鉴频式水声接收机的设计及特性研究＊

2013-08-29张文照肖昌润

舰船电子工程 2013年8期

张文照肖昌润

（1.海军工程大学舰船工程系武汉 430033）（2.海军后勤技术装备研究所北京 100072）

1 引言

水声定位系统是潜艇自航模试验必需的测量系统，其任务是实时获取自航模在水下的位置，了解自航模的运行状况。TOA 定位系统是水声定位系统中最常见的一种。该系统的基本原理是通过测量发射换能器所发出的水声信号传播到多个不同基站所需的时延，从而进一步解算得到发射换能器的位置。对水声信号传播时延的测量首先需要对接收换能器所采集到的模拟信号予以检测，判断发射换能器发出的声信号是否已经到达接收换能器。传统的鉴压式信号检测是基于电压比较电路工作的，其基本原理是比较水声接收换能器采集到的电信号是否超过预先设定的门限电压从而完成对水声信号的检测［1～2］。由于传播信道对水声信号的衰减及多途影响，接收换能器采集到的水声信号会表现出动态范围大及时域波形畸变的特点，在此情况下，鉴压式的水声接收机往往不能正常工作。随着计算机和数字信号处理技术的迅猛发展，利用单片机、PC 机或DSP来实现可编程的程控放大器，实现信号检测功能已日趋成熟。但是，对于TOA 这一单一工作频率的水声定位系统来说，这势必造成产品成本提高、技术复杂化和装备、设备庞大及操作管理不便等缺点。单纯的利用高性能运放及普通的电子元器件设计满足精度要求并且结构相对简单的接收机对于自航模试验而言才是较为可行的方案。本文从信号的频域特性出发，应用锁相环电路实现了对单一频率水声信号的检测，设计了一种鉴频式水声接收机，通过测距试验验证了其在大动态范围下工作的有效性，并对其特性做了一些讨论。

2 TOA水声定位系统及鉴压式接收机简介

2.1 TOA 水声定位系统简介

TOA 定位系统的基本构成主要包括水声发射机、水声接收机、水声换能器、GPS同步钟、信号采集卡、计算机以及输出设备等。基本原理是通过测量发射换能器所发出的水声信号传播到多个不同基站所需的时延，从而进一步得到发射换能器的位置。该方法在保证对时精准的前提下，可以得到比较精确的定位坐标。试验开始前，两个同步钟均由GPS卫星统一授时，并对其自身的振荡器作精准校准，以保证其在脱开GPS连接后所发出的秒脉冲能够与GPS时标完全重合，从而实现两个同步钟的完全同步。试验开始后，由岸基同步钟发出的秒脉冲触发采集卡上的计数器开始工作。与此同时，由艇载同步钟发出的秒脉冲触发水声信号发出。当接收部分侦测到该水声信号之后，水声接收机发出脉冲信号触发计时器停止工作，并将计时结果传输给计算机，从而完成对声波传播时延的测量。水声定位系统时延测量原理如图1所示。

2.2 鉴压式水声接收机基本工作原理及缺点

鉴压式水声接收机工作的基本原理是通过预放大、鉴频放大、低通滤波及积分包络将接收换能器采集来的信号整形为原始信号的包络放大线的形式，并通过电压比较器对整形后的信号予以检波，当信号幅值大于预先设定的门限电压时，接收机输出一个脉冲驱动计算机采集卡计时器停止工作。图2给出了鉴压式水声接收机的工作框图。

图1 水声定位系统时延测量原理

但是由于水声信号在距离上的衰减十分显著，因此要求水声接收机工作的动态范围十分大，这便对接收机预放大倍数的设置提出了很高的要求，在实际的自航模试验中，往往由于预放大倍数设置的不合理导致水声定位精度十分粗糙。另外，由于水声信道多途相干性，输出信号包络线上升沿的斜率会被钝化，钝化的程度也应取决于声信号传播的路径。由于传播路径是未知的，因此仅仅采用电压比较来判定声信号到达时间存在着很大的不确定性，这种不确定性更会加剧水声定位系统精度的降低。为了克服鉴压式水声接收机的缺点，本文从信号的频域出发，设计了鉴频式水声接收机，通过对接收信号频域的处理来实现水声信号的检测。

图2 鉴压式水声接收机的工作框图

3 鉴频式水声接收机的设计

3.1 鉴频式水声接收机工作基本原理

鉴频式水声接收工作基本原理是，通过输入耦合和AGC 自动增益将接收换能器采集得到的信号调整到LM567输入电压幅值范围内，通过LM567对放大之后的信号做鉴频处理，当捕捉到发射换能器所发出频率为50kHz的信号后，LM567输出低电平，出发延迟器进入暂稳态过程，输出一个时长为Td的高电平，在经过后续的脉冲产生电路输出驱动电脑采集卡上计时器关闭的脉冲信号。图3给出其工作原理的框图。由于输入耦合以及脉冲信号产生电路与传统的鉴压式接收机工作方式相同，因此，本文不再赘述，下面就AGC自动增益、鉴频处理以及延迟电路的设计做一个详细的介绍。

图3 鉴频式水声接收机工作框图

3.2 AGC自动增益电路

接收机动态范围DR（Dynamic Range），是指接收机能够接收检测到的信号功率从最小信号MDS到接收机输入1－dB压缩点之间的功率变化范围，是接收机最重要的性能指标之一。在自航模试验中水声接收机动态范围可以达到120dB，在这样苛刻的工作条件下，如何保证接收机正常工作是一个需要解决的问题。而应用AGC 自动增益电路是解决这一难题的有效途径。通过AGC自动增益电路，可以实现接受端距发射机较远时所接收到的微弱信号的大增益和较近时所接收到的强信号的小增益甚至衰减，来保证后续鉴频电路一直处于正常工作电压范围内。AGC 是一个直流电压负反馈系统，控制信号代表信道输出幅度检波后的直流值与参考电压之间的误差值，若输入信号幅度变化，则控制信号也随着变化，其作用是使误差减小到最小值。本文设计的AGC电路中变增益放大或电调衰减通过宽带、增益连续可变的电压控制放大器VCA610 实现，DC放大器则由OPA620实现，图4给出了其电路图［6］。

图4 本文AGC电路设计图

电路中OPA620的功能起到一个比较器的作用。R102和R103一方面给控制电压VC提供静态工作电压，另一方面作为C104的放电电阻；C104为放电电容；R104作为C104的充电电阻；D101 是一个检波二极管，它是多普勒信息处理中最常用的；C105起到相位补偿作用。参考直流电位Vr是通过R107，R108，Rw101分压得到，用来控制输出电压的V0的幅值。

图5 VCA610增益特性

其工作原理如下：静态工作时，负电压－VS通过电阻R102 和R103 给放电电容提供静态工作电压－2.0V，使VCA610 以最大的放大倍数38.5dB 对输入的弱小信号进行放大。当VCA610输出信号的单峰值大于参考直流电位VR 时，OPA620输出高电位，使D101导通，电流通过充电电阻R103给充放电电容C104充电，使CH 电位升高，控制VCA610的放大倍数减小（VCA610放大增益曲线见图4），直至VCA610 输出信号的单峰值等于参考直流电位Vr。当VCA610 输出信号的单峰值小于参考直流电位Vr时，OPA620输出低电位，使D101截至，充放电电容CH 通过放电电阻R1 和R2 放电，使CH 电位降低，控制VCA610的放大倍数增大，直至VCA610 输出信号的单峰值等于参考直流电位VR。可以通过调节充电电容C104 和充电电阻R103以及放电电阻R104 来控制整个增益调整速度的快慢。为了滤去直流电源中交流分量的影响，在电路的电源支路加上了隔直电容C101，C102，C103，C106，C107。

3.3 鉴频处理电路

鉴频处理是通过LM567 通用锁相环电路实现的。LM567是一种常见的低价解码集成电路，其内部结构如图6所示。LM567内部包含了放大器、电压控制振荡器VCO、积分鉴相器（I鉴相器）和正交鉴相器（Q 鉴相器）等部件。基本原理是通过外设的RC振荡电路和环路滤波电容驱动VCO以产生一定频谱纯度和相位的振荡信号，并将其和3脚输入的信号一起交给两个鉴相器作比较，当输入信号与VCO 振荡信号频谱纯度和相位一致（即输入的信号的频率落在VCO自由振荡频率f0附近的带宽BW 范围内）时，通过输出滤波电容输出一个低电平，不一致时输出高电平［7］。根据相关资料，本文涉及的鉴频处理电路如图8所示。

图6 LM567内部结构

图7 LM567带宽控制规律

图8 鉴频处理电路

图8中，RW301、R302和C304按照式（1）的关系来控制VCO 输出信号的自由振荡频率（即无外加控制电压时的振荡频率）。

环路电容C302按照式（2）的关系带宽BW。

式（2）中，ui为输入信号的幅值，20mV＜ui＜200mV，可以通过上一小节介绍的AGC 电路的参考电压Vr控制输出。减小带宽可以提高整个测时系统的精度，但是会增加系统的延迟。C303同样是为了消除直流电压VS中的交流分量的影响而加入的隔直电容。

3.4 抗多途效应的延迟电路

由于水声信道的多途性，在一个采样周期内，接收换能器会多次接收到发射换能器所发出的同一个信号，鉴频电路也会多次输出低电平，除了第一次输出的低电平外，其余的输出均为杂波干扰，不应该输入后续计算机采集卡。本文采取一个延迟器，在捕捉到某个时刻发射机发出的水声信号后，延迟器进入暂稳态过程，输入的电平将不再起作用，直至暂稳态过程结束。该延迟器由555电路实现，图9给出了该延迟器电路的电路图。由于自航模运动速度不会大于2m／s，试验场声速不会大于1600m／s，两个相隔采样时刻接收机捕捉得到的水声信号之间的时间间隔t＞T－2／1600（T为水声定位系统的采样周期），因此延迟电路的暂稳态过程持续时间Td可以设置为T－2／1600。

图9 延迟电路

延迟电路的工作过程可以描述为：当锁相环电路未捕捉到发射换能器发出的信号时，延迟器的输入为高电平，电路处于稳态，输出为0。锁相环捕捉到信号之后，延迟器输入为低电平，电路立刻进入暂稳态，输出跳转为高电平。一直持续到Td时刻C501充电完毕，电路再次进入稳态，输出立刻翻转为0。

4 测距试验验证

4.1 测距试验步骤

为了能真实体现出本文设计的鉴频式水声接收机的工作特性，本文所进行的测距试验是在自航模试验现场水域开展的。试验中，将水声发射换能器与接收换能器放置在相同水深处的两个固定点上，通过GPS测量两点的水平距离，用计算机采集软件测量并记录一段时间内水声信号传播的时延值，之后改变发射换能器的位置，重复以上步骤。为了加大测试信号的动态范围接收机的影响，每个测试点都分别测量了发射机工作电压为12V 和24V的两种情况。