一种低功耗三维成像声呐接收机设计

徐亮

（第七一五研究所，杭州，310023）

一种低功耗三维成像声呐接收机设计

徐亮

（第七一五研究所，杭州，310023）

针对三维成像声呐的特点，设计了一种应用于三维成像声呐系统中的低功耗接收机；文中给出了该声呐系统中接收机的各电路组成与设计实现，通过电路仿真与测试，最终结果验证了该设计切实可行，满足系统要求。

三维成像声呐；接收机；放大电路

水下三维成像技术是利用声波作为信息传递的载体，以各类声学仪器为成像设备的计算机图象显示及分析技术；其工作原理是利用主动发声设备发射声波，再由接收机接收声波，所接收到的声波中会携带水下目标的信息，最后通过信号处理机可形成一维或多维图像。该技术在水下探测、海底物体识别中发挥着重要的作用，具有广泛的应用前景。三维成像声呐是指能够获得距离、水平、垂直三维空间目标信息的声呐。三维成像声呐可直接获得水下场景的三维图像，立体直观的观察水下目标，提高目标信息获取的速度以及反应速度。

1 整体设计与实现

三维成像声呐采用大深度定深拖曳二维面阵技术，使阵元数和相应的接收通道数大幅度增加，硬件的数量与复杂度相应增加。在保证通道数量与性能的同时，需满足小体积、低功耗、高集成度的要求。接收机主要由放大电路、增益控制电路和滤波电路组成。水下基阵接收到的信号首先经过前放电路放大，然后经过滤波器提取所需要频段信号，再通过增益控制电路对放大量进行实时调控，增益控制信号由信号处理机经过隔离电路接入到增益控制电路，最后通过主放大电路对信号进行补偿放大。三维成像声呐接收机架构如图1所示。

图1 三维成像声呐接收机架构

1.1 放大电路设计

三维成像声呐接收机中的放大电路是针对水下阵元换能器阻抗和灵敏度性能，结合系统对接收信号动态范围的要求而设计的。其中，第一级前置放大电路的噪声直接影响到整个接收通道的信噪比，对接收机噪声性能起决定因素。电路的放大倍数决定接收信号的动态范围，如果放大量过大，容易造成接收信号堵塞。因此应该合理分配通道中前放电路和主放大电路的放大倍数。针对该声呐系统中接收通道数多、电路板密度高的技术特点，对于运算放大器的选型，在保证噪声的前提条件下，应该特别注重低功耗与小封装选型。

此型接收机通道电路的等效输入噪声主要取决于前放电路的噪声系数，前放电路采用超低噪声运算放大器OPA124作为第一级放大电路的芯片，该芯片在频点1 kHz以上的电压噪声谱密度低于8 nV·Hz−1/2，电流噪声低于1 fA·Hz−1/2。在电压噪声谱密度相当的前提条件下，噪声主要取决于电流噪声。

第一级前置放大电路具体如图2所示。电路由二级管CMPD6001S、运放OPA124与电阻组成同相信号放大电路。二极管CMPD6001S是为了防止发射大功率信号瞬间输出的高电压和大电流串入到接收机中，起到对接收电路进行保护的作用。

图2 第一级前置放大电路

主放大电路由低功耗双通道运放OPA2188构成，第一级放大5倍，第二级放大5倍，考虑到信号频率为6～30 kHz，带宽较宽，运放OPA2188在频率10～100 kHz的开环增益衰减略大，因此采用多级放大电路将信号进行放大，确保了电路的放大倍数。放大电路所使用运放的理论噪声参数如表1所示。

表1 运算放大器噪声谱密度

1.2 滤波器设计

滤波器采取运算放大器与电阻、电容组成的有源滤波电路，根据声呐系统的滤波特性，合理选取滤波电路形式，设计电路参数。此型接收机的滤波电路由2片双通道运放OPA2140构成，表1中给出了此型运放的噪声系数。具体电路形式为：滤波电路的第一级由一片双通道运放OPA2140构成截止频率fc为6 kHz的四阶巴特沃斯高通滤波电路；第二级由一片运放OPA2140构成截止频率fc为30 kHz的四阶巴特沃斯低通滤波电路；两级滤波节构成了6～30 kHz的有源带通滤波器，通过电阻电容参数的设计匹配确保了接收机的工作频响特性。在电路实现过程中，通过选用贴片的封装形式减小体积，在滤波电路和放大电路中选用误差范围为±1%的高精度COG贴片电容与贴片电阻，保证了滤波电路的滤波性能，减少了元器件的离散性给电路带来的性能影响，确保了多通道的一致性。

1.3 增益控制电路设计

增益控制电路的实现由电阻衰减网络和八选一多路选择开关ADG408构成，采用简单的并行控制，操作方便、切换时间快，减少电磁干扰，其开关芯片ADG408的实现机理是：在两位增益控制码（A1、A0）的控制下可以实现0～24 dB的衰减，每步进约8 dB，增益控制码由信号处理机提供；为了减小其它数字电路带来的干扰，电路设计中采用了光耦TLP291对增益码控制信号进行隔离，确保了电路的程控增益控制。电路如图3所示，增益控制码对应的增益如表2所示。

图3 增益控制电路

表2 增益控制码对应的增益

2 低功耗设计

接收机中通道数多，每个通道的电路结构都是相同的，在进行电路的设计过程中，首先尽可能的选取低功耗芯片，同时还需保证电路的性能；接收机的主要功耗为放大电路和滤波电路中所使用的运算放大器的功耗，尽可能减少使用运算放大器的个数，合理利用通道数量，有效整合通道资源。接收机选用的芯片在直流±5 V供电时的电流参数如表3所示，总电流约12.5 mA，考虑到其它元器件的功耗，每通道的电流不会超过15 mA。

表3 接收机中单通道电路使用的芯片电流

3 仿真与测试结果

3.1 频响仿真与测试结果

将所设计的单通道电路进行仿真，得到接收通道的频响曲线如图5所示。

图4 接收机通道的频响仿真曲线

接收机工作频带为6～30 kHz，最大增益在频点15 kHz处，约为54 dB，边频点6 kHz处的增益约为53.5 dB，30 kHz的增益约为53.2 dB，带内起伏≤1 dB；频点3 kHz处的增益约为37 dB，衰减17 dB；频点60 kHz的增益约为36 dB，衰减18 dB，可满足达到声呐系统带外一倍频衰减＞12 dB、带内起伏≤2 dB的频响特性。

3.2 噪声仿真

为了满足系统对电路噪声的指标要求，在电路设计中均选用了低噪声运放。按照每级电路所使用的运算放大器，将电路噪声进行仿真估算。接收机通道电路的等效输入噪声主要取决于第一级放大电路的噪声系数，采用超低噪声OPA124运放作为第一级放大电路的芯片，OPA2140和OPA2188的噪声指标也非常低。