中包含了水下地形的起 伏等信息。对回波信号进行固定方向的多波束形成、能量累积、幅度检测等 处理，当检测到相应角度的回波信号时记录其计数值，直至所有待测角度的 回波都到达时完成一次测量。此时根据对应角度的计数值和测量时的声速可 以计算出各反射点到换能器的距离信息，再经过简单的三角变换即可同时测 出多点的深度信息。测量船向前运动并进行连续测量，即可完成对船两侧条 带形水域水下地形的测量。 图2 1 多波束测深仪工作原理示意图 多波束测深系统基本工作原理是：在垂直于母船航向的方向上，通过多波 束形成技术在若干个预成波束角方向上形成若干个波束，然后分n 沏, i j 量出与 每个波束对应点的深度。若干个测量周期组合起来形成一条以母船航迹为中 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 心线的带状水深图。作为多波束测深仪最重要的一项指标是扫海宽度w 。从 图2 1 中可以看出，w 取决于最边缘波束所张成的角度口和此方向上的水深。 正是由于多波束测深仪具有较大的扫海宽度，因此具有很高的扫海测量效率。 多波束测深仪另一项重要指标就是测量范围( 量程) ，即设备能测量的最大和 最小深度。它与系统所采用的声波频率、发射功率、接收系统的动态范围、 基阵的结构等多项参数有关。高测量效率和宽测量范围是多波束测深系统的 两大主要特征。 2 2 高分辨浅水多波束测深仪主要技术指标 高分辨浅水多波束测深仪是为了满足浅水高分辨地形地貌测量而特别研 制的新型多波束测深系统，其主要指标( 见表2 1 ) 已经达到国际先进产品水 平( 虹e m 3 0 0 0 ) 。 表2 1 高分辨浅水多波束测深仪系统指标 性能指标具体指标 测深范围 1 - 2 0 0 m 中心频率 3 0 0 k h z 波束宽度不大于1 5 。x 1 5 0 最大覆盖扇面扣8 倍水深 波束数不小于1 2 7 个 波束方式等距或等角可选 脉冲长度 0 15 m s 、0 5 m s 、l m s 、2 m s 测深精度 优于1 0 c m z q 3 5 x 水深 姿态、声速修正纵摇实时补偿；横摇、升沉后置修正；声速后置修正 最大测量航速 1 2 k n 成像功能具备 系统自检功能具备 辅助设备接口 具备 6 哈尔滨 二稃大学硕士学位论文 2 3 高分辨浅水多波束测深仪硬件结构 高分辨浅水多波束测深仪按照功能模块划分，主要由水下分机( 组合声基 阵、内含多通道发射机和前放的换能器电子仓) 、水上分机( 便携式一体机以 及内嵌的多块硬件模板) 、水声信号与运动姿态模拟器、辅助设备接口以及系 统应用软件等五大部分组成。图2 2 是系统总体框图。 r 一顶瞬j 谣藤赢一 图2 2 高分辨浅水多波束测深仪总体框图 2 3 1 水下分机组成及功能说明 水下分机主要由组合声基阵和含有多通道发射机和前放的换能器电子仓 组成，其中组合声基阵是系统重要部件，也就是多波束测深仪用户常说的水 下探头。由压电陶瓷特殊设计力n q - - 而成，其作用是将发射机电信号转换成声 信号发射到水体中，然后再接收来自海底的散射信号并转换成电信号进行处 理；而换能器电子仓则主要由以下几个模块组成： 1 5 6 路相控信号源 由一片f p g a 和相应功能电路组成，主要完成对换能器仓内电子系统的 管理和监测( 自检) 、与水上分机通信获取辅助设备姿态信息并据此产生5 6 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 路具有指定方向控制时延的方波信号，用于激励发射电路实现相控发射功能， 使发射的声信号始终垂直于海底实现对纵摇误差的实时补偿。从而确保沿航 行方向对海底采样的均匀性和分辨率。 2 。5 6 通道信号发射机 由两块2 8 通道发射板组成，将信号源产生的相控信号进行功率放大和阻 抗匹配后通过声基阵发射到水中。 3 8 0 通道前放板 对接收声基阵输出数微小信号进行固定增益的放大和滤波，以降低长电 缆对信号传送的影响，并将放大后的信号送给水上分机中的信号调理板进行 变频和增益控制。 4 温湿度传感器 温湿度传感器用于实时监测换能器仓蠹环境变诧，并根据需要上传到系 统自动监测软件，为最大限度保证系统的可靠运行和状态监测提供支持。 2 3 2 水上分祝组成及功能说明 水上分机由基于c p c i 6 u 结构的便携式一体机和6 块c p c i 6 u 电路板组 成，包括：l 块主控计算机板，是外购标准俘；其余5 坟电路板是自主设计 和研发的高密度、高集成多层板，有电源板1 块，多通道信号调理板2 块， 多通道数据采集板l 块，多处理器高性麓并行处理板l 块，各电路板的功能 如下： l 。8 0 通道信号调璎板 由两块c p c i 6 u 结构的4 0 通道高密度低噪声信号调理板组成的信号调理 模块，主要完成对前置放大电路的输出信号再次进行滤波和放大，同时进行 下变频处理和自动增益控制。 2 通道数据采集板 由2 0 个4 通道a d 变换器、一片f p g a 和两片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 浮点d s p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 组成的数据采集模块，主要完成原始数据的采集、包络检波、自动增益控制、 希尔伯特变换、f f t 波束形成以及基于波束形成方式的等角等距模式测深和 侧扫功能。同时将原始数据送入并行处理模块完成高分辨方位估计。 3 多处理器高性能并行处理板 由6 片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 浮点d s p 和两片c y c l o n e 系列f p g ae p 2 c 3 5 f 组 成的并行处理模块，主要完成多子阵幅度相位联合检测法和多子阵波束域 r m u 算法等两种海底散射信号检测算法，从而实现水下地形地貌信息的联合 高分辨获取。其中一片d s p 同时负责对辅助测量设备数据的采集与融合，同 时控制整个测量过程，并为换能器仓内的相控信号源提供相控信息。 4 低噪声电源 为水下分机和水上分机模拟电路部分提供多种电压和电流的低噪声电 源。在系统水上调试时为信号源模拟器提供电源。 2 4 本章小结 本章依次介绍了多波束测深仪的基本原理，系统组成。对高分辨浅水多 波束测深仪的技术指标及硬件结构进行了介绍。给出了高分辨浅水多波束测 深仪的系统总体框图。同时分别对系统水上分机、水下分机各个功能模块的 构成和功能进行了详细的介绍。为下面系统的硬件设计做好了理论准备。 9 哈尔滨t 稃大学硕士学何论文 第3 章高分辨浅水多波束测深仪接收系统设计 3 1 高分辨浅水多波束测深仪接收系统概述 声纳发射换能器阵或发声源发出携带信息的声波，通过海洋到达声纳接 收水听器基阵，声纳系统对所接收的信号进行处理，从而做出判决，确定是 否存在目标及目标的状态参数、种类，或者恢复目标发出的原信息，这就是 主动声纳系统工作的全过型9 1 。理想的信道能无畸变地传递信息，但水声信 道不是理想的，而是复杂多变的【1 0 1 。只有充分认识海洋声信道对声纳系统的 限制，人们才能使声纳系统与海洋环境相匹配，以便获得较好的检测效果和 识别能力。 水声信道可以看作为一个随机的时变、空变滤波器，它对声源发出的信 号进行变换。除非出现声学的非线性现象，声源和接收器之间的海洋介质可 以合理的假定为线性滤波器。因此主动声纳的工作流程可以用图3 1 表示： 海洋环境噪声 自噪声 图3 1 主动声纳工作流程 对于探测类主动声纳而言，声纳信号源产生信号，由发射基阵将该信号 转换成声信号发射到水体中，声波通过水体到达目标，目标产生的散射声波 ( 回声) 再经过水体到达接收水听器基阵，由水声接收机进行接收。声波在 水体传播过程中，不但它的声强逐渐减小，而且会由各种不均匀性和声干涉 现象引起信号波形的畸变，导致信息损失1 。目标和收、发基阵之间的相对 运动以及目标散射特性的复杂性也是声信号畸变的重要原因。海洋环境噪声 和声纳载体的自噪声通常将掩盖远距离来的回声，声纳系统的时空处理器分 析了接收到的回声和干扰，然后由判决系统决定是否存在目标并估计目标的 状态参数和目标的性质”2 1 。 综上所述，由于海洋声信道的特点，声纳系统发射的声波经过海洋的传 1 0 哈尔溟t 程大学硕十学位论文 篁i ii i ：i i i iillilllli i i l ul _- l l l l l i l l l =n i 警暑 播，不仅有传播损失和信号畸变，同时还叠加了各种各样的噪声习。我们要 想获得准确的声信息，必须对接收到的声波信号进行放大并滤除各种干扰和 嗓声后，才能进行相应的处理。另外，在通常情况下频率较高的载频信号并 不携带目标的有关信息，而目标信息主要体现在回波信号的包络上，因此下 变频处瑾是降低系统采样频率，从而降低数据传输、处理和存储压力的有效 手段。这一系列的放大、滤波和变频处理都是针对模拟信号进行的，因此接 收系统模拟电路设计的优劣蛊接影响舞续信号处理的性熊。 高分辨浅水多波束测深仪是典型的主动声纳系统。较一般的单波束声纳 系统而言，要达到较高的分辨率和较多的波束数，就要求接收系统具有较多 的通道。然而，波束形成算法对通道间一致性( 尤其是相位一致性) 的高要 求使多通道接收机的设计变得复杂起来。这也是多波束测深仪接收系统的一 个技术难点。本设计中的接收系统分为蔫放叛和信号调理板两部分。在每一 部分的电路设计中，着重考虑了通道间一致性的问题，除了在电路形式选择 上注意选择相位和幅度特性好的电路，还在焊接时下大力气用离精度万用表 筛选了特性严格一致的阻容器件。 3 2 高分辨浅水多波束测深仪接收系统设计方案 3 2 1 接收系统指标 声纳工作中的基本矛詹就是必须在干扰背景中检测信号，丽干扰又限制 了对信号作出判决。通常根据干扰和信号的幅度差别，或者根据它们在时间 和空间上统计特性的差别，来判决是否出现冒标或者仪存在于扰。对主动声 纳而言，信号是指由目标反射回来的回声。载体的自噪声和海洋环境噪声是 背景干扰，对于主动声纳还存在特有的干扰一混响。主动声纳设计的基本进 发点是在工程许可的条件下，力求使辐射声功率足够大，以致海洋混响成为 限制检测的主要干扰。水声中的现象与效应对声纳设计和应用会产生各种影 响。这些影响都体现在一些参数之中，声纳方程是将介质、目标和设备的各 项参数相互作用联结在一起的关系式。声纳方程的功能之一就是对已有的或 正设计的声纳设备进行性能预报。因此，对任何一种类跫的声纳麴设计，要 做的首要工作就是利用声纳方程分析系统的最佳实现方案，然后再根据工作 实际情况选择最终实现方案“。 1 1 哈尔滨t 挥大学硕学位论文 高分辨浅水多波束测深仪是一种主动声纳系统，它发射宽覆盖扇面的探 测脉冲信号并形成多个高分辨力接收窄波束，对海底散射回波的时延和强度 进行高精度估计从而获取海底地形和地貌信怠。由参考文献 6 】，多波束测深 系统声纳方程如下： 1 s l - 2 a r - 3 0 1 0 9 r + l o l o g 音e 钗各_ 二+ 召= z + d ，一d i r ( 3 一1 ) zs 1 n 备参数意义为： 搿：海水吸收系数。3 0 0 k h z 时，正常情况下，吸收系数为0 1d b m 火；系统工作的最大斜距 ：脉冲宽度o 。1 5 m s 玩：接收机带宽8 k h z 绞：发射波束宽度l 。5 。 0 ：最外侧的掠射角 蛾：典型值一4 0 + 2 0 l o g c o s 0 n l ：背景噪声级，主要包括两部分： a ：s p l 环境噪声谱级，3 0 0 k h z 下，取2 7 d b ；则带宽内的噪声级为 s p l + 1 0 l o g 玩= 6 6d b( 3 2 ) b ：系统电噪声，取3 9 v ( 输入端接地，测量最终放大后的电压，除以放大倍 数，折算回输入端所得) d t ：检测域 ，0 砑1 0 9 嚣( 3 - 3 ) 检测指数d 取1 6 ( 对应于检测概率9 0 ) ，则检测域取8 d b 。 根据声纳方程的计算以及对系统整体的论证情况，接收系统的指标如下： 1 通道数：8 0 通道 2 工作频率：蓠端3 0 0 k h z ，变频后6 k h z 3 频带宽度：3 0 0 k h z 滤波器带宽3 0 k h z ，6 k h z 滤波器带宽8 k h z 4 。整机放大量：1 2 0 d b 5 输入信号动态范围：6 6 d b 6 输入等效噪声电平：小于5 9 v 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 7 。幅度一致性：优于圭5 8 相位一致性：优于士2 0 3 。2 ，2 接收系统机械结构设计 整个接收系统分为水下部分( 前放板) 和水上部分( 信号调理板) ，每 个部分两块电路板，每块电路扳4 0 通道。其中前放板结构为适合换能器基阵 形状的直径为3 0 0 毫米的圆形电路板，如图3 2 所示。信号调理板为两块标 准c p c i 机箱中应用的6 u 结构电路板”砌。 图3 2 前放板外形尺寸 3 2 3 接收系统电路结构设计 根据系统的设计要求，接收系统增益分配情况为前放板4 0 d b 增益，信 号调理板8 0 d b 增益。前放板电路结构为两级低噪声放大和一级带通滤波。 信号调理板电路结构为两级带通滤波，一级自动增益控制及变频器，两级放 大。蓠敖板和调理叛第一级带通滤波器选用电路结构简单、选频特性好、相 位和幅度一致性较好的简化双二次型带通滤波器。调理板信号变频后的带通 滤波器，由两级二阶压控压源低通与一级二阶压控压源赢通串联的组合滤波 器方式构成。自动增益控制及变频器电路由12 位串行数模转换芯片( a d 7 9 4 3 ) 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 实现5 1 。图3 3 是接收系统电路原理框图。 r - 一水下分机- - 一? 图3 3 接收系统原理框图 3 3 多通道低噪声前放板设计 水声传感器把接收到的声信息转换成电信号，从接收换能器阵输出的电 信号电压幅度一般都比较小，通常为毫伏级甚至微伏级，这么小的电信号如 果直接在水下分机到水上分机十几米的电缆中传输，电缆的电容效应以及在 传输中引入的噪声都会将有用的信号淹没。所以需要在水下分机中将接收换 能器阵输出的小信号放大和滤波后再通过电缆传输到水上分机。这就是前放 板要完成的功能。 前放板不仅完成对接收换能器阵输出信号的放大和滤波作用，而且还完 成了与换能器的阻抗匹配，使接收到的波形不产生失真，完整的传输到水上 分机。下面将主要介绍前放板中前置放大器电路的设计，带通滤波器部分将 在3 5 节介绍。图3 4 是前放板电路原理框图。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 4 前放板电路原理框图 3 3 。l 前放板性畿指标 1 通道数：每块电路板4 0 通道，共两块 2 。工作频率：3 0 0 k h z 3 频带宽度：3 0 k h z 4 。增益：4 0 d b 5 输入等效噪声电平：小予3 i a v 6 幅度一致性：优于士5 7 。相位致性：优子圭2 0 3 3 2 前置放大器电路设计 在高分辨浅水多波束测深仪接收系统中，接收换能器阵输出的信号首先 要经过前蜀放大电路进行固定增益的精确放大，由于接收基阵的信号相当微 弱，因此要求前置放大电路具有误差小，稳定性好，抗干扰能力强及噪声低 等特点。 在设计放大电路时首先要确定放大器有源器件的形式。放大器有源器件 可以是双极性晶体管、场效应管，也可以是集成电路，集成电路的输入级也 可分为双极性的或场效应性的n 母。器件的选择主要取决于接收换能器阵基元 输出电阻和频率范围。由分立元件设计的放大电路设计灵活多样，在某些场 合下不失为一种可选方案。而集成运算放大器e l l 于成本低、体积小、重量轻、 可靠性强、耗电低和易于调试等等优点，得到了广泛的应用。从电路系统设 计的集成化和可靠性方面考虑，前置放大器采用集成运算放大器进行设计。 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 多波束测深仪接收系统是多级放大电路，它的噪声主要取决于第一级放 大电路。在进行硬件设计时，单级放大器的噪声特性可以做得很好，但是电 压放大倍数往往不够，这就要进行多级放大。下面是n 级放大器的噪声系数 公式： f 巩+ 竿+ 丽n f 3 1 一f o oo 一+ ，历n 万f - 石1 ( 3 - 4 ) 其中，n f 为多级放大器的总的噪声系数，r 为第f 级放大器的噪声系 数，a ，为单级放大器的额定功率增益。 式( 3 4 ) 表明，在多级放大器中，各级噪声系数对总噪声系数的贡献 是不同的，越是前级的放大器，其噪声影响越大。因此，减少第一级的噪声 系数，提高第一级的额定功率增益，能够非常有效的降低总的噪声系数。同 时第一级的输入阻抗要大、输入电容要小这样以减少电路对信号源的负荷， 从而提高信号源的带负载能力。综合以上论述，第一级放大器电路的设计在 整个电路中的设计至关重要n 刁。 1 集成运放的选择 在进行放大器电路硬件设计时，选择集成运放需要考虑到多方面的因素， 主要包括：增益带宽积，输入阻抗，噪声特性，失调电流，失调电压和温漂 雄雄【1 7 】 寸寸 o 在对t i 、a n a l o gd e v i c e s 、m a x i m 、l i n e a rt e c h n o l o g y 等公 司的运放进行了相关的资料阅读和详细分析之后，选用a d 公司的a d 8 0 6 6 集成运算放大器作为前置放大器设计的有源器件。其基本的性能指标如下8 1 ： a 输入失调电压：0 4 m y b 输入失调电流：2 p a c 偏置电流：l p a d 带宽：1 4 5 m h z e 共模抑制比：1 0 0 d b 输入噪声特性( 1 0 k h z ) ：e = 7 n v h z l = 0 6 f a 4 h z g 共模输入阻抗：1 0 0 0 g f f 哈尔滨丁程大学硕士学l j = 论文 通过对a d 8 0 6 6 的性能指标分析可知，基于a d 8 0 6 6 的放大电路具有以 下优点： a 增益带宽积很离。这说明由此运放构成的放大器完全可以放大本系统中 3 0 0 k h z 的信号。 b 。偏置电流低，同时其输入阻抗很高。这样的话当使其与水声换髭器相接 时能够获得很好的阻抗匹配效果，从而不失真的对信号进行放大。 c 。输入失调及温度漂移很小。输入失调电压和输入失调电流的存在，等效 于在输入端增加了一个信号源，也就是等效于在输入信号上叠加了个 小信号。由于这种误差可视为直流误差或变化缓慢的交流误差信号，因 此只是在直流放大器的赢用中，对直流敖大器的精度产生较大影响。丽 水声换能器所接收到的水声信号是交流信号，所以此参数的选择在器件 选择中不是主要考虑因素，但可以作为一个参考。 d 噪声特性好。从其特性可看出它的电压噪声和电流噪声很低。 e 。共模抑制比高。这样可非常有效的抑制共模干扰。 2 放大电路类型选择 在选定了a d 8 0 6 6 集成运放作为设计前置放大器豹有源器件看，需要进 一步选定放大电路的构成方式，放大电路的构成方式有基本的单端输入和差 动比例放大电路两种。所谓差动比铡放大电路就是集成运放的两个输入端同 时加入信号，输出电压将与此两个输入信号电压之差成比例。差动比例放大 电路中有一种典型的同相并联型差动测量放大电路，由于电路的平衡对称结 构，使共模抑制比、失调及温度漂移等产生的误差电压具有互相抵消u 明。本 系统接收换能器阵的输出信号是单端信号，所以选用单端输入放大电路。 电路的设计中如果合理麴设计和使用反馈，便可以达到减少薯参线性失真、 抑制干扰、扩展通频带百增大输入阻抗和减小输出阻抗瞄0 1 。所谓反馈，就是 把电子系统的输出量( 电压或电流) 的一部分或者全部通过一定的电路结构 回送到该电子系统的输入电路，来影响放大电路的实际输入量的一种电路联 结方式。带有反馈的放大电路称之为反馈放大电路。反馈放大电路有正反馈 放大电路和负反馈放大电路h n 。在实际设计应用中，由于正反馈放大电路的 不稳定性所以很少采用，大多数采用负反馈放大电路，因为在电路中通过引 1 7 哈尔滨1 二程大学硕- t 学位论文 入负反馈可以减少非线性失真、抑制干扰、扩展通频带等等优点。本系统放 大电路的设计采用如下图3 5 所示的负反馈放大电路的结构形式，并对其进 行具体的分析。 图3 5 负反馈放大电路结构图 图中，a 是基本放大电路；f 为反馈网络；x 表示输出的信号量，既可 以是电压量又可以怒电流量；彳，是输入信号；x ，是反馈信号；是表示基 本放大电路的输入信号，通常称之为净输入信号。 带箭头的线条表示信号传递瑟方向，从匿中可以看国信号正相传输只通 过a ，反相传输只通过f 。 其中符号。表示两输入信号相 匕较，因为是负反馈电路所以此处表示是 相减，即净输入信号x ；= x ，一x ，。 负反馈的方式从输出端看分为电压负反馈和电流负反馈两种，而从输入 端看又分为并联负反馈和串联负反馈两种，综合两种情况负反馈放大电路的 类型可以分为四种：电压串联负反馈，电压并联负反馈，电流串联负反馈和 电流并联负反馈。串联负反馈方式使输入电阻增大为无反馈的l a f 倍，电 压负反馈使输出的电阻为无反馈的1 ( 1 + a f ) 倍，其中a 、f 分别表示的是基 本放大电路的放大倍数翻反馈网络的反馈系数。根据敖大电路的要求选择邀 压串联负反馈电路作为基本的电路结构形式m 1 。 在选定了集成运放和放大电路的结构形式后，就可以进行前置放大器的 硬件设计了，低噪声设计以及对共模信号的抑制是前置放大器的关键，下面 将具体的分析和设计。 3 低噪声设计 接收换麓器阵接收到的信号的动态范围 爱大，弱信号甚至为微伏级，如 哈尔滨工程大学硕士学位论文 果放大器设计不合理，则放大器自身所产生的噪声就会超过所接收到的弱信 号从而使接收机不能有效的检测出声信号。因此必须对放大器进行低噪声设 计。 a 放大器的噪声模型及噪声系数分析 如图3 6 所示的e 。一，。模型把放大器视为无噪声的有源器件，而将其内 部的噪声源用两个位于输入端的噪声发生器来表示。e 为阻抗为零的电压发 生器，l 为阻抗无穷大的电流发生器。图中还给出了信号源圪，表示信号源 热噪声的热噪声发生器巨，无噪声的信号源内n r 。 r 。 e t 圪 图3 6 放大器的噪卢模型 等效输入噪声： e 三= 霹+ 霹+ c 2 以2 ( 3 5 ) 可以用噪声系数f 来衡量放大器引起的信噪比的恶化程度。噪声系数的 定义是 f = 输入信噪比输出信噪比 ( 3 - 6 ) 当然噪声系数也可以用分贝数来表示。其表示式为： n f ( d b ) = 1 0 l o g ( f ) ( 3 - 7 ) 一个设计性能优越的放大器，是在源热噪声的基础上不增加噪声的放大 器，其f = 1 ，f = 0 。但是在实际应用中，放大器总要使信噪比变坏， 因 而n f 0 。噪声系数与放大器的工作频率、信号源内阻等因素有关系。 理论研究和工程应用表明，电子器件的噪声源主要来自于热噪声、散粒 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 噪声、分配噪声和1 f 噪声。其中热噪声、散粒噪声的功率谱密度在很宽的 频率范围内是均匀的，是一种白噪声。1 f 噪声又称之为闪烁噪声或低频噪 声，它的主要特点是功率谱密度随频率的降低而增大，是与频率的倒数成正 比的。通常在l k h z 以下的频率范围内，1 f 噪声的影响比较严重，而所要 设计的高分辨浅水多波束测深仪的工作频率是3 0 0 k h z ，远远超过了这个频 率，因此可以不考虑该噪声。分配噪声也不是白噪声，它的功率谱密度随频 率的增加而增加，当工作在截止频率时，其分配噪声显著增加，因此设计放 大器时应避免工作在截止频率附近印1 。从上面的分析可知放大器的噪声系数 与工作频率有关，但是由于本系统的工作频率较高，所以可以近似的认为噪 声系数与频率无关。 噪声系数还与信号源内阻r 。有关。尺。有一个最佳值，即最佳源电阻 r 掣，当r ，= r ，叫时，噪声系数最小口1 1 。实验证明： f r 。叫= 争 ( 3 8 ) 一 根据所选用的集成运放a d 8 0 6 6 的e 。= 7 n v h z ，厶= 0 6 f a h z ，所 以r s 倒= 11 6 7 m q 。实际上在制作接收换能器时，其内部的阻抗未必满足该 要求，所以可以采用变压器耦合的方法或在输入端接电阻的方法进行阻抗匹 配，使接收换能器在放大器输入端的等效源电阻等于r 删。 进一步可以计算出等效输入噪声。假设接收换能器的输出阻抗为1 0 q ， 并且假设e 。，。是互相独立且不相关的，则可计算出a d 8 0 6 6 放大器等效的输 入噪声： ( 霹+ ) b ，】l 2 = 1 2 ( 3 9 ) 式中：r 。：信号源内阻，本系统中为接收换能器的输出阻抗。 b 。：放大器带宽，本系统设为3 0 0 k h z 。 从上面的计算可以看出实际的等效噪声是非常小的，满足工程设计的实 际需要，为放大器的低噪声设计提供硬件保证。 b 放大器带宽对噪声性能的影响 噪声总的来说是个随机信号。它由振幅随机和相位随机的频率分量组 2 0 哈尔滨t 程大学颂十学位论文 成。我们常用噪声的谱密度来描述噪声，噪声谱密度就是单位带宽内的噪声， 记为s ( 力，它的单位为v 2 h z ，用频率厂做横坐标，s ( f ) 做纵坐标可以两 出谱密度鼗线。对予酝噪声，s ( 。厂) 是一条水平线。 如果一个谱密度为兹的白噪声通过频率响应为a ，( 厂) 的放大器，则放大 器输出的宽带均方噪声电压露乞为 丘 e 乙。i 么 2 ，肛柚2 矽 ( 3 - 1 0 ) 互 式中 和z 分别是放大器的上限截止频率和下限截止频率，从表达式可 以霉出放大器的带宽五一z 的减少将馒噪声